遼河流域水文生態完整性模糊評價研究

李 爽

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

河流作為人類賴以生存和繁衍的基礎條件，其生態系統的完整性將直接決定經濟發展速度與人類生活質量[1]。隨著人類開發生態自然能力的不斷升級以及社會各方面的快速發展，大部分流域的生態環境在一定程度上均遭到破壞和污染，如地貌條件退化、河道斷流、結構破損、水文情勢變化、水質變差等情況，河流的健康發展受到嚴峻的威脅[2]。已成為影響人類社會持續健康穩定發展的主要因素之一[3]。世界范圍內的生態研究者和水利學者針對目前河流生態惡化問題開展了大量研究，對生態系統完整性研究引起了眾多學者的廣泛關注并已成為解決上述問題的主要手段和必要前提，流域生態完整性評價對于促進流域未開科學合理的規劃治理以及經濟社會的可持續發展具有十分重要的意義[4]。

流域水文情形的循環往復不僅是影響河流生物多樣性的決定性因素，而且對河流生態整體環境造成重要影響。水的運動作為地形地貌的內在驅動力，水的淤積、沖刷和侵蝕作用為河道生物群落的生存和繁衍創造了基礎和前提[5]。近年來，對遼河流域的不合理開發利用以及水資源過度開采等活動造成河道斷流現象，動植物的生存環境和生長要素在一定程度上遭到威脅，因此流域的生態功能和水文功能逐漸喪失并已成發展為不容忽視的情形[6]。據此，本文以遼河流域為例構建了水文生態完整性評價指標體系和等級標準，并結合相關文獻和研究成果對其水文運行狀態進行了全面、客觀的系統性評價。

1 評價方法與模型

1.1 構建評價指標體系

目前，針對河流水文生態完整性的研究相對較少，而考慮評價指標模糊性和不確定性的研究更少[7]。據此，本文評價指標的選取不僅參考了河道水文生態相關文獻資料，而且借鑒了國內外學者進行水文生態完整性研究時所采用的水文指標；通過專家咨詢并結合遼河流域水文生態實際狀況和自然條件，在遵循指標客觀性、可獲取性、科學性、代表性原則的基礎上通過篩選和評估，綜合考慮多種因素的作用影響并構建了評價指標體系[8]。該體系為多層級評價指標體系主要有目標層、準則層和指標層，其中遼河流域水文完整性評價為體系的目標層即首要目標，準則層主要從5個方面對河流水文的影響因子進行選取，所選取的具有代表性的評價指標共9個，各指標求解方法及內涵見表1。

1.2 確定評價標準

結合水文生態完整性評價標準相關研究成果和遼河流域實際狀態、特征[9]，將水文評價標準劃分為Ⅰ～Ⅴ級5個等級，所對應的評價標準分別“好、較好、一般、較差、差”，各評價指標在不同級別內的取值范圍見表2。

表1 遼河流域水文生態完整性評價指標體系

表2 評價指標在評價等級標準的取值范圍

1.3 模型選取

動態性和不確定性為河流水文生態完整性評價的基本特征，對其完整性影響要素多種多樣，且不同要素之間相互關聯，相互作用具有一定的模糊性。因此，本文通過多種計算模型的對比和分析，采用目前應用較為廣泛且理論發展較為程度的模糊綜合評價法進行流域水文生態完整性評價分析[10]。該方法適用于多目標、多要素指標的評價分析，其基本過程為首先對各個評價指標在相應等級標準條件下的隸屬度，利用評價數據進行求解并構建模糊關系矩陣，然后對模糊關系矩陣和權重集進行合成計算并建立綜合評語集，最終對各評級等級標準利用最大隸屬度原則進行評價。

結合相關理論和數據構建評價指標集合指標類集，分別如下：

U={U1，U2，，Un};Ui={ui1，ui2，，uij，uin}

(1)

式中，U、Un—分別為指標評語集合指標評價類；Ui—指標集，即每類指標中的分項指標。

對各指標權重利用專家咨詢法進行確定，結合各指標對評價對象的作用程度的大小，對其進行相應的賦值即權重系數，采用A={a1，a2，，an}代表指標類的權重；依據各指標在分項指標的影響程度，對其進行權重賦值，采用aij代表第j個指標對應于第i類指標的系數，因此所構建的指標權重集可表示為Ai={ai1，ai2，，ain}。

對評價指標隸屬度采用隸屬度函數進行求解得到其備擇集為V={V1，V2，V3，V4，V5}，其中vijk代表集合中第k個元素vik的隸屬度，第i類指標的一級模糊關系矩陣可依據各分項指標對評價等級的隸屬度進行構建，其表達式如下：

(2)

通過對比分析，本文采用柯西分布函數作為評價指標的隸屬函數進行求解，計算公式如下：

(3)

式中，U(x)—隸屬度函數；x、α—分別為指標值和函數參數。

若指標值屬于評價標準Ⅱ～Ⅳ類中點時，則隸屬度函數值為1；若指標值屬于評價標準Ⅱ～Ⅳ類中點的臨界點，則隸屬度函數值為0.5；若指標值屬于評價標準Ⅰ類左側或Ⅴ類右側，則隸屬度函數只為1；若指標位于Ⅱ～Ⅳ類區間范圍內，則參數函數可按下述公式計算：

