基于TOPSIS模型的湯河西支河流健康及障礙因子分析

摘要：

為加強河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和幸福河建設(shè)，定量評價河流健康狀態(tài)，搭建“目標(biāo)-準(zhǔn)則-指標(biāo)”三層級的健康評價體系，以水文水資源、物理結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、水生生物及社會服務(wù)為框架，基于TOPSIS模型分析遼陽市湯河西支河流健康狀態(tài)及健康障礙因素。結(jié)果表明：① 湯河西支健康綜合貼近度為0.152（健康），水質(zhì)、物理結(jié)構(gòu)、社會服務(wù)、水生生物、水文水資源貼近度分別為0（理想）、0.01（健康）、0.014（健康）、0.041（亞健康）、0.086（不健康）；② 河流健康障礙因子主要為生態(tài)流量保障程度、魚類保有指數(shù)、防洪保障率。建議今后應(yīng)以水源涵養(yǎng)、水資源優(yōu)化配置、水資源集約高效利用、恢復(fù)生物多樣性、防洪工程體系完善建設(shè)為重點發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：

河流健康； TOPSIS； 障礙因子； 湯河； 遼陽市

中圖法分類號：X824

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.07.014

文章編號：1006-0081（2024）07-0081-05

0 引 言

河流是大地之脈、水資源的重要載體、水生態(tài)的核心，是社會經(jīng)濟的基本保障，河流系統(tǒng)與社會系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展是人民幸福生活建設(shè)的必然要求［1-3］。厘清遼陽地區(qū)河流健康發(fā)展?fàn)顩r，識別制約河流健康的阻礙因素，對維持河湖健康可持續(xù)發(fā)展、找尋幸福河建設(shè)方向、保障城市水安全、支撐遼陽水網(wǎng)規(guī)劃，具有較大的戰(zhàn)略意義。

針對河流健康、幸福河流，學(xué)者紛紛開展相關(guān)研究。左其亭等［4］、彭文啟［5］、李云等［6］、李鐵男等［7］提出總結(jié)了河湖健康的內(nèi)涵，幸福河的概念與內(nèi)涵、幸福河湖建設(shè)的重點方向、河湖健康管理問題應(yīng)對、評價指標(biāo)等。毛智宇等［8］、徐菲等［9］分別開展了北京市潮河白河的河流健康評價、鄱陽湖健康評價。靳春玲等［10］從幸福的本質(zhì)、實現(xiàn)條件等出發(fā)，提出人本主義幸福觀，搭建了基于人類需求、兼顧人水和諧的評價體系。陳茂山等［11］基于馬克思主義幸福觀，從洪水有效防御、供水安全可靠、水生態(tài)健康、水環(huán)境良好、流域高質(zhì)量發(fā)展及水文化傳承6個方面，初步提出了“幸福河”評價指標(biāo)體系與評價方法。姚程程［12］基于城市河流生態(tài)健康，運用綜合指數(shù)，構(gòu)建贛州十里花溪的生態(tài)健康評價體系，分析十里花溪健康狀態(tài)。張強華［13］應(yīng)用分級分層指標(biāo)法評價靜寧縣葫蘆河河流健康狀態(tài)。黃德治［14］對林芝市巴河曲、巴松措進行了河湖健康評價，分析了河湖健康評價的工作要點。

TOPSIS法是多目標(biāo)決策分析中一種常用決策技術(shù)，在衛(wèi)生決策管理、工業(yè)效益、地礦、氣象水文等多個領(lǐng)域應(yīng)用。田明昊［15］在建立評價體系的基礎(chǔ)上，采用TOPSIS模型（理想點、模型）結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，科學(xué)有效地對2005～2019年江蘇省農(nóng)村居民生活質(zhì)量做出評價，為農(nóng)村相關(guān)民生政策的制定與修訂提供參考。丁文璐、朱逸凡、任楠波等［16-18］采用TOPSIS模型進行了水資源承載能力、水資源脆弱性、水資源保障度等評價。耿亞杰等［19］提出了露天礦邊坡穩(wěn)定性改進GRA-TOPSIS評價模型，為露天礦邊坡穩(wěn)定性評估提供新思路。郝建英［20］采用修正TOPSIS理論和熵權(quán)法進行了鐵路關(guān)鍵線路方案優(yōu)選研究，修正TOPSIS選線模型有一定的合理性和可行性。王杰等［21］將TOPSIS引入大氣環(huán)流模式優(yōu)選，進行降水模擬適用性評價、定量評估氣候變化。TOPSIS模型計算數(shù)據(jù)簡單，原始信息利用充分，計算過程沒有信息損失等，具有廣闊的應(yīng)用前景。

