基于層次分析法的貴州省六硐河健康評估研究

胡 立 剛

(黔南布依族苗族自治州水務局，貴州 都勻 558000)

1 研究背景

隨著經濟社會的發展和人們對生態環境問題及所面臨挑戰的認識逐漸深入，人類對河流利用和管理的目標已從單一的水資源的功能管理拓展到河流生態系統的管理[1]。河流健康評估能夠判斷和評價河流是否處于健康狀態，不僅有助于河流管理決策者確定河流管理活動，還能夠為河流保護和恢復提供科學依據，現已作為一種新的河流管理工具和方法，被廣泛應用于國內外多個河流的健康評估工作中。國外學者較早開展河流健康評估工作并建立了一系列的評價方法和模型，例如預測模型方法、多指標方法、綜合健康評價指數法、模糊綜合評價法等[2]，但也存在指示物種響應敏感度不高、評價標準較難統一確定、精度不高等問題[3]。針對我國河流保護和管理的實際情況，國內學者在河流健康評價方法和模型的改進上也有較多的研究。吳阿娜等[4]從理化參數、生物指標、形態結構、水文特征、河岸帶狀況5個方面提出了表征河流健康狀況的方法。趙彥偉[5]等提出了包含水量、水質、水生生物、物理結構與河岸帶5大要素的指標體系，建立了模糊層次綜合評價程序與模型。張可剛等[6]以華北潮白河為例，從河流水文學、物理構造特征、河岸帶狀況、水體污染狀況以及水生生物等5個方面的河流生態系統健康評價指標。

由于河流的健康涉及自然、社會、人類活動等多種因素，河流生態健康評價系統是典型的復雜系統，河流健康評估工作應該結合具體研究對象所具備的自然、人類、社會、生態等特征進行綜合分析，才能科學合理地建立符合河流管理實際的指標體系和評價標準。不同的河流由于其類型、自然地理條件、所處的社會經濟發展水平等差異，很難建立一套通用的指標體系來對每一條河流進行健康評價。本文根據貴州省六硐河流域現狀，參考現有標準規范并結合專家評判、現場調研數據等確定由河流物理特征、水文水資源特征、水質狀況、水生生物、社會服務功能等5個準則層和15個指標集組成的河流健康評價體系，綜合客觀地對貴州六硐河河流健康狀況作出評估，以期為研究學者及河流管理部門提供參考應用實例。

2 貴州六硐河河流健康評價

2.1 研究區域概況

六硐河亦稱平舟河，屬珠江流域西江水系紅水河上游左岸一級支流，位于東經106°54′～107°38′，北緯25°11′～26°21′，河長231 km(含桂境45 km)，河源高程1 598 m，自東南向西北流，曹渡河為六硐河右岸一級支流，位于東經106°55′～107°22′，北緯25°20′～26°21′，發源于貴州省都勻市西面，至羅甸縣東南面注入六硐河。曹渡河河長164 km，源頭高程1 408 m，向西北流經擺忙鄉進貴定縣境，折西南流入平塘縣境，轉向南沿黔桂邊界至羅甸縣雅里注入六硐河。流域年降水量1 100～1 300 mm，河口年均流量114 m3/s，徑流量年內分配不均；流域多年平均(1956-2012年)地表水資源量為29.39 億m3，平均徑流深為610 mm。年均氣溫15.0～17.0 ℃，全年無霜期276～310 d，年均相對濕度75%～80%。2016年六硐河流域用水總量為9 331.65 萬m3，人均綜合用水量為166 m3/人，萬元工業增加值用水量為99.58 m3/萬元，城鎮居民人均生活用水量為73.97 L/(人·d)，農村居民生活用水為65.42 L/(人·d)。近年來，隨著流域內人口的快速增長及工業化進程的加快，六硐河河流生態環境受到了一定程度人類活動的影響，本文的評估范圍為六硐河流域的六硐河干流和曹渡河干流，評估河段劃分見表1，其地理位置具體見圖1。

表1 六硐河流域干流評估河段劃分表

圖1 六硐河流域評估河段劃分圖

2.2 六硐河河流健康指標體系構建

本文在查閱吸取國內外相關研究建立指標體系經驗的基礎上，進一步結合研究區域的實際情況來構建六硐河河流健康評價的多層次多指標的指標框架，將六硐河河流健康評價指標體系分為目標層、準則層和指標層。

