基于AHP-模糊综合评价法的渭河河流健康评价

夏小强 张乐 要丽娟 李珂 李琦

摘要 河流健康评估为河流可持续发展提供了依据，渭河作为黄河的一级支流，其生态健康对于黄河高质量发展具有重要意义。为全面评价渭河流域的健康状况，选取物理栖息地状况、水质状况及水生生物状况3个准则、11个指标，建立渭河生态健康评价标准，采用层次分析法（AHP）确定权重，结合最大隶属度原则对渭河流域进行多级模糊评价。结果表明，25个点位中有8个处于健康水平，13个处于亚健康水平，4个处于不健康水平，渭河综合健康评价结果为亚健康。渭河源头、宝鸡至西安段河流生态健康状况较好，天水至宝鸡段及下游河段生态健康较差，不健康的点主要集中在下游，表现出显著的空间差异。物理栖息地、水质及水生生物的评价结果分别为亚健康、健康、亚健康，物理栖息地与水生生物状况是影响河流生态系统健康的关键，主要受人为活动以及自然环境的影响。针对特定河段需要采取相应措施恢复生态健康。

关键词 物理栖息地;水质;水生生物;健康评价；渭河

中图分类号：X822;X826  DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-03-007

Research on the health of Weihe River based onAHP fuzzy comprehensive evaluation

XIA Xiaoqiang， ZHANG Le， YAO Lijuan， LI Ke， LI Qi

（Shaanxi Key Laboratory of Earth Surface System and Environmental Carrying Capacity，College of Urban and Environmental Sciences， Northwest University， Xian 710127， China）

Abstract River health assessment provides a foundation for the sustainable development of rivers. As a first-class tributary of the Yellow River， the ecological health of Weihe River is of great significance for the high-quality development of the Yellow River. In order to comprehensively evaluate the health status of Weihe River Basin， the ecological health evaluation criteria of Weihe River Basin were established by selecting 3 criteria and 11 indicators， including physical habitat status， water quality status and aquatic organisms status. The weights were determined by AHP， and the Weihe River Basin was evaluated by multi-level fuzzy evaluation combined with the principle of maximum membership. The results show that 8 of the 25 points are in a healthy level; 13 were at sub-healthy level; 4 of them are in unhealthy level， and the comprehensive health evaluation result of Weihe River is sub-healthy. The ecological health status of the Weihe River headwaters， Baoji section to Xian section is good， while the ecological health of Tianshui—Baoji section and downstream section is poor， and the unhealthy points are mainly concentrated in the downstream， showing significant spatial differences. The evaluation results of physical habitat， water quality and aquatic organisms are sub-healthy， healthy and sub-healthy， respectively. Physical habitat and aquatic organisms are the key factors affecting the health of river ecosystem， which are mainly affected by human activities and natural environment. It needs to take relevant measures to restore the ecological health of Weihe River.

Keywords physical habitat; water quality; aquatic organisms; health evaluation； Weihe River

河流是重要的生态走廊之一，在生态系统和人类社会中发挥着关键作用［1-2］。然而由于河流形态、水生生境、河流连续体、水质和水文特征的变化，河流生态系统面临着前所未有的威胁和挑战，河流生态系统退化严重，河流健康评估成为近年来的研究热点［3-4］。河流健康评估在一些国家已经广泛开展［5-8］，在国内，随着河流污染问题愈发严重，河流健康及生态保护越来越受到管理部门和社会的重视，部分学者对河流健康指标、评价方法等进行了深入研究［9-12］，以期使退化河流的生态恢复到自然状态，让河流具有可持续的生态价值及经济价值。黄河是我国重要的生态屏障和核心经济地带，在经济发展和生态安全方面具有十分重要的地位［13］，推动黄河流域生态保护和高质量发展是国家的重大战略［14］。渭河作为黄河的一级支流，是黄河流域生态保护和高质量发展中的重要一环，且位于国家经济战略布局“关中—天水”经济区的核心地带，在西部大开发战略中具有重要的地位并起桥梁作用［15］，渭河流域生态健康的重要性不言而喻。关于渭河流域生态健康评价已有学者从不同角度进行了研究［16-19］，然而，河流生态系统是动态变化的，耦合不同健康指标构建评价指标体系提出符合黄河流域渭河的评价方法仍然有待深入探索［20］。