湯河位于遼陽東部丘陵山區(qū)，千山山脈縱貫湯河流域，是重要水源地湯河水庫的源頭，河流健康評價及制約因素研究、幸福河討論仍較少。鑒于此，本文以湯河西支為研究對象，根據(jù)2020年多頻次、多點位實地調(diào)研、取樣監(jiān)測等獲取的數(shù)據(jù)資料，結(jié)合1970～2020年長系列流量，其中水文水資源來源于《水文年鑒》《水資源公報》，從河流健康物理屬性、動力條件、生物、社會服務(wù)多屬性出發(fā)，搭建河流健康評價體系，采用TOPSIS模型，更簡單、直觀地分析河流健康狀態(tài)，從而更清晰地識別健康狀態(tài)的障礙因素，為增強幸福河建設(shè)，完善河流生態(tài)系統(tǒng)保護治理體系，推動水網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展提供依據(jù)與參考。

1 理論與方法

1.1 河流健康評價體系

河流健康主要表征為河流的活力、清潔和完整性，主要涉及河流的結(jié)構(gòu)、水動力、水質(zhì)、生態(tài)及社會服務(wù)等諸多方面，故建立多指標(biāo)綜合-多準(zhǔn)則集成的評價體系，使評價體系簡單化、清晰化?；盍π园ê恿鞯奈锢斫Y(jié)構(gòu)和水動力特征；清潔性為水質(zhì)和水生物兩方面；完整性包含河湖（庫）功能價值能否滿足人類生存和社會發(fā)展的各種需求。

河流形態(tài)結(jié)構(gòu)是河流承載的根本，水量等水動力條件是水質(zhì)、水生態(tài)的基礎(chǔ)，水質(zhì)是河流健康的重要表現(xiàn)，水質(zhì)水量又決定了水生生物等水生態(tài)情況。本文以河流健康為總系統(tǒng)，從活力、清潔、完整情況出發(fā)，搭建包括形態(tài)結(jié)構(gòu)、水動力、水質(zhì)、水生物、社會屬性5個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)又由多指標(biāo)綜合組成，最終建立有河岸帶狀況、生態(tài)流量保障程度、底棲動物完整性、防洪保障率等15個指標(biāo)的多準(zhǔn)則、多指標(biāo)評價體系，見表1。

1.2 TOPSIS模型

TOPSIS模型是Hwang和Yoon于1981年提出的一種通過計算與理想解逼近程度、排序進行目標(biāo)對象評價的模型，用于多屬性、多目標(biāo)的決策分析，主要原理為找尋研究對象不同屬性優(yōu)、劣狀態(tài)，將研究對象各屬性最優(yōu)、最劣狀態(tài)作為正（負(fù)）理想點，計算研究對象各屬性與正（負(fù)）理想點的距離，從而得到與理想點的貼近程度，計算步驟為

（1） 初始矩陣A。A=（aij）m×n，aij 為第i個樣本的第j個屬性值（i∈m；j∈n）。

（2） 標(biāo)準(zhǔn)化矩陣B。B=（bij）m×n，標(biāo)準(zhǔn)化處理方法為

bij=max（aij）－aijmax（aij）－min（aij）（成本型）aij－min（aij）max（aij）－min（aij）（效益型）

（3） 加權(quán)矩陣C。C=（cij）m×n，其中，cij=wj×bij。

（4） 確定理想點。效益型指標(biāo)：C+=［max（cij）］=（C1+，C2+，…，Cn+）、C-=［min（cij）］=（C1-，C2-，…，Cn-），成本型指標(biāo)：C+=［min（cij）］ =（C1+，C2+，…，Cn+）、C-=［max（cij）］=（C1-，C2-，…，Cn-）。

（5） 計算與正（負(fù)）理想點距離Si+，Si-，貼近度Ei+，Ei+∈［0，1］，Ei+越接近1，評價對象越靠近正理想點，同時遠(yuǎn)離負(fù)理想點，則為最好；否則為最差。

