基于物元可拓原理的河流健康评价体系

史卫东

(甘肃省定西水文站，甘肃 定西 743000)

河流是地表水循环的一种重要形式，往往是维系一个生态系统的关键，具有重要的生态价值和社会价值，健康的河流是人类进行生产生活的前提。随着社会的发展，人类对河流的开发程度也随之提高，水电能源开发、河流资源开采以及污染物排放对河流健康造成了严重的损害，威胁着生态系统的稳定。为此，人们提出了“健康河流”概念，并开展了许多恢复河流健康的实践研究[1-3]。

因此对河流进行健康评价十分必要。河流健康评价方法从评价原理方面可分为预测模型法及多指标评价法[4]。预测模型法通过对比理想环境下经验模型的预期值与参考点的差异进行评价，比较典型的方法有AUSRIVAS和RIVPACS等。但其对河流健康评价存在局限性，不能完整反映河流生态系统的真实情况。多指标评价法是目前国内外研究使用的普遍方法，通过对能够反映河流生态特征的多种指标进行打分，并利用不同的权计算方法进行总分计算。常见的多指标体系有美国快速生物监测协议(RBPs)、英国的河流生境调查(RHS)、澳大利亚的溪流状况指数(ISC)等[5-9]。国内对河流健康的研究起步较晚，但也有不少学者利用模糊矩阵法、组合赋权法、集对分析、灰色聚类模型等方法对河流健康进行了评估，为发展河流健康评价体系做出了重要的贡献。但河流健康系统是一个复杂的系统，现有的评价体系中包含河流物理、化学、生物等各种特征指标，而各指标中存在的模糊性以及各单项特征指标之间存在不相容的问题，是进行河流健康评价中必须要考虑的问题[10-13]。

因此，本研究结合《河湖健康评估技术导则》(SL/T 793—2020)，针对渭河流域甘肃段河流近年来水资源过度利用、水文特征变化明显、水生生物量锐减等问题，选用河流形态、水文、水环境、水生生物、陆生生物5类评价参数，运用物元可拓原理建立多层河流健康评价体系，对渭河干流甘肃段进行健康评价，并通过对比验证了该评价体系的优越性。

1 物元可拓评价体系

本研究的总体思路是将影响河流健康的所有因子，分为河流形态特征、水文特征、水环境状况、水生生物状况、陆生生物状况5类评价参数，并作为五大类型层，每类参数选取重要的影响因子，按照物元可拓原理和加法合成原理相结合的方式分别进行评价。然后采取专家打分的方法确定影响因子对河流健康的贡献值，以各影响因子的贡献值作为影响系数，应用物元可拓原理进行综合评判。最后得出很健康、健康、亚健康、不健康、病态5种河流健康水平评估结果。

1.1 物元可拓原理

1.1.1 物元建立

本研究中评价等级用N表示，N的评价参数记作C，关于C的量值记作X，则三元有序组R=(N，C，X)，称为物元。设有n个评价等级N1，N2,…,Nn，若等级Ni的特征指标有多个，用c1，c2,…,cm表示，其经典域用Xi1，Xi2,…,Xim表示，则该评价等级表示为[14]

i=1,2,…，n;Xim=(aim,bim)

(1)

式中:aim、bim分别为各等级取值范围的下限及上限。

建立物元Rp，取Rp⊃Ri，Xpm=(apm,bpm)，Xpm所取的量值范围即为Ni关于评价指标cm的节域。其中经典域参考各评估指标的年度历史资料平均值的最小值及最大值来确定；节域参考各评估指标历史资料的最小值及最大值来确定，经典域是将所有的值都作为参考来取平均值，而节域只是取出一组数据里的最大值和最小值。

1.1.2 权系数

应用专家打分法确定权系数的取值。专家打分法是根据专家的经验进行权重赋值，含有一定的主观因素，但具有丰富经验的专家能够根据实际需求给出更为合理的权重系数。

1.1.3 关联函数的计算

第i个指标对应第j种健康等级的关联度表达式为

(2)

式中：|Xji|=|aji-bji|。

其中D(Xi,Xji)为某一点Xi与对应特征向量的有限区间[a，b]的距，计算方式为

i=1,2,3,…,n;j=1,2,3,…,m

(3)

式中：Xi，Xji，Xpi分别为河流健康评价物元的量值、经典域物元的量值范围和节域物元的量值范围。

1.1.4 综合关联度和评价等级

待评事物N的综合关联度公式为

(4)

式中：Kj(N)为待评物元的综合关联度；λi为各评价因子的权系数。

利用等级评价的方法，可计算实测指标确定等级：

(5)

式中：j*为实测指标的最终评价等级指数，即可拓指数。

1.2 加法合成原理

采用加法合成，计算公式为

(6)

