考慮人類修復作用的河流健康評價

王家彪，雷曉輝

（中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京100038）

考慮人類修復作用的河流健康評價

王家彪，雷曉輝

（中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京100038）

河流修復是人類保護河流健康的重要措施，其可以改善河流水文、生態(tài)等各方面特征屬性，消除或減輕人類干擾，從而維持和促進河流健康發(fā)展。為了量化人類修復作用及其對河流健康的影響，以期為河流健康評價和河流修復提供新的理論和技術支持，本文將人類對于河流的修復作用概化為一項新評價指標，采用模糊集對分析方法對贛江南昌段河流有無人類修復作用下的健康狀況進行對比評價。計算表明，雖然在有無人類修復作用下其健康狀態(tài)評價結果都為“良”，但考慮修復作用時河流健康評價值有一定提高，其健康水平更接近于“優(yōu)”。

河流健康評價；人類修復作用；指標；權重；模糊集對

1 研究背景

近幾十年來，人類對于河流健康的認識越來越完善［1-3］，對于河流的保護和修復投入也越來越大［4］。20世紀或更早以前人類對于河流的保護與修復活動大多缺少計劃和理論指導［5］，但隨著2000年歐盟《水框架指令》的通過，一系列改善河流水質和水文情勢的修復工程相繼出現(xiàn)。此后歐洲包括英國、荷蘭在內的各國相繼成立河流修護中心展開河流修復工作。借鑒于歐洲河流修復經(jīng)驗，日本在20世紀90年代也開始大量投入河流修復研究［6］。中國近年來也逐漸重視河流的修復工作，并開展了一些重大示范工程，包括浙江省海寧市辛江塘河道整治工程、深圳市田下河和觀瀾河生態(tài)修復工程及重慶市苦溪河生態(tài)修復工程等［4，7］。

根據(jù)傳統(tǒng)觀念，河流健康應是河流自然功能和社會功能均衡發(fā)展情況下的自然狀態(tài)表現(xiàn)，河流健康至少涵蓋河流自然屬性的水文、物理結構完整性、生態(tài)系統(tǒng)完整性以及社會功能完整性3大方面［6］。河流自然屬性完整性主要是指河流水量充足，水質優(yōu)良，水流和結構穩(wěn)定；生態(tài)系統(tǒng)完整性指河流生態(tài)系統(tǒng)具有足夠的抵抗力和穩(wěn)定性以維持優(yōu)良生物物種的完整和生態(tài)環(huán)境；社會服務功能完整性則指水體的各項社會服務功能都能可持續(xù)地滿足人類需求。一方面人類修復作用修復了河流的形態(tài)多樣性和水文條件，改善了河流物理結構，例如修復主河槽和洪泛區(qū)聯(lián)通有利于河流行洪，進而提高了河流形態(tài)的穩(wěn)定［8］；另一方面，人類修復作用還可以改善河流的生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)河流社會服務功能的持續(xù)性，例如對于河流的污水治理、魚類等水生動植物人工投養(yǎng)等［9-10］。因此，在河流的健康評價時應考慮人類對于河流的修復作用，這種情況下河流健康定義應改進為：河流的系統(tǒng)組成、結構完整、功能完備，具有維持自身和更新的能力，并能在人類保護與持續(xù)修復下，發(fā)揮正常的生態(tài)環(huán)境效益和滿足人類社會發(fā)展的合理需求。根據(jù)上述定義，人類作為生態(tài)系統(tǒng)一部分，其對于河流的修復作用也應視為河流系統(tǒng)健康的一種恢復和保持能力而納入健康評價范疇。同時河流的健康發(fā)展是一個動態(tài)的過程［3］，現(xiàn)階段人類的修復作用直接促進河流今后的健康發(fā)展，并且這種促進作用所改善的河流特征屬性在時間上滯后于現(xiàn)階段河流特征屬性，具有后效性。

本文基于“原有評價體系下健康評價值相同的河流，在有無人類對它進行修復以及修復強度不同時，其健康狀態(tài)應視為不同”這一思想，在考慮人類修復作用下，提出一種新的評價思路，并應用于贛江南昌段河流健康評價，以期為河流健康評價提供新的理論和技術支持。