S+i=∑nj=1（c+ij－cij）2

S－i=∑nj=1（c－ij－cij）2

E+i=S－iS+i+S－i

評價指標(biāo)體系中河流的各指標(biāo)等級劃分是不可忽略的，各指標(biāo)等級劃分對河流健康狀態(tài)有直接的影響，參考前人的研究成果、經(jīng)驗，結(jié)合《河湖健康評價指南（試行）》（第43號）和DB21/T 2724-2017《遼寧省河湖（庫）健康評價導(dǎo)則》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對各指標(biāo)進行Ⅰ（理想）、Ⅱ（健康）、Ⅲ（亞健康）、Ⅳ（不健康）、Ⅴ（病態(tài)）等級劃分，根據(jù)實際情況及當(dāng)?shù)匦枨竽繕?biāo)情況，確立了河流健康評價的等級閾值，見表2。

2 健康評價

2.1 公式綜合健康分析

采用TOPSIS模型計算湯河西支河流健康TOPSIS 貼近度，結(jié)果見表3、圖1。

湯河西支河流健康評價貼近度為0.152，根據(jù)河流健康等級，處于健康的狀態(tài)。河流活力性健康貼近度為0.097，為亞健康狀態(tài)；清潔性、完整性貼近度值分別為0.041，0.014，均呈健康狀態(tài)。

2.2 各層級健康分析

結(jié)合表3和圖1分析湯河西支各子系統(tǒng)健康狀態(tài)及存在問題。

（1） 水質(zhì)方面。DO指標(biāo)、有機污染物指標(biāo)、重金屬污染指標(biāo)貼近度計算值均為0，湯河西支水質(zhì)健康呈理想狀態(tài)，說明湯河西支河流清潔性好。這是由于湯河西支屬山區(qū)性河流，屬河流源頭；而且，近年來不斷深入飲用水水源地污染防治、強化污染防范，水環(huán)境保護有所成效。

（2） 物理結(jié)構(gòu)。健康評價貼近度為0.010，表現(xiàn)為健康狀態(tài)。評價河流屬于山區(qū)性河流，河流基質(zhì)多為巖土、沒有沖刷，少部分黏土基質(zhì)，沖刷程度較輕，切坡傾角在18°～25°，斜坡高度不超過4.5 m，河岸次不穩(wěn)定，河岸穩(wěn)定指標(biāo)處于不健康狀態(tài)。植被覆蓋率可達(dá)91%以上，極重度覆蓋，健康狀態(tài)；有較多村落沿河分布，河岸硬性砌護等較普遍，且中游河岸帶分布農(nóng)業(yè)耕種和河岸帶臨近陸域的農(nóng)業(yè)耕種活動比較普遍，另外偶有公園分布，存在人工干擾的河流健康問題。沿河分布少量攔河閘壩，雖其下泄流量仍滿足生態(tài)基流，但仍對河流的上下連通性造成一定程度阻隔，可能對下游河流的水生生物多樣性和河岸帶狀況產(chǎn)生綜合性影響。

（3） 社會服務(wù)。健康評價貼近度為0.014，表現(xiàn)為健康狀態(tài)。其中水資源開發(fā)利用率和水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率貼近度為0，呈理想狀態(tài)，水資源利用不高，水環(huán)境保護好，且公眾滿意度高；但由于社會經(jīng)濟發(fā)展，部分河段不能滿足現(xiàn)狀防洪要求，防洪保障率指標(biāo)貼近度0.130，表現(xiàn)為亞健康狀態(tài)。

（4） 水生生物。健康評價貼近度為0.041，屬于亞健康狀態(tài)。其中，河流底棲動物完整性好，健康狀態(tài)可達(dá)理想狀態(tài)，但魚類保有指數(shù)指標(biāo)表現(xiàn)為亞健康。水生生物中魚類完整性表現(xiàn)較差，其原因一方面是湯河西支流量較小，水體水動力不足，另一方面是流域農(nóng)業(yè)面源污染影響，故水生生物完整性有待提高。

