基于五元聯(lián)系數(shù)法的遼河保護(hù)區(qū)沈陽段河流健康評(píng)價(jià)

李海霞，王育鵬，徐笠，馮娜娜，蔚青

1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 2.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(cè)技術(shù)研究中心 3.農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

河流是生物圈的動(dòng)脈，是人類和各種生命的起源與物質(zhì)基礎(chǔ)，人類生存和發(fā)展離不開河流。河流作為自然生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)、信息傳遞和能量流動(dòng)的重要樞紐，具有不可替代的作用[1-2]。由于氣候變化、流域開發(fā)與人類活動(dòng)加劇，河流生態(tài)環(huán)境日趨惡化，河流生態(tài)系統(tǒng)功能逐漸退化，不僅影響河流自身資源的可持續(xù)利用，而且嚴(yán)重制約河流流域經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展[3]。因此，針對(duì)河流健康問題進(jìn)行準(zhǔn)確、綜合的分析與評(píng)價(jià)，探尋有效的河流健康評(píng)價(jià)體系，促使實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展已成為目前關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

五元聯(lián)系數(shù)原理是集對(duì)分析理論的拓展，主要是運(yùn)用同異反表達(dá)式解決各種由模糊、隨機(jī)、信息缺失導(dǎo)致的不確定問題。對(duì)比以往集對(duì)分析評(píng)價(jià)，五元聯(lián)系數(shù)擴(kuò)大了評(píng)價(jià)等級(jí)范圍，進(jìn)一步細(xì)化相異部分，能夠更加準(zhǔn)確地表達(dá)系統(tǒng)中的不確定因素，使評(píng)價(jià)結(jié)果更為有效、完整[4]。筆者將河流健康指標(biāo)和河流健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成一個(gè)集對(duì)去分析其同異反聯(lián)系，并將多個(gè)指標(biāo)系統(tǒng)表示成一個(gè)能從總體上衡量河流健康程度的五元聯(lián)系數(shù)，從而定量計(jì)算出不同層次的河流健康程度，以期為現(xiàn)有河流健康復(fù)雜系統(tǒng)評(píng)價(jià)研究提供有效補(bǔ)充，同時(shí)為河流健康評(píng)價(jià)提供參考[5]。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

遼河流域地處中高緯度，位于我國東北地區(qū)的南部，發(fā)源于河北省平泉縣的光頭山，流經(jīng)河北、內(nèi)蒙古、吉林、遼寧4省(區(qū))，注入渤海。遼河全長1 345 km，是我國七大河流之一。遼河沿岸城市多以能源、冶金、建材、機(jī)械等重工業(yè)經(jīng)濟(jì)為主體，工業(yè)化和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)遼河流域生態(tài)環(huán)境造成較大的影響。為了更好地治理和保護(hù)遼河，2010年3月遼寧省政府劃定了遼河保護(hù)區(qū)(121°41′E～123°55.5′E，40°47′N～43°02′N)，實(shí)行全線封閉保護(hù)，實(shí)施禁牧、禁漁、禁采、禁伐，對(duì)遼河干流流域進(jìn)行一站式綜合治理。遼河保護(hù)區(qū)起始于東、西遼河交匯的鐵嶺昌圖縣福德店，沿遼河干流貫穿遼寧省中部，終止于盤錦入?？冢L538 km，總面積為1 869.2 km2，涉及鐵嶺、沈陽、鞍山、盤錦4市(圖1)。遼河干流在沈陽市境內(nèi)(遼河保護(hù)區(qū)沈陽段)長307.4 km[6]，由于長期接納沿岸生活垃圾、畜禽糞便、農(nóng)田徑流、生活污水等，該河段大面積水體受到污染，同時(shí)存在水量減少，生物多樣性銳減，生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重等問題，河流生態(tài)修復(fù)迫在眉睫[7]。

圖1 遼河保護(hù)區(qū)沈陽段范圍Fig.1 Scope of Shenyang Section of Liaohe Conservation Area

1.2 數(shù)據(jù)來源

遼河保護(hù)區(qū)沈陽段河流健康評(píng)價(jià)所需的河流自然形態(tài)、水質(zhì)、底質(zhì)、水生生物、社會(huì)服務(wù)等數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)、文獻(xiàn)與資料(遼寧省統(tǒng)計(jì)年鑒、遼寧省水資源公報(bào)、遼寧省防洪規(guī)劃)查閱和專家咨詢等。河流自然形態(tài)、水質(zhì)、底質(zhì)中重金屬、流域植被覆蓋率數(shù)據(jù)均為2018年數(shù)據(jù)，由于水生生物指標(biāo)中著生藻類、底棲動(dòng)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 遼河保護(hù)區(qū)沈陽段河流健康評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