式中：ji为第i种类型的评分值；v为河段个数；ωi为第i河段的河长占总河长的比例；xi为第i河段的评分值。

2 河流健康评价体系构建

2.1 研究区概况及数据来源

渭河上游甘肃段主要指渭河的源头至甘肃和陕西交界之间的渭河干流区域。该流域多年平均降水量为515.1mm，最大年降水量约为711.0mm，最小年降水量约为339.0mm。流域多年平均气温8.7℃，最高气温10.1℃，最低气温7.6℃，气温分布由南向北、由西向东递增[15-16]，流域水系见图1。

图1 渭河流域(甘肃境内)水系、站点以及水利工程示意图

本研究依据各项评价指标，对渭河干流甘肃境内河段相关资料进行了收集整理，包括渭河干流水文站北道站的1956—2010年共55年的水文资料、渭河流域水功能水质监测资料、1982—2018年共37年的河流遥感影像数据、水生生物的现状资料(2016年3月25日至4月14日为期20天的现场采样调查资料)。

2.2 河流健康评价指标体系及计算

2.2.1 权系数的确定

本次专家权重打分表共10份，表1中权重值为其算数平均值。由表1可以看出，在指标体系第2层的五大类型指标中，重要性按水环境状况、水文特征、水生生物状况、河流形态特征、陆生生物状况依次降低，即水质、水量最重要。这与“河流健康的核心是有相应足够而洁净的河川径流”的理念完全一致，说明此次打分得出的权重值合理且可信。

表1 打分权重值及其归一化汇总

2.2.2 分级标准

将五大类型健康指标均处理为与表2的分级标准相一致再进行评价。

表2 五大类型健康指标等级分级标准

2.2.3 河流形态特征评价

利用水文统计资料和遥感资料对渭河干流形态健康进行评价。评价体系拟定分为目标层、状态层和指标层3个层次。目标层是对渭河干流形态健康评价指标体系的高度概括，表示渭河干流流域健康状况的总体综合水平；状态层是对河流各项功能状态的具体分述，包括河流形态结构和河岸带状况两个状态指标；指标层表示各个状态指标的不同要素，反映渭河干流特点。据此，渭河干流(甘肃境内)形态健康评价指标体系由6个指标组成，见表3。

表3 渭河干流(甘肃境内)形态健康评价指标体系结构

河流形态综合评分包括指标层评分、状态层评分和目标层评分,归一化后，1～5级标准对应的取值范围为经典域R01～R05，节域Rp根据经典域及实测数据的取值范围来确定。经典域R01、节域Rp为

(7)

(8)

综合关联度计算结果见表4。

表4 河流形态综合关联度

结合给定的评价方法，对渭河干流(甘肃境内)河段从指标层到目标层自下而上进行评价，评价结果见表5。

表5 渭河干流(甘肃境内)河流形态健康评价结果

2.2.4 水文特征评价

水文特征评价中，河川径流是其他影响因素的综合体现，因此本文选择河川径流变差系列倾向率作为指标，其评分值采用如下处理：

j=ji-[(ai-x)/(ai-bi)]i=1,2,3,4,5

(9)

式中：j为该项评分值；ji为实际径流变差系列倾向率所处等级；ai为该等级上限；bi为该等级下限；x为实际径流变差系列倾向率数值。

通过式(9)计算得到的渭河干流水文特征评价分值为1.9，属不健康等级。

2.2.5 水环境状况评价

根据所收集的整个渭河上游干流的水环境状况资料，进行水环境状况评价，按照河流水质类别对应河流健康评价指标的方法，可以确定为Ⅰ类水质属很健康、Ⅱ类水质属健康、Ⅲ类水质属亚健康、Ⅳ类水质属不健康、Ⅴ类以上水质属病态，评分值分别记为0.5、1.5、2.5、3.5、4.5。不同河段水质类别不同，因而采用加法合成原理，用式(8)对综合考虑河长和相应的水质类别进行计算和转换，具体结果见表6。

表6 水环境状况评价

对小者为优的水质状况指标而言，评分值按下式处理:

(10)

式中：ji为评分值；xi为未归一化的标准值；xv为第5级标准值。

2.2.6 水生生物状况评价

通过调查渭河干流的自然概况、人为因素干扰概况、水生生物和水生生态保护概况、外来物种入侵概况，并收集整理渭河干流的水生生物历史资料，开展渭河干流的水生生物现状调查监测和分析，并结合历史资料和现状调查监测结果，对渭河干流的河流水生生物健康状况进行评估。水生生物状况有4个指标，健康等级分为病态(差)、不健康(劣)、亚健康(中)、健康(良)、很健康(优)5个等级，评分值分别按照0.5、1.5、2.5、3.5、4.5计算。各河流水生生物状况指标评分及归一化情况见表7。