2 河流健康評價指標體系建立及權重確定

人類修復作用可以概括為，通過對河流生態(tài)系統(tǒng)有計劃改造及建設活動直接恢復河流本體，提高河流生態(tài)系統(tǒng)的服務功能并且從優(yōu)化經(jīng)濟發(fā)展模式、調整社會經(jīng)濟發(fā)展結構及對河流生態(tài)系統(tǒng)其它要素的利用方式著手，控制人類對河流的干擾源與干擾強度［5］。人類對河流的修復有利于河流各方面的改善，但作為人類的一種投入，其與河流的社會服務功能緊密相關，因此本文嘗試將人類對河流修復作用概化為具有社會服務功能屬性的一項新的評價指標。需要說明的是，本文研究的人類修復是指人類有計劃、有理論指導的主動改善河流健康的一系列活動和工程［11］。在確定這一項指標時，可以參考河流修復經(jīng)驗，根據(jù)所研究河流改善的屬性指標來估算河流修復作用這一指標評價值。

參考借鑒國內外河流健康評價指標體系，綜合我國長江、黃河及珠江等河流委員會給出的評價指標［1，12-16］，采用A、B、C三層層次分析結構，從河流水文及物理結構完整性評價、生態(tài)系統(tǒng)完整性評價和社會服務功能完整性評價三方面構建基于“優(yōu)”、“良”、“中”、“差”、“劣”5個健康等級的河流健康評價指標體系。其中A層為目標層，代表河流總體健康狀態(tài)；B層為準則層，代表河流水文及物理結構、生態(tài)系統(tǒng)和社會服務功能三方面完整性狀態(tài)；C層為指標層，即包含人類修復作用這一指標在內的河流18個常用評價指標，其中18個常用指標借鑒文獻［16］的指標篩選方法從初擬的36個指標中篩選而來。

近十年來隨著人類破壞作用的加大，贛江的健康問題也更加突顯，以政府聯(lián)合科研機構一起展開的對贛江大規(guī)模有計劃修復工程相繼實施。本文選擇人類修復作用效果較為明顯、信息獲取較為完善的贛江南昌段河流進行評價研究，根據(jù)所建立的河流評價指標體系，參考贛江南昌段河流現(xiàn)有相關資料［17-21］以及借鑒文獻［21］提供的數(shù)據(jù)資料對贛江南昌段河流進行健康評價，其河流指標體系及指標評價值見表1。

表1 贛江南昌段河流健康評價指標體系及指標評價值

贛江南昌段從2010年起逐步加大了河流的整治和修復工作，包括河道整治、污水治理、魚類投放、水土保持、生態(tài)修復等，通過這幾年的修復工作，贛江南昌段不僅水質達到了引用水標準，河道、河岸也已從過去的任意采砂破壞中逐漸得到了恢復，一些瀕臨滅絕的物種也開始了正常繁衍［17］。通過查閱江西環(huán)境保護廳、水文信息網(wǎng)、水利廳網(wǎng)站資料以及江西水資源質量公報［17］，得到贛江南昌段近幾年開展的修復工作及對河流改善狀況見表2。

表2 贛江南昌段2010—2014年河流修復及其對贛江指標改善統(tǒng)計

由表2可以看出近幾年贛江南昌段河流保護、修復和整治力度較大，考慮到2010年以前修復作用相對于2010年以后較小，并且資料缺乏量化困難，本文僅以2010年以后的修復作用為例進行分析研究。目前人類修復作用指標C37還缺少科學的量化方法，為了便于研究，也為了突出人類修復對于河流健康的重要性，本文參考其余17指標確定方法，同時調查國內河流修復改善情況，以能明顯改善的河流指標數(shù)目為標準和依據(jù)，初步給出C37的量化方案見表3。

表3 贛江南昌段河流修復作用指標的確定

根據(jù)表2及參考文獻［17-20］和相關互聯(lián)網(wǎng)站所獲得的資料，確定出贛江南昌段河流2010—2014年在修復作用下有包括河床穩(wěn)定在內的10個指標得到了較為明顯改善，結合表3可以確定C37值為4.5。

在表1給出指標基礎上，利用層次分析法［22-23］構造判斷矩陣對考慮人類修復作用下的18個指標和不考慮時的17個指標進行權重分析。指標權重分析結果見表4。考慮到水文及物理結構、生態(tài)系統(tǒng)及社會服務功能三方面屬性對現(xiàn)階段贛江南昌段河流同等重要，準則層B層水文及物理結構完整性、生態(tài)系統(tǒng)完整性及社會服務功能完整性三方面對于A層的權重都取為1/3。

