基于模糊矩陣法的河流健康評價體系

高宇婷，高甲榮，顧 嵐，張 雪，錢斌天，王 越

（北京林業(yè)大學 水土保持和荒漠化防治教育部重點實驗室，北京100083）

河流健康評估是一種根據(jù)某些與河流價值相關聯(lián)的特定指標，以自然狀態(tài)河段為本底值，對人為活動或自然條件突變所造成的受干擾河溪生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能作整體健康評判的方法[1]，為威脅河流生態(tài)健康的問題及河流治理提供科學的解釋與依據(jù)[2]。河流健康評估作為一種評估河流生態(tài)系統(tǒng)完整性和可持續(xù)性的管理工具，有助于科學團體和公眾之間的溝通，喚起社會對人類強加于河流影響的關注，對于流域可持續(xù)管理和河流生態(tài)修復具有重要意義。

河流健康評估有多種方法，其中單一的數(shù)理統(tǒng)計法、專家打分綜合分析法對河流的評價會略顯單薄與主觀，模糊綜合評判法是應用模糊關系合成的原理，從多個因素對被評判事物隸屬等級狀況進行綜合評判的一種方法。在模糊綜合評判中，指標的可綜合性問題是在模糊綜合評判過程中自然解決的，不需要專門的指標無量綱化處理。該方法適用性較強，既可用于主觀指標的綜合評判，又可用于客觀指標的綜合評判。由于在現(xiàn)實世界中亦此亦彼的模糊現(xiàn)象大量存在，所以模糊綜合評判方法的應用非常廣泛[3]，特別是在主觀指標的綜合評判中，模糊綜合評判可以發(fā)揮模糊方法的獨特作用，評價結果要優(yōu)于其它方法。因此本文利用模糊綜合評價法對懷沙河的河流生態(tài)健康進行綜合評價。

1 評價指標體系建立

Schofield認為河流健康是水生生態(tài)系統(tǒng)對于支持和保持關鍵生態(tài)過程和相似于本區(qū)域內(nèi)無干擾的生物棲息地的多物種構成的、具有生物多樣性和功能性組織的群落的能力[4]。文伏波等認為河流健康是指河流在人類開發(fā)利用和自身對干擾所具有抵抗力和恢復力的共同作用下，能保持合理的自然結構狀態(tài)，實現(xiàn)正常的水、物質及能量的循環(huán)及健全的功能，包括良好的生態(tài)環(huán)境功能和社會經(jīng)濟功能，滿足人類社會的可持續(xù)發(fā)展需求，最終形成人類對河流的開發(fā)與保護平衡的良性循環(huán)[5]。綜上所述，河流的自我修復功能在河流健康中處于重要位置，因此河流生態(tài)健康評價應重視對河流自我修復功能的評價。

董哲仁等提出將“可持續(xù)利用的生態(tài)健康河流”作為河流管理的目標和評估工具，認為河流健康評估的內(nèi)容包括物理—化學評估、生物棲息地質量評估、水文評估和生物評估[6]。將上述評估內(nèi)容側重于河流自我修復功能來歸類，河流健康評價總體概括為地貌（承載水體）、生態(tài)（流域生物）、水文（維持河流生態(tài)系統(tǒng)存在和平衡）三個準則層。這三個準則層相互依存、相互影響、相互輔助構成河流自我修復的有機體。而根據(jù)具體實施評價時使用的方法可將河流評價目標層定為定量評價和定性評價。

定性評價可以通過對特定狀態(tài)下河流生態(tài)系統(tǒng)的描述，確定其所處的近自然狀況，具有普遍性和通用性，適用于大范圍的河流生態(tài)評價。目前國際上通用的評價體系指標如RIVPACS，AUSRIVAS，ISC，IRC，AQEM多采取定性評價的方式以滿足不同地區(qū)的需要，實現(xiàn)不同評價體系結果的通用。定量評價可以對所測指標進行量化，其結果更具客觀性。在評價方面可彌補定性指標主觀上對河流評價造成的偏差。河流評價指標體系結構如表1所示。

表1 河流評價指標體系結構

2 模糊綜合評價實例

模糊綜合評價是通過查閱已有的河流評價研究方 法[7]以 及 數(shù) 學 建 模 思 想[8－9]等 構 建 等 級 模 糊 子集[10－13]，把反映生態(tài)河岸帶的模糊指標進行量化（即確定各指標的隸屬度），然后利用模糊變換對各指標進行綜合分析。

步驟1：對準則層的各指標進行層次單排序，確定其權重并對其進行一致性檢驗。

步驟2：利用準則層中所有層次單排序結果，計算準則層相對于目標層而言元素的重要性權值。

步驟3：用模糊矩陣法來計算各樣點的近自然隸屬度值。

根據(jù)指標層的單排序和準則層的再排序，進行所有目標層指標的總排序（表2）。

定性評價的水文特征中清澈程度所占的權重最大，是河流健康評價的重要影響因素（表2）。將上述評價體系應用于懷沙河的健康評價，選取典型斷面進行調查（典型斷面需覆蓋懷沙河流域）。在調查時選取13個樣點進行調查，用卷尺測量河寬、水深、緩沖帶植被寬，用羅盤測量岸坡坡度，緩沖帶結構完整性的測定是在典型斷面河道兩側設置1個5m×5m的喬灌樣方，然后在其對角線上設置3個1m×1m的草本樣方，記錄植物的種類、蓋度等特征，隨后與未受干擾的河段進行比較，得出其等級值。用北京中西儀器出品的BD80系列野外便攜式試劑盒測溶解氧、氨氮、磷酸鹽含量。定性指標則當場觀測記錄，借鑒相關研究成果以及國內(nèi)外適用標準得出的河流近自然評價標準[12]進行評價。對比分析其他區(qū)域河流，建立懷沙河的健康評價標準，分為自然、近自然、退化自然、人工4級[14－15]。

