基于灰色關聯分析法的遼河保護區河流水生態健康評價

李海霞，韓麗花，蔚青,2，王育鵬，段亮，徐笠,2*

1.北京市農林科學院，北京農業質量標準與檢測技術研究中心 2.農產品產地環境監測北京市重點實驗室 3.安徽農業大學資源與環境學院 4.中國環境科學研究院水生態環境研究所

河流水生態系統是生命之源，是生物圈物質循環、能量流動和信息傳遞的重要通道，具有改變地表形態、凈化水質、調節氣候、改善生態環境和維護生物多樣性等重要作用；河流還為人類提供了農田灌溉、排洪、航運、漁業、水利發電、生產生活用水和休閑娛樂等一系列社會功能，其健康狀況對自然生態系統和社會服務系統都具有重要影響[1-3]。近年來，隨著我國經濟社會的快速發展，城市化進程的不斷加速以及人口數量的快速膨脹，人類活動對遼河流域河流的干擾不斷加劇，改變了河岸帶原有結構，擾亂了河流流態與水文循環過程，導致許多河流出現徑流量減少、水系惡化、水體富營養化加重、河流功能下降和生物多樣性損失等問題，對人類的生存和發展構成威脅。選擇合理的指標與評價方法，建立科學的評價體系，對河流水生態健康狀況進行評價成為當前研究的熱點之一。

北美和西歐等發達國家較早出現河流污染問題，因此在河流健康評價方面的研究也開展得較早，研究人員從最初僅僅考慮理化(物理、化學和生物完整性)指標的單一思維，逐漸轉向對河流生態系統進行全面綜合的評價[4-8]，目前在河流水生態健康評價方面已基本形成一套較完整的體系。國內對河流健康研究起步較晚，部分學者參考國外的研究成果，針對不同河流的實際情況，在河流水生態系統健康評價指標選取、評價方法和健康標準等方面做了很多探索[9-12]，但與國外的研究水平相比仍存在一定差距，尤其在河流水生態系統健康的表征框架、評價方法、評價標準以及多時空尺度的聯系等方面還有待進一步提高。

從評價原理看，河流健康評價大致分為預測模型法和多指標評價法。預測模型法最大的缺陷在于主要通過單一物種評價河流健康狀況，并且假設河流的任何變化都會反映在所選物種的變化上，一旦出現河流健康狀況受到破壞且未反映在所選物種變化的情況，評價結果就無法反映河流的真實狀況[13]。灰色關聯分析法依據不同因素間發展趨勢的同異程度進行評價，適用于數據量較少，各因素間關聯未知的系統，可將其作為衡量河流不同因素之間關聯程度的一種方法[14]。筆者基于遼河保護區河流的實際情況，構建了由河流自然形態狀況、水質狀況、底質狀況、水生生物及生態環境狀況四大類共20個指標組成的河流水生態健康評價體系，參考現有標準規范及專家評判確定評價標準，基于灰色關聯分析法，對遼河保護區水生態健康進行綜合評價，以期為遼河保護區水生態環境建設與目標管理提供科學依據。

1 研究區概況

遼河流域是我國七大河流之一，流經河北、內蒙古、吉林、遼寧4省(區)。2007年遼河流域被列為重點示范流域，2010年3月劃定了國內第一個大型河流保護區——遼河保護區，對保護區實行全線封閉保護，實施禁牧、禁漁、禁采、禁伐，對遼河干流流域進行一站式綜合治理。遼河保護區全長538 km，總面積為1 869.2 km2，起始于東、西遼河交匯的鐵嶺昌圖縣福德店，終止于盤錦入海口，涉及鐵嶺、沈陽、鞍山、盤錦4市(圖1)。遼河保護區地處遼河平原，農田面積占比較大(41.22%)，河流兩岸村莊遍布，分布有較多的農業人口(29.8萬人)。保護區干流接納了鐵嶺、沈陽、鞍山和盤錦沿途城市的工業廢水和生活污水。

圖1 遼河保護區概況Fig.1 General situation of Liaohe Conservation Area

2 遼河保護區河流水生態健康評價方法

2.1 指標體系建立

遵照科學性、層次性、代表性、可操作性和定量與定性相結合的原則，結合遼河保護區水質的實際情況，最終確定構建目標層、準則層和指標層3個層次的評價體系進行綜合評價(表1)。第1層為目標層(A)，為遼河保護區河流水生態健康綜合評價，全面反映河流水生態健康狀況；第2層為準則層(B)，從自然形態狀況(B1)、水質狀況(B2)、底質狀況(B3)、水生生物及生態環境狀況(B4)4個不同側面反映河流水生態健康狀況水平；第3層為指標層(C)，由河岸穩定性(C1)、河床穩定性(C12)、水系連通性(C13)、河道彎曲程度(C14)、溶解氧濃度(C21)、化學需氧量(C22)等20個指標組成。