2.1 指標(biāo)體系建立

在參考國內(nèi)外河流健康評(píng)價(jià)文獻(xiàn)及遼河保護(hù)區(qū)水生態(tài)健康評(píng)價(jià)研究[8]的基礎(chǔ)上，基于河流健康內(nèi)涵、遼河保護(hù)區(qū)沈陽段河流實(shí)際情況，從河流水文狀況、生態(tài)功能、社會(huì)服務(wù)等方面，構(gòu)建了由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層構(gòu)成的遼河保護(hù)區(qū)沈陽段河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其中目標(biāo)層為遼河保護(hù)區(qū)沈陽段河流健康評(píng)價(jià)(A)；準(zhǔn)則層包含河流自然形態(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)、社會(huì)服務(wù)狀況(B5)五大類指標(biāo)；指標(biāo)層包含河岸穩(wěn)定性(C11)、溶解氧濃度(C21)、Cu潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(C31)等24項(xiàng)指標(biāo)(表1)。

2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定

基于科學(xué)性和代表性、整體性和層次性、簡(jiǎn)明性和可操作性、定性與定量相結(jié)合的河流水生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建原則，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)[9-19]，通過專家咨詢，將遼河保護(hù)區(qū)沈陽段河流健康評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為Ⅰ～Ⅴ級(jí)(表1)。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及各指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 指標(biāo)權(quán)重確定

在確定指標(biāo)權(quán)重的諸多方法中，層次分析法針對(duì)河流健康評(píng)價(jià)中存在的定性和定量指標(biāo)，將其分層次賦權(quán)，從而提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。因此，采用層次分析法確定指標(biāo)的權(quán)重[20]。根據(jù)遼河保護(hù)區(qū)沈陽段河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，通過發(fā)放專家權(quán)重問卷表，邀請(qǐng)專家運(yùn)用比較標(biāo)度法，對(duì)各要素兩兩之間進(jìn)行比較，構(gòu)造判斷矩陣；然后借助Matlab軟件，求判斷矩陣的最大特征值λmax和歸一化向量值[21]，此歸一化特征向量值即為該判斷矩陣中對(duì)應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重。由此計(jì)算得到準(zhǔn)則層和指標(biāo)層各類(項(xiàng))指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果分別如表2、表3所示。

表2 A-B判斷矩陣

表3 準(zhǔn)則層與指標(biāo)層權(quán)重計(jì)算結(jié)果

2.4 五元聯(lián)系數(shù)綜合評(píng)價(jià)模型

2.4.1五元聯(lián)系數(shù)法原理

五元聯(lián)系數(shù)法是在以往集對(duì)分析理論的基礎(chǔ)上[1]，將評(píng)價(jià)等級(jí)范圍擴(kuò)大，通過同、異、反聯(lián)系數(shù)，將評(píng)價(jià)對(duì)象中的確定與不確定因素相結(jié)合，通過聯(lián)系數(shù)評(píng)價(jià)事物之間聯(lián)系與差異的一種數(shù)學(xué)運(yùn)算方法[2,4]。其表達(dá)式為[3,5]：

μ=a+bi+cj+dk+el

(1)

式中：μ為五元聯(lián)系數(shù)；a為事物的同一度；e為事物的對(duì)立度；b、c、d為事物的差異度；a、b、c、d、e具有明顯的優(yōu)序性，且滿足a+b+c+d+e=1和a、b、c、d、e∈[0,1]；i、j、k、l為聯(lián)系分量系數(shù)，且滿足i、j、k、l∈[-1,1]，根據(jù)均分原理，取i為0.5，j為0，k為-0.5，l為1。