第1層即目標層，是對六硐河河流健康評價指標體系的高度概括，用以反映河流健康狀況的總體水平，用“河流健康(RHI)”表示。

第2層準則層包括水文水資源、物理結構、水質、生物、社會服務功能等5個方面。

第3層指標層包括15個指標，每個定量或定性指標反映河流健康狀況，主要以定量為主，定性為輔，每個指標遵循代表性、科學性、可行性、獨立性及因地制宜等原則。具體指標體系如表2所示。河流健康評價指標體系構建之后，還需對各個指標的所占權重、評分方法和評分標準進行確定。

2.3 基于層次分析法的指標體系權重計算

由于構建的河流健康評價指標體系中各個評價指標的重要程度并不相同，為確切反映各個評價指標對河流健康整體評價的重要程度，需用一定數值來定量描述各個指標重要性。層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是用于解決多目標決策問題的具有定性與定量相結合、系統性、層次化等特點的有效方法，它能將復雜系統中相互影響的多因素層次化，通過一定的數學方法，得出適應于具體決策問題的評價和方案，目前已經在風險分析、系統評估等領域有了多個運用實例[7]。本文采用層次分析法計算評價指標的權重，具體步驟如下：

(1)分別構造準則層對目標層、指標層對準則層的判斷矩陣。各因素之間的相對重要性通過兩兩比較，運用1～9比較標度法建立判斷矩陣[8]。

(2)層次單排序及其一致性檢驗。每一層對上一層次中某因素的判斷矩陣的最大特征值λmax對應的歸一化特征向量W=(w1，w2，…，wn)T的各個分量wj，就是本層次相應因素對上層次某因素的相對重要性的排序權重值，即相應指標的單排序權重。為檢驗判斷矩陣一致性，還需計算出一致性指標C.I.和隨機一致性比率C.R.，按公式(1)、(2)計算：

表2 六硐河河流健康指標體系

(1)

(2)

式中：R.I.為平均隨機一致性指標，通過表3可得。

表3 平均隨機一致性指標R.I.取值

對于1、2階的判斷矩陣，C.R.規定為0，判斷矩陣總具有完全一致性，對于2階以上判斷矩陣，當C.R<0.1，認為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需對判斷矩陣元素取值調整。

(3)層次總排序及其一致性檢驗。將最底層各因素的權重依次乘以上一層受控因素的相對權重，從而形成各因素對于總目標的絕對權重，絕對權重是指標層對于準則層的權重與準則層對于目標層的權重的累積值。層次總排序也需要進行一致性檢驗，C.I.、R.I.和C.R.的計算公式如下：

(3)

(4)

(5)

根據上述計算步驟，咨詢專家意見，結合查閱文獻對咨詢結果進行整理，構造判斷矩陣，并最終建立本次六硐河河流健康評價體系的指標權重。根據《全國河湖健康評估技術文件——河流健康評估指標、標準與方法》，得到各準則層的權重B1，B2，B3，B4，B5的各權重依次為0.14、0.14、0.21、0.21、0.3。

由于水質準則層是以評估指標的最小分值作為其賦分，故本次指標層對準則層的判斷矩陣不考慮水質準則層，由于生物層的評價指標僅一項，為魚類生物損失指數，故該指標層無須進行構建判斷矩；按照1～9位標度法構造指標層對準則層的判斷矩陣，依次得到指標層對B1、B2、B5判斷矩陣D1，D2，D5。最后得到河流健康評估中指標層的指標權重如表4所示。

(6)

(7)

(8)

2.4 評估指標評分方法

根據六硐河干流監測與實地調研資料，結合文獻資料與專家咨詢結果，得到各評估指標的評分方法如下。

2.4.1 水文水資源指標

水文水資源準則層包括3個指標，賦分計算公式為：

B1=B1-1S×B1-1W+B1-2S×B1-2W+B1-3S×B1-3W

(9)

表4 六硐河河流健康評估中指標層指標權重

式中：B1-1由評估年逐月實測徑流量與天然月徑流量的平均偏離程度表達，由公式(10)計算；B1-2采用最小生態流量表征，由公式(11)計算；B1-3采用美國EPA生境調查方法中的水量評價方法，評估采用現場調查以及視覺評價。B1-1S、B1-2S、B1-3S分別表示計算結果對應的評價賦分，見表。B1-1W、B1-2W、B1-3W表示各指標權重。

(10)

(11)

2.4.2 物理結構指標

河流物理結構指標評價可分為二級指標評分、一級指標評分和物理結構指標綜合評分三個層次。二級指標評分選取適宜方法采集河流數據，依據各指標評價標準進行評分，獲得河流物理結構指標評價體系中各二級指標分值；一級指標評分利用加權平均法對二級指標分值進行計算，所得結果作為一級指標的得分；物理結構指標綜合評分利用加權平均法對一級指標分值進行計算，獲得物理結構指標得分，按照公式(12)計算，各指標賦分見表5。

