基于復(fù)合模糊物元-熵權(quán)組合模型的淮河干流健康綜合評(píng)價(jià)

杜現(xiàn)增，袁榆梁，孟 鈺，管新建

(1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016)

河流健康評(píng)價(jià)是對(duì)河流現(xiàn)狀做出的描述和評(píng)估，提出有效的河流保護(hù)措施、科學(xué)的水資源配置方案，對(duì)于河流的可持續(xù)發(fā)展、流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及水資源合理利用都具重要的意義。20世紀(jì)80年代歐洲與北美一些發(fā)達(dá)國家從河流生態(tài)系統(tǒng)健康的概念中提出了河流健康的概念[1]，后來衍生出多種河流健康的研究方法，主要有預(yù)測(cè)模型法和綜合指標(biāo)法[2]。預(yù)測(cè)模型法是將假設(shè)河流在無人為干擾條件下理論上應(yīng)該存在的物種組成與河流實(shí)際的物種組成進(jìn)行比較，從而評(píng)價(jià)河流的健康狀況，常見的預(yù)測(cè)模型法包括RIVPACS[3]、IBI和AUSRIVAS[4-5]等。綜合指標(biāo)法的基本原理是建立一套物理、化學(xué)和生物變量指標(biāo)，利用數(shù)學(xué)綜合評(píng)估模型獲得河流健康的綜合狀況[6]，常見方法包括快速生物監(jiān)測(cè)協(xié)議(RBPs)[7]、河岸帶與河道環(huán)境評(píng)估法(RCE)和澳大利亞溪流狀況指數(shù)(ISC)[8]等。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，可以測(cè)量河流水量和水質(zhì)、河流結(jié)構(gòu)、生物特性等各種參數(shù)，綜合指標(biāo)法的應(yīng)用也越來越廣泛，常用的數(shù)學(xué)評(píng)估模型包括層次分析模型、熵權(quán)模型、模糊物元模型與模糊集[9-14]等。

已有較多學(xué)者對(duì)淮河的健康做出評(píng)價(jià)，孟鈺等[15]研究了河道內(nèi)生態(tài)用水保障率對(duì)淮河生態(tài)系統(tǒng)健康的影響；殷守敬等[16]通過遙感分析了淮河岸邊帶的生態(tài)健康；李瑤瑤等[17]評(píng)價(jià)了淮河流域河南段的生態(tài)系統(tǒng)健康；張穎等[18]通過計(jì)算底棲動(dòng)物完整性指數(shù)來評(píng)價(jià)淮河的水系生態(tài)健康；宋大平等[19]通過氮的排放來對(duì)淮河做出健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。對(duì)淮河河流健康評(píng)價(jià)的過程中，多數(shù)學(xué)者針對(duì)河流中水生生物多樣性來評(píng)價(jià)河流健康，也有學(xué)者通過調(diào)查化學(xué)污染物對(duì)水質(zhì)的影響狀況來做出評(píng)價(jià)，但大部分學(xué)者選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)較單一，對(duì)淮河的綜合健康評(píng)價(jià)不全面。本文從河流的物理、水質(zhì)、生態(tài)與水文4個(gè)方面對(duì)淮河干流關(guān)鍵河段的健康狀況做出評(píng)價(jià)，根據(jù)河流的物理特征、生物多樣性、水環(huán)境質(zhì)量和水文情勢(shì)，選取若干代表性指標(biāo)構(gòu)建河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立基于復(fù)合模糊物元與熵權(quán)組合的綜合評(píng)估模型，對(duì)淮河干流關(guān)鍵河段的健康狀況進(jìn)行全面的研究，以期準(zhǔn)確反映河流內(nèi)水體多變性、生物多樣性和物理復(fù)雜性。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 淮河流域概況

淮河流域發(fā)源于河南省南陽市桐柏縣桐柏山，流經(jīng)河南、安徽、江蘇、山東、湖北5個(gè)省，全長約 1 000 km，支流眾多，主要有白露河、池河、沙潁河、洪汝河、渦河等?；春恿饔蚪涤陼r(shí)空分布不均勻，容易發(fā)生洪旱災(zāi)害；水資源豐富，2006—2015年平均地表水資源量約為594.9億m3，其中Ⅲ類水質(zhì)及以下占淮河水資源量的63%；化學(xué)需氧量與氨氮排放量有顯著的降低趨勢(shì)，2015年化學(xué)需氧量為 40.2萬t，氨氮排放量為3.5萬t；水生生物隨季節(jié)變化明顯，夏季物種豐度與生物量明顯高于其他季節(jié)。另外淮河流域已建大型水庫38座，總庫容達(dá)110億m3，1萬多座大小型水利工程已改變了淮河流域水平與垂直生態(tài)結(jié)構(gòu)。