表4 B-C權重判斷矩陣及計算結果

3 考慮人類修復作用下的河流健康評價

3.1 河流健康評價方法本文引入模糊集對分析理論對河流進行健康評價［24-27］，將河流指標實際評價值隸屬度集合與標準等級取值集合進行集對分析，計算指標健康等級聯(lián)系度或聯(lián)系數(shù)，以此確定河流總體健康水平。

指標對于各評價等級隸屬度取值xi組成集合Ai，指標對應等級標準賦值集合為Pk，Ai與構成集對，其中i取值為1，2，…，n，n為評價指標個數(shù)，K為評價等級數(shù)，本文K=5。這樣Ai與Pk聯(lián)系度計算公式［24］為，

其中系數(shù)a，bI，…，bk-2，c表示指標xi對于k級標準及與k級相差1，2，…，k-1級標準的模糊隸屬度。采用線性插值的方法計算，設有指標樣本X() x1，x2，…，xn，對其中一個指標x1，其評價標準集合為，其中s1＜s2＜…＜sn，那么指標x1隸屬度計算公式為：

其中f() x1，si表示x1對于評價等級si的隸屬度。

根據(jù)式（1）、式（2）可以依次求出各個指標的集對聯(lián)系度，再根據(jù)各指標的權重依次往上推求準則層和目標層的集對聯(lián)系度。

以本文河流健康評價為例，不失一般性，考慮目標層A，準則層B，指標層C，對應于1級標準P1的聯(lián)系度。其中指標層C中每個指標與P1的聯(lián)系度都可以利用式（1）、式（2）計算出，而準則層B與1級標準P1的聯(lián)系度由式（3）給出，

其中i=1，2，…17，l=1，2，3，m為B層第l個評價類Bl對應的指標個數(shù)，wli為第l個準則評價類Bl第i個指標Cli對于Bl的權重，ali等表示第l個準則評價類Bl第i個指標Cli對應的集對聯(lián)系度分量。同樣可以計算目標層A與1級標準P1的聯(lián)系度見式（4），

其中wl表示準則層Bl對于目標層A的權重，al等表示第l個準則評價類Bl對應的集對聯(lián)系度分量，fk表示的是A層隸屬于k級標準的隸屬度，k=1，2，3，4，5。

得到了A與1級標準（“優(yōu)5”）P1的聯(lián)系度表達式后，依據(jù)置信度準則判定［27］方法確定所評價河流的健康等級。A的評價等級由式（5）來判定，

表達式（5）表示：前k個隸屬度值之和() f1+f2+…fk大于λ，而k-1個隸屬度值之和() f1+f2+…fk-1小于λ時，評價等級為k級。其中λ為置信度，一般取值為0.5～0.7，過大偏保守，過小偏風險，取0.5。

3.2 人類修復作用下贛江南昌段河流健康評價根據(jù)模糊集對原理，首先將指標實際取值與設定的指標等級取值集合構成集對，再依據(jù)式（1）、式（2）分別計算各評價指標與1級評價標準構成的集合P1集對的聯(lián)系度分量，計算結果見表5。

再由式（2）計算得到準則層的聯(lián)系度分量見表5（表中合計行），從表5中可以看出贛江南昌段水文及物理結構完整性為“中”、生態(tài)系統(tǒng)完整性及社會服務功能健康狀態(tài)皆為“良”。分析可知，水文及物理結構完整性相對較差，主要由該段河流采砂嚴重造成河道局部破壞所引起。而近年來政府對于采砂的禁止措施與河道修復措施確實改善了這種狀態(tài)，這種改善在評價時由C37指標得到了體現(xiàn)。

表5 贛江南昌段模糊集對評價結果

由式（4）計算得到贛江南昌段河流健康評價集對聯(lián)系度表達式（聯(lián)系度分量見表5總合計行），

最后由式（5），可以計算得到h2=0.5427＞λ=0.5，h1=0.1327，可知所評價的贛江南昌段河流在考慮人類修復作用下的健康程度為2級，即健康狀態(tài)為“良”。