本研究以渭河干流为研究对象，并首次在渭河河流健康评价中采用了环境DNA技术，系统构建水生生态系统健康度相关指标。在参考水利部《河湖健康评价指南（试行）》基础上，研究渭河河流物理形态结构及生境、水质、水生生物的发展变化，选取指标建立渭河生态评价指标体系和生态健康评价模型，对渭河的生态进行全面评价，为渭河的流域保护治理提供参考。

1 研究区概况、数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

渭河，古称渭水，是黄河的最大支流。发源于甘肃省定西市渭源县鸟鼠山，横跨甘肃东部和陕西中部，自西向东主要流经甘肃省渭源县、武山县、天水市，陕西省关中平原的宝鸡市、咸阳市、西安市、渭南市等，至渭南市潼关县汇入黄河，全长818 km，流域总面积134 766 km2（见图1）。流域处于半干旱区域，地理特征比较复杂，北靠黄土丘陵和黄土高原，南临秦岭山脉，从全流域来看，其地形地貌特点明显，总体呈西高东低。渭河横穿整个关中平原，自上而下有众多支流汇入干流，流域内城镇星罗密布，人口众多，为流域内提供了巨大的社会价值与生态服务，惠及人群甚广。

1.2 基础数据来源

为全面评价渭河的生态健康状况，在渭河干流设置了25个采样点位（见图1）。采集2022年9月和2023年6月2期数据，包括物理栖息地、水质及水生生物3方面。采样结果显示，渭河干流pH为8～9，重金属、SO42-、PO43-、NO3-等指标均低于《地表水环境质量标准》Ⅰ类水标准，没有明显的空间变化，因此，确定水质指标为NH3-N、TP、DO以及COD。数据来源见表1。

1.3 评价指标体系的建立

基于渭河流域水生态环境条件、 半干旱地区河流物理栖息地质量评价标准， 遵照科学性、 层次性、 代表性原则， 依据参考文献［21-23］，最终确定构建目标层、准则层和指标层3个层次的评价体系来进行综合评价。 第1层为目标层， 全面综合评价渭河河流生态健康状况; 第2层为准则层， 从物理栖息地状况、 水质状况、 水生生物状况3个不同评价角度反映河流水生态健康水平; 第3层为指标层， 由堤岸稳定性、 河岸植被覆盖度、土地利用类型、 河流浑浊程度、 溶解氧浓度、 化学需氧量、 水生生物等11个指标组成。 其中藻类、 底栖生物和鱼类采用Shannon-Wiener多样性指数和Margalef物种丰富指数进行评价， 计算方法为

H=-∑Si=1Pilog2Pi（1）

式中：H表示Shannon-Wiener多样性指数;S表示总物种数;Pi表示第i个物种占总数的比例。

D=（S-1）ln N（2）

式中：D表示Margalef物种丰富指数;S表示总物种数;N为所有物种数的个体数之和。

根据《地表水环境质量标准》、 Shannon-Wie-ner多样性指数和Margalef物种丰富指数，构建渭河生态健康评价体系，评判标准将渭河水生态健康评级分为Ⅰ类（非常健康） 、Ⅱ类（健康） 、Ⅲ类（亚健康） 、Ⅳ类（不健康） 、Ⅴ类（劣态） 5 个等级（见表2）。

1.4 权重的确定

指标权重用于描述各个评价指标对河流健康评价的隶属性强弱，因此，指标权重的分配很大程度上影响着评价结果的客观性与准确性［24］。本研究采用定性与定量相结合的分析方法——层次分析法（AHP），基于渭河采样数据以及现场调查数据，通过构造判断矩阵，进行权重计算及一致性检验，得到准则层相对于目标层的权重和指标层相对于准则层的权重，结果如表3所示。

1.5 多级模糊综合评价法

模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法［25］。该方法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价［26］。本研究中渭河健康评价指标体系共分为3层，因此可进行2级模糊综合评价，即指标层对准则层和准则层对目标层的评价。