2.4.2指標(biāo)層五元聯(lián)系數(shù)計(jì)算

將河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)與河流健康評(píng)價(jià)的5個(gè)等級(jí)(Ⅰ～Ⅴ級(jí))構(gòu)成一個(gè)集對(duì)分析同異反聯(lián)系，并將多個(gè)指標(biāo)系統(tǒng)表示成一個(gè)能從總體上衡量河流健康程度的五元聯(lián)系數(shù)。根據(jù)河流健康指標(biāo)的特性，可分為越大越優(yōu)型(效益型)和越小越優(yōu)型(成本型)指標(biāo)，以相對(duì)于Ⅰ級(jí)的五元聯(lián)系數(shù)的計(jì)算為例，效益型指標(biāo)五元聯(lián)系數(shù)表達(dá)式[22-24]為：

(2)

以相對(duì)于Ⅰ級(jí)的五元聯(lián)系數(shù)的計(jì)算為例，成本型指標(biāo)五元聯(lián)系數(shù)表達(dá)式[22-24]為：

(3)

式中：μnt為指標(biāo)層各指標(biāo)的五元聯(lián)系數(shù);n為準(zhǔn)則層各要素序號(hào),n取1～5;t為指標(biāo)層各指標(biāo)的序號(hào),t取1～7；S1～S5分別為河流健康評(píng)價(jià)Ⅰ～Ⅴ級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值;xnt為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值。

2.4.3準(zhǔn)則層五元聯(lián)系數(shù)計(jì)算

河流健康評(píng)價(jià)準(zhǔn)則層的五元聯(lián)系數(shù)計(jì)算公式[22-24]為：

μn=rn1+rn2i+rn3j+rn4k+rn5l

(4)

(5)

式中：μn為準(zhǔn)則層各要素的五元聯(lián)系數(shù)；rnm為指標(biāo)層各指標(biāo)的聯(lián)系系數(shù);m為河流健康評(píng)價(jià)等級(jí)，m取1～5分別對(duì)應(yīng)Ⅰ～Ⅴ等級(jí)；Pm為準(zhǔn)則層各要素包含的指標(biāo)個(gè)數(shù);Wnt為指標(biāo)層各指標(biāo)的權(quán)重。

2.4.4目標(biāo)層五元聯(lián)系數(shù)計(jì)算

河流健康評(píng)價(jià)目標(biāo)層的五元聯(lián)系數(shù)計(jì)算公式[22-24]為:

μ=r1+r2i+r3j+r4k+r5l

(6)

(7)

式中：Wn為準(zhǔn)則層各要素的權(quán)重；rm為河流健康評(píng)價(jià)Ⅰ～Ⅴ級(jí)準(zhǔn)則層各要素的聯(lián)系系數(shù)。

同理可以計(jì)算出各指標(biāo)相對(duì)于其他幾級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系數(shù)，根據(jù)聯(lián)系數(shù)的大小可判別河流健康所屬等級(jí)。

3 遼河保護(hù)區(qū)沈陽段河流健康評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 指標(biāo)層的五元聯(lián)系數(shù)及評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)式(2)、式(3)可得到遼河保護(hù)區(qū)沈陽段河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)層與Ⅰ級(jí)的五元聯(lián)系數(shù)表達(dá)式，結(jié)果如表4所示。

表4 與Ⅰ級(jí)的五元聯(lián)系數(shù)表達(dá)式

由此可計(jì)算得到指標(biāo)層各指標(biāo)與Ⅰ～Ⅴ級(jí)的五元聯(lián)系數(shù)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，根據(jù)最大聯(lián)系數(shù)原理，各指標(biāo)健康狀況差異較大，其中個(gè)別指標(biāo)處于不健康和病態(tài)。如化學(xué)需氧量(C22)、總磷濃度(C25)處于不健康，總氮濃度(C24)、水資源開發(fā)利用率(C52)處于病態(tài)。這說明自遼河護(hù)區(qū)劃定以來，雖然采取了一系列治理措施并取得一定成效，但仍存在化學(xué)需氧量與總磷、總氮濃度過高，水資源開發(fā)利用過度等問題，仍需加強(qiáng)治理與保護(hù)。

圖2 遼河保護(hù)區(qū)沈陽段指標(biāo)層與5個(gè)等級(jí)的五元聯(lián)系數(shù)Fig.2 FECN of index layer and 5 grades in Shenyang Section of Liaohe Conservation Area

