河流健康評價指標(biāo)與權(quán)重分配的統(tǒng)計分析

蘇輝東，賈仰文，牛存穩(wěn)，童偉軍

(1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實驗室，北京 100038；2.中建集團(tuán)水務(wù)環(huán)保有限公司，北京 100037)

隨著生態(tài)系統(tǒng)健康研究的深入，河流健康逐漸受到關(guān)注，河流健康評價工作對河流保護(hù)與管理及可持續(xù)利用的基礎(chǔ)性作用和指導(dǎo)性作用日益凸顯[1-3]。20世紀(jì)70年代以來，美國[1,4]、澳大利亞[5]、南非[6]、英國[7]以及我國[8-10]等都先后開展了河流健康評價的相關(guān)研究。有的學(xué)者強(qiáng)調(diào)河流的自然屬性，多從生態(tài)健康角度出發(fā)評價河流健康[11],認(rèn)為結(jié)構(gòu)功能完整的或未受干擾的河流為健康河流[12-13]；有的學(xué)者認(rèn)為河流也具有社會屬性[3]，河流對人類的經(jīng)濟(jì)服務(wù)功能也屬于健康河流范疇[14-16]。目前對具體河流健康進(jìn)行評價時仍舊存在很大的主觀性，其原因主要有兩點(diǎn)：一是不同地域的河流、不同類型的河流千差萬別，如南北方差異、東西部差異、城市河道與天然河流的差異、河流干流與支流的差異等，水文水資源、生態(tài)環(huán)境、生物、經(jīng)濟(jì)社會屬性不盡相同，可以說世界上不存在兩條完全相同的河流；二是評價者或者管理者的知識背景、采用的方法、評價目的、數(shù)據(jù)的多少等因素都會導(dǎo)致河流健康評價的指標(biāo)體系、權(quán)重及指標(biāo)的賦值標(biāo)準(zhǔn)存在差異，甚至對河流健康內(nèi)涵的理解也不統(tǒng)一。可見河流健康評價工作極其復(fù)雜，評價結(jié)果很難相互對比，不利于頂層決策、管理以及后續(xù)的生態(tài)修復(fù)工作。

針對河流健康評價會“因河而異”采用不同的指標(biāo)體系、權(quán)重和指標(biāo)賦值標(biāo)準(zhǔn)的問題，目前主要有兩種解決方法，一種是將不同河流的信息分類加以整理，比如將河流分為生態(tài)型河流[17]、山地型河流[18]、灌溉區(qū)河流、城市型河流[19-20]等，以及特定的河流，如長江[21]、黃河[22]和珠江[23-24]，根據(jù)相鄰或相似性原理，將一條河流的評價指標(biāo)和方法移植到另一條河流。由于相似河流往往比較難找，而且仍然無法對不同類型河流的健康程度進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，適用范圍仍有限。另一種方法是構(gòu)建一種普適性的評價指標(biāo)體系與方法指導(dǎo)全國的河湖健康評價[25]，如水利部試行的《河流健康評估指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與方法》(1.0版)以及馮彥等[26]提出的河流健康評價主評指標(biāo)體系。此方法指標(biāo)體系的構(gòu)建、權(quán)重的分配以及評價標(biāo)準(zhǔn)的選擇等都存在一定的問題，有待進(jìn)一步研究與完善。馮彥等[26]及楊麗萍[27]通過對大量河流健康相關(guān)文獻(xiàn)的河流健康評價指標(biāo)體系以及指標(biāo)的歸納、整理和篩選，得到一個完整的河流健康評價主評指標(biāo)體系，但其對指標(biāo)體系權(quán)重的分配和主評指標(biāo)的賦值并未展開詳細(xì)的分析。