懷沙河發(fā)源于懷柔區(qū)沙峪鄉(xiāng)南、北葦灘，經(jīng)三岔村進入長城后，與響水湖支流匯合后形成干流，流經(jīng)沙峪，辛營，于城關鄉(xiāng)凱村附近入懷柔水庫。全長28.7km，流域面積175.2km2，其中平原17.2km2，沿河有多處泉水匯入，年均流量4 765萬m3，河道有較大的坡度，水流較急，風景秀美，景觀宜人；受人為活動影響仍然較大，有各類養(yǎng)殖業(yè)，旅游業(yè)，水體受到一定的污染。

表2 河流評價指標權重

2.1 定量評價

根據(jù)實測值和標準值[15]，利用模糊模型計算整條河流各指標隸屬于不同等級的隸屬度值，將其與指標權重進行復合運算，確定模糊關系運算矩陣，求得各指標評價值：

懷沙河地貌特征指標（B1－1）定量評價向量為：

根據(jù)模糊數(shù)學最大隸屬度原則，從計算結果可以看出，懷沙河地貌特征隸屬于人工狀態(tài)等級。

懷沙河水文特征指標（B1－2）定量評價向量為：

根據(jù)模糊數(shù)學最大隸屬度原則，從計算結果可以看出，懷沙河水文特征隸屬于自然狀態(tài)等級。

懷沙河生態(tài)特征指標（B1－3）定量評價向量為：

根據(jù)模糊數(shù)學最大隸屬度原則，從計算結果可以看出，懷沙河生態(tài)特征隸屬于人工狀態(tài)等級。

2.2 定性評價

根據(jù)評價標準現(xiàn)場對河流進行評價，將整條河總體評價結果與指標權重進行復合運算，確定模糊關系運算矩陣，求得各指標評價值，懷沙河地貌特征指標（B2－1）定性評價向量為：

根據(jù)模糊數(shù)學最大隸屬度原則，從計算結果可以看出，懷沙河地貌特征隸屬于退化自然等級。

懷沙河水文特征指標（B2－2）定性評價向量為：

根據(jù)模糊數(shù)學最大隸屬度原則，從計算結果可以看出，懷沙河水文特征隸屬于近自然等級。

懷沙河生態(tài)特征指標（B2－3）定性評價向量為：

根據(jù)模糊數(shù)學最大隸屬度原則，從計算結果可以看出，懷沙河生態(tài)特征隸屬于近自然等級。

通過計算分別可得定量和定性的地貌、生態(tài)、水文的指標層評價向量B集。

由此可以看出，懷沙河定量評價地貌、生態(tài)、水文3個指標層分別為人工狀態(tài)（1）、自然狀態(tài)（4）、人工狀態(tài)（1）。

懷沙河定性評價地貌、生態(tài)、水文3個指標層分別為退化自然狀態(tài)（2）、近自然狀態(tài)（3）、近自然狀態(tài)（3）。

將權重與各指標值加權運算（人工狀態(tài)（1）、退化自然狀態(tài)（2）、近自然狀態(tài)（3）、自然狀態(tài)（4）），可計算出懷沙河總體河流健康狀況指數(shù)：

A＝（0.373593×1＋0.527056×4＋0.099351×1）×0.5＋（0.37353×2＋0.527056×3＋0.099351×3）×0.5＝2.60

由此可知，懷沙河整體處于近自然狀態(tài)與自然狀態(tài)之間，其中定量評價中的地貌、水文指標較差，需采取淺灘深潭、生態(tài)治污等措施進行修復，使其逐步恢復到健康狀態(tài)。

2.3 懷沙河典型河道分段評價

根據(jù)河流評價指標體系，選取懷沙河典型河道，利用模糊模型進行河流健康綜合評價，詳見表3。三岔、渤海、口頭綜合得分較高，屬近自然狀態(tài)。四渡河、南冶、辛營綜合得分較低，在河流生態(tài)恢復中還需要進一步加強，接近退化自然狀態(tài)。其余河段介于兩者之間。

表3 懷沙河典型河道分段評價評價值

影響分值高低的主要指標是水文特征指標，因此在河流生態(tài)恢復過程中要高度重視河流的水文特征值的變化。

通過建立的評價指標體系，運用層次分析法可以計算出各評價河樣帶的自然度，從而歸屬其所處的自然性等級。

3 結論

（1）本文在根據(jù)河流健康定義上確定以地貌、生態(tài)、水文為準則層的評價指標體系，對懷沙河進行了基于模糊矩陣的河流健康評價，該評價方法所得出的評價結果與實際相符合。

（2）用模糊評價和層次分析相結合的方法對懷沙河進行了評價發(fā)現(xiàn)，該河流總體得分為2.6分，其中自然狀態(tài)占整條河段的41%，近自然狀態(tài)占整條河段的32%，退化自然狀態(tài)占整條河段的27%。

（3）洞臺和景峪兩段為地下河，在調查時無法測得其各項指標，但水質由出水處推測為良好。

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