1.2 河流健康綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.2.1河流健康綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

構(gòu)建河流健康綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，把河流健康指標(biāo)體系分為3個(gè)層次：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層[20]，根據(jù)科學(xué)性與實(shí)用性原則及專家建議，選取8個(gè)代表性指標(biāo)[21]，選取的指標(biāo)能反映淮河干流的地貌、洪峰和洪量變化及水生生物的變化狀況，具體指標(biāo)體系見圖1。

1.2.2指標(biāo)計(jì)算方法

a. 河道蜿蜒度。河道蜿蜒度[22]是反映河流物理健康的典型指標(biāo)，在河流健康評(píng)價(jià)中被廣泛使用。

圖1 河流健康綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

計(jì)算公式為

(1)

式中：P1為河道蜿蜒度；Lai為i河段的河道曲線長度；Lsi為i河段的河道直線長度。

b. DO、NH3-N、CODMn。DO(c1)、NH3-N(c2)、CODMn(c3)受河流物理、化學(xué)和生物特征的綜合影響，是典型的水環(huán)境變量,也是政府推薦的主要水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)[23]，計(jì)算公式為

(2)

式中：ct為指標(biāo)濃度值；n為實(shí)測(cè)年周數(shù)；ci為第i周指標(biāo)濃度值。

c. 魚類與底棲動(dòng)物多樣性指數(shù)。魚類與底棲動(dòng)物多樣性指數(shù)能反映河流的物理、水質(zhì)特性，也間接反映人類對(duì)河流健康的影響[24-25]。Grubb等[26]用香農(nóng)-威納指數(shù)來反映魚類(H1)和底棲動(dòng)物(H2)的多樣性，計(jì)算公式為

(3)

式中：N為總的數(shù)量；Ni為第i個(gè)物種的數(shù)量；s為種類的數(shù)量。

d. 流量過程變異程度(V1)。通過計(jì)算得到河流各河段實(shí)測(cè)徑流量與天然徑流量的差異[27]，進(jìn)而反映出河流的水資源開發(fā)利用后對(duì)河流的影響程度。計(jì)算公式為

(4)

其中

(5)

e. 鄧迪水文變化指數(shù)(V2)。該指數(shù)由Black等[28]提出，用來表示水文條件改變下河流生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞的風(fēng)險(xiǎn)程度。利用水文分析技術(shù)(IHA)[29]中33個(gè)反映河流流態(tài)年內(nèi)及年際變化特征的水文改變指標(biāo)賦值而得，根據(jù)IHA建立的5組33個(gè)指標(biāo)改變前后變化的百分比，求每組各指標(biāo)變化百分比的均值，對(duì)均值百分比以及IHA中的離散系數(shù)CV賦值，賦值過程見表1，各組賦值總和為最后鄧迪水文變化指數(shù)值。

表1 鄧迪水文變化指數(shù)賦值

1.2.3指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)由相關(guān)研究成果和研究區(qū)域的實(shí)際情況確定。河道蜿蜒度評(píng)價(jià)等級(jí)參考Albert等[22]的研究成果；根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》確定DO、NH3-N、CODMn3個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)；參考Grubb等[26]用香農(nóng)-威納指數(shù)來評(píng)價(jià)魚類與底棲動(dòng)物多樣性，并將其劃分健康等級(jí)；流量過程變異程度是基于金雙彥等[27]對(duì)黃河的研究而確定；根據(jù)Black等[28]的研究確定了鄧迪水文變化指數(shù)的健康等級(jí)。將8個(gè)指標(biāo)分為健康(L1)、亞健康(L2)、普通(L3)、輕度惡化(L4)和惡化(L5)5個(gè)等級(jí)，具體見表2。

表2 各指標(biāo)值評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 復(fù)合模糊物元-熵權(quán)組合模型

1.3.1復(fù)合模糊物元

a. 用n個(gè)事物的m個(gè)特征量值構(gòu)造n個(gè)事物的m維復(fù)合模糊物元Qmn：

(6)