鑒于此，本文通過文獻(xiàn)調(diào)研，選出150篇相關(guān)的文獻(xiàn)、41個典型評價案例，對其中的指標(biāo)體系及其權(quán)重進(jìn)行歸納整理，分析指標(biāo)體系和權(quán)重的特征和規(guī)律，尋求多樣本的指標(biāo)體系和權(quán)重期望值，以期為河流健康評價指標(biāo)體系的構(gòu)建、指標(biāo)權(quán)重的分配及不同的河流健康評價提供參考。

1 研究方法與思路

河流健康評價的3個決定性因素為指標(biāo)(index)、指標(biāo)權(quán)重(weigh)和指標(biāo)賦值(eigenvalue)，這3個決定性因素因河流類型以及所在地區(qū)自然地理條件不同而變化，評價結(jié)果難免具有主觀性。指標(biāo)的重要性或影響因子稱為權(quán)重，指標(biāo)的健康狀況稱為指標(biāo)賦值。河流健康是公眾對河流的期望, 反映了不同背景下的價值取向[28]，如城市型河流水質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類以上，為人類提供較高的經(jīng)濟(jì)服務(wù)功能，能生存一些魚類就能滿足公眾的要求，人們就會認(rèn)為河流是健康的，賦值應(yīng)該在60分及以上(滿分是100分)；而生態(tài)功能保護(hù)區(qū)的河流，公眾對河流健康的期望水質(zhì)要求可能是Ⅱ類，甚至Ⅰ類，為人類提供經(jīng)濟(jì)服務(wù)功能要求則很低，魚類要求保持未受擾動的原始狀態(tài)。兩種不同地域、類型的河流，指標(biāo)的重要性(或權(quán)重)未發(fā)生改變，但公眾對指標(biāo)期望值(賦值標(biāo)準(zhǔn))發(fā)生了改變。因此，從另一個角度來看，權(quán)重是可以不變的，但指標(biāo)賦值的標(biāo)準(zhǔn)(通過關(guān)鍵閾值的不同實現(xiàn))是不斷改變的，每條河流指標(biāo)的關(guān)鍵閾值是不一樣的。

指標(biāo)權(quán)重是指各指標(biāo)對河流健康的“貢獻(xiàn)程度”或者“影響因子”，在河流健康評價實踐中起到關(guān)鍵的作用。確定權(quán)重的方法主要有層次分析法[29]、專家咨詢法、主成分分析法[30]、熵值法、博弈論的綜合權(quán)重法[31-32]等。由于權(quán)重確定方法本身的多樣性，再加上專家的知識背景和經(jīng)驗的差別、河流健康內(nèi)涵及評價目的的不同，使得指標(biāo)和權(quán)重會出現(xiàn)很大的偏差，進(jìn)而導(dǎo)致這類方法難以避免權(quán)重分配的主觀性，且很難評判、對比其優(yōu)劣。本文對國內(nèi)外具有代表性的多指標(biāo)河流健康評價的權(quán)重分配進(jìn)行統(tǒng)計，并采用統(tǒng)計學(xué)求數(shù)學(xué)期望的方法得到各個指標(biāo)的權(quán)重(或稱為影響因子)，以期能集合大多數(shù)評價者的共識，獲得一個可供參考的較為客觀的指標(biāo)體系及權(quán)重。數(shù)學(xué)期望的計算公式如下:

(1)

式中：E(x)為數(shù)學(xué)期望；f(x)為權(quán)重x的概率密度函數(shù)。

在實際計算時，如果數(shù)據(jù)中出現(xiàn)一兩個極端數(shù)據(jù)，會削弱平均數(shù)的代表性。為了消除這種現(xiàn)象，可將少數(shù)極端數(shù)據(jù)去掉，剔除概率密度較小的極大值和極小值，選擇分布較為集中的權(quán)重區(qū)段，再求數(shù)學(xué)期望來進(jìn)行優(yōu)化。修正后的期望值E′(x)的計算公式如下：

(2)

其中(x1,x2)滿足以下條件：

(3)

式中：E′(x)為修正后的期望值；F(x)為變量x的概率分布函數(shù)，其計算式為

(4)

