基于模糊數(shù)學(xué)綜合評價法的香溪河健康評價

摘要：為識別河流健康狀況、探討河流受損的可能成因，以三峽庫區(qū)壩首第一大支流香溪河為研究對象，考慮流域內(nèi)人類活動分布和自然屬性分布特征，將其劃分為4個研究評估河段，基于層次關(guān)聯(lián)指標(biāo)體系，運用模糊數(shù)學(xué)綜合評價法開展健康狀態(tài)研究。結(jié)果表明，構(gòu)建評價指標(biāo)體系時，應(yīng)優(yōu)先考慮維持河流自身生態(tài)功能的相關(guān)指標(biāo)；香溪河整體評估結(jié)果為非常健康，但模糊數(shù)學(xué)綜合評價法對計算指標(biāo)之間的側(cè)重性差異則體現(xiàn)了不同河段評價結(jié)果的異質(zhì)性；整體而言，該方法能較好地評估河流的健康水平，識別重點因子。

關(guān)鍵詞：模糊數(shù)學(xué)綜合評價法；指標(biāo)體系；異質(zhì)性；健康評價；香溪河

中圖分類號：X522 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）10-0029-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.10.006 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract： In order to identify the river health status and explore the possible causes of river damage， the Xiangxi River， the first largest tributary of the dam head in the Three Gorges Reservoir， was taken as the research object. Considering the distribution characteristics of human activities and natural attributes in the basin， the Xiangxi River was divided into four evaluation river sections. Based on the hierarchical correlation index system， the fuzzy mathematics comprehensive evaluation method was used to study the health status of Xiangxi River. The results showed that when constructing the evaluation index system， priority should be given to the relevant indicators that maintained the ecological function of the river itself. The overall health status of Xiangxi River was very healthy， but the difference between the calculation indexes of the fuzzy mathematics R3aaxGXiU9Ca8t/ybZWhjffM3w1Z5tolcJDdG8J5xgY=comprehensive evaluation method reflected the heterogeneity of the evaluation results of different river sections. On the whole， this method could better evaluate the health level of rivers and identify key factors.

Key words： fuzzy mathematics comprehensive evaluation method； index system； heterogeneity； health evaluation； Xiangxi River

健康的河流是指隨著時間的推移能維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，同時還具有經(jīng)濟和社會價值的生態(tài)系統(tǒng)［1］。河流健康對人類生存和可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要［2-4］。全球工業(yè)化以來，城市化步伐加快，人類活動對自然河流的干擾越來越強［5］，河流生態(tài)系統(tǒng)功能被擾動現(xiàn)象日益顯著，與此同時，伴隨的退化現(xiàn)象也反作用于人類生產(chǎn)生活，引發(fā)了一系列負(fù)效應(yīng)［6，7］。因此，對河流系統(tǒng)的健康狀態(tài)進行科學(xué)評價并據(jù)此開展生態(tài)修復(fù)與保護不僅是生態(tài)文明建設(shè)工作的重要手段，還有利于經(jīng)濟社會的和諧發(fā)展，促進人與自然的綠色共存。

20世紀(jì)90年代以來，因生態(tài)環(huán)境問題日益凸顯，河流健康狀況也受到關(guān)注。其中，澳大利亞［8-10］、美國［11，12］等許多國家和地區(qū)先后對各自境內(nèi)的典型河流開展了健康評價工作，建立了相對成熟的調(diào)查方法與評價體系。國內(nèi)學(xué)者針對不同流域面積的河流［13］和主要功能定位不同的河流［14］開展了河流健康評價。眾多研究方法，如層次分析法［15］、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［16］、壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型［17］等，已被廣泛應(yīng)用于河流健康評價工作。

