遼河流域水文生態(tài)完整性模糊評(píng)價(jià)研究

李 爽

(遼寧省遼陽(yáng)水文局，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

河流作為人類(lèi)賴以生存和繁衍的基礎(chǔ)條件，其生態(tài)系統(tǒng)的完整性將直接決定經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度與人類(lèi)生活質(zhì)量[1]。隨著人類(lèi)開(kāi)發(fā)生態(tài)自然能力的不斷升級(jí)以及社會(huì)各方面的快速發(fā)展，大部分流域的生態(tài)環(huán)境在一定程度上均遭到破壞和污染，如地貌條件退化、河道斷流、結(jié)構(gòu)破損、水文情勢(shì)變化、水質(zhì)變差等情況，河流的健康發(fā)展受到嚴(yán)峻的威脅[2]。已成為影響人類(lèi)社會(huì)持續(xù)健康穩(wěn)定發(fā)展的主要因素之一[3]。世界范圍內(nèi)的生態(tài)研究者和水利學(xué)者針對(duì)目前河流生態(tài)惡化問(wèn)題開(kāi)展了大量研究，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)完整性研究引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注并已成為解決上述問(wèn)題的主要手段和必要前提，流域生態(tài)完整性評(píng)價(jià)對(duì)于促進(jìn)流域未開(kāi)科學(xué)合理的規(guī)劃治理以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義[4]。

流域水文情形的循環(huán)往復(fù)不僅是影響河流生物多樣性的決定性因素，而且對(duì)河流生態(tài)整體環(huán)境造成重要影響。水的運(yùn)動(dòng)作為地形地貌的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，水的淤積、沖刷和侵蝕作用為河道生物群落的生存和繁衍創(chuàng)造了基礎(chǔ)和前提[5]。近年來(lái)，對(duì)遼河流域的不合理開(kāi)發(fā)利用以及水資源過(guò)度開(kāi)采等活動(dòng)造成河道斷流現(xiàn)象，動(dòng)植物的生存環(huán)境和生長(zhǎng)要素在一定程度上遭到威脅，因此流域的生態(tài)功能和水文功能逐漸喪失并已成發(fā)展為不容忽視的情形[6]。據(jù)此，本文以遼河流域?yàn)槔龢?gòu)建了水文生態(tài)完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)和研究成果對(duì)其水文運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了全面、客觀的系統(tǒng)性評(píng)價(jià)。

1 評(píng)價(jià)方法與模型

1.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

目前，針對(duì)河流水文生態(tài)完整性的研究相對(duì)較少，而考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊性和不確定性的研究更少[7]。據(jù)此，本文評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取不僅參考了河道水文生態(tài)相關(guān)文獻(xiàn)資料，而且借鑒了國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行水文生態(tài)完整性研究時(shí)所采用的水文指標(biāo)；通過(guò)專(zhuān)家咨詢并結(jié)合遼河流域水文生態(tài)實(shí)際狀況和自然條件，在遵循指標(biāo)客觀性、可獲取性、科學(xué)性、代表性原則的基礎(chǔ)上通過(guò)篩選和評(píng)估，綜合考慮多種因素的作用影響并構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[8]。該體系為多層級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系主要有目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，其中遼河流域水文完整性評(píng)價(jià)為體系的目標(biāo)層即首要目標(biāo)，準(zhǔn)則層主要從5個(gè)方面對(duì)河流水文的影響因子進(jìn)行選取，所選取的具有代表性的評(píng)價(jià)指標(biāo)共9個(gè)，各指標(biāo)求解方法及內(nèi)涵見(jiàn)表1。

1.2 確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合水文生態(tài)完整性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)研究成果和遼河流域?qū)嶋H狀態(tài)、特征[9]，將水文評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分為Ⅰ～Ⅴ級(jí)5個(gè)等級(jí)，所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別“好、較好、一般、較差、差”，各評(píng)價(jià)指標(biāo)在不同級(jí)別內(nèi)的取值范圍見(jiàn)表2。