表7 水生生物状况指标评分及归一化

采用物元可拓原理进行评价，归一化后，1～5级标准对应的取值范围即为经典域R01～R05，节域Rp根据经典域及实测数据的取值范围来确定。经典域R01、节域Rp为

(11)

(12)

综合关联度和可拓指数计算结果见表8。由表8可看出，渭河干流评分为2.7，属亚健康。

表8 水生生物综合关联度及可拓指数

2.2.7 陆生生物状况评价

陆生生物状况评价采用陆生植被覆盖度作为指标，采用像元二分模型估算植被覆盖度：

(13)

式中：Ci为植被覆盖度；NDVImax为接近纯植被像元的NDVI值；NDVImin为接近裸土时的NDVI值。将计算出的植被覆盖度划分为不同等级：小于0.1为极低植被覆盖度，评分值定为0.5；0.1～0.3为低植被覆盖度，评分值定为1.5；0.3～0.5为中等植被覆盖度，评分值定为2.5；0.5～0.7为中高植被覆盖度，评分值定为3.5；大于0.7为高植被覆盖度，评分值定为4.5。

采用加法合成原理，按照式(6)进行计算，具体结果见表9。由表9可知，渭河干流评分为2.1，属亚健康。

表9 陆生生物状况评价

2.3 渭河流域健康综合评估

渭河干流(甘肃段)健康综合评估采用物元可拓原理，综合考虑五大类型层健康状况，得出河流健康最终结论。五大类型层指标评分及归一化结果见表10。

表10 渭河干流(甘肃段)五大类型指标及归一化

归一化后，1～5级标准对应的取值范围即为经典域R01～R05，节域Rp根据经典域及实测数据的取值范围来确定。经典域R01、节域Rp为

(14)

(15)

综合关联度和可拓指数计算结果见表11。由表11可知，渭河干流评分为2.7，属亚健康。

表11 渭河干流(甘肃段)健康综合评价综合关联度及可拓指数

2.4 结果对比

为验证本评价体系的合理性和可行性，对比以下两种方法计算的结果。

a.以物元可拓原理和加法合成原理相结合为基础，各层指标权重采用专家打分方式取得，评价结果见表12。

表12 渭河干流(甘肃段)健康评价结果(专家打分法求权重)

由表12可知，本评价体系最终河流健康综合评分为2.7，属亚健康。五大类型层中，评分由高到低依次为河流形态特征(健康，3.7)、水生生物状况(亚健康，2.7)、陆生生物状况(亚健康，2.1)、水文特征(不健康，1.9)、水环境状况(不健康，1.6)。该模型处理方法突出了水文、水环境、水生生物对于河流健康的重要性，降低了陆生生物状况的重要性，较为客观地反映了渭河近年来河川径流持续减少、水质水污染严重的实际情况。

b.各层指标评分由下层指标采用算术平均法计算得到，评价结果见表13。

表13 渭河干流(甘肃境内)健康评价结果(算术平均法)

算术平均法计算得到的渭河干流河流健康综合评价评分为2.1，属亚健康，健康程度低于本评价体系得到的结果。算数平均法采用等权重，且未考虑到每个指标的评分与各等级之间的关联度，因而最终结果较为粗糙。五大类型层中，评分由高到低依次为河流形态特征(健康，3.4)、陆生生物状况(亚健康，2.1)、水文特征(不健康，1.9)、水环境状况(不健康，1.6)、水生生物状况(不健康，1.6)。水生生物状况评分受两栖类资源指标0分的影响，被划入不健康等级，但渭河干流历史上两栖类资源匮乏，算术平均法模型放大了该指标的影响，不能全面地反映河流健康的实际情况。

通过分析，可以看出基于物元可拓的河流健康评价体系结果更符合渭河实际情况，主要原因为渭河干流水生态状况中两栖类资源指标等级为0，算术平均法结果放大了该指标的影响，而本文中所采用的物元可拓方法均衡了各指标的影响，从渭河干流历史上两栖类资源匮乏的角度来讲，物元可拓法在这类问题上的处理更优。

3 结 语

本次研究选用五大类能够较好体现渭河流域甘肃段河流实际情况的评价参数，运用物元可拓原理建立了一套河流健康评价体系，根据55年的水文资料和20天的现场采样数据，对渭河流域进行了综合评估，并对两种评价方法进行了对比。结果表明：渭河干流的五大类型评估中，水文特征、水环境状况评价为不健康；水生生物状况和陆生生物状况评价为亚健康，河流形态特征评价为健康；综合河流健康评价结果为亚健康。相对于基于算术平均法的河流健康评价体系，本研究建立的评价体系更为优越，可为广泛开展河流健康调查提供基础数据和决策依据。但在各类指标权重确定时如何保证精确合理，避免人为因素影响将是需要进一步研究的课题。