式中qmn為對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值。

b. 模糊物元模型中模糊量值通常是各特征量值的相對(duì)隸屬度u(q)，根據(jù)指標(biāo)特性及作用，將其分為越大越優(yōu)型和越小越優(yōu)型，其計(jì)算公式分別為

(7)

(8)

式中：umn為指標(biāo)qmn歸一化后的值；qmax、qmin為各指標(biāo)的最大、最小值。

c. 利用各特征量值的相對(duì)隸屬度構(gòu)建從優(yōu)隸屬度模糊物元Q′mn：

(9)

d. 用構(gòu)造的標(biāo)準(zhǔn)模糊物元Q0n與Q′mn計(jì)算得到差平方模糊物元QΔ：

(10)

其中Δij=(u0i-uij)2(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

標(biāo)準(zhǔn)模糊物元中的u0i取各評(píng)價(jià)指標(biāo)從優(yōu)隸屬度的最大值，一般為1。

模糊物元模型能處理多指標(biāo)和量綱不統(tǒng)一的問題，用相對(duì)隸屬度矩陣來轉(zhuǎn)化和統(tǒng)一各定性和定量指標(biāo)，模糊物元分析法將各種指標(biāo)統(tǒng)一化，結(jié)果更有參考價(jià)值。

1.3.2熵權(quán)法

a. 用評(píng)估對(duì)象和指標(biāo)構(gòu)造判斷矩陣，m個(gè)對(duì)象，n個(gè)指標(biāo)，則構(gòu)造m×n型判斷矩陣X=(xij)m×n，xij為第j個(gè)對(duì)象第i個(gè)指標(biāo)值。

b. 對(duì)X=(xij)m×n矩陣中的每個(gè)xij值進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化矩陣R=(rij)m×n，對(duì)于越大越優(yōu)型和越小越優(yōu)型指標(biāo)計(jì)算公式分別為

(11)

(12)

c. 計(jì)算指標(biāo)體系的熵值：

(13)

其中

式中：H′i為指標(biāo)i的熵值;fij為指標(biāo)i在第j個(gè)對(duì)象中占的比例；n為方案的總個(gè)數(shù)。

d. 計(jì)算指標(biāo)體系的權(quán)重：

(14)

1.3.3歐式貼近度

貼近度ρHi表示樣本與標(biāo)準(zhǔn)樣本的相互接近程度，值越大表示越接近最優(yōu)值，用歐式貼近度表示河流健康綜合指數(shù)，根據(jù)貼近度的大小對(duì)河流健康狀況進(jìn)行分類并給出評(píng)價(jià)等級(jí)。ρHi計(jì)算公式為

(15)

2 結(jié)果與分析

2.1 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果及分析

將淮河干流根據(jù)淮濱、王家壩、魯臺(tái)子、蚌埠4個(gè)關(guān)鍵斷面劃分為4個(gè)河段，輸入4個(gè)河段8個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，構(gòu)造判斷矩陣X=(xij)m×n(m=8,n=4)，根據(jù)熵權(quán)法利用式(11)～(15)計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重。河道蜿蜒度(P1)、流量過程變異程度(V1)、鄧迪水文變化指數(shù)(V2)、DO(c1)、NH3-N(c2)、CODMn(c3)、魚類多樣性指數(shù)(H1)、底棲多樣性指數(shù)(H2)權(quán)重計(jì)算結(jié)果分別為0.146、0.123、0.122、0.103、0.123、0.123、0.134、0.126。

權(quán)重能反映指標(biāo)在評(píng)價(jià)過程中的影響程度，權(quán)重越大，說明對(duì)應(yīng)的指標(biāo)波動(dòng)狀況越大，評(píng)價(jià)時(shí)容易影響整體結(jié)果。從計(jì)算結(jié)果可以看出河道蜿蜒度、魚類與底棲動(dòng)物多樣性指數(shù)的權(quán)重較大，溶解氧的權(quán)重最小?；春痈闪鲝纳嫌蔚较掠魏拥莉暄讯茸兓黠@，魚類、底棲動(dòng)物的多樣性指數(shù)受季節(jié)與河流物理特征影響嚴(yán)重，這3個(gè)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響較大；淮河干流溶解氧含量較豐富，4個(gè)河段都處于良好的狀態(tài)，變化不明顯。

2.2 淮河干流關(guān)鍵河段河流健康綜合指數(shù)