同樣對不考慮修復作用時的河流健康進行評價計算，將結果與考慮人類修復作用下進行對比，見表6。

表6 有無人類修復作用贛江南昌段河流評價

從表6中可以看出兩者的評價計算結果基本相同，但考慮人類修復作用下，河流健康狀態(tài)對于“優(yōu)”和“良”這兩級標準的整體隸屬度較不考慮情況下大，對于“差”甚至“劣”狀態(tài)的隸屬度則更小。事實上，可以由差異不確定分量系數(shù)來確定河流健康對于“優(yōu)”的隸屬情況。按均分區(qū)間［-1，1］方式選?。?7］I1=0.5，I2=0，I3=-0.5，根據(jù)表6和式（4）分別計算考慮與不考慮人類修復作用下μA-P1為0.166 6和0.144 1。可以看出，評價時若考慮人類修復作用，贛江南昌段河流健康對于“優(yōu)”狀態(tài)的隸屬度值至少增加了0.02（相對值為15.6%），所評價的健康水平有一定提高，評價結果肯定了人類的修復作用價值，對河流動態(tài)健康狀態(tài)有了更確切的把握。

4 結論

河流發(fā)展是一個動態(tài)過程，現(xiàn)階段人類對河流的作用直接影響其今后的健康趨勢，從而影響河流健康狀態(tài)。本文從動態(tài)角度，對考慮人類修復作用下贛江南昌段河流健康進行了評價，并將評價結果與不考慮人類修復作用情況進行了對比。雖然有無人類修復作用下贛江南昌段河流健康狀態(tài)評價結果都為“良”，但考慮修復作用時河流健康評價值有一定提高，其健康水平更接近于“優(yōu)”。

人類對河流的修復作用不僅可以提高河流的社會服務功能，而且可以改善河流物理結構和生態(tài)系統(tǒng)完整性。本文將人類修復作用概化為河流社會服務功能屬性中的一個評價指標，并依據(jù)其對河流的改善作用進行量化，一方面對于河流健康評價以及人類修復作用的實施與投入具有指導意義，另一方面其合理性也可結合環(huán)境價值［28］進行深一步探討。人類修復作用在河流健康評價體系中的具體作用及修復作用下的指標量化理論也有待進一步研究。

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（責任編輯：韓昆）

論文摘要編寫要點

1.摘要是論文內容不加注釋和評論的簡短陳述，應包含正文的要點，具有獨立性和自含性，讓讀者不閱讀全文就能了解論文的基本內容，以判斷有無必要閱讀全文，也可供二次文摘采用。

2.摘要應說明研究工作的目的、方法與手段、結果和結論，要盡量簡短，盡可能省略課題的背景信息。

3.摘要中的內容應在正文中出現(xiàn)，不能對正文進行補充和修改。

4.摘要中不用圖、表、非公用共知的符號和術語，不能引用文獻；縮寫名稱在第一次出現(xiàn)時要有全稱（包括中文和英文）。

5.摘要中不要多列數(shù)據(jù)，出現(xiàn)的應該是最重要的、最關鍵數(shù)據(jù)。

6.中文摘要一般200字左右，中英文摘要應基本對照，不能因為某些內容不好翻譯就略去。

7.關鍵詞是為了文獻標引工作，是從論文中選取出來用以表示全文主題內容信息的單詞或術語，一般為3～8個詞，盡量用規(guī)范詞。

《中國水利水電科學研究院學報》編輯部

Evaluation of river health considering human restoration role

WANG Jiabiao，LEI Xiaohui
（State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，IWHR，Beijing100038，China）

River restoration is an important way for human to protect river health.As an artificial measure，it can eliminate or reduce disturbance and improve the river characteristics in terms of hydrology and ecolo?gy，which can sustain and promote the healthy development of river.In order to quantify the influence of human restoration and find a new theoretical or technical support for river restoration and health evalua?tion，the human restoration to river was generalized to a new evaluation index in this paper.The fuzzy set pair analysis method was employed for the health comparative evaluation of Nanchang Section of the Ganji?angRiver.TheresultsshowedthatthepresenthealthofNanchangSectionofGanjiangRiverwasin“good”status.When considering the human restoration，the health status had been improved to some ex?tent，which was closer to the“excellent”status.

river health evaluation；human restoration；index；weight；fuzzy set pair

X826

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.02.010

1672-3031（2015）02-0143-07

2014-07-30

國家自然科學基金資助項目（51409282）；國家科技重大專項項目（2012ZX07205）

王家彪（1990-），男，江西人，碩士生，主要從事水文學及水資源研究。E-mail：waterwhu@foxmail.com.