基于灰色關(guān)聯(lián)分析法的遼河保護區(qū)河流水生態(tài)健康評價

李海霞，韓麗花，蔚青,2，王育鵬，段亮，徐笠,2*

1.北京市農(nóng)林科學(xué)院，北京農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究中心 2.農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測北京市重點實驗室 3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 4.中國環(huán)境科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所

河流水生態(tài)系統(tǒng)是生命之源，是生物圈物質(zhì)循環(huán)、能量流動和信息傳遞的重要通道，具有改變地表形態(tài)、凈化水質(zhì)、調(diào)節(jié)氣候、改善生態(tài)環(huán)境和維護生物多樣性等重要作用；河流還為人類提供了農(nóng)田灌溉、排洪、航運、漁業(yè)、水利發(fā)電、生產(chǎn)生活用水和休閑娛樂等一系列社會功能，其健康狀況對自然生態(tài)系統(tǒng)和社會服務(wù)系統(tǒng)都具有重要影響[1-3]。近年來，隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，城市化進程的不斷加速以及人口數(shù)量的快速膨脹，人類活動對遼河流域河流的干擾不斷加劇，改變了河岸帶原有結(jié)構(gòu)，擾亂了河流流態(tài)與水文循環(huán)過程，導(dǎo)致許多河流出現(xiàn)徑流量減少、水系惡化、水體富營養(yǎng)化加重、河流功能下降和生物多樣性損失等問題，對人類的生存和發(fā)展構(gòu)成威脅。選擇合理的指標(biāo)與評價方法，建立科學(xué)的評價體系，對河流水生態(tài)健康狀況進行評價成為當(dāng)前研究的熱點之一。

北美和西歐等發(fā)達國家較早出現(xiàn)河流污染問題，因此在河流健康評價方面的研究也開展得較早，研究人員從最初僅僅考慮理化(物理、化學(xué)和生物完整性)指標(biāo)的單一思維，逐漸轉(zhuǎn)向?qū)恿魃鷳B(tài)系統(tǒng)進行全面綜合的評價[4-8]，目前在河流水生態(tài)健康評價方面已基本形成一套較完整的體系。國內(nèi)對河流健康研究起步較晚，部分學(xué)者參考國外的研究成果，針對不同河流的實際情況，在河流水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)選取、評價方法和健康標(biāo)準(zhǔn)等方面做了很多探索[9-12]，但與國外的研究水平相比仍存在一定差距，尤其在河流水生態(tài)系統(tǒng)健康的表征框架、評價方法、評價標(biāo)準(zhǔn)以及多時空尺度的聯(lián)系等方面還有待進一步提高。

從評價原理看，河流健康評價大致分為預(yù)測模型法和多指標(biāo)評價法。預(yù)測模型法最大的缺陷在于主要通過單一物種評價河流健康狀況，并且假設(shè)河流的任何變化都會反映在所選物種的變化上，一旦出現(xiàn)河流健康狀況受到破壞且未反映在所選物種變化的情況，評價結(jié)果就無法反映河流的真實狀況[13]?；疑P(guān)聯(lián)分析法依據(jù)不同因素間發(fā)展趨勢的同異程度進行評價，適用于數(shù)據(jù)量較少，各因素間關(guān)聯(lián)未知的系統(tǒng)，可將其作為衡量河流不同因素之間關(guān)聯(lián)程度的一種方法[14]。筆者基于遼河保護區(qū)河流的實際情況，構(gòu)建了由河流自然形態(tài)狀況、水質(zhì)狀況、底質(zhì)狀況、水生生物及生態(tài)環(huán)境狀況四大類共20個指標(biāo)組成的河流水生態(tài)健康評價體系，參考現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及專家評判確定評價標(biāo)準(zhǔn)，基于灰色關(guān)聯(lián)分析法，對遼河保護區(qū)水生態(tài)健康進行綜合評價，以期為遼河保護區(qū)水生態(tài)環(huán)境建設(shè)與目標(biāo)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