表1 遼河流域水文生態(tài)完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)在評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的取值范圍

1.3 模型選取

動(dòng)態(tài)性和不確定性為河流水文生態(tài)完整性評(píng)價(jià)的基本特征，對(duì)其完整性影響要素多種多樣，且不同要素之間相互關(guān)聯(lián)，相互作用具有一定的模糊性。因此，本文通過(guò)多種計(jì)算模型的對(duì)比和分析，采用目前應(yīng)用較為廣泛且理論發(fā)展較為程度的模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行流域水文生態(tài)完整性評(píng)價(jià)分析[10]。該方法適用于多目標(biāo)、多要素指標(biāo)的評(píng)價(jià)分析，其基本過(guò)程為首先對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在相應(yīng)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)條件下的隸屬度，利用評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行求解并構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣，然后對(duì)模糊關(guān)系矩陣和權(quán)重集進(jìn)行合成計(jì)算并建立綜合評(píng)語(yǔ)集，最終對(duì)各評(píng)級(jí)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)利用最大隸屬度原則進(jìn)行評(píng)價(jià)。

結(jié)合相關(guān)理論和數(shù)據(jù)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)集合指標(biāo)類(lèi)集，分別如下：

U={U1，U2，，Un};Ui={ui1，ui2，，uij，uin}

(1)

式中，U、Un—分別為指標(biāo)評(píng)語(yǔ)集合指標(biāo)評(píng)價(jià)類(lèi)；Ui—指標(biāo)集，即每類(lèi)指標(biāo)中的分項(xiàng)指標(biāo)。

對(duì)各指標(biāo)權(quán)重利用專(zhuān)家咨詢法進(jìn)行確定，結(jié)合各指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的作用程度的大小，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的賦值即權(quán)重系數(shù)，采用A={a1，a2，，an}代表指標(biāo)類(lèi)的權(quán)重；依據(jù)各指標(biāo)在分項(xiàng)指標(biāo)的影響程度，對(duì)其進(jìn)行權(quán)重賦值，采用aij代表第j個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)于第i類(lèi)指標(biāo)的系數(shù)，因此所構(gòu)建的指標(biāo)權(quán)重集可表示為Ai={ai1，ai2，，ain}。

對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度采用隸屬度函數(shù)進(jìn)行求解得到其備擇集為V={V1，V2，V3，V4，V5}，其中vijk代表集合中第k個(gè)元素vik的隸屬度，第i類(lèi)指標(biāo)的一級(jí)模糊關(guān)系矩陣可依據(jù)各分項(xiàng)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度進(jìn)行構(gòu)建，其表達(dá)式如下：

(2)

通過(guò)對(duì)比分析，本文采用柯西分布函數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬函數(shù)進(jìn)行求解，計(jì)算公式如下：

(3)

式中，U(x)—隸屬度函數(shù)；x、α—分別為指標(biāo)值和函數(shù)參數(shù)。

若指標(biāo)值屬于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ～Ⅳ類(lèi)中點(diǎn)時(shí)，則隸屬度函數(shù)值為1；若指標(biāo)值屬于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ～Ⅳ類(lèi)中點(diǎn)的臨界點(diǎn)，則隸屬度函數(shù)值為0.5；若指標(biāo)值屬于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ類(lèi)左側(cè)或Ⅴ類(lèi)右側(cè)，則隸屬度函數(shù)只為1；若指標(biāo)位于Ⅱ～Ⅳ類(lèi)區(qū)間范圍內(nèi)，則參數(shù)函數(shù)可按下述公式計(jì)算：

