基于HDE的流域生態系統健康評價方法及應用

王徐洋，李阿龍，張浩然

(華北水利水電大學 水利學院，鄭州 450046)

0 引 言

自然生態系統為人類提供了賴以生存和發展的物質條件和生態服務，維持生態系統健康是實現人類社會經濟可持續發展必不可少的前提。在全球社會經濟高速發展導致生態系統健康狀況日益惡化的嚴峻形勢下，生態系統健康及其評價研究不僅豐富了現代生態學的研究內容，而且具有重要的應用價值，已成為當前生態系統管理的重要內容[1]。從流域系統出發，評價系統的健康狀況在促進流域生態系統建設及穩定發展等方面具有重要意義[2-3]。

生態系統概念最早出現可以追溯到蘇格蘭地質學家James Hutton提出的地球是一個綜合系統的概念[4]。Rapport[5]最先闡述了生態系統健康的含義，認為一個生態系統所具有的內在潛能能夠保持它的狀態穩定和自我修復能力。Schaeffer[6]認為一個健康的生態系統不應該超過它的功能極限。

流域生態系統健康意義重大，健康評價研究是流域生態系統健康研究的關鍵問題，是健康管理的重要技術支撐。目前，關于流域生態系統健康評價，國內外學者都展開了大量研究。美國對新澤西內流域進行評價，把流域劃分成6個層次逐一打分，具有一定的實用性和代表性。加拿大從水質、水量、經濟因素等幾個方面開展對流域健康的評價和保護。國內針對流域生態健康評價的研究也取得了一定的進展，2002年，劉建軍[7]把小流域作為評價單元，以PRS指標為基本框架，通過GIS技術對小流域單元的健康狀況作出評價。2003年，劉國彬[8]利用層次分析法，選取了包含農田面積、糧食單產在內的多個指標，定量分析了安塞紙坊溝生態系統恢復的過程。流域生態健康評價在我國還不夠普及，目前主要集中在對河道水質的監測，需要更多的專家學者不斷研究豐富其應用。

清水河是寧夏境內匯入黃河的第一大支流，起源于固原市原州城區，全長320 km，清水河流域開發歷史悠久，有著豐富的水資源哺育著廣大人民。但是近年來人類社會活動對生態環境產生了較大影響，如水土流失嚴重、水質污染、植被破壞等嚴重影響了清水河流域的生態系統健康，也因此受到政府和社會的廣泛重視。本文選取清水河流域作為典型流域，對生態系統健康進行評價。

1 研究方法——和諧度方程(HDE)

左其亭教授2009年在《和諧論的數學描述方法及應用》中把研究“和諧”行為的理論和方法統稱為和諧論，并且把它進一步定義為“和諧論是研究多方參與者共同實現和諧行為的理論和方法”[9-10]。此后，又提出了和諧度方程，構建了以和諧論量化研究為主的和諧論理論方法體系。和諧度方程是和諧論量化研究的重要基礎，在2015年被英文期刊《The Scientific World Journal》注釋稱為“Zuo harmony degree equation”(左氏和諧度方程)，簡稱HD方程[11]。自提出和諧度方程以來，由于它具有簡便性和靈活性等優點，已經出現在眾多領域。如應用于流域人水關系和諧程度評估問題[12]；水資源優化配置問題[13]；河流分水問題[14]以及水資源管理配置問題等方面[15]。和諧度方程具有的優點使其能夠處理生態系統健康評價存在的問題，因此本文提出基于HDE的健康評價方法體系，并在清水河流域開展應用，以期為流域生態系統健康評價提供新的思路和方法。

1.1 和諧度方程表達式

和諧度方程表達式為:

HD=ai-bj

其中:HD為和諧度，是表示和諧程度的指標，HD∈[-1,1]；a為統一度，表示和諧參與者按照相應的和諧規則具有“相同目標”所占的比重；b為分歧度，表示和諧參與者按照相應的和諧規則和目標存在的分歧情況所占的比重，a，b∈[0,1]且a+b≤1；i為和諧系數，反映的是和諧目標的滿足程度；j為不和諧系數，反映的是和諧參與者對分歧現象的重視程度，i，j∈[0,1]。

1.2 和諧度方程參數確定方法

1) 統一度a：a=φ(A1，A2)，式中φ(A1，A2)是和諧行為A1，A2之間關聯程度的隸屬度，通常建立線性函數來計算[9]。

2) 分歧度b：分歧度b與統一度a是對立的，二者表達意思相反，并且a+b=1，所以b=1-a。

3) 和諧系數i：i反映的是和諧目標的滿足程度，完全滿足時，i=1；完全不滿足時，i=0；其他情況在0～1之間，可以通過目標滿足程度函數圖像來求解。

4) 不和諧系數j：和諧方存在分歧現象是正常的，分歧度b通常不為0，不和諧系數j是為了表明和諧方對分歧現象的反對程度。j=1，表示完全反對；j=0，表示完全不反對。j的確定有多種方法，可以依據分歧度確定不和諧系數的函數曲線，或者依據和諧方對分歧現象的反對程度給出不和諧系數。下面列舉幾種關于j和b的函數曲線，可供參考，見圖1。