（5） 水文水資源。健康評價貼近度為0.086，處于不健康水平，究其原因在于河流的水文水資源完整性差。評價河流屬山區(qū)性河流，多年平均流量僅2.73 m3/s，且流量季節(jié)變化明顯，冬季流量更小，10月至次年3月間，最小實測流量僅0.180 m3/s，僅占生態(tài)基流的66%，不能滿足河流生態(tài)的基本需求，故而水文水資源完整性不好，存在健康問題。另一方面，河流流量變異程度偏大，為0.22，生產(chǎn)生活等活動對河流水文情勢變化影響偏大，亦給河流生態(tài)造成影響。

2.3 健康障礙因子

湯河西支河流健康問題出現(xiàn)在活力性的水文水資源和物理結(jié)構(gòu)、清潔性的水生生物及完整性的社會服務(wù)，綜合分析來看，主要障礙影響因子為生態(tài)流量保障程度、魚類保有指數(shù)、防洪保障率、流量過程及變異程度以及河岸帶狀況，其中生態(tài)流量保障程度、魚類保有指數(shù)、防洪保障率排在前3位。究其原由，評價河流屬山區(qū)性、季節(jié)性河流，水資源較為緊缺，水生態(tài)存在問題，防洪建設(shè)與社會發(fā)展不匹配，從而對給河流健康帶來影響，給幸福河建設(shè)帶來阻礙。河流水質(zhì)狀況、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率、植被覆蓋率可達(dá)理想狀況，說明了評價河流水環(huán)境保護、水生態(tài)建設(shè)頗有成效。但魚類完整性有所缺失、河岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足、受到一定程度的人工干擾，應(yīng)加大落實水環(huán)境污染治理、強化水生態(tài)保護建設(shè)、完善水資源涵養(yǎng)、水資源集約高效利用、防洪減災(zāi)體系優(yōu)化。

3 結(jié)論及建議

基于河流的活力性、清潔性、完整性，從水文水資源、物理結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、水生生物、社會服務(wù)5個準(zhǔn)則出發(fā)，搭建了河流健康評價指標(biāo)體系，采用TOPSIS模型，評價河流健康等級。河流健康綜合貼近度為0.152，為健康狀態(tài)，水質(zhì)為理想狀態(tài)，物理結(jié)構(gòu)和社會服務(wù)為健康狀態(tài)，水生生物亞健康，水文水資源不健康。

湯河西支河流健康障礙因子主要為生態(tài)流量保障程度、魚類保有指數(shù)、防洪保障率，反映河流健康主要問題有水文水資源條件不足；生態(tài)基流滿足程度低；水生生物多樣性不足；防洪工程建設(shè)不完善。

基于河流健康狀態(tài)及健康障礙因子，提出河流健康恢復(fù)、幸福河建設(shè)的措施建議如下。

（1） 注重水源涵養(yǎng)，保障生態(tài)流量，落實最嚴(yán)格水資源管理制度，統(tǒng)籌河道內(nèi)、河道外用水，發(fā)展水資源集約節(jié)約利用，加強河流生態(tài)建設(shè)。

（2） 穩(wěn)固河流堤岸，強化河岸帶管理保護，優(yōu)化水利工程聯(lián)合調(diào)度，加大水土流失治理和農(nóng)業(yè)面源生態(tài)治理，護佑青山綠水，恢復(fù)生物多樣性，維護河流生命健康。

（3）加快防洪工程建設(shè)及險工險段治理，提高整體防洪狀況，保障河流沿線民生安全。

參考文獻：

［1］ 張成.基于城市區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)健康評價下的城市水生態(tài)文明建設(shè)探討［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2020（3）：86-79.

［2］ 柴偉偉.基于“五位一體”系統(tǒng)布局的昆山市水生態(tài)文明建設(shè)水平評價［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2018（7）：112-115.

［3］ 葉建春，賈更華，朱威.加強太湖流域綜合管理 維護河湖健康生態(tài)［J］.人民長江，2007，38（11）：1-3.

［4］ 左其亭，郝明輝，姜龍，等.幸福河評價體系及其應(yīng)用［J］.水科學(xué)進展，2021，32（1）：45-58.

［5］ 彭文啟.河湖健康評估指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與方法研究［J］.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2018，16（5）：394-404.

［6］ 李云，戴江玉，范子武，等.河湖健康內(nèi)涵與管理關(guān)鍵問題應(yīng)對［J］.中國水利，2020（6）：17-20.