遼河流域是我國七大河流之一，流經(jīng)河北、內(nèi)蒙古、吉林、遼寧4省(區(qū))。2007年遼河流域被列為重點示范流域，2010年3月劃定了國內(nèi)第一個大型河流保護區(qū)——遼河保護區(qū)，對保護區(qū)實行全線封閉保護，實施禁牧、禁漁、禁采、禁伐，對遼河干流流域進行一站式綜合治理。遼河保護區(qū)全長538 km，總面積為1 869.2 km2，起始于東、西遼河交匯的鐵嶺昌圖縣福德店，終止于盤錦入?？?，涉及鐵嶺、沈陽、鞍山、盤錦4市(圖1)。遼河保護區(qū)地處遼河平原，農(nóng)田面積占比較大(41.22%)，河流兩岸村莊遍布，分布有較多的農(nóng)業(yè)人口(29.8萬人)。保護區(qū)干流接納了鐵嶺、沈陽、鞍山和盤錦沿途城市的工業(yè)廢水和生活污水。

圖1 遼河保護區(qū)概況Fig.1 General situation of Liaohe Conservation Area

2 遼河保護區(qū)河流水生態(tài)健康評價方法

2.1 指標(biāo)體系建立

遵照科學(xué)性、層次性、代表性、可操作性和定量與定性相結(jié)合的原則，結(jié)合遼河保護區(qū)水質(zhì)的實際情況，最終確定構(gòu)建目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個層次的評價體系進行綜合評價(表1)。第1層為目標(biāo)層(A)，為遼河保護區(qū)河流水生態(tài)健康綜合評價，全面反映河流水生態(tài)健康狀況；第2層為準(zhǔn)則層(B)，從自然形態(tài)狀況(B1)、水質(zhì)狀況(B2)、底質(zhì)狀況(B3)、水生生物及生態(tài)環(huán)境狀況(B4)4個不同側(cè)面反映河流水生態(tài)健康狀況水平；第3層為指標(biāo)層(C)，由河岸穩(wěn)定性(C1)、河床穩(wěn)定性(C12)、水系連通性(C13)、河道彎曲程度(C14)、溶解氧濃度(C21)、化學(xué)需氧量(C22)等20個指標(biāo)組成。

2.2 評價標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)來源

根據(jù)遼河保護區(qū)自身特點，參照歷史數(shù)據(jù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將遼河保護區(qū)河流水生態(tài)健康評價標(biāo)準(zhǔn)分為優(yōu)秀(Ⅰ級)、良好(Ⅱ級)、中等(Ⅲ級)、不健康(Ⅳ級)、病態(tài)(Ⅴ級)5個等級(表1)。對于定量指標(biāo)，直接給出具體數(shù)值；對于定性指標(biāo)，則根據(jù)文獻查閱和專家咨詢，現(xiàn)場定性打分描述。

表1 河流水生態(tài)健康評價指標(biāo)體系、評價標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)來源

(續(xù)表1)

收集了包括河流自然狀況、水質(zhì)、底質(zhì)、水生生物和土地利用等方面的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源包括現(xiàn)場調(diào)查、實驗室檢測與分析、文獻與資料(遼寧省統(tǒng)計年鑒、水資源公報及防洪規(guī)劃等)查閱和專家咨詢等。河流自然形態(tài)、水質(zhì)、底質(zhì)、流域植被覆蓋率數(shù)據(jù)均為2018年數(shù)據(jù)，由于著生藻類、底棲動物和魚類數(shù)據(jù)獲得較困難，因此采用2011—2016年數(shù)據(jù)。

2.3 層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

美國運籌學(xué)家Saaty于20世紀(jì)70年代提出一種定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)、簡變、靈活的分析方法——層次分析法(AHP)[24]。本研究采用層次分析法，基于遼河保護區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)，通過構(gòu)造判斷矩陣，進行權(quán)重計算及一致性檢驗，得到準(zhǔn)則層相對于目標(biāo)層的權(quán)重和指標(biāo)層相對于準(zhǔn)則層的權(quán)重，結(jié)果如表2所示。

表2 不同層權(quán)重計算結(jié)果

(續(xù)表2)