圖1 和諧系數i函數曲線示意圖

5) 確定指標權重wk：指標權重的大小是反映各個指標在指標集合中的重要程度，但是往往由于量綱不同導致權重不能直觀判斷，需要采用專門的權重確定方法如專家調查法、等權重法、層次分析法等。

6) 根據求得的a,b,i,j的值，按和諧度方程HD=ai-bj求出單因素和諧度HD。再根據權重，采用加權平均法計算多因素和諧度方程：

式中:HD為綜合和諧度，HD∈[-1,1]；wk為權重，wk∈[0,1]。因和諧度方程參數選取較為靈活，詳細計算參閱文獻[9]。

1.3 和諧度方程評價方法

目前，常用的和諧度方程評價方法有分類等級評價和綜合程度評價兩大類。分類等級評價是按照判別等級的標準來對評價對象進行評價，評價結果以分類或者分等級形式呈現。綜合程度評價是對有代表性的各要素進行歸納和計算，得到一個能表征評價對象整體特征和性能的指標，通過對比該指標的評判標準來確定最終評價結果。

雖然上述兩種方法的適用條件和思路不同，但是其采取的評價一般步驟大體一致，即：①確定評價目的，據此選擇合適的評價指標；②確定評價的標準；③確定各指標權重；④按照實際需要選擇合適的評價方法；⑤計算結果，分析合理性。

HDE評價方法是通過計算和諧度大小作為綜合評價值來得到分類等級評價結果或是綜合程度評價結果。本文采取綜合程度評價，計算的和諧度值表示的是“評價對象”與“綜合最優”之間的和諧程度。根據和諧度值確定綜合程度評價結果，為了表述方便，人為劃分等級。比如，根據定性描述習慣，對HD值在[0,0.2)、[0.2,0.4)、[0.4,0.6)、[0.6,0.8)、[0.8,1)分別定義為極差、較差、一般、較好、很好5個等級，本文在實例中對此進行描述。

1.4 針對“綜合程度評價”的和諧度方程評價流程

1) 確定評價指標、指標標準及節點標準。

2) 確定單因素和諧度。根據求得的a,i,b,j的值用和諧度方程求得。

3) 計算出權重。采用層次分析法求得。

4) 確定綜合和諧度。依據單因素和諧度和權重采用加權平均法求得。

5) 確定評價結果。通過對比評價指標標準求得。見圖2。

圖2 和諧度方程評價流程

2 清水河流域生態系統健康評價

2.1 評價指標數據

選擇清水河流域(原州區段)原州城區、寨科鄉、開城鎮3個控制斷面，于2013-2014年對其進行調研監測，收集匯總數據，建立評價指標體系。評價指標體系建立要遵循系統性、客觀性、科學合理性、可操作性等原則[16]。本文將流域健康評價指標體系分為目標層、準則層和指標層3個層次。其中：

1) 目標層：是對流域健康評價指標體系的高度概括，代表要達到的預定目標，這里的目標層是指流域生態系統的健康狀況。

2) 準則層：是指從不同方面反映流域健康狀況程度，包括生境結構、水生生物、生態壓力3個方面。

3) 指標層：是在準則層下選擇若干指標構成。這里選取水質狀況指數、枯水期徑流量占同期年均徑流量比例、河道連通性、大型底棲動物多樣性綜合指數、魚類物種多樣性綜合指數、特有性物種保持率、水資源開發利用強度、水生生境干擾指數等8項指標來進行生態系統健康評價。本文采用的數據絕大部分為公開出版的數據資料，部分資料直接來源于國土資源、環境保護、水利等部門的內部資料，因此這些數據具有可靠準確性，具體數據見表1。

表1 清水河流域3個控制斷面評價指標體系和數據

2.2 評價等級指標標準

根據指標層不同指標的等級標準，依據環保部《地表水環境質量評價方法》、《河流生態調查技術方法》等要求將指標層8項指標劃分為差、較差、一般、良好、優秀5類，具體劃分見表2。

表2 清水河流域生態健康評價相關指標及其標準值

2.3 評價指標和諧度參數計算

2.3.1 統一度a的計算

統一度a表示和諧參與者在一定的和諧規則要求下，具有“相同目標”所占的比重，根據表1和表2，建立相關的線性函數圖像求a的值如下：

水質：

徑流量占比：

連通性：

動物多樣性：

將指標數據代入上述公式，求出a值。同理，可得到其余4組指標的a值，計算結果見表3。

2.3.2 分歧度b的計算

分歧度是和諧參與者按照規則和目標產生的分歧情況所占的比重，與和諧度相反，b=1-a，代入數值計算結果見表3。

2.3.3 和諧系數i的計算

i反映的是和諧目標的滿足程度，通過目標滿足程度函數圖像來求解，如下：

水質：

徑流量占比:

