河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系及權(quán)重的研究

鄭 保，羅文勝

(湖南省岳陽市水利水電勘測設(shè)計院，湖南 岳陽 414000)

河流生態(tài)系統(tǒng)健康與人類活動、社會和經(jīng)濟的發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境等是息息相關(guān)的，是區(qū)域水平上的環(huán)境安全、資源安全和經(jīng)濟安全的有機統(tǒng)一。一個河流生態(tài)系統(tǒng)健康應(yīng)該是組織結(jié)構(gòu)合理，運轉(zhuǎn)功能良好，能量的流動和物質(zhì)的循環(huán)在系統(tǒng)內(nèi)部是未受到損害的，對突發(fā)的或長期的，人為的或自然的擾動都能夠保持穩(wěn)定性和彈性以及一定的自愈的能力，河流生態(tài)系統(tǒng)的功能展現(xiàn)出復(fù)雜性和多樣性，所有受益者的合理目標和要求能夠得到滿足，能夠根據(jù)區(qū)域發(fā)展需求，保證不同區(qū)域均衡發(fā)展，水資源分配和利用更加合理，同時生態(tài)環(huán)境能夠得到改善。其內(nèi)涵是動態(tài)變化的，在不同的空間尺度和不同的時間尺度具有不同涵義[1]。

生態(tài)指標體系( Ecological indicator system, EIS)是評估、監(jiān)測和管理生態(tài)系統(tǒng)的一種實用的工具和有效的方法，它的構(gòu)成包括一系列有一定層次結(jié)構(gòu)的指標，這些指標用來代表生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、成分和功能及相互之間的聯(lián)系，體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的完整性和層次性[2-4]。對于任何多指標評價系統(tǒng)，各個評價指標之間的相互重要程度是不相同(即指標權(quán)重互不相同)的，不同的指標權(quán)重對應(yīng)的評價結(jié)果不一樣，故合理地確定指標權(quán)重對任何評價系統(tǒng)都十分重要[5]。

本研究以層次分析法作為分析理論的框架，在歸納總結(jié)了熊文[6]等學(xué)者提出的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系的基礎(chǔ)上，以層次分析法原則做了德爾菲問卷調(diào)查，將專家答卷調(diào)查結(jié)果運用Exper Choice軟件進行了分析計算，得到了各相關(guān)指標在區(qū)位選擇決策過程所占的權(quán)重值以及各項區(qū)位指標要素的優(yōu)先級，為管理者對河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的建設(shè)、管理和評價提供了參考依據(jù)，同時還可以評估健康受到破壞的河流生態(tài)恢復(fù)的成效，從而提高管理決策能力。

1 河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系層次結(jié)構(gòu)構(gòu)建

熊文[6]等學(xué)者根據(jù)國內(nèi)外主要江河水生態(tài)與水環(huán)境保護研究成果，在分析和研究重要河流生態(tài)健康評價實踐的基礎(chǔ)上，綜合考慮河流生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力、活力、功能和組織結(jié)構(gòu)以及河流生態(tài)系統(tǒng)層級性、動態(tài)性、多樣性和局限性，從河流的水文水資源狀況、水環(huán)境狀況、水生生物及生境狀況、水資源開發(fā)利用狀況等4個方面篩選17項關(guān)鍵指標，本研究建議將水資源狀況下指標層級生態(tài)用水配置程度歸入生態(tài)基流指標中，指標體系如圖1、表1。

圖1 河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系圖

指標分類指標名稱指標說明水文水資源狀況地下水埋深評價范圍內(nèi)地表至淺層地下水水位之間的平均垂線距離地下水開采年平均地下水實際開采量與年均地下水可開采量之比生態(tài)基流維持河流基本形態(tài)和基本生態(tài)功能,避免河流水生生物群落遭受到無法恢復(fù)破壞的河道內(nèi)最小流量,及生態(tài)用水配置保障程度水環(huán)境狀況水功能區(qū)水質(zhì)達標率水功能區(qū)水質(zhì)達到其水質(zhì)目標的數(shù)量(河長、面積)占水功能區(qū)總數(shù)(總河長、總面積)的比例湖庫富營養(yǎng)化指數(shù)評價湖泊、水庫水體富營養(yǎng)化程度飲用水源地水質(zhì)指數(shù)以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)、《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)為基礎(chǔ),結(jié)合飲用水安全保障的要求,進行綜合調(diào)整,提出的綜合評價標準和水質(zhì)分級指數(shù),客觀反映飲用水源地水質(zhì)狀況水生生物及生境狀況縱向連通性在河流系統(tǒng)內(nèi)生態(tài)元素在空間結(jié)構(gòu)上的縱向聯(lián)系橫向連通性具有連通性的水面面積或濱岸帶長度占評價水體的比值珍稀水生生物存活狀況珍稀水生生物或者特征水生生物物種存活質(zhì)量與數(shù)量的狀況濕地保留率指某區(qū)域或流域的濕地面積所占土地面積(含水域面積)的比例。具體體現(xiàn)對河流濕地調(diào)蓄洪水的能力,資源的保護狀況,景觀、生態(tài)和人類生存環(huán)境狀況等生態(tài)需水滿足程度指天然最小流量與維持河流水沙平衡、水生生物生存和河口生態(tài)、污染物稀釋自凈所需要的最小流量之比。反映河道內(nèi)水資源量滿足生態(tài)保護要求的狀況涉水自然保護區(qū)狀況定性評價涉水自然保護區(qū)保護狀況涉水景觀保護程度定性評價自然或人工形成的,因其獨特性、多樣性而具有景觀價值并以水為主體的景觀體系保護程度魚類生境狀況國家重點保護的、珍稀瀕危的、土著的、特有的、重要經(jīng)濟價值的魚類種群生存繁衍的棲息地狀況水資源開發(fā)利用狀況水資源開發(fā)利用程度指區(qū)域或流域已開發(fā)利用的水資源量與水資源總量之比。反映區(qū)域或流域內(nèi)水資源開發(fā)利用的程度以及經(jīng)濟社會發(fā)展與水資源開發(fā)利用的協(xié)調(diào)程度水能開發(fā)利用程度指區(qū)域或流域已開發(fā)利用的水能資源量與水能資源技術(shù)可開發(fā)量之比。反映流域內(nèi)水能資源的開發(fā)利用程度