2 準(zhǔn)則層的權(quán)重統(tǒng)計分析

在中國知網(wǎng)上搜索2000—2017年的中文核心期刊、CSCD期刊以及碩博論文關(guān)于河流健康的典型文獻(xiàn)及案例，并檢索SCI論文中關(guān)于國外河流健康的典型文獻(xiàn)及案例。根據(jù)文獻(xiàn)的下載次數(shù)、引用次數(shù)、發(fā)文期刊本身的質(zhì)量初步篩選出150篇相關(guān)文獻(xiàn)，再從中選擇在河流健康評價中給出了指標(biāo)體系及權(quán)重的文獻(xiàn)，一共篩選出41個典型評價案例。對這些文獻(xiàn)分類整理發(fā)現(xiàn)，基于多指標(biāo)綜合評價河流健康的文獻(xiàn)中，91%以上文獻(xiàn)的準(zhǔn)則層為5個，分別為水文、水質(zhì)、生物、生境物理、經(jīng)濟(jì)服務(wù)功能。按照這5個分類，對41個案例中準(zhǔn)則層權(quán)重進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，經(jīng)濟(jì)服務(wù)功能的權(quán)重最大，平均值為0.24，約占準(zhǔn)則層的1/4。為進(jìn)一步分析權(quán)重的合理取值，對每個準(zhǔn)則層權(quán)重統(tǒng)計其概率密度分布曲線，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，水文、生物、生境物理和經(jīng)濟(jì)服務(wù)功能的概率分布比較集中，且E(x) 都在權(quán)重分布集中的區(qū)間。對E(x)進(jìn)行修正，修正后的E′(x)的取值分別為0.15、0.16、0.18、0.19、0.24。E(x)與E′(x)差異很小，說明E(x)取值較為合理。從圖1還可以看出，水文和經(jīng)濟(jì)服務(wù)功能基本符合正態(tài)分布，雖然水文的權(quán)重極值差異很大(0.01～0.51)，但分布較為集中(0.15上下)，具有“集中趨勢”，所以水文類指標(biāo)權(quán)重取0.15能符合大多數(shù)評價者的共識。為進(jìn)一步分析準(zhǔn)則層權(quán)重平均值的可靠性，采用標(biāo)準(zhǔn)偏差來估算和評定，結(jié)果如表2所示。從標(biāo)準(zhǔn)差來看，生物的標(biāo)準(zhǔn)差最小，這說明生物在河流健康評價中的權(quán)重為0.18是普遍接受的權(quán)重值；標(biāo)準(zhǔn)差第二小的是水文，表明其權(quán)重0.15也是很認(rèn)可的權(quán)重。

圖1 準(zhǔn)則層權(quán)重的概率密度分布曲線

表1 典型案例河流健康評價準(zhǔn)則層權(quán)重統(tǒng)計結(jié)果

注：*表示原體系中沒有、本文統(tǒng)計時加入的準(zhǔn)則層權(quán)重，均取統(tǒng)計平均值0.24。

表2 河流健康評價準(zhǔn)則層權(quán)重統(tǒng)計分析結(jié)果

3 指標(biāo)層指標(biāo)的選擇與權(quán)重的確定

采用頻度統(tǒng)計法對篩選出的150篇文獻(xiàn)進(jìn)行頻度統(tǒng)計，對頻度靠前的指標(biāo)體系進(jìn)行統(tǒng)計分析。在統(tǒng)計過程中，對名稱、內(nèi)涵或表達(dá)形式相近的指標(biāo)進(jìn)行相似性處理，都?xì)w為同一指標(biāo)。例如，魚類多樣性指數(shù)、魚類保留率、魚類損失指數(shù)、敏感性魚種數(shù)、魚種數(shù)、土著魚種數(shù)、外來魚種數(shù)、魚優(yōu)勢度指數(shù)、個體異常性魚種數(shù)、魚生物完整性指數(shù)等，本文都?xì)w類為魚類指標(biāo)。統(tǒng)計后得到河流健康評價的指標(biāo)及其出現(xiàn)次數(shù)情況如表3所示。