而由于微課可以反復(fù)播放，教師就可以引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)反復(fù)觀看微課的形式，使學(xué)生可以通過(guò)微課進(jìn)行有效地復(fù)習(xí)，并能夠有意識(shí)地開(kāi)展自主學(xué)習(xí)。同時(shí)，教師可以結(jié)合教材內(nèi)容，為學(xué)生制作各個(gè)單元的重點(diǎn)知識(shí)微課，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自己的實(shí)際情況，自主選擇自己需要復(fù)習(xí)的知識(shí)。通過(guò)這樣的方式引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)，可以使基礎(chǔ)知識(shí)不牢靠的學(xué)生循序漸進(jìn)地補(bǔ)充自己，還可以使基礎(chǔ)知識(shí)比較扎實(shí)的學(xué)生更好地完善自己，從而提升教學(xué)質(zhì)量，使全班的學(xué)生都可以獲得真正的進(jìn)步。

(4)

若指標(biāo)位于Ⅰ類(lèi)或Ⅴ類(lèi)范圍，則參數(shù)計(jì)算公式分別如下：

(5)

(6)

式中，xu、xi—分別為對(duì)應(yīng)級(jí)別相應(yīng)參數(shù)的上下邊界值。

一級(jí)模糊評(píng)價(jià)集可通過(guò)對(duì)第i類(lèi)指標(biāo)的一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)進(jìn)行求解，并采用普通矩陣法進(jìn)行求解，計(jì)算公式如下：

Bi=Ai·Ri=(ai1，ai2，，aij，)=(bi1，bi2，bi3，bi4，bi5)

(7)

式中，Bi、Ai—分別為一級(jí)評(píng)語(yǔ)集和指標(biāo)權(quán)重集；Ri—一級(jí)模糊關(guān)系矩陣。

結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果可對(duì)各二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)集進(jìn)行求解，公式如下：

(8)

1.4 權(quán)重計(jì)算

本文采用遼河流域相關(guān)管理人員和生態(tài)學(xué)專(zhuān)家咨詢的方式對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行確定[11]，結(jié)果如表3所示。由表可知，保證河流生物生存和發(fā)展的必要條件和主要因素為最小生態(tài)基流滿足率，其權(quán)重為0.35；而保證河床健康發(fā)展以及河道內(nèi)動(dòng)植物多樣性的基本條件和指標(biāo)為輸沙平衡度指數(shù)與環(huán)境適宜度指數(shù)，其比重為0.2；維持生態(tài)系統(tǒng)正常循環(huán)的決定性伊蘇為含沙量指數(shù)和斷流指數(shù)，權(quán)重系數(shù)為0.1。綜上所述，本文所選取的各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)與遼河流域客觀實(shí)際狀況具有較強(qiáng)的一致性。

表3 水文生態(tài)完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2 結(jié)果分析

分別選取了老哈河、東遼河、渾河、太子河、饒陽(yáng)河等主要支流的8個(gè)水站進(jìn)行水文相關(guān)數(shù)據(jù)的提取站點(diǎn)，主要包括對(duì)水溫、河流流量、實(shí)測(cè)斷面以及含沙量等數(shù)據(jù)進(jìn)行選取，考慮到數(shù)據(jù)的真實(shí)性以及可獲取性，參考遼河流域水文統(tǒng)計(jì)年鑒選取1990—2010年進(jìn)行水文生態(tài)完整性評(píng)價(jià)研究，其中豐水年、枯水年以及平水年分別按照各年份的徑流量進(jìn)行劃分。

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

按照文中所述求解方法和各過(guò)程對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和求解，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)整理各指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果

2.2 評(píng)價(jià)過(guò)程

對(duì)遼河流域水文生態(tài)完整習(xí)性利用模糊綜合評(píng)價(jià)法和文中所述相關(guān)公式進(jìn)行求解，依據(jù)各級(jí)別隸屬函數(shù)，并結(jié)合各指標(biāo)所屬類(lèi)別和指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行求解，各一級(jí)模糊關(guān)系矩陣計(jì)算結(jié)果如圖1所示，其關(guān)系矩陣計(jì)算結(jié)果為：