2 河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標權(quán)重的確定

2.1 AHP方法原理

層次分析法[7](AHP)是美國學(xué)者T. L. Saaty 于1970-1979年間提出的,它運用1-9標度把人的主觀判斷進行了客觀量化,將定性問題進行定量分析,是一種簡單實用的多準則評價方法。層次分析法為管理決策者提供了用一個簡單的結(jié)構(gòu)層次形式解決復(fù)雜的問題的方法。

利用層次分析法原理確定權(quán)重集[8]

A={A1，A2，…，An}

(1)

其步驟為：

1)設(shè)計德爾菲專家問卷，通過問卷在每一層次上，對該層指標進行逐對比較，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣為

(2)

因素x1，x2，…，xn，每次取兩個因素xi，xj。正數(shù)aij表示xi與xj的重要性程度之比，由Saaty提出處的1-9標度法確定，見表2。

表2 標度及其描述表

其中矩陣為互反矩陣的條件：aij>0,aij=1/aij，aii=1?；シ淳仃嚨男再|(zhì)是對一個n階判斷矩陣僅需給出其上三角(或下三角)的n(n-1)/2個元素就可以了(只需要做n(n-1)/2個判斷即可)。

2)檢驗每個矩陣的一致性?？刹捎肕atlab軟件中[v,d]=eig(a)函數(shù)計算最大特征根λmax

一致性指標為

(3)

一致性比例為：

(4)

其中R.I.為平均隨機一致性指標，其值可以通過查表3得出。

表3 平均隨機一致性指標表

(5)

當(dāng)C.R.不可接受時應(yīng)當(dāng)對矩陣做適當(dāng)修正。

3)解判斷矩陣,得到權(quán)重向量。本研究采用根法計算權(quán)重其法如下[9]：

(6)

所得的W經(jīng)歸一化后可作為權(quán)向量記作：

W=(w1,w,…,wn)T

(7)

4)計算各元素對目標層的合成權(quán)重。計算合成權(quán)重要從上到下每個層級一一計算，將單評價準則下的權(quán)重進行合成，然后對其進行一致性檢驗(檢驗方法與步驟3相同)。

2.2 問卷設(shè)計、發(fā)放與回收及一致性檢驗

問卷設(shè)計、發(fā)放與回收。每一層級要素在上一層級的某一要素作為評估準則下，進行兩兩成對比較，在1～9的標尺下，讓選擇的專家或決策者填寫問卷。以回收的專家A的填答問卷為例，來說明各評價指標的相對重要性，用矩陣表示如表4所示。

同樣水文水資源狀況、水環(huán)境狀況、水生生物及生境狀況、水資源開發(fā)利用狀況4個重要層面下的各評估準則也仿照上例分別設(shè)計具有成對比較矩陣的問卷。本研究的德爾菲問卷針對對象包括：生態(tài)學(xué)、水利學(xué)、教育學(xué)專家，相關(guān)政府機構(gòu)人員四大群體。問卷以郵寄、電子郵件的形式寄發(fā)20份調(diào)查問卷，回收問卷10份(以專家A、B、C、D、E、F、G、F表示)，回收率為50%。