根據(jù)4個(gè)河段的指標(biāo)值、平均值及表2中指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)，構(gòu)造8個(gè)指標(biāo)10個(gè)對(duì)象的模糊物元Q8×10，先根據(jù)式(6)～(9)對(duì)各指標(biāo)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)歸一化處理后構(gòu)造從優(yōu)隸屬度模糊物元Q′8×10，再用式(10)計(jì)算得各指標(biāo)及加入邊界條件的差平方模糊物元QΔ，最后根據(jù)計(jì)算出的權(quán)重和差平方模糊物元用式(15)計(jì)算淮河干流關(guān)鍵河段的健康綜合指數(shù)以及河流健康的邊界指數(shù)。得到淮河干流淮濱、王家壩、魯臺(tái)子與蚌埠4個(gè)關(guān)鍵斷面的河流健康綜合指數(shù)分別為0.470、0.435、0.462、0.432，4個(gè)斷面健康綜合指數(shù)的平均值為0.450。同時(shí)利用差平方模糊物元QΔ計(jì)算得到河流健康邊界指數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果將河流健康分為(ρH≥0.931)、亞健康(0.483≤ρH<0.931)、普通(0.321≤ρH<0.483)、輕度惡化(0.200≤ρH<0.321)、惡化(ρH<0.200)5個(gè)健康等級(jí)，結(jié)合河流健康邊界指數(shù)辨識(shí)淮河干流關(guān)鍵河段的河流健康狀態(tài)。

從計(jì)算出的淮河干流4個(gè)河段健康綜合指數(shù)得出，淮河干流上4個(gè)河段都處于普通健康的狀態(tài)，但是每個(gè)河段有一定的差別。健康指數(shù)最大的為淮濱河段(ρH=0.470)，最小的為蚌埠河段(ρH=0.432)，在4個(gè)關(guān)鍵河段中只有淮濱和魯臺(tái)子兩個(gè)河段健康指數(shù)達(dá)到了淮河干流的平均水平(ρH=0.450)，淮河干流從上游到下游健康指數(shù)有減弱的趨勢(shì)，健康程度逐漸減弱，但魯臺(tái)子河段健康指數(shù)明顯變大。

3 討 論

3.1 關(guān)鍵指標(biāo)識(shí)別與趨勢(shì)分析

3.1.1河道蜿蜒度

河道蜿蜒度的權(quán)重最大，達(dá)到了0.146，淮河干流的河道蜿蜒度先呈上升趨勢(shì)，然后逐漸下降，變化明顯，整體健康狀況良好(圖2)。淮河干流魯臺(tái)子河段河流彎曲度最大，河道蜿蜒度為1.62，該河段為水生生物提供了更加多樣化的生境空間，水生態(tài)受洪水與干旱影響相對(duì)較少，水生生物種類與數(shù)量豐富，其次該河段蓄水能力好，水文情勢(shì)不易發(fā)生改變，有利于取水工程布置。

圖2 關(guān)鍵河段河道蜿蜒度

3.1.2水文情勢(shì)

淮河各河段中蚌埠的流量過程變異程度最小，但是也達(dá)到了病變的狀態(tài)，其他3個(gè)河段都處于嚴(yán)重病變狀態(tài)。淮河干流取用水過度，特別是中上游，已嚴(yán)重影響了淮河的生態(tài)健康?；春痈闪髁髁侩S季節(jié)變化明顯，月平均流量差異較大，每月的平均流量對(duì)計(jì)算鄧迪水文變化指數(shù)指標(biāo)影響嚴(yán)重，如圖3。鄧迪水文變化指數(shù)最大的為蚌埠河段，蚌埠河段月平均流量差異最大，水位起伏也很大，年最大最小水位出現(xiàn)的時(shí)間變化明顯，說明該河段水文情勢(shì)最不穩(wěn)定，容易發(fā)生一系列水情災(zāi)害。由于淮濱河段處于淮河干流上游，受人類活動(dòng)影響很小，天然流量均勻，因此鄧迪水文變化指數(shù)不易發(fā)生改變。