自三峽水庫建成運行以來，因其重要的生態(tài)功能保護區(qū)地位及天然的生態(tài)脆弱性，使得其健康狀態(tài)引起了眾多學(xué)者的關(guān)注，包括對三峽庫區(qū)及其支流健康狀態(tài)的關(guān)注，如鄒曦等［18］對三峽庫區(qū)中3個典型長江干流河段進行了生境評價；程帥等［19］基于浮游植物完整性進行河流健康評價，朱迪等［20］建立了魚類完整性指數(shù)指標(biāo)的評價體系，魏念等［21］對典型支流回水區(qū)浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征及影響因子進行了分析；張必昊［22］以三峽庫區(qū)庫首第一大支流香溪河為例，對三峽蓄水以來形成的回水庫灣水動力情況開展研究，發(fā)現(xiàn)其變化顯著。三峽庫區(qū)支流健康狀況對整個庫區(qū)生態(tài)環(huán)境和生態(tài)功能有顯著貢獻，但相關(guān)研究在指標(biāo)選取、河段評估方面存在成分單一、整體性不足的弊端［23］。為全面探討三峽庫區(qū)重要支流的健康狀態(tài)，本研究基于翟晶等［24］的評價體系進行改進和擴展，從水文水資源、物理結(jié)構(gòu)、水質(zhì)狀況、水生生物、社會服務(wù)功能5個方面構(gòu)建香溪河健康評價體系，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)綜合評價法開展健康狀況評價，以期取得較為全面準(zhǔn)確的結(jié)果，為相似條件下的三峽庫區(qū)各支流健康評估提供借鑒和理論參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)位置

香溪河是三峽水庫湖北省庫區(qū)范圍內(nèi)最大的一條支流，位于110°18′—111°06′E、30°38′—31°34′N；有東西兩個源頭，東源于神農(nóng)架林區(qū)騾馬店（東河），西源于大神農(nóng)架山南（西河）。流域面積3 099 km2，河流干流全長97.6 km，有九沖河、古夫河、高嵐河3條主要支流。香溪河流經(jīng)地多為深山峽谷，自然落差達1 540 m，水資源十分豐富，年徑流19.65億m3，其流域水系見圖1。流域內(nèi)分布有部分工、礦企業(yè)，農(nóng)業(yè)耕種強度大，水上運輸較為繁忙。根據(jù)流域內(nèi)人類活動分布情況和地形地貌特征將香溪河劃分為4個評價河段（圖1），各評價河段起止位置劃分情況見表1。

1.2 數(shù)據(jù)來源

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于《湖北省統(tǒng)計年鑒》（2021年）、《湖北省水資源公報》（2020年）、《湖北省水土保持公報》《宜昌市環(huán)境總體規(guī)劃》以及近幾年的香溪河流域魚類資源調(diào)查和浮游植物調(diào)查成果，其他定量指標(biāo)數(shù)據(jù)（流動性指數(shù)、防洪工程達標(biāo)率）來源于2022年3—9月實地測量和調(diào)查。評價計算在軟件MATLAB2021b中進行。

2 研究方法

2.1 評價指標(biāo)體系

2.1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 河流健康評價指標(biāo)是綜合反映評價對象某一方面情況的物理量，指標(biāo)體系是一系列指標(biāo)構(gòu)成的整體，應(yīng)全面真實地綜合反映評價對象的各方面狀況［25-27］。根據(jù)香溪河流域特征，結(jié)合文獻［28］，重點考慮維持河流自身生態(tài)功能的指標(biāo)構(gòu)建健康評價指標(biāo)體系，具體包括1個目標(biāo)層（河流健康）、5個準(zhǔn)則層（水文水資源、物理結(jié)構(gòu)、水質(zhì)狀況、水生生物、社會服務(wù)功能）和14個指標(biāo)層，各指標(biāo)與準(zhǔn)則層的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

2.1.2 評價指標(biāo) 評價指標(biāo)力求能夠全面反映準(zhǔn)則層狀況，以5個準(zhǔn)則層為出發(fā)點，各自對應(yīng)指標(biāo)的具體要求如下。

1）水文水資源。該準(zhǔn)則層的指標(biāo)有3個，即表征水文狀態(tài)與生境情況的流動性指數(shù)、表征人類社會經(jīng)濟發(fā)展與水資源利用狀況的水資源開發(fā)利用率、表征中小河流防洪減災(zāi)能力和當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)能力的水土流失嚴(yán)重程度。

