基于灰色关联分析法的小流域水生态环境综合评价研究——以南河小流域(邛崃段)为例

王志凯，毛晓月，许 瑶，田晓刚

(四川省生态环境科学研究院，成都 610041)

前 言

小流域的概念尚无统一的标准。Black[1]在《流域水文学》中把河道和地下水储量对洪峰水量影响不大的流域称之为小流域，而王礼先[2]在《流域管理学》一书中将小流域定义为面积小于100 km2的流域。我国小流域面积通常以100 km2为限。

随着小流域所在区域的经济快速发展，小流域水生态环境问题日益突出，从小流域所在区域社会可持续发展角度出发，对小流域水生态环境现状进行分析、掌握小流域水生态环境状况与人类活动之间的关系以及探究影响小流域水生态环境的重要影响指标势在必行，同时，也可为政策决策者提供充足的理论依据。

目前，国内外学者对流域水生态环境综合评价研究多集中在水环境质量、生态环境质量和生物指示物种三者之间的单一评价和两两组合评价。鲜有将三者利用分析方法对小流域水生态环境进行全面的综合评价。灰色关联分析法(Grey relational analysis, GRA)作为灰色系统理论中一个分支，具有形式简洁，计算方便等特点[3]，是被广泛用于各个领域的评价方法[4]，而选取此方法对小流域水生态环境进行综合评价也少有报道。

本文以邛崃境内南河小流域为例，利用灰色关联分析法对南河小流域(邛崃境内)从水环境质量、水生生态以及水生生境3个方面进行综合评价，以期为南河小流域水生态环境管控提供决策支持。

1 研究区域概况

南河小流域(邛崃段)位于成都平原西南部的邛崃市，介于东经102°54′～104°53′、北纬30°05′～31°26′之间，多年平均气温为16.3℃，平均降水量为1 117.2mm，流域内自然资源丰富，木本植物共计93科438种，野生动物共计3纲22目43科51种，鱼类共计4目13科35属。南河小流域属岷江水系，发源于邛崃市境西南部的天台山和镇西山，上源有支流两条，左为文井江，右为白沫江，于水口镇齐口处河流后始称南河。南河左岸支流主要有来自大邑县的江河、斜江河以及由排灌形成小南河，右岸支流主要为来自蒲江县的蒲江。南河于白鹤乡境出山谷后进入平原，于黄塔村东出境进入新津县，注入岷江。

2 研究方法

2.1 采样布点

根据2018年10～12月对南河小流域开展的实地踏勘、资料收集，根据小流域内的环境压力、社会经济情况，结合海拔、河流水系、行政区划等基础地理信息数据，在南河小流域(邛崃段)内选取了15个采样点位，编号为S1～S15，点位分布图如图1所示。

图1 南河小流域采样点位分布Fig.1 Distribution of sampling spots in small basin of Nanhe river

2.2 样品采集

在15个采样点位(S1～S15)分别进行水生生物及水质采样。

2.2.1 水生生物采样

水生生物采样分为定性采集和定量采集两种，采样物种包括浮游植物、浮游动物和大型无脊椎底栖动物。定性采集用以观察鉴定种类，采样范围更广，定量采集用以计数，采样范围固定，具体采样方法如下：

(1)浮游植物、浮游动物的采样方法大体相同，其定性和定量采集均使用25号浮游生物网采集，采集后加入10mL哥鲁氏液固定、静置沉淀48h后，将样品浓缩至30mL后取0.1mL于0.1mL计数框内，在显微镜下按视野法计数2次取平均值并鉴别种类。

(2)底栖动物定性采样方法也通常采用浮游生物网采集，将样品放入50mL样品瓶中，加福尔马林液2.5mL进行固定，定量采集则采用2 500mL采水器在不同水层中采集一定量的水样，经充分混合后，取10L的水样用25号浮游生物网过滤后，将样品放入50mL样品瓶中，加2.5mL福尔马林液进行固定。将采集到的定量样品分别浓缩到10mL，摇匀后取1mL置于以1mL的计数柜中，盖上盖玻片后在4×10倍的显微镜下全片计数，每个样品计数10片，在解剖镜下将不同种类挑选出来置于载玻片上，盖上盖玻片后用压片法在显微镜检测种类。

2.2.2 水质采样

在各采样点分别取1 000mL水样参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中地表水监测方法，在实验室中分别测定各样品中的化学需氧量、氨氮、总磷。

2.3 生物多样性指数

根据水生生物中浮游植物和浮游动物的采样结果，本文选取Shannon-Weiner指数模型进行对浮游植物、浮游动物和底栖动物的生物多样性进行分析，计算模型如下，分析计算在PAST 3.0中完成：

(1)

式中：ni——第i个种的个体数目；

N——群落中所有种的个体总数。

Shannon-Weiner指数评价标准[5]见表1。

表1 Shannon-Weiner指数评价标准Tab.1 Shannon-Weiner index evaluation standard

2.4 水生境分析

郑丙辉等借鉴了Barbour于1996年提出的栖息地评价指标，在其研究基础之上建立了一个涵盖物理结构、水量与水质等多种特征的栖息地评价指标体系，为多项水生境指标赋予分值，以反映河流水生境的质量状况。本文参考郑炳辉的栖息地评价指标体系，选取生境复杂性、河水水量状况、植被多样性、人类活动强度、河岸土地利用类型5个指标对南河小流域(邛崃段)的水生境进行评价，评价标准见表2。