圖3 關(guān)鍵河段IHA中各組指標(biāo)賦值變化情況

3.1.3生物多樣性

魚類與底棲動(dòng)物的多樣性指數(shù)權(quán)重所占比例較大，分別為0.134和0.126。對(duì)淮河干流生物多樣性評(píng)價(jià)時(shí)采集了4個(gè)河段4門、20目、41科66種底棲動(dòng)物和5目、10科、18屬19種魚類，通過整年的觀察和分析，結(jié)果(圖4)顯示水生生物多樣性最高的是夏季(6—8月)，最低的是冬季(12月至次年2月)，這符合了我國水生生物的生活習(xí)性和增長模式?；春痈闪鞯讞珓?dòng)物多樣性處于較好的水平，魚類受季節(jié)影響顯著，春季和冬季魚類種類和數(shù)量都大量減少，生態(tài)系統(tǒng)也受河流物理性質(zhì)與水文情勢(shì)影響較大。魯臺(tái)子河段河道蜿蜒度最大、鄧迪水文變化指數(shù)小，水流較緩，為水生生物提供更多的棲息空間，導(dǎo)致魚類與底棲動(dòng)物的種類與數(shù)量較大；而蚌埠河段物理特征與水文情勢(shì)比較惡劣，不適合水生生物的生長，所以水生生物多樣性差。

3.2 河流健康綜合狀況及成因分析

淮河干流從上游到下游各河段的健康程度有明顯的變差趨勢(shì)，健康狀況受支流與外界因素影響較嚴(yán)重?；春恿鹘?jīng)人口密集的農(nóng)業(yè)集中區(qū)，淮河流域的土地利用類型主要為耕地，耕地約占土地面積的70%，城鄉(xiāng)居民用地占10%以上，這對(duì)淮河的健康產(chǎn)生了一定負(fù)面影響。在上游，流域的土地開發(fā)程度不高，對(duì)河流產(chǎn)生的負(fù)面影響較小，而淮河流域下游人口相對(duì)集中，城市化嚴(yán)重，對(duì)河流的各項(xiàng)功能要求高，同時(shí)人類活動(dòng)向河流內(nèi)排放大量污水，水污染嚴(yán)重，導(dǎo)致淮河水生生物的種類和數(shù)量嚴(yán)重下降，淮河干流的綜合健康隨之下降。

(a) 底棲動(dòng)物

在魯臺(tái)子上游大約15 km處沙潁河匯入淮河干流，國家、地方政府和科技部門投入了大量的人力與財(cái)力對(duì)沙潁河進(jìn)行監(jiān)測(cè)與保護(hù)，沙潁河中NH3-N、COD等污染物得到了有效的控制，沙潁河的水質(zhì)優(yōu)良、水生態(tài)豐富、水資源配置科學(xué)，匯入淮河干流后，積極地改變著淮河干流中游的水質(zhì)與水生態(tài)。其次，2011年國家在淮河干流中游建立國家自然保護(hù)區(qū)保護(hù)長吻鮠的生存，間接地提高了淮河干流魯臺(tái)子河段的水質(zhì)狀況和水生生物多樣性，保護(hù)了魯臺(tái)子河段河流的健康。魯臺(tái)子河段為河流保護(hù)的成功典范，為淮河干流及支流其他河段的保護(hù)提供了有益的指導(dǎo)和借鑒。洪汝河整體呈上寬下窄的形態(tài)，上游河水匯入而下游排水不通暢，加之人為調(diào)水不充分，洪汝河很容易發(fā)生洪澇災(zāi)害，河水流動(dòng)性不足，污染物累積，不易清除，在王家壩上游匯入淮河干流后造成王家壩河段健康程度降低。渦河在蚌埠上游匯入淮河干流，渦河由于“引黃淤灌”引入大量泥沙，且流經(jīng)城市攜帶大量污染物，政府部門也沒有制定全面的管理政策，導(dǎo)致渦河的水質(zhì)惡化嚴(yán)重，水生態(tài)穩(wěn)定性減弱，因此受渦河的影響淮河干流蚌埠段的河流綜合健康急劇下降。

4 結(jié) 語

本文以河流的物理、水質(zhì)、水文和生態(tài)4個(gè)方面為基礎(chǔ)，運(yùn)用復(fù)合模糊物元-熵權(quán)組合模型計(jì)算關(guān)鍵河段的河流綜合健康指數(shù)進(jìn)而對(duì)河流做出健康綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，淮河干流的健康狀態(tài)受河道蜿蜒度、水文情勢(shì)與水生態(tài)特性的影響比較重，在外界環(huán)境的干擾下其健康狀態(tài)從上游到下游有逐漸減弱的趨勢(shì)，而且淮河干流整體健康狀況處于普通等級(jí)?；春痈闪鞯慕】禒顩r受流域中匯入的支流和外界因素影響較大。