圖1 一級(jí)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果

利用上述結(jié)果可對(duì)各二級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行求解，如圖2所示。由圖2可知，評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅲ類(lèi)即“一般”等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)其隸屬度最高，遼河流域水文生態(tài)完整程度按照最大隸屬度原則可評(píng)價(jià)為“一般”水平。

2.3 結(jié)果分析

按照最大隸屬度原則并結(jié)合一級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果可知，“一般”狀態(tài)的最小生態(tài)基流滿足率最大為0.755，由此說(shuō)明該流域不能完全保證其最小生態(tài)基流。依據(jù)相關(guān)資料，該流域自21世紀(jì)以來(lái)降低了約25%，河流生物生存和發(fā)展空間隨著工農(nóng)業(yè)用水量的急劇增大以及生態(tài)用水的嚴(yán)重短缺而逐漸降低，其生物生存空間擁擠且最小流量得不到滿足，因此水利管理相關(guān)部門(mén)應(yīng)對(duì)其足夠重視并采取必要的防護(hù)保護(hù)措施。斷流指數(shù)隸屬度最高為0.522，處于“較好”的水平等級(jí)，由此可造成動(dòng)植物能量流中斷、空間物質(zhì)發(fā)展得不到保證并最終所引起的生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞。環(huán)境適宜指數(shù)隸屬最高值為0.286，屬于較好的水平等級(jí)，而起流速指數(shù)為Ⅴ類(lèi)級(jí)別即屬于極差等級(jí)，由此表明該流域的水溫適宜魚(yú)類(lèi)的繁殖和生存，而其流速狀態(tài)不適宜生物的生存。通過(guò)實(shí)地考察和調(diào)查分析，遼河流域河道污染雖然較低但起整體仍處于較高的污染水平，生活垃圾的隨意擺放以及工農(nóng)業(yè)污水處理不達(dá)標(biāo)排放等問(wèn)題突出，河道的高污染水平不僅對(duì)魚(yú)類(lèi)及其他生物的生存發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)重威脅，而且可對(duì)河流的流速及水溫帶來(lái)不利影響；含沙量指數(shù)的隸屬度最高值為0.401，由此表明遼河流域含沙量近年來(lái)的偏離程度較低。輸沙平衡程度指數(shù)隸屬度最高位0.982屬于“較差”的水平等級(jí)，由此表明該流域的輸沙極度不均衡，結(jié)合有關(guān)數(shù)據(jù)資料可知，該河道幾年來(lái)一直處于泥沙淤積狀態(tài)，并且在太子河下游區(qū)域的淤泥現(xiàn)象最為嚴(yán)重，河道治理相關(guān)部門(mén)有必要采取措施對(duì)淤泥進(jìn)行處理并保證河道的通暢。

3 結(jié)論

本文結(jié)合遼河流域?qū)嶋H狀況和水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料，利用模糊性評(píng)價(jià)方法對(duì)該流域的水文生態(tài)完整性進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析，所選取的各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)與遼河流域客觀實(shí)際狀況具有較強(qiáng)的一致性，得出的主要結(jié)論如下：

(1)評(píng)價(jià)結(jié)果為“一般”狀態(tài)的最小生態(tài)基流滿足率最大值為0.755，說(shuō)明該流域不能完全保證其最小生態(tài)基流。

(2)斷流指數(shù)隸屬度最高為0.522，處于“較好”的水平等級(jí)，由此可造成動(dòng)植物能量流中斷、空間物質(zhì)發(fā)展得不到保證并最終所引起的生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞，水利管理相關(guān)部門(mén)應(yīng)對(duì)其足夠重視并采取必要的防護(hù)保護(hù)措施。

(3)該流域的輸沙極度不均衡，結(jié)合有關(guān)數(shù)據(jù)資料可知，該河道幾年來(lái)一直處于泥沙淤積狀態(tài)，并且在太子河下游區(qū)域的淤泥現(xiàn)象最為嚴(yán)重，河道治理相關(guān)部門(mén)有必要采取措施對(duì)淤泥進(jìn)行處理保證河道通暢。