公式與求統一度a公式相等，計算求得i值與a值相等，因此取i=a。代入數值計算結果見表3。

2.3.4 不和諧系數j的計算

j反映的是和諧參與者對存在的分歧現象的重視程度，根據具體問題取值。本文根據分歧度函數圖像取j=b，代入數值計算結果見表3。

表3 評價指標和諧度計算各參數的值

續表3

2.4 確定各指標和諧度

將各參數的值代入公式HD=ai-bj，得到各指標的和諧度，見表4。

表4 各指標和諧度值

2.5 確定權重

由于清水河流域各單項指標對系統健康的影響程度不同，為了避免片面性和主觀性，采用層次分析法來確定權重，通過對各因素進行分析、比較和計算，得到指標層對于目標層的權重。由于本文要與運用綜合指數法評價的結果[17]進行對比，所以為了控制變量，使對比結果更加客觀，采用同綜合指數法相同的權重進行計算，見表5。由于開城鎮、原州城區和寨科鄉分別位于清水河流域(原州區)的上游、中游和下游，間隔距離較遠，具有同等作用，對清水河流域生態系統健康評價的影響相當，因此按照等權重來計算，3個斷面權重均為0.33。

表5 各指標權重

2.6 確定和諧度

表6 各斷面和諧度值

根據3斷面等權重法，把3斷面和諧度經過加權平均，計算得到最終清水河流域生態系統健康評價的和諧度為0.5。

2.7 確定最終結果

運用和諧度方程得出清水河流域生態系統健康和諧度值為0.5，根據和諧度節點劃分等級表(表7)，確定最終整體生態健康處于一般狀態，將此結果與綜合指數法求得結果進行對比分析。

表7 生態系統健康和諧度劃分標準

2.8 評價結果對比分析

通過將和諧度方程評價所計算的結果與運用綜合指數法進行清水河流域生態系統健康評價的結果[17]進行對比，發現二者結果相同，均顯示清水河流域(原州區段)生態系統健康處于一般狀態，對于各單項指標的好壞也均有所體現。但是綜合指數法要求原始資料必須齊全，需要更多的指標劃分情況和對應的數據資料，并且要求各指標必須為同向指標，如果不同向，必須要進行同向處理，有時會給實際操作帶來困難。而HDE評價方法簡便易懂，根據不同實際情況采取不同的i，j值，得到不同的評價計算結果，體現了HDE評價方法極大的靈活性，避免了綜合指數法“一錘定音”的現象，雖然該方法有較大的人為因素，但這也正是靈活性的表現。因為綜合指數法本身存在比較大的模糊性，不容易用一種確定性的模式去評價不同問題，需要根據具體問題選擇更合適的、更靈活的方法，這正是HDE評價方法的優勢所在。因此，通過對比發現，HDE方法更能適用于不同問題，具有更強的靈活性，要優于綜合指數法。

3 結 論

1) 流域健康評價正在成為生態學熱點之一，本文采用了HDE評價方法對清水河流域生態系統健康進行評價，結果顯示生態健康系統處于一般狀態。存在的問題主要包括：水質污染造成的水環境問題、亂丟垃圾造成的固廢污染、人類活動造成的生態功能退化、水資源短缺開發強度大等問題。有必要采取對污水處理進行規劃和管理、控制人類活動以減輕對生態的破壞、提高水環境治理水平、提高水資源利用效率等一系列措施來解決問題，提高該流域的生態健康水平，維持生態系統穩定。不同斷面不同指標之間存在較大差異，對于原州城區來說，由于城鎮工業企業排放廢水以及生活污水的排放造成了水質污染，導致水質狀況很差，對生物多樣性和物種保持率造成較大傷害，在干流建壩對生態環境也產生了一些負面影響。對于寨科鄉，整體健康狀態較好，除了枯水期徑流量和物種保持率較差外，其他方面都處于不錯的水平，尤其在水質、水資源開發利用和水生生境干擾3方面最優。開城鎮健康狀態整體不均衡，還需進一步改進。

2) 通過與綜合指數法對比得出，HDE評價方法完全符合一般評價方法的思路，既適用于單因素評價，又適用于多因素的評價，應用范圍廣，操作性強，可應用于處理生態系統健康評價的問題中。該方法考慮到評價指標、指標標準以及權重等不同特性，同時又可根據實際問題選取不同參數來進行計算評價，體現出該方法具有很強的靈活性，這正是HDE評價方法的優勢，可以推廣應用于一般綜合評價工作中。