2.4 灰色關(guān)聯(lián)度分析評價

多層次灰色關(guān)聯(lián)綜合評價法[25]將河流水生態(tài)健康評價體系分為3個層次自下而上依次進行評價：先對20個指標(biāo)分別進行評價，再對自然形態(tài)狀況、水質(zhì)狀況、底質(zhì)狀況、水生生物及生態(tài)環(huán)境狀況4個子系統(tǒng)進行評價，最后匯總得出河流水生態(tài)健康綜合評價。

2.4.1確定參考數(shù)列和比較數(shù)列

確定參考數(shù)列為xij〔i為準(zhǔn)則層下各要素(指標(biāo)類別)包含的評價指標(biāo)個數(shù)，i=1，2，…，n；j為準(zhǔn)則層下要素的個數(shù)，j=1，2，3，4〕，確定比較數(shù)列為yik(k為評價指標(biāo)的等級，k=1，2，3，4，5分別代表評價等級Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級)。

2.4.2數(shù)列的歸一化處理

由于選取的不同評價指標(biāo)的量綱不同，且數(shù)量級相差較大，需消除不同評價指標(biāo)量綱對結(jié)果的影響。采用初始化方法將原始指標(biāo)數(shù)列和等級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列進行規(guī)范化處理，將其歸一化至[0，1]區(qū)間。對數(shù)列xij、yik進行歸一化處理時，存在越大越優(yōu)型和越小越優(yōu)型2種關(guān)系，對應(yīng)采用不同的變換公式。

當(dāng)指標(biāo)為越大越優(yōu)型時，采用如下公式：

(1)

(2)

當(dāng)指標(biāo)為越小越優(yōu)型時，采用如下公式：

(3)

(4)

2.4.3求解關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度

由參考數(shù)列yik中取任意一個指標(biāo)向量，同比較數(shù)列xij組成數(shù)列矩陣，求取各向量間對應(yīng)的絕對差值〔Δij(k)〕，即

Δij(k) = |xij′-yik′|

(5)

對Δij(k)組成的數(shù)列進行分析，找出矩陣中min min Δij(k)和max max Δij(k)，分別記為Δ1和Δ2，則關(guān)聯(lián)系數(shù)〔ξij(k)〕的計算公式為：

(6)

式中：ρ為權(quán)重系數(shù)。

通過關(guān)聯(lián)系數(shù)，即可得到比較數(shù)列與參考數(shù)列中各向量間的灰色關(guān)聯(lián)度。計算公式為：

(7)

式中：Rjk為準(zhǔn)則層j對評價等級k的灰色關(guān)聯(lián)度；wi為準(zhǔn)則層下各要素的權(quán)重。

2.4.4評價結(jié)果的分析

根據(jù)關(guān)聯(lián)度最大原則，Rij越大，表示參考數(shù)列i與比較數(shù)列j的關(guān)聯(lián)性越好。

3 遼河保護區(qū)河流水生態(tài)健康評價結(jié)果與分析

3.1 指標(biāo)層的灰色關(guān)聯(lián)度及評價結(jié)果

通過式(1)～式(7)，基于遼河保護區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)，計算指標(biāo)層各指標(biāo)與水生態(tài)健康評價5個等級的灰色關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如表3所示。由表3可知，根據(jù)關(guān)聯(lián)度最大原則，自然形態(tài)狀況中，河岸穩(wěn)定性(C11)、水系連通性(C13)評價等級處于良好；河床穩(wěn)定性(C12)處于中等，說明河床還不穩(wěn)定，存在沖淤現(xiàn)象。水質(zhì)狀況中，溶解氧濃度(C21)的評價等級處于優(yōu)秀，化學(xué)需氧量(C22)和總磷濃度(C25)處于中等；而總氮濃度(C24)較高，處于病態(tài)，說明總氮濃度嚴(yán)重超標(biāo)，在后續(xù)治理和管理中應(yīng)重點關(guān)注。底質(zhì)狀況(B3)評價等級總體處于優(yōu)秀，其中Cd潛在生態(tài)風(fēng)險(C34)處于良好，在后續(xù)治理中應(yīng)重點關(guān)注Cd濃度的變化。水生生物及生態(tài)環(huán)境狀況中，底棲動物完整性(C41)和流域植被覆蓋率(C44)評價等級處于優(yōu)秀，魚類多樣性指數(shù)(C42)和著生藻類多樣性指數(shù)(C43)處于中等?？傮w來講，近年來遼河保護區(qū)水質(zhì)已得到明顯改善，水體主要污染物濃度均呈顯著下降趨勢，這說明自遼河保護區(qū)劃定以來，實施的一系列污染治理措施取得了一定成效。