3.2 準(zhǔn)則層的五元聯(lián)系數(shù)及評(píng)價(jià)結(jié)果

由指標(biāo)層五元聯(lián)系數(shù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合權(quán)重可得準(zhǔn)則層各要素與Ⅰ級(jí)的五元聯(lián)系數(shù)表達(dá)式，結(jié)果如表4所示。由此可計(jì)算得到遼河保護(hù)區(qū)沈陽段準(zhǔn)則層各要素與5個(gè)等級(jí)的五元聯(lián)系數(shù)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，根據(jù)最大聯(lián)系數(shù)原理，自然形態(tài)狀況(B1)最大聯(lián)系數(shù)為0.932 9，評(píng)價(jià)等級(jí)為中等；水質(zhì)狀況(B2)最大聯(lián)系數(shù)為0.550 4，評(píng)價(jià)等級(jí)為不健康，這與王樹才[25]采用模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果一致；底質(zhì)狀況(B3)最大聯(lián)系數(shù)為0.920 9，評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)秀；水生生物及生態(tài)環(huán)境狀況(B4)最大聯(lián)系數(shù)為0.781 3，評(píng)價(jià)等級(jí)為良好；社會(huì)服務(wù)狀況(B5)最大聯(lián)系數(shù)為0.478 3，評(píng)價(jià)等級(jí)為中等?？梢?，遼河保護(hù)區(qū)沈陽段水質(zhì)狀況較差，在治理過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

圖3 遼河保護(hù)區(qū)沈陽段準(zhǔn)則層與5個(gè)等級(jí)的五元聯(lián)系數(shù)Fig.3 FECN of criterion layer and five grades in Shenyang Section of Liaohe Conservation Area

根據(jù)本研究對(duì)遼河保護(hù)區(qū)沈陽段河流健康評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)比基于灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)遼河保護(hù)區(qū)水生態(tài)健康評(píng)價(jià)的結(jié)果[8]發(fā)現(xiàn)，由于本研究評(píng)價(jià)的河段處于遼河保護(hù)區(qū)的中段，水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)結(jié)果為不健康，劣于遼河保護(hù)區(qū)全河段評(píng)價(jià)結(jié)果(中等)；而水生生物及生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)等級(jí)為良好，優(yōu)于遼河保護(hù)區(qū)全河段評(píng)價(jià)結(jié)果(中等)。

3.3 目標(biāo)層的五元聯(lián)系數(shù)及評(píng)價(jià)結(jié)果

遼河保護(hù)區(qū)沈陽段目標(biāo)層與5個(gè)等級(jí)的五元聯(lián)系數(shù)如圖4所示。由圖4可知，根據(jù)最大聯(lián)系數(shù)原理，遼河保護(hù)區(qū)沈陽段河流健康評(píng)價(jià)五元聯(lián)系數(shù)為0.576 8，評(píng)價(jià)等級(jí)為中等。可見，遼河保護(hù)區(qū)沈陽段河流健康狀態(tài)不太理想，其原因可能與該區(qū)段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和畜禽養(yǎng)殖有關(guān)，并且該區(qū)段水資源開發(fā)利用強(qiáng)度較高，使得水資源處于嚴(yán)重透支狀態(tài)。

圖4 遼河流域沈陽段目標(biāo)層與5個(gè)等級(jí)的五元聯(lián)系數(shù)Fig.4 FECN of target layer and five grades in Shenyang Section of Liaohe Conservation Area

3.4 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

評(píng)價(jià)結(jié)果表明，遼河保護(hù)區(qū)沈陽段河流自然形態(tài)狀況評(píng)價(jià)結(jié)果為中等，其中河岸穩(wěn)定性(C11)、河床穩(wěn)定性(C12)、水系連通性(C13)處于中等，河道彎曲程度(C14)處于良好，可見該區(qū)段河流自然形態(tài)狀況欠佳，這可能與目前遼河保護(hù)區(qū)沈陽段部分河段河岸植被稀少，岸坡被侵蝕及人類活動(dòng)造成的河流生態(tài)環(huán)境惡化等相關(guān)。因此在后續(xù)治理中，應(yīng)提高當(dāng)?shù)厝罕姷纳鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)，增加河兩岸植被面積，增強(qiáng)河床及邊坡的穩(wěn)定性，防止河床受到?jīng)_刷。