［7］ 李鐵男，孟昊杰，郝旭東.“河湖健康”研究文獻綜述與趨勢展望［J］.水利科學(xué)與寒區(qū)工程，2023，6（5）：147-149.

［8］ 毛智宇，徐力剛，賴錫軍，等.基于綜合指數(shù)法的鄱陽湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價［J］.湖泊科學(xué)，2023，35（3）：1022-1036.

［9］ 徐菲，王永剛，張楠，等.北京市白河和潮河流域生態(tài)健康評價［J］.生態(tài)學(xué)報，2017，37（3）：932-942.

［10］ 靳春玲，李燕，貢力，等.基于UMT模型的幸福河績效評價及障礙因子診斷［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2022，42（3）：1466-1473.

［11］ 陳茂山，王建平，喬根平.關(guān)于“幸福河”內(nèi)涵及評價指標(biāo)體系的認(rèn)識與思考［J］.水利發(fā)展研究，2020，20（1）：3-5.

［12］ 姚程程.贛州十里花溪生態(tài)健康評價體系構(gòu)建及其應(yīng)用［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2023（4）：84-88.

［13］ 張強華.靜寧縣葫蘆河河流健康狀態(tài)評估分析［J］.農(nóng)業(yè)科技與信息，2023（7）：48-51.

［14］ 黃德治.西藏林芝市河湖健康評價工作實踐與經(jīng)驗探討［J］.水利水電快報，2022，43（12）：116-120，135.

［15］ 田明昊.基于BP-TOPSIS的農(nóng)村居民生活質(zhì)量評價［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2022，61（22）：229-233，253.

［16］ 丁文璐，夏軍，姚成慧，等.基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)和TOPSIS模型的德安縣水生態(tài)承載力評價［J］.武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2022，55（11）：1081-1089.

［17］ 朱逸凡，何宏，張文靜，等.基于DPSIR-TOPSIS模型的長春市水資源脆弱性評價［J］.水土保持通報，2022，42（5）：174-180.

［18］ 任楠波，劉宏權(quán)，潘增輝，等.基于DPSIR-博弈論組合賦權(quán)TOPSIS模型的河北省水資源保障度演進評價［J］.南水北調(diào)與水利科技（中英文），2023，21（5）：873-885.

［19］ 耿亞杰，李嘉衡，孟憲金，等.基于變權(quán)理論的露天礦邊坡穩(wěn)定性GRA-TOPSIS評價模型研究［J/OL］.有色金屬科學(xué)與工程（2023-09-19）［2024-06-26］.http：∥kns.cnki.net/kcms/detail/36.1311.tf.20230918.1041.002.html.

［20］ 郝建英.基于修正TOPSIS理論的鐵路關(guān)鍵線路方案優(yōu)選研究［J］.高速鐵路技術(shù)，2023，14（4）：79-83.

［21］ 王杰，李占玲.基于熵權(quán)的TOPSIS綜合評價法在大氣環(huán)流模式優(yōu)選中的應(yīng)用［J］.南水北調(diào)與水利科技（中英文），2020，18（2）：14-21.

（編輯：李 晗）

River health and obstacel factor analysis of west branch of Tanghe River based on TOPSIS

ZHAO Linlin

（Hydrological Bureau of Liaoyang，Liaoning Province，Liaoyang 111000，China）

Abstract：

In order to strengthen the restoration of river ecosystem and the construction of Happy River，the river health status was evaluated quantitatively. River health assessment system of target-criterion-index was built，based on hydrological and water resources，physical structure，water quality，aquatic biology and social services. The River health and obstacel factor analysis of west branch of Tanghe River in Liaoyang City was analyzed based on TOPSIS. The results showed that the health comprehensive approach degree was 0.152，which was in a healthy state，and the health comprehensive approach degree of water quality， physical structure，social service，aquatic bio-logy，hydrology and water resources were 0，0.01，0.014，0.041，0.086， which could be seen as ideal，healthy，healthy，sub-healthy and unhealthy state respecitively. The main factors of river health obstacle was ecological flow guarantee degree，fish preservation index and flood control guarantee rate. In the future，it is necessary to strengthen the water conservation，optimal allocation of water resources，intensive and efficient use of water resources，agricultural non-point ecological management，restoration of biodiversity，and the improvement of flood control engineering system.

Key words：

river health； TOPSIS； obstacel factor； Tanghe River； Liaoyang City