1.5.1 建立因素集

A=｛A1，A2，A3，…，An｝  （3）

式中：A为一级指标因素集。

对每个一级指标按属性划分建立二级指标因素集，表示第i层第j个指标，

A1=｛Ai1，Ai2，Ai3，…，Aij｝ （4）

1.5.2 确定指标权重集

用层次分析法（AHP）确定指标权重，得到指标层的权重集B=（B1，B2，B3，…，Bn）和准则层权重集C=（C1，C2，C3，…，Cn）

1.5.3 模糊综合评价

根据指标特征类型，建立指标对应的隶属函数与正向（数值越大效果越好）指标，采用升半梯形隶属函数，进而得到隶属度矩阵Di，再将指标层的权重集B和隶属度矩阵Di进行线性变换，得到一级评价集Mi。最后把每个一级评价集Mi合并得到一级评价总集M，再把准则层的权重集C和一级评价总集M进行矩阵乘法运算，得到最终的模糊综合评价集S，

S=M×C  （5）

2 结果与讨论

2.1 渭河物理栖息地质量评价

实地调查渭河干流25个采样点的物理栖息地现状，选取4项指标值（堤岸稳定性、河岸带植被覆盖程度、土地利用类型、河流浑浊程度）来反映物理栖息地状况。渭河上游流经黄土高原，以耕地和山地为主，其中夹杂着荒地裸土，生态环境脆弱，植被覆盖率低，河堤稳定性差，河水中泥沙含量高，河水浑浊;渭河中游林地和建设用地的比例上升，植被覆盖率以及河堤稳定性升高，水利工程及城市河道设施促使泥沙沉降，河水逐渐清澈;而渭河下游则以耕地为主，人类活动干扰强，植被覆盖率及河堤稳定性较低，河水浊度再次升高。

渭河物理栖息地生态健康评价如表4所示，25个点位中，有7个点处于Ⅱ类水平（健康），16个点处于Ⅲ类水平（亚健康），2个点处于Ⅳ类水平（不健康），Ⅲ类约占70％。从物理栖息地角度看，渭河总体评价为亚健康。

2.2 渭河水质质量评价

水质是河流健康的重要指标，植物和动物的生长以及人类的生产和生活都离不开河流，水质与整个流域内生物和人类的生存环境直接相关［27］。渭河干流4个水质指标含量如图2所示，DO在中游的含量高于上游和下游，原因在于中游（宝鸡至西安段）藻类生长情况较好，使得水中的溶解氧含量升高。从上游到下游，COD、TP、NH3-N含量总体呈上升趋势（W13点位COD含量异常，是因为样点处有黑臭污水汇入河流）。渭河过宝鸡峡进入关中平原后，中游流经人口密集的陕西省西安市，而下游则以耕地为主，因此，生活污水和农田污染是造成渭河水质下降的主要原因［28］。

由表5可以看出，整个渭河河段的水质从上游到下游呈递减趋势，25个采样点中有7个处于Ⅰ类（非常健康），13个样点处于Ⅱ类（健康），5个点处于Ⅲ类（亚健康），Ⅱ类水平以上的点占80％。从水质方面来看，渭河总体处于健康状态。

2.3 渭河水生生物多样性评价

不同生物类群在河流生态系统中具有特殊的位置与生态功能，一定程度上能够指示河流生态系统的变化。目前用于河流生物监测与评价的生物类群包括细菌、浮游动物、着生藻类、大型底栖动物、高等水生植物、鱼类等，而其中底栖生物、鱼类及藻类应用最为广泛，最能反映水体生态健康状况［29］。本研究选取底栖生物、鱼类、藻类来反映渭河的生态健康。根据调查结果，渭河干流共鉴定出鱼类6目11科35属，其中鲤鱼科类最多，共计18属21种；藻类6门51属262种，其中硅藻门物种数最多，共计26属218种；底栖生物7纲17目56科。相较于传统鉴定方法，如徐宗学等采用网捕法［30］，鉴定出渭河共有鱼类5目10科33属，底栖生物7纲16目56科，藻类5门46属248种。吴锦涛共鉴定出鱼类4目9科38种［31］，底栖生物7纲17目55科，藻类6门57种。而本研究采用环境DNA技术，  能够更全面地反映了渭河的水生生物种类（见图3）。