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(4)

若指標位于Ⅰ類或Ⅴ類范圍，則參數計算公式分別如下：

(5)

(6)

式中，xu、xi—分別為對應級別相應參數的上下邊界值。

一級模糊評價集可通過對第i類指標的一級模糊綜合評價進行求解，并采用普通矩陣法進行求解，計算公式如下：

Bi=Ai·Ri=(ai1，ai2，，aij，)=(bi1，bi2，bi3，bi4，bi5)

(7)

式中，Bi、Ai—分別為一級評語集和指標權重集；Ri—一級模糊關系矩陣。

結合上述計算結果可對各二級模糊綜合評價集進行求解，公式如下：

(8)

1.4 權重計算

本文采用遼河流域相關管理人員和生態學專家咨詢的方式對各評價指標的權重進行確定[11]，結果如表3所示。由表可知，保證河流生物生存和發展的必要條件和主要因素為最小生態基流滿足率，其權重為0.35；而保證河床健康發展以及河道內動植物多樣性的基本條件和指標為輸沙平衡度指數與環境適宜度指數，其比重為0.2；維持生態系統正常循環的決定性伊蘇為含沙量指數和斷流指數，權重系數為0.1。綜上所述，本文所選取的各指標權重系數與遼河流域客觀實際狀況具有較強的一致性。

表3 水文生態完整性評價指標權重

2 結果分析

分別選取了老哈河、東遼河、渾河、太子河、饒陽河等主要支流的8個水站進行水文相關數據的提取站點，主要包括對水溫、河流流量、實測斷面以及含沙量等數據進行選取，考慮到數據的真實性以及可獲取性，參考遼河流域水文統計年鑒選取1990—2010年進行水文生態完整性評價研究，其中豐水年、枯水年以及平水年分別按照各年份的徑流量進行劃分。

2.1 數據統計

按照文中所述求解方法和各過程對各評價指標進行計算和求解，經過統計整理各指標數據結果見表4。

表4 各評價指標的計算結果

2.2 評價過程

對遼河流域水文生態完整習性利用模糊綜合評價法和文中所述相關公式進行求解，依據各級別隸屬函數，并結合各指標所屬類別和指標數據進行求解，各一級模糊關系矩陣計算結果如圖1所示，其關系矩陣計算結果為：

圖1 一級模糊評價結果

利用上述結果可對各二級評價結果進行求解，如圖2所示。由圖2可知，評價結果為Ⅲ類即“一般”等級標準其隸屬度最高，遼河流域水文生態完整程度按照最大隸屬度原則可評價為“一般”水平。

2.3 結果分析

按照最大隸屬度原則并結合一級評價結果可知，“一般”狀態的最小生態基流滿足率最大為0.755，由此說明該流域不能完全保證其最小生態基流。依據相關資料，該流域自21世紀以來降低了約25%，河流生物生存和發展空間隨著工農業用水量的急劇增大以及生態用水的嚴重短缺而逐漸降低，其生物生存空間擁擠且最小流量得不到滿足，因此水利管理相關部門應對其足夠重視并采取必要的防護保護措施。斷流指數隸屬度最高為0.522，處于“較好”的水平等級，由此可造成動植物能量流中斷、空間物質發展得不到保證并最終所引起的生態環境的嚴重破壞。環境適宜指數隸屬最高值為0.286，屬于較好的水平等級，而起流速指數為Ⅴ類級別即屬于極差等級，由此表明該流域的水溫適宜魚類的繁殖和生存，而其流速狀態不適宜生物的生存。通過實地考察和調查分析，遼河流域河道污染雖然較低但起整體仍處于較高的污染水平，生活垃圾的隨意擺放以及工農業污水處理不達標排放等問題突出，河道的高污染水平不僅對魚類及其他生物的生存發展帶來嚴重威脅，而且可對河流的流速及水溫帶來不利影響；含沙量指數的隸屬度最高值為0.401，由此表明遼河流域含沙量近年來的偏離程度較低。輸沙平衡程度指數隸屬度最高位0.982屬于“較差”的水平等級，由此表明該流域的輸沙極度不均衡，結合有關數據資料可知，該河道幾年來一直處于泥沙淤積狀態，并且在太子河下游區域的淤泥現象最為嚴重，河道治理相關部門有必要采取措施對淤泥進行處理并保證河道的通暢。

3 結論

本文結合遼河流域實際狀況和水文站實測數據資料，利用模糊性評價方法對該流域的水文生態完整性進行了評價分析，所選取的各指標權重系數與遼河流域客觀實際狀況具有較強的一致性，得出的主要結論如下：

(1)評價結果為“一般”狀態的最小生態基流滿足率最大值為0.755，說明該流域不能完全保證其最小生態基流。

(2)斷流指數隸屬度最高為0.522，處于“較好”的水平等級，由此可造成動植物能量流中斷、空間物質發展得不到保證并最終所引起的生態環境的嚴重破壞，水利管理相關部門應對其足夠重視并采取必要的防護保護措施。

(3)該流域的輸沙極度不均衡，結合有關數據資料可知，該河道幾年來一直處于泥沙淤積狀態，并且在太子河下游區域的淤泥現象最為嚴重，河道治理相關部門有必要采取措施對淤泥進行處理保證河道通暢。