表2 水生境评价指标与评价标准Tab.2 Evaluation index and standard of water habitat

2.5 数据归一化

为消除由评价指标物理量量纲不同带来的影响，在评价之前需将样本矩阵中各指标无纲量化处理。本文采用线性插值法的标准化方法对原始数据进行无量纲处理。

一般情况下，所有指标可划分为逆向指标和正向指标等[6]。

正向指标是指数值越大越好的指标，其归一化方法：

(2)

负向指标是指数值越小越好的指标，其归一化方法：

(3)

式中：Xij为指标xij无量纲化的数值，xij为j列xi指标原值，xjmin为j列中指标原值的最小值，xjmax为j列中指标原值的最大值。

2.6 灰色关联分析

灰色系统理论提出对各系统进行灰色关联度分析的概念，灰色关联度是以因素之间发展趋势的相似或相异程度作为衡量各系统因素关联程度的一种方法。通过灰色关联度分析，认为两个系统因素变化的态势是一致的，即同步变化程度较高，则两者关联度较大；反之，则两者关联度较小。

设有n个对象，每个对象有m项指标，对评价指标数据进行归一化处理，归一化后的数据为x1，x2，……，xm=[xi(1)，xi(2)，……，xi(n)]，i=1,2……m。令x0为比较数列，则x0与xi关于第k个元素的关联系数[7]为：

第1节分析了云计算中信任面临的问题及挑战，对本文提出的SLA-Trust模型进行了概述；第2节对现阶段云计算中信任计算的相关研究进行了概述；第3节对SLA-Trust模型进行了设计与实现；最后对本文进行了总结，并对未来的研究热点进行了展望。

(4)

(5)

(6)

式中：ρ为分辨系数，取值区间为[0,1]。

第i个参考数列与比较数列的关联度为：

(7)

式中：γi为第i个参考数列的关联度。

3 分析与讨论

3.1 评价指标的确定

各评价子系统可参评的指标因子很多，考虑到数据的易获取性，结合现场踏勘和南河小流域断面例行监测数据，本文选取评价指标如下。

3.1.1 区域水环境质量评价

3.1.2 区域水生生态质量评价

①浮游植物多样性指数B1、②浮游动物多样性指数B2、③大型底栖动物多样性指数B3：比较数列标准值按照蔡立哲[5]多样性指数评价法中最优指标计取，参考数列中各指标数据根据采样结果计算香农-维纳指数。

3.1.3 区域水生态质量评价

①生境复杂性C1、②河水水量状况C2、③植被多样性C3、④人类活动强度C4、⑤河岸土地利用类型C5：比较数列标准值按照郑丙辉[8]河流栖息地评价方法中最优指标计取，参考数列中各指标数据根据现场踏勘，结合河流栖息地评价法进行打分获得。

综合评价指标体系见表3。

表3 南河小流域水生态环境综合评价指标体系Tab.3 Comprehensive evaluation index system of water ecological environment in small basin of Nanhe river

3.2 关联系数和关联度的计算

对比较数列和参考数列进行无量纲化处理后，利用公式(4)～(7)进行关联系数和关联度的计算，其中分辨系数ρ取0.5[9-10]，各指标权重采用平权处理，由式(4)～(6)计算可得灰色关联系数矩阵

由式(7)计算可得灰色关联度Υ=(0.8107,0.6213,0.6454,0.6186,0.4570, 0.6403,0.5926,0.6024,0.6173,0.5483,0.5077,0.4071,0.5091,0.5447,0.5704)。各采样点关联度排序如图2所示。

图2 南河小流域水生态环境综合评价关联度排序情况Fig.2 Sorting of correlation degree in comprehensive evaluation of water ecological environment in small basin of Nanhe river

由南河小流域各采样点灰色关联度排序情况可知，文井江、白沫江、江河水生态环境良好，其中文井江上游河段关联度最高可达0.810 7，究其原因，文井江、白沫江为邛崃水系的发源河流，与江河同受生态环境压力相对其他河段少，人类活动程度较低，大部分河段仍然保留天然的河流形态，生态功能相对健全。

而小南河、石头河、蒲江、斜江河、南河下游水生态环境相对较差，其中小南河上游河段关联度最低为0.407 1，究其原因，这些河段多位于人口较为集中区域，受人类影响程度较大，流域内河道硬化、畜禽养殖、农田种植以及工业企业的广泛分布导致河流水质恶化，水生态功能出现不同程度的下降，水生态环境较差。

4 结 论

4.1 本文利用灰色关联模型结合数据的易获取性，从河流水质、水生生态、水生境3方面共选取了11项指标对南河小流域水生态环境进行了综合评价，评价结果达到预期成果，对区域水生态环境进行综合评价基本可行。

4.3 在下一步的研究中，需要进一步对指标的选取和筛选进行研究；对于各指标加权建模，使评价结果更具说服力。