表3 遼河保護區(qū)河流水生態(tài)健康評價指標(biāo)層與5個等級的灰色關(guān)聯(lián)度及評價結(jié)果

3.2 準(zhǔn)則層、目標(biāo)層的灰色關(guān)聯(lián)度及評價結(jié)果

由指標(biāo)層的評價結(jié)果，計算得到準(zhǔn)則層各要素與水生態(tài)健康評價5個等級的灰色關(guān)聯(lián)度，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合準(zhǔn)則層各要素的權(quán)重，計算得到目標(biāo)層與水生態(tài)健康評價5個等級的灰色關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如表4所示。

表4 遼河保護區(qū)河流水生態(tài)健康評價準(zhǔn)則層和目標(biāo)層與5個等級的灰色關(guān)聯(lián)度及評價等級

由表4可知，根據(jù)最大隸屬度、最大關(guān)聯(lián)度和最大聯(lián)系度原則，基于灰色關(guān)聯(lián)分析法，遼河保護區(qū)河流水生態(tài)健康綜合評價(A)的灰色關(guān)聯(lián)度為0.727 7，評價等級為中等。準(zhǔn)則層中，自然形態(tài)狀況(B1)灰色關(guān)聯(lián)度為0.868 4，評價等級為中等；水質(zhì)狀況(B2)灰色關(guān)聯(lián)度為0.691 2，評價等級為中等；水生生物及生態(tài)環(huán)境狀況(B4)灰色關(guān)聯(lián)度為0.750 4，評價等級為中等；底質(zhì)狀況(B3)灰色關(guān)聯(lián)度為0.968 6，評價等級為優(yōu)秀?？梢姡|河保護區(qū)河流沉積物重金屬污染較輕，但在河流自然形態(tài)、水質(zhì)、水生物及生境方面存在問題，后續(xù)需加強治理。

3.3 遼河保護區(qū)河流水生態(tài)健康評價結(jié)果分析

3.3.1準(zhǔn)則層評價結(jié)果分析

準(zhǔn)則層各要素評價等級為中等～優(yōu)秀，可見，與“十二五”期間相比，目前遼河保護區(qū)河流水質(zhì)狀況有了較大提升，但部分污染物(如總氮、總磷)濃度仍較高，這主要是由于保護區(qū)上游鐵嶺市工業(yè)廢水和生活污水通過5個排污口直接排入遼河，中下游沈陽和鞍山市工廠較多，存在廢水直排現(xiàn)象，加之遼河沈陽段是沈陽的主要農(nóng)業(yè)區(qū)域，農(nóng)業(yè)面源污染也對河流水質(zhì)造成污染。

