河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)與權(quán)重分配的統(tǒng)計(jì)分析

蘇輝東，賈仰文，牛存穩(wěn)，童偉軍

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)工作對(duì)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(lái)，美國(guó)[1,4]、澳大利亞[5]、南非[6]、英國(guó)[7]以及我國(guó)[8-10]等都先后開(kāi)展了河流健康評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(huì)屬性[3]，河流對(duì)人類(lèi)的經(jīng)濟(jì)服務(wù)功能也屬于健康河流范疇[14-16]。目前對(duì)具體河流健康進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)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(lèi)型的河流千差萬(wàn)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(huì)屬性不盡相同，可以說(shuō)世界上不存在兩條完全相同的河流；二是評(píng)價(jià)者或者管理者的知識(shí)背景、采用的方法、評(píng)價(jià)目的、數(shù)據(jù)的多少等因素都會(huì)導(dǎo)致河流健康評(píng)價(jià)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(duì)河流健康內(nèi)涵的理解也不統(tǒng)一?？梢?jiàn)河流健康評(píng)價(jià)工作極其復(fù)雜，評(píng)價(jià)結(jié)果很難相互對(duì)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(duì)河流健康評(píng)價(jià)會(huì)“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(wèn)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(lèi)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(zhǎng)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(píng)價(jià)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(wú)法對(duì)不同類(lèi)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系與方法指導(dǎo)全國(guó)的河湖健康評(píng)價(jià)[25]，如水利部試行的《河流健康評(píng)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(píng)價(jià)主評(píng)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的選擇等都存在一定的問(wèn)題，有待進(jìn)一步研究與完善。馮彥等[26]及楊麗萍[27]通過(guò)對(duì)大量河流健康相關(guān)文獻(xiàn)的河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以及指標(biāo)的歸納、整理和篩選，得到一個(gè)完整的河流健康評(píng)價(jià)主評(píng)指標(biāo)體系，但其對(duì)指標(biāo)體系權(quán)重的分配和主評(píng)指標(biāo)的賦值并未展開(kāi)詳細(xì)的分析。

鑒于此，本文通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，選出150篇相關(guān)的文獻(xiàn)、41個(gè)典型評(píng)價(jià)案例，對(duì)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)提供參考。

1 研究方法與思路

河流健康評(píng)價(jià)的3個(gè)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(gè)決定性因素因河流類(lèi)型以及所在地區(qū)自然地理?xiàng)l件不同而變化，評(píng)價(jià)結(jié)果難免具有主觀性。指標(biāo)的重要性或影響因子稱(chēng)為權(quán)重，指標(biāo)的健康狀況稱(chēng)為指標(biāo)賦值。河流健康是公眾對(duì)河流的期望, 反映了不同背景下的價(jià)值取向[28]，如城市型河流水質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類(lèi)以上，為人類(lèi)提供較高的經(jīng)濟(jì)服務(wù)功能，能生存一些魚(yú)類(lèi)就能滿(mǎn)足公眾的要求，人們就會(huì)認(rèn)為河流是健康的，賦值應(yīng)該在60分及以上(滿(mǎn)分是100分)；而生態(tài)功能保護(hù)區(qū)的河流，公眾對(duì)河流健康的期望水質(zhì)要求可能是Ⅱ類(lèi)，甚至Ⅰ類(lèi)，為人類(lèi)提供經(jīng)濟(jì)服務(wù)功能要求則很低，魚(yú)類(lèi)要求保持未受擾動(dòng)的原始狀態(tài)。兩種不同地域、類(lèi)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(duì)指標(biāo)期望值(賦值標(biāo)準(zhǔn))發(fā)生了改變。因此，從另一個(gè)角度來(lái)看，權(quán)重是可以不變的，但指標(biāo)賦值的標(biāo)準(zhǔn)(通過(guò)關(guān)鍵閾值的不同實(shí)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(duì)河流健康的“貢獻(xiàn)程度”或者“影響因子”，在河流健康評(píng)價(jià)實(shí)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(zhuān)家咨詢(xún)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(zhuān)家的知識(shí)背景和經(jīng)驗(yàn)的差別、河流健康內(nèi)涵及評(píng)價(jià)目的的不同，使得指標(biāo)和權(quán)重會(huì)出現(xiàn)很大的偏差，進(jìn)而導(dǎo)致這類(lèi)方法難以避免權(quán)重分配的主觀性，且很難評(píng)判、對(duì)比其優(yōu)劣。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外具有代表性的多指標(biāo)河流健康評(píng)價(jià)的權(quán)重分配進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并采用統(tǒng)計(jì)學(xué)求數(shù)學(xué)期望的方法得到各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重(或稱(chēng)為影響因子)，以期能集合大多數(shù)評(píng)價(jià)者的共識(shí)，獲得一個(gè)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(jì)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(shí)際計(jì)算時(shí)，如果數(shù)據(jù)中出現(xiàn)一兩個(gè)極端數(shù)據(jù)，會(huì)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(lái)進(jìn)行優(yōu)化。修正后的期望值E′(x)的計(jì)算公式如下：