2）物理結(jié)構(gòu)。在人類活動干擾下，中小河流形態(tài)更易于發(fā)生劇烈變化，物理干擾逐漸成為中小河流結(jié)構(gòu)和功能整體惡化的主導(dǎo)因素，故選用刻畫河流常水位與植被群落消失邊緣距離的緩沖帶寬度、岸帶植被垂直投影面積占濱岸帶面積比例的植被覆蓋率、各類跨河障礙物長度與河流長度比值的縱向連通指數(shù)、表征人類活動影響狀態(tài)的完整性與人為干擾程度4項指標(biāo)作為河流物理結(jié)構(gòu)的指標(biāo)層。

3）水質(zhì)狀況。河流水體理化性質(zhì)即水質(zhì)會直接影響河流生態(tài)環(huán)境的狀況，故選擇3個指標(biāo)表征水質(zhì)狀況，包括水質(zhì)類別（以總氮、氨氮、總磷、正磷酸鹽濃度、高錳酸鉀指數(shù)、五日生化需氧量、水溫、pH、溶解氧9項常規(guī)指標(biāo)狀況反映）、水質(zhì)營養(yǎng)狀態(tài)和葉綠素a濃度。

4）水生生物。水生生物的結(jié)構(gòu)和數(shù)量對河流生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用，主要涉及浮游植物和魚類生物兩類指標(biāo)，其中以Shannon-Wiener多樣性指數(shù)表征浮游植物多樣性，以現(xiàn)有魚類數(shù)量占20世紀(jì)80年代以前魚類數(shù)量的比例表征魚類生物損失指數(shù)。

5）社會服務(wù)功能。社會服務(wù)功能表征中小河流生態(tài)系統(tǒng)自然屬性受到人類活動關(guān)注中不可或缺的社會屬性，以公眾滿意度和防洪工程達標(biāo)率表征。

2.2 模糊數(shù)學(xué)綜合評價方法

模糊數(shù)學(xué)法綜合評價法運用模糊數(shù)學(xué)原理對邊界不明顯且具有多種因素的復(fù)雜系統(tǒng)進行分析和評價，以隸屬度描述模糊界限，從而有效解決評價因素復(fù)雜性、評價對象層次性、評價標(biāo)準(zhǔn)模糊性、評價影響因素不確定性以及定性指標(biāo)難以量化等眾多問題，實現(xiàn)定性與定量分析相結(jié)合，使評價結(jié)果真實可信［29，30］。其計算步驟如下。

1）建立綜合評價的因素集。將與評價對象相關(guān)的各因素組成集合U，記為：

2）建立綜合評價的評價集。以評價結(jié)果具有實際應(yīng)用價值為目標(biāo)，結(jié)合《湖北省河湖健康評價》構(gòu)建5級評價集V，記為V=｛Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ｝=｛非常健康，健康，亞健康，不健康，劣態(tài)｝，1個等級對應(yīng)1個模糊子集評價集，且等級越高說明健康狀態(tài)越差。

3）確定單因素隸屬度函數(shù)。根據(jù)各指標(biāo)ui的值X，按照隸屬函數(shù)的5級計算公式（式2～式4）計算對應(yīng)準(zhǔn)則層隸屬度。

Ⅰ級健康狀態(tài)的隸屬函數(shù)為：

Ⅱ級至Ⅳ級健康狀態(tài)的隸屬函數(shù)為：

Ⅴ級健康狀態(tài)的隸屬函數(shù)為：

式中，Yj為指標(biāo)ui屬于第j級健康度的隸屬度；X為計算指標(biāo)的實測值；S1至S5為各定量指標(biāo)各級健康度等級的分界值。一般情況下，S1≤S2≤S3≤S4≤S5；當(dāng)S1≥S2≥S3≥S4≥S5時，只需將上述隸屬函數(shù)各條件式反向即可。本次各指標(biāo)劃分隸屬度等級分界值見表3。

4）獲得評價矩陣。由上述步驟可求得第i個準(zhǔn)則層第j個指標(biāo)健康度等級rij以及全體rij集合構(gòu)成的模糊評價矩陣Ri。各二級評價指標(biāo)Ri如下。