對表3中的主要指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)合并、歸類、分析和篩選，構(gòu)建新的指標(biāo)體系。新的指標(biāo)體系既要盡量精簡、易于開展評價，又要盡可能多地指示河流健康的主要物理化學(xué)特征。即綜合考慮指標(biāo)的代表性、普遍性、可量化性和易獲得性，同時考慮指標(biāo)之間的相關(guān)性與重復(fù)性，刪除顯著相關(guān)的指標(biāo)。結(jié)合國內(nèi)外41個河流健康評價實例的指標(biāo)權(quán)重統(tǒng)計結(jié)果，按照準(zhǔn)則層權(quán)重獲取的方法，對指標(biāo)層的指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行重新分配，構(gòu)建河流健康評價指標(biāo)體系如圖2所示(括號中數(shù)據(jù)為權(quán)重)。

圖2給出的評價指標(biāo)體系及指標(biāo)權(quán)重可為后續(xù)河流健康評價指標(biāo)體系構(gòu)建與權(quán)重分配提供參考。其中，水文指標(biāo)中徑流變化率反映徑流量和過程的變異；水質(zhì)指標(biāo)中水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率能較多反映水質(zhì)的信息；生物指標(biāo)采用可以自由移動的魚類和相對靜止的底棲動物來表征；生境物理3個指標(biāo)分別表征河道的穩(wěn)定性、連通性和生境數(shù)量和質(zhì)量；經(jīng)濟(jì)服務(wù)功能中流域天然植被覆蓋率、水資源利用率、河岸景觀適宜度分別主要表征流域內(nèi)土地利用情況、水資源開發(fā)利用程度和景觀適宜性。評價與管理者可以在此指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際情況和需要靈活增加1～3個需考慮的特色指標(biāo)，并對主評指標(biāo)和權(quán)重進(jìn)行合理調(diào)整。

圖2 河流健康評價指標(biāo)體系框架及其指標(biāo)的權(quán)重

4 結(jié) 語

有效開展河流健康評價是河流管理與修復(fù)的基礎(chǔ)性工作，有利于促進(jìn)生態(tài)保護(hù)與水資源可持續(xù)利用。目前對河流健康的研究處于探索階段，從指標(biāo)的選擇到權(quán)重的分配存在各種觀點(diǎn)和方法，難以找到一種方法來評價各種指標(biāo)和權(quán)重的優(yōu)劣，也難以判斷哪種方法的評價結(jié)果更合理。本文通過對150篇河流健康評價文獻(xiàn)的分析，發(fā)現(xiàn)不同的研究者對準(zhǔn)則層劃分較為統(tǒng)一，集中在水文、水質(zhì)、生物、生境物理、經(jīng)濟(jì)服務(wù)功能等方面，而權(quán)重取值差別很大。通過進(jìn)一步篩選得到了河流健康評價實例中準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的常用指標(biāo)及其采用情況，并計算了其相應(yīng)的歸一化后的權(quán)重期望值。通過分析現(xiàn)有研究中河流健康評價指標(biāo)和權(quán)重的采用特征和期望值，提出了一個適宜河流健康評價的通用指標(biāo)體系框架，并給出了準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的權(quán)重。該通用指標(biāo)體系框架集合了河流健康評價的共識，能增加河流健康評價的橫向可比性，使評價結(jié)果相對客觀，可供評價者參考?？紤]到不同地域河流的差異性，可以適當(dāng)增加反映當(dāng)?shù)睾恿魈匦缘闹笜?biāo)，來建立綜合指標(biāo)體系。此外，應(yīng)對不同類型河流評價指標(biāo)的賦值標(biāo)準(zhǔn)開展研究，采用實際案例加以驗證，以快速獲得更客觀的河流健康評價結(jié)果。

表3 河流健康評價指標(biāo)的采用情況