3.3.2指標(biāo)層評價結(jié)果分析

指標(biāo)層中，河床穩(wěn)定性(C12)和河道彎曲程度(C14)評價結(jié)果為中等，說明目前遼河保護區(qū)河流的河床還不穩(wěn)定，存在沖淤現(xiàn)象，同時城市化的進程導(dǎo)致部分河流截彎取直，對河床的穩(wěn)定不利。在河床不穩(wěn)定的河段，建議在河流兩岸設(shè)置石籠網(wǎng)，提高河床邊坡的穩(wěn)定性，保護河床不被沖刷，同時積極開展河道疏浚和堤防建設(shè)。2018年遼河保護區(qū)河流水體化學(xué)需氧量(C22)年均值為21.00 mg/L，為GB 3838—2002《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅰ類水質(zhì)，與“十二五”期間化學(xué)需氧量基本處于Ⅳ類水質(zhì)[26-28]相比，健康狀況得到大幅度提升。2018年河流水體氨氮濃度(C23)年均值為0.33 mg/L，為Ⅱ類水質(zhì)，與“十一五”期間的Ⅳ類水質(zhì)[29-31]和“十二五”期間的Ⅲ類水質(zhì)相比，水體氨氮濃度明顯降低?？梢?，自遼河保護區(qū)劃定以來，遼河水體化學(xué)需氧量和氨氮污染狀況均有所好轉(zhuǎn)[32]?？偭诐舛?C25)年均值為0.23 mg/L，為Ⅳ類水質(zhì)，已消除了“十二五”期間的Ⅴ類水質(zhì)；但總氮濃度(C24)年均值為2.62 mg/L，仍屬于劣Ⅴ類水質(zhì)。本次評價中Cd潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(C33)為28.54，評價等級為良好，2011年Cd潛在生態(tài)風(fēng)險等級為極強[33]，2011—2013年Cd潛在生態(tài)風(fēng)險等級極強的區(qū)域比例降低[19]，2014年消除了Cd極強風(fēng)險等級[34]，與歷史評價結(jié)果相比較可知，遼河保護區(qū)河流底泥Cd污染治理成效顯著。2018年流域植被覆蓋率(C44)為73.40%，評價結(jié)果為優(yōu)秀，這與遼河保護區(qū)劃定后遼寧省政府大力實施植樹造林和退耕還林等政策相關(guān)，現(xiàn)場調(diào)研也發(fā)現(xiàn)，遼河鐵嶺段植被覆蓋率很高，河岸比較穩(wěn)定。此次魚類多樣性指數(shù)(C42)和著生藻類多樣性指數(shù)(C43)評價結(jié)果為中等，其原因可能是較高營養(yǎng)鹽濃度影響了魚類的分布和藻類生長。劉斌等[22]發(fā)現(xiàn)秋季河流水體總氮濃度對魚類群落組成有顯著影響，秋季降雨豐富，農(nóng)田徑流攜帶較高濃度的營養(yǎng)鹽入河，影響水體中藻類的繁殖與生長，間接影響魚類的分布。魚類和著生藻類群落變化可直接反映遼河水環(huán)境變化，魚類、藻類多樣性指數(shù)評價結(jié)果表明，仍需持續(xù)對遼河保護區(qū)水環(huán)境污染進行治理。

自遼河保護區(qū)劃定以來，通過一系列治理與修復(fù)措施的實施，遼河保護區(qū)水質(zhì)和底質(zhì)狀況得到了一定提高，但仍需持續(xù)削減工業(yè)廢水的污染物排放，同時加強對農(nóng)業(yè)、農(nóng)村生活垃圾和畜禽養(yǎng)殖污染的治理，推進農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的建設(shè)，以進一步提高遼河水生態(tài)健康狀況。

4 結(jié)論

(1)構(gòu)建了包含河流自然形態(tài)狀況、水質(zhì)狀況、底質(zhì)狀況、水生生物及生態(tài)環(huán)境狀況四大類共20項指標(biāo)的遼河保護區(qū)河流水生態(tài)健康評價指標(biāo)體系，由層次分析法確定權(quán)重，利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對遼河保護區(qū)河流水生態(tài)健康狀況進行綜合評價。結(jié)果表明，遼河保護區(qū)河流水生態(tài)健康狀況為中等，其中自然形態(tài)、水質(zhì)、水生生物及生態(tài)環(huán)境健康狀況的評價結(jié)果均為中等，底質(zhì)狀況評價結(jié)果為優(yōu)秀。

(2)遼河保護區(qū)河流水生態(tài)健康評價結(jié)果顯示，目前遼河保護區(qū)存在河床穩(wěn)定性差、水質(zhì)污染、魚類多樣性和著生藻類多樣性指數(shù)較低等問題，建議加強對農(nóng)業(yè)、農(nóng)村生活污染的治理，提高民眾環(huán)保意識，加強河流生態(tài)修復(fù)等，以提高遼河保護區(qū)河流水生態(tài)健康水平。