式中，m表示每個準(zhǔn)則層下的指標(biāo)個數(shù)。

5）確定向量因素權(quán)重。確定集合U中各因素的權(quán)重Wi（準(zhǔn)則層權(quán)重），每個指標(biāo)向量各因素的權(quán)重（[wij]）和為1，即：

式中，[j=1nwij=1]。

6）計算結(jié)果向量。以評價指標(biāo)矩陣和向量因素權(quán)重求積，計算得到二級模糊評價向量Vi。

將準(zhǔn)則層權(quán)重向量與模糊綜合評價矩陣（R）求積，得到一級模糊評價結(jié)果向量（V）。

式中，i代表不同準(zhǔn)則層，bi表示不同準(zhǔn)則層下在每個隸屬度下的值。

7）等級評定?；谧畲箅`屬度原則，取式（10）中隸屬度（B）最大值，找出與表3所對應(yīng)的健康度等級。

2.3 河流健康等級確定

按照式（1）至式（10）依次遞進計算指標(biāo)層、準(zhǔn)則層和目標(biāo)層健康度等級，得到各河段和全流域的健康等級。

3 應(yīng)用結(jié)果

3.1 評價結(jié)果

3.1.1 評估河段隸屬度 4個河段各評價指標(biāo)的隸屬度結(jié)果見表4。由表4可知，各評估河段相同準(zhǔn)則層的同一指標(biāo)隸屬度有所不同，這主要反映出了不同河段區(qū)間的指標(biāo)描述現(xiàn)狀的差異性。根據(jù)隸屬度值越大，結(jié)果越好的規(guī)律，評估河段中隸屬度最優(yōu)的是水資源開發(fā)利用率，最差的是縱向連通指數(shù)。

3.1.2 健康等級結(jié)果 基于表4得到的各指標(biāo)隸屬度，計算各河段隸屬度，對應(yīng)匯總得到各河段在不同健康狀態(tài)等級的隸屬度，結(jié)果見表5。由表5可知，評價河段L1、L2和L3為Ⅰ類河湖，L4河段評價結(jié)果為Ⅱ類河湖；香溪河整體評價結(jié)果為Ⅰ類河湖。

3.2 討論

3.2.1 結(jié)果異質(zhì)性分析 香溪河全流域位于古洞口水庫上游的基本為自然河流，古洞口水庫下游河段流經(jīng)興山縣城、昭君鎮(zhèn)、峽口鎮(zhèn)等人口密集城鎮(zhèn)，除滿足自然生態(tài)功能外，還有顯著的社會服務(wù)功能，同時還受三峽水庫回水影響［31］。從4個河段的評估結(jié)果來看，模糊數(shù)學(xué)綜合評價法對各指標(biāo)的概化能較為明顯地分離不同河段的影響因素，從而獲得較可靠的評估結(jié)果。這也說明相同評價指標(biāo)前提下，河流天然狀態(tài)和外界影響因子在不同河段的敏感程度有一定差異，進而使得評估結(jié)論出現(xiàn)異質(zhì)性。下游河段健康評價等級低于其他河段的原因主要為人類活動影響的累積和庫區(qū)回水區(qū)自然條件的改變，即縱向連通指數(shù)、魚類生物損失指數(shù)和浮游植物多樣性3個指標(biāo)較上游河段受外界影響大于河流自身因素。具體體現(xiàn)在，三峽庫區(qū)形成后，導(dǎo)致小江河口段水位整體抬高且周期性變動，緩沖帶寬度較窄，水生生境發(fā)生改變，導(dǎo)致魚類生物損失較大、浮游植物多樣性降低［32］。

3.2.2 方法適用性 應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)綜合評價法分別對香溪河4個河段開展健康狀態(tài)評價。結(jié)果（表5）顯示，胡家灣電站至古洞口水庫段、古洞口水庫至高陽大橋段和高陽大橋至峽口一橋段非常健康，峽口一橋至小江河口段健康。此種情況主要是模糊數(shù)學(xué)評價法對于非此即彼、亦此亦彼的模糊問題通過隸屬度的模糊處理，定性解決指標(biāo)歸屬問題，對外界因素的概化更為突出，其結(jié)果往往會更接近于事實情況。結(jié)合相似文獻的研究成果［33，34］，可認(rèn)為模糊數(shù)學(xué)綜合評價法在天然河段和回水影響河段的結(jié)論具有一定的實際參考價值。