如图3所示，3类水生生物指数都呈先下降，再上升，后下降的变化趋势。这是由于渭河上游源头（W1、W2）水质好，泥沙含量低，河床底质复杂，适合生物生长;天水至宝鸡段（W5—W9）地势落差大，水流速度较快，且河水浑浊，透明度低，不利于生物的生长繁殖，尤其对藻类的影响较大;而进入关中平原后，宝鸡至西安段（W10—W18）由于南岸支流的相继汇入，河水平缓，含沙量相对较低，生物种类及数量增多，水生生物多样性及完整度较好；西安市及下游段（W19—W25）水质变差，TP以及NH3-N的含量升高，河水浑浊，不利于生物的生存。

结合鱼类丰富度指数、藻类多样性指数以及底栖生物多样性指数，综合评价渭河水生生物状况，结果如表6所示。25个采样点中，2个点位处于Ⅱ类（健康），20个点位处于Ⅲ类（亚健康），3个点位处于Ⅳ类（不健康），Ⅲ类占总点位的80％。从水生生物角度来看，渭河总体处于亚健康状态。

2.4 渭河河流健康综合评价

根据一级模糊综合评价和准则层权重，利用公式（5）得到渭河25个点位的综合模糊评价集，并依据最大隶属度原则，确定每个点位的评价等级。渭河河流健康综合评价结果如图4所示，25个点位中处于健康水平的有8个，处于亚健康水平的有13个，处于不健康水平的有4个。在空间分布上，渭河源头（W1、W2）、宝鸡至西安段（W10—W18）河流生态健康状况较好，天水至宝鸡（W5—W9）及下游段（W19—W25）河流生态健康较差，不健康的点主要集中在下游。处于亚健康的点位占56％，因此，渭河总体评价为亚健康水平，这一结论与前人研究结果基本相符，但本文指标更加丰富，更能全面地反映渭河的生态健康现状。徐宗学等基于水生生物群落结构特征对渭河河流健康做了研究［17］，结果显示渭河流域水生态系统健康状况较差，受人类活动影响明显，大体表现为从上游到下游健康状况越来越差的趋势;王伟以河岸带状况、水质及浮游植物作为指标对渭河进行健康评价［29］，评价结果为亚健康。

3 结论

本研究基于河流物理栖息地形态、河流水质、物理栖息地3个准则层11个指标构建渭河河流健康评价体系，运用AHP-模糊综合评价法对渭河健康状况进行评价：

1）渭河综合健康评价结果为亚健康状态，25个点位中有8个处于Ⅱ类，13个处于Ⅲ类，4个处于Ⅳ类。物理栖息地对于渭河的总体评价为亚健康，水质对于渭河的总体评价为健康，水生生物对于渭河的总体评价为亚健康。水生生物以及物理栖息地状况是影响渭河生态健康的关键。

2）在空间上，渭河生态健康自上游到下游呈下降—上升—下降的趋势，渭河源头（W1、W2）、宝鸡至西安段（W10—W18）河流生态健康状况较好，天水至宝鸡（W5—W9）及下游段（W19—W25）河流生态健康较差，不健康的点主要集中在下游。

针对渭河当前的生态健康状况，应当采取多举措并行的治理对策。从物理栖息地角度出发，渭河上游及下游物理栖息地评价较低，要着重保护上游脆弱的生态环境，减少人类活动干扰及土地利用强度，增加河岸带植被覆盖面积率;从水质角度出发，渭河中下游水质状况逐渐变差，应尽量减少农业径流量，工业废水和生活污水应经过处理，达到标准后排放，减少河流中污染物质的含量，改善河流水质状况;从水生生物角度出发，改善水生生物的生存环境，提高水生生物多样性。

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（编 辑 李 波）

基金项目：国家自然科学基金重点项目（42230513）;国家自然科学基金面上项目（42277414）。

第一作者：夏小强，男，从事环境生态评价研究，1121789270@qq.com。

通信作者：李琦，女，博士，教授，从事水资源与水环境安全研究，qili726@nwu.edu.cn。