B2=B2-1S×B2-1W+B2-2S×B2-2W

(12)

式中：B2-1S、B2-2S分別表示計算結果對應的評價賦分；B2-1W、B2-2W分別表示各指標權重。

表5 六硐河河流健康評估物理結構指標賦分

續表5 六硐河河流健康評估物理結構指標賦分

2.4.3 水質指標

根據六硐河有機污染嚴重的特征，此項評價主要選取DO、耗氧有機污染(CODMN、COD、BOD5、氨氮)等指標。水質狀況以各個評估指標的最小分值作為水質狀況要素賦分值。

B3=Min(B3-1S，B3-2S)

(13)

式中：B3-1S、B3-2S分別表示計算結果對應的評價賦分，見表6;B3-2S按公式(14)計算。

(14)

表6 六硐河河流健康評估水質指標賦分 mg/L

2.4.4 生物指標

生物指標用魚類生物損失指數表征，該指數表示水功能區內魚類種數現狀與歷史參考系魚類種數的差異狀況，調查魚類種類不包括外來物種。魚類生物損失指標標準建立采用歷史背景調查方法確定?；跉v史調查數據分析統計評估合理的魚類種類數，在此基礎上，開展專家咨詢調查，確定本評估河流所在水生態分區的魚類歷史背景狀況，建立魚類指標調查評估預期。魚類生物損失指標計算按照公式：

B4=FO/FE

(15)

式中：B4為魚類生物損失指數；FO為水功能區調查獲得的魚類種類數量；FE為1980S以前水功能區的魚類種類數量。魚類生物損失指標賦分見表7。

表7 六硐河河流健康評估生物指標賦分

2.4.5 社會服務功能

社會服務功能準則層包括5個指標，賦分計算公式如下：

B5=B5-1S×B5-1W+B5-2S×B5-2W+…+

B5-7S×B5-7W

(16)

式中：B5-1S、B5-2S、…、B5-7S分別表示計算結果對應的評價賦分，見表。B5-1W、B5-2W、…、B5-7W表示各指標權重。部分定量計算公式見下公式：

B5-1S=B5-1×100%

(17)

B5-2=WU/WR

(18)

(19)

(20)

(21)

式中：B5-1為評估河流水功能區水質達標率；WR為評估河流流域水資源總量；WU為評估河流流域水資源開發利用量；RIVLn為河段n的長度，評估河流根據防洪規劃劃分的河段數量；RIVBn根據河段防洪工程是否滿足規劃要求進行賦值：達標，RIVBn=1，否則RIVBn=0；RIVWFn為河段規劃防洪標準重現期(如100年)；PERr為有效調查公眾總體評估賦分；PERw為公眾類型權重；ASWL為流域水土流失面積；Area為流域面積。

表8 六硐河河流健康評估社會服務功能指標賦分 %

3 評價結果與分析

3.1 河流完整性綜合評估

根據六硐河干流平湖水文站、曹渡河干流平里河水文站的資料，對兩個站流量過程變異程度(B1-1)評分分別為100、98.6分。根據對六硐河干流平湖水文站、曹渡河干流平里河水文站的資料，對兩個站生態流量滿足程度(B1-2)評分分別24.52、22.34分。根據對各評價河段現場調查以及視覺評價，得到水量狀況(B1-3)評分，得分范圍為90～100，最低為河段7。河岸帶狀況指標(B2-1)、河流形態指標(B2-2)根據對各評價河段現場調查確定。水質狀況根據各一級功能區監測斷面水質監測資料，分別得到DO(B3-1)和耗氧有機污染狀況(B3-2)。魚類生物損失指數(B4-1)按照基于歷史調查數據分析統計評估合理的魚類種類數，在此基礎上結合專家咨詢得到。社會服務功能各指標參考當地水資源公報、規劃、年鑒資料及社會調查實際數據分別確定。對六硐河和曹渡河干流8個評估河段的生態完整性進行評估，主要從水文水資源、物理結構、水質狀況、生物狀況4個準則層出發，評估結果見表9和圖2。由結果可知，所有河段生態完整性狀況得分均在80分以上，總體健康，評估河段3六硐河中下游黔桂緩沖區、評估河段4六硐河下游桂黔緩沖區的河段評分值最高，均達到89.34分，評估河段2-1、2-2得分與其他河段相比最低，分別為83.73、82.96分，由于該段穿過墨沖鎮及平塘縣城河道物理結構上受影響較其他評估河段大；曹渡河干流3個評估河段得分較高，得分分別為88.68、85.23、85.91分，主要是由于曹渡河干流沿河整體無集中人口和土地分布，零星人口和土地分布高程高，河道受人類活動影響很少，河道基本維持在天然狀態，但由于曹渡河中下游有4座水電站，且以上電站均未設置魚道，故其評估河段5得分較評估河段6、7高?？傮w來看，六硐河和曹渡河河流完整性綜合評估得分85.89分，為健康水平。