本研究通過Expert Choice軟件對每對偶矩陣的一致性進行檢驗。專家A問卷填答第一層級指標的檢驗結(jié)果如圖2所示。

表4 問卷設(shè)計樣例表

圖2 專家A的問卷填答與檢驗圖

Expert Choice軟件計算結(jié)果的矩陣中水環(huán)境狀況指標下的紅色9表示水文水資源狀況相對水環(huán)境狀況的權(quán)重為1/9(水環(huán)境狀況比水文水資源狀況極重要)。同理，黑色的含義與紅色含義代表的意義相反。其中不一致比例incon與C.R.意義一致。incon=0.03<0.1，固問卷調(diào)查的此層級是收斂的。

由此可以得到兩兩比較判斷矩陣為：

采用ExpertChoice軟件計算得到第一層級指標在目標層下的權(quán)重分配如圖3所示。

如果C.R.不收斂時，應(yīng)當(dāng)對調(diào)查的問卷逐一分析找到不收斂的原因，將信息反饋給專家，讓專家重新填寫問卷，直到問卷收斂為止。

同理，水文水資源狀況、水環(huán)境狀況、水生生物及生境狀況、水資源開發(fā)利用狀況四大層級下的指標權(quán)重的計算方法與第一層級指標的計算相同。

最后計算各指標對目標層的合成權(quán)重并進行整體一致性檢驗，計算結(jié)果如圖4所示。

整體一致性incon=0.03<0.1說明此問卷收斂。如果不收斂，應(yīng)當(dāng)對問卷進行分析找出不一致性的原因，回饋給專家，直到問卷收斂為止。

2.3 綜合問卷確定權(quán)重

根據(jù)以上章節(jié)的方法對專家(A、B、C、D、E、F、G)的問卷一致性進行檢驗，使得每個專家的問卷收斂在合理的范圍內(nèi)。最后得到各個層級在總目標層下的合成權(quán)重，以專家A為例進行說明，如圖5所示。

圖5 各個層級指標在總目標層下的合成權(quán)重圖

由圖5可知專家A對水生生物及生境狀況評價最高為45.7%，其余依次是水環(huán)境狀況、水資源開發(fā)利用狀況、水文水資源狀況，第二層級中水功能區(qū)水質(zhì)達標率和生態(tài)需水滿足程度占得比例最大都為20.1%。

其余專家的問卷計算方法與專家A的計算方法一致，最后成果形式與圖5類似。在分析統(tǒng)計完各個專家的指標權(quán)重值以后，本研究以等比量表幾何平均數(shù)的計算方法，計算出四大層面與各層面下的指標相對于目標層的平均權(quán)重值如表5所示。

由表5分析可知，依據(jù)最后幾何平均數(shù)統(tǒng)計結(jié)果顯示，各專家對水生生物及生境的評價最高為60%其余依次是水環(huán)境狀況26.7%、水資源開發(fā)利用狀況6.7%、水文水資源狀況6.6%。對于評估內(nèi)容中各專家對生態(tài)需水滿足程度評價最高為21.5%，其次是涉水自然保護區(qū)狀況12.7%，水功能區(qū)水質(zhì)達標率10.7%，飲用水源地水質(zhì)指數(shù)8.9%等。在河流開發(fā)和建設(shè)程中，以上計算的層級各個指標的權(quán)重，可為建設(shè)管理者提供決策依據(jù)。

表5 河流生態(tài)系統(tǒng)評價指標體系權(quán)重及優(yōu)先等級表

3 結(jié)論及建議

本研究以河流生態(tài)健康為總目標，從河流生態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)利用和可持續(xù)發(fā)展理念出發(fā)，總結(jié)熊文等學(xué)者的研究成果基礎(chǔ)上，提煉出了河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價關(guān)鍵指標，構(gòu)建了河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系，此指標體系融合了生態(tài)類、物理化學(xué)類、環(huán)境類、生物類和人文類等眾多專業(yè)指標屬于綜合性評價體系。在指標體系的建立過程中，雖然選取了多專業(yè)的能全面代表河流生態(tài)健康化水平的指標，但是指標的全面代表性，具體到每個地區(qū)，每條河流情況是不同的，有待我們?nèi)フ{(diào)查和研究。

通過利用AHP專家決策軟件Expert Choice對構(gòu)建的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系權(quán)重進行了計算，結(jié)果表明：水生生物及生境是河流生態(tài)健康建設(shè)過程中應(yīng)當(dāng)考慮的重點。河流生態(tài)健康建設(shè)過程中要注重河流的生態(tài)需水要求，涉水自然保護區(qū)狀況，同時兼顧水環(huán)境狀況，注重水功能區(qū)水質(zhì)達標率、引水水源地水質(zhì)指數(shù)等。河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系的權(quán)重不僅為生態(tài)河流健康的建設(shè)提供了參考依據(jù)，而且還為河流的生態(tài)建設(shè)指明了方向。不同地區(qū)的河流生態(tài)健康情況不同，本研究所采用的指標體系權(quán)重并不代表河流生態(tài)健康評價體系的最終權(quán)重，不同地區(qū)的河流生態(tài)健康還需要按實際情況對指標進行修改和篩選重新確定權(quán)重。