遼河保護(hù)區(qū)沈陽段2018年水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)結(jié)果為不健康，其中溶解氧濃度達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)結(jié)果為優(yōu)秀，但化學(xué)需氧量、氨氮濃度、總磷濃度分別處于良好、不健康、不健康，總氮濃度處于病態(tài)。與曹小磊等[26]提出的遼河沈陽段2007—2010年水質(zhì)為Ⅴ類相比較發(fā)現(xiàn)，雖然自遼河保護(hù)區(qū)劃定以來，遼河水質(zhì)健康狀況得到明顯改善，但遼河保護(hù)區(qū)沈陽段水質(zhì)狀況仍較差。這是因?yàn)檠芯繀^(qū)為沈陽市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)種植范圍廣，施用的氮肥較多，且化肥的利用率不高，通過地表徑流和農(nóng)田排水導(dǎo)致河流水體氮濃度增加；同時(shí)由于河流沿岸畜禽養(yǎng)殖量很大，大量污染物未經(jīng)處理直接排入河流；加之農(nóng)村生活污水未處理直排入河，影響河流水質(zhì)[27]?？梢?，遼河保護(hù)區(qū)在后續(xù)治理中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)、畜禽養(yǎng)殖污染的治理，科學(xué)施用農(nóng)藥化肥，增加有機(jī)肥施用量，提高肥料利用率，同時(shí)在雨季應(yīng)加強(qiáng)對(duì)面源污染的控制和治理。

遼河保護(hù)區(qū)沈陽段2018年底質(zhì)狀況評(píng)價(jià)結(jié)果為優(yōu)秀，其中Cd潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果為良好，其他6種重金屬均為優(yōu)秀，與2014年He等[27]測(cè)定的遼河沈陽段河流底泥中重金屬結(jié)果相比，2018年該河段底質(zhì)中重金屬污染狀況明顯好轉(zhuǎn)?？梢?，自遼河保護(hù)區(qū)劃定以來，通過實(shí)施一系列治理與修復(fù)措施，遼河保護(hù)區(qū)沈陽段底質(zhì)中重金屬的污染狀況得到明顯改善。

遼河保護(hù)區(qū)沈陽段水生生物及生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)結(jié)果為良好，其中底棲生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果為優(yōu)秀，魚類多樣性指數(shù)為中等，著生藻類多樣性指數(shù)、流域植被覆蓋率均處于良好，可見遼河保護(hù)區(qū)沈陽段水生生物及生境狀況不容樂觀，這可能是受到該河段水質(zhì)狀況的影響[28-31]。

遼河保護(hù)區(qū)沈陽段社會(huì)服務(wù)狀況評(píng)價(jià)結(jié)果為中等，其中親水景觀舒適度評(píng)價(jià)結(jié)果為中等，萬元GDP用水量、防洪標(biāo)準(zhǔn)均處于良好，水資源開發(fā)利用率評(píng)價(jià)結(jié)果為病態(tài)?？梢?，遼河保護(hù)區(qū)沈陽段社會(huì)服務(wù)狀況不是很好，尤其是水資源開發(fā)利用率遠(yuǎn)超過生態(tài)警戒線，這與多年來對(duì)遼河流域水資源的過度開發(fā)及無節(jié)制的引水，使河流水資源處于嚴(yán)重透支狀態(tài)，在一定程度上降低了水資源的再生性[32]有關(guān)。

4 結(jié)論

(1)運(yùn)用五元聯(lián)系數(shù)對(duì)遼河保護(hù)區(qū)沈陽段河流健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，遼河保護(hù)區(qū)沈陽段河流健康狀況評(píng)價(jià)結(jié)果為中等，其中自然形態(tài)狀況評(píng)價(jià)結(jié)果為中等，水質(zhì)狀況為不健康，底質(zhì)狀況為優(yōu)秀，水生生物及生態(tài)環(huán)境狀況為良好，社會(huì)服務(wù)狀況為中等。五元聯(lián)系數(shù)法可避免單因素分析的弊端，突出最差指標(biāo)對(duì)河流健康狀況的影響程度，較客觀、全面地對(duì)河流健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(2)遼河保護(hù)區(qū)沈陽段底質(zhì)重金屬污染狀況較輕，但水質(zhì)狀況不理想，影響該河段河流健康的主要因素為人類不合理的生產(chǎn)活動(dòng)。應(yīng)提高化肥利用率，強(qiáng)化水資源管理，嚴(yán)格控制污水隨意排放，提高環(huán)保與節(jié)水意識(shí)。