表9 六硐河河流完整性綜合評估得分表

圖2 六硐河河流完整性綜合評估結果

3.2 河流健康評估

考慮到河流的社會服務功能，綜合評價六硐河干流的健康狀況可知，社會服務功能得分74.01分，綜合之后六硐河干流河流健康得分82.32分，處于80～100分之間，為健康狀態。在社會服務功能準則層中，六硐河流域內的防洪指標得分為0，處于病態狀態，主要原因是平塘縣經濟迅速發展，城區擴大，目前新城區正在建設，其規劃的防洪堤還未建設完成，導致該項指標得分較低；森林覆蓋率得分為57.43分，處于一般狀態。

六硐河流域干流不健康的主要壓力有：①六硐河干流上中游河段經過村落數量較多，人類活動對河流生態健康影響較大。由于流域內涉及各縣市社會經濟快速發展，基礎設施建設項目相繼開工，河岸帶附近的公路、河濱公園等項目建設管理不規范，時常發生破壞植被、占用河道、開挖土方就近傾倒至河床、河岸現象，導致河岸帶植物覆蓋度降低或河道寬度縮窄等，嚴重威脅河流生態健康；②六硐河及曹渡河干流上已建水電站的修建年代較早且均未修建過魚設施，阻斷了六硐河干流和曹渡河干流上下游的連通性，導致魚類洄游通道受阻，造成魚類生境破碎化，并且目前電站均未落實生態流量下放措施，干流的生態流量保障程度低下，電站下游河道保持河流基本形態、生物基本棲息等水流流量不足；③六硐河干流穿過河段防洪標準在3～9年之間，防洪標準低，防洪能力不足，易發生洪澇災害。另外，個別鄉鎮防洪工程也不達標，防洪問題突出。④六硐河流域是典型喀斯特地質構造，流域內碳酸鹽分布廣泛，降雨集中、坡面徑流沖刷強，易發生水土流失，流域內生態環境脆弱。目前流域內經濟發展較快，人類活動日益增加，導致森林覆蓋率較低，水土流失較嚴重，造成河道局部淤積，直接或間接影響六硐河流域干流的健康狀況。

表10 六硐河河流健康綜合評估得分表

4 結 論

本文在總結分析目前河流生態健康概念的基礎上，結合貴州六硐河流域主要生態環境特點和存在的問題，建立了包括水文水資源、物理結構、水質、生物、社會服務功能等5個準則層和15個指標層的適用于六硐河流域的河湖健康評估指標體系。利用層次分析法計算各準則層的權重，并利用綜合評估方法對河段生態完整性、河流生態完整性進行賦分，最后得到河流健康綜合評估得分。

計算結果表明，六硐河健康評估總得分82.32分，劃分的8個河段的河流完整性評估得分范圍在82.91～89.34分之間，整個六硐河流域總體處于健康水平；但從各準則層以及各指標來看，仍然有部分河段部分指標處于不健康狀態，亞健康狀態的指標主要為部分河段的河岸帶狀態指標、河流形態指標；一般狀態的指標主要為流域的森林覆蓋率指標；不健康狀態的指標主要為兩條干流生態流量保障程度指標；病態狀態的指標主要為流域的防洪指標。

造成六硐河流域干流不健康的主要壓力包括：流經村莊人類活動的影響，干流上已建水電站生態流量保障程度低下，流域內碳酸鹽分布廣泛，降雨集中、坡面徑流沖刷強，易發生水土流失，流域內生態環境脆弱?；谝陨嫌嬎憬Y果和存在的問題，在今后六硐河流域健康治理中，管理部門可從實施干流梯級電站生態調度措施，加強河道縱向連通性，加快流域植被恢復和水土流失、石漠化治理，加大水庫防洪、堤防護岸、河道整治等防洪工程建設，嚴格污染源控制等5方面加強措施，保持六硐河流域干流的健康狀態。