(2)

其中(x1,x2)滿(mǎn)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(jì)算式為

(4)

2 準(zhǔn)則層的權(quán)重統(tǒng)計(jì)分析

在中國(guó)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(guó)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?gòu)闹羞x擇在河流健康評(píng)價(jià)中給出了指標(biāo)體系及權(quán)重的文獻(xiàn)，一共篩選出41個(gè)典型評(píng)價(jià)案例。對(duì)這些文獻(xiàn)分類(lèi)整理發(fā)現(xiàn)，基于多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)河流健康的文獻(xiàn)中，91%以上文獻(xiàn)的準(zhǔn)則層為5個(gè)，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(gè)分類(lèi)，對(duì)41個(gè)案例中準(zhǔn)則層權(quán)重進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(duì)每個(gè)準(zhǔn)則層權(quán)重統(tǒng)計(jì)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(duì)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(shuō)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(shì)”，所以水文類(lèi)指標(biāo)權(quán)重取0.15能符合大多數(shù)評(píng)價(jià)者的共識(shí)。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(lái)估算和評(píng)定，結(jié)果如表2所示。從標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)看，生物的標(biāo)準(zhǔn)差最小，這說(shuō)明生物在河流健康評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)準(zhǔn)則層權(quán)重統(tǒng)計(jì)結(jié)果

注：*表示原體系中沒(méi)有、本文統(tǒng)計(jì)時(shí)加入的準(zhǔn)則層權(quán)重，均取統(tǒng)計(jì)平均值0.24。

表2 河流健康評(píng)價(jià)準(zhǔn)則層權(quán)重統(tǒng)計(jì)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(jì)法對(duì)篩選出的150篇文獻(xiàn)進(jìn)行頻度統(tǒng)計(jì)，對(duì)頻度靠前的指標(biāo)體系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在統(tǒng)計(jì)過(guò)程中，對(duì)名稱(chēng)、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(yú)類(lèi)多樣性指數(shù)、魚(yú)類(lèi)保留率、魚(yú)類(lèi)損失指數(shù)、敏感性魚(yú)種數(shù)、魚(yú)種數(shù)、土著魚(yú)種數(shù)、外來(lái)魚(yú)種數(shù)、魚(yú)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、個(gè)體異常性魚(yú)種數(shù)、魚(yú)生物完整性指數(shù)等，本文都?xì)w類(lèi)為魚(yú)類(lèi)指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)后得到河流健康評(píng)價(jià)的指標(biāo)及其出現(xiàn)次數(shù)情況如表3所示。

對(duì)表3中的主要指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)合并、歸類(lèi)、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(jiǎn)、易于開(kāi)展評(píng)價(jià)，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(shí)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(guó)內(nèi)外41個(gè)河流健康評(píng)價(jià)實(shí)例的指標(biāo)權(quán)重統(tǒng)計(jì)結(jié)果，按照準(zhǔn)則層權(quán)重獲取的方法，對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖2所示(括號(hào)中數(shù)據(jù)為權(quán)重)。

圖2給出的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及指標(biāo)權(quán)重可為后續(xù)河流健康評(píng)價(jià)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(guò)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(dòng)的魚(yú)類(lèi)和相對(duì)靜止的底棲動(dòng)物來(lái)表征；生境物理3個(gè)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(kāi)發(fā)利用程度和景觀適宜性。評(píng)價(jià)與管理者可以在此指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況和需要靈活增加1～3個(gè)需考慮的特色指標(biāo)，并對(duì)主評(píng)指標(biāo)和權(quán)重進(jìn)行合理調(diào)整。

圖2 河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系框架及其指標(biāo)的權(quán)重

4 結(jié) 語(yǔ)

有效開(kāi)展河流健康評(píng)價(jià)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(duì)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(lái)評(píng)價(jià)各種指標(biāo)和權(quán)重的優(yōu)劣，也難以判斷哪種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果更合理。本文通過(guò)對(duì)150篇河流健康評(píng)價(jià)文獻(xiàn)的分析，發(fā)現(xiàn)不同的研究者對(duì)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(guò)進(jìn)一步篩選得到了河流健康評(píng)價(jià)實(shí)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(jì)算了其相應(yīng)的歸一化后的權(quán)重期望值。通過(guò)分析現(xiàn)有研究中河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)和權(quán)重的采用特征和期望值，提出了一個(gè)適宜河流健康評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的共識(shí)，能增加河流健康評(píng)價(jià)的橫向可比性，使評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)客觀，可供評(píng)價(jià)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(lái)建立綜合指標(biāo)體系。此外，應(yīng)對(duì)不同類(lèi)型河流評(píng)價(jià)指標(biāo)的賦值標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展研究，采用實(shí)際案例加以驗(yàn)證，以快速獲得更客觀的河流健康評(píng)價(jià)結(jié)果。

表3 河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)的采用情況