3.3 香溪河健康狀況優(yōu)化建議

盡管評價結(jié)果在不同河段存在一定的差異，但均反映出香溪河仍面臨一定的水環(huán)境壓力。在胡家灣電站至古洞口水庫段和古洞口水庫至高陽大橋段繼續(xù)采取措施維持現(xiàn)狀，高陽大橋至峽口一橋段和峽口一橋至小江河口段要注重通過人為措施控制健康狀態(tài)，避免向不利方向發(fā)展。在水文水資源方面，建議加強對流域內(nèi)水電站的監(jiān)督管理，必須保證最低下泄流量，采取合理的水電工程調(diào)度運行方式，保證河道最小流量；嚴(yán)禁隨意砍伐河岸帶植被，在植被覆蓋度較低的區(qū)域采取生態(tài)恢復(fù)措施，栽植既耐冬季水淹、又耐夏季干旱、固土作用較強的植物，提高生物多樣性，減少水土流失。在上游山地河流區(qū)域應(yīng)重點恢復(fù)并重建河岸林保護河岸帶，減少對原始植被的破壞，加強水土保持工作。在城鎮(zhèn)密集區(qū)域，加快推進污水處理廠及管網(wǎng)配套建設(shè)，加強畜禽養(yǎng)殖污染防治，加強農(nóng)村散排污水和垃圾治理，杜絕污水直接入河［35］。沿河農(nóng)作物種植區(qū)域，加強梯田維護，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、推廣生態(tài)農(nóng)業(yè)，調(diào)整施肥和耕作方案、控制氮磷元素輸入，加強農(nóng)業(yè)面源污染防治［36］。

另外，為保護珍稀特有物種和補充漁業(yè)資源，嚴(yán)格執(zhí)行禁漁期和禁漁區(qū)，建立魚類增殖放流站，依據(jù)保護魚類資源狀況、生物學(xué)特性和生態(tài)環(huán)境變化趨勢有計劃地開展人工增殖放流；加強漁政管理，嚴(yán)格禁止電魚、炸魚、毒魚等行為，限制漁具類型及其規(guī)格。

4 小結(jié)

本試驗以三峽庫區(qū)重要支流香溪河為研究對象，通過水文水資源、物理結(jié)構(gòu)、水質(zhì)狀況、水生生物和社會服務(wù)功能5個準(zhǔn)則層構(gòu)建了香溪河河流健康評價指標(biāo)體系，基于模糊數(shù)學(xué)綜合評價法對4個河段開展健康狀態(tài)評價，得到以下結(jié)論。

1）模糊數(shù)學(xué)綜合評價法對4個河段的評價結(jié)果分別為非常健康、非常健康、非常健康和健康，對香溪河整體健康模糊評價的結(jié)果為非常健康，屬于Ⅰ類河湖。

2）模糊數(shù)學(xué)綜合評價法在香溪河健康狀態(tài)的評價應(yīng)用表明，考慮指標(biāo)權(quán)重客觀性的方法有利于更好地認(rèn)識河流健康狀態(tài)，且指標(biāo)確定的可操作性為同類河流的健康評估提供了借鑒，有利于促進生態(tài)文明建設(shè)相關(guān)工作。

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收稿日期：2023-12-09

基金項目：重慶市教育委員會科學(xué)技術(shù)研究項目（KJZD-M202300203）；重慶市科學(xué)技術(shù)局技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用發(fā)展重點專項（CSTB2023TIAD-KPX0075）；西南大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（X202210635062）

作者簡介：盧世榮（2003-），男，重慶人，在讀本科生，專業(yè)方向為環(huán)境保護，（電話）15223146858（電子信箱）2772760034@qq.com；通信作者，葉 琰（1977-），男，副教授，博士，主要從事水資源-經(jīng)濟-生態(tài)紐帶關(guān)系、水生態(tài)修復(fù)與保護研究，（電子信箱）yeyan@swu.edu.cn。