2.2 評價標準與數據來源

根據遼河保護區自身特點，參照歷史數據和相關標準，將遼河保護區河流水生態健康評價標準分為優秀(Ⅰ級)、良好(Ⅱ級)、中等(Ⅲ級)、不健康(Ⅳ級)、病態(Ⅴ級)5個等級(表1)。對于定量指標，直接給出具體數值；對于定性指標，則根據文獻查閱和專家咨詢，現場定性打分描述。

表1 河流水生態健康評價指標體系、評價標準及數據來源

(續表1)

收集了包括河流自然狀況、水質、底質、水生生物和土地利用等方面的數據，數據來源包括現場調查、實驗室檢測與分析、文獻與資料(遼寧省統計年鑒、水資源公報及防洪規劃等)查閱和專家咨詢等。河流自然形態、水質、底質、流域植被覆蓋率數據均為2018年數據，由于著生藻類、底棲動物和魚類數據獲得較困難，因此采用2011—2016年數據。

2.3 層次分析法確定指標權重

美國運籌學家Saaty于20世紀70年代提出一種定性與定量相結合的系統、簡變、靈活的分析方法——層次分析法(AHP)[24]。本研究采用層次分析法，基于遼河保護區相關數據，通過構造判斷矩陣，進行權重計算及一致性檢驗，得到準則層相對于目標層的權重和指標層相對于準則層的權重，結果如表2所示。

表2 不同層權重計算結果

(續表2)

2.4 灰色關聯度分析評價

多層次灰色關聯綜合評價法[25]將河流水生態健康評價體系分為3個層次自下而上依次進行評價：先對20個指標分別進行評價，再對自然形態狀況、水質狀況、底質狀況、水生生物及生態環境狀況4個子系統進行評價，最后匯總得出河流水生態健康綜合評價。

2.4.1確定參考數列和比較數列

確定參考數列為xij〔i為準則層下各要素(指標類別)包含的評價指標個數，i=1，2，…，n；j為準則層下要素的個數，j=1，2，3，4〕，確定比較數列為yik(k為評價指標的等級，k=1，2，3，4，5分別代表評價等級Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級)。

2.4.2數列的歸一化處理

由于選取的不同評價指標的量綱不同，且數量級相差較大，需消除不同評價指標量綱對結果的影響。采用初始化方法將原始指標數列和等級標準數列進行規范化處理，將其歸一化至[0，1]區間。對數列xij、yik進行歸一化處理時，存在越大越優型和越小越優型2種關系，對應采用不同的變換公式。

當指標為越大越優型時，采用如下公式：

(1)

(2)

當指標為越小越優型時，采用如下公式：

(3)

(4)

2.4.3求解關聯系數和關聯度

由參考數列yik中取任意一個指標向量，同比較數列xij組成數列矩陣，求取各向量間對應的絕對差值〔Δij(k)〕，即

Δij(k) = |xij′-yik′|

(5)

對Δij(k)組成的數列進行分析，找出矩陣中min min Δij(k)和max max Δij(k)，分別記為Δ1和Δ2，則關聯系數〔ξij(k)〕的計算公式為：

(6)

式中：ρ為權重系數。

通過關聯系數，即可得到比較數列與參考數列中各向量間的灰色關聯度。計算公式為：

(7)

式中：Rjk為準則層j對評價等級k的灰色關聯度；wi為準則層下各要素的權重。

2.4.4評價結果的分析

根據關聯度最大原則，Rij越大，表示參考數列i與比較數列j的關聯性越好。

3 遼河保護區河流水生態健康評價結果與分析

3.1 指標層的灰色關聯度及評價結果

通過式(1)～式(7)，基于遼河保護區相關數據，計算指標層各指標與水生態健康評價5個等級的灰色關聯度，結果如表3所示。由表3可知，根據關聯度最大原則，自然形態狀況中，河岸穩定性(C11)、水系連通性(C13)評價等級處于良好；河床穩定性(C12)處于中等，說明河床還不穩定，存在沖淤現象。水質狀況中，溶解氧濃度(C21)的評價等級處于優秀，化學需氧量(C22)和總磷濃度(C25)處于中等；而總氮濃度(C24)較高，處于病態，說明總氮濃度嚴重超標，在后續治理和管理中應重點關注。底質狀況(B3)評價等級總體處于優秀，其中Cd潛在生態風險(C34)處于良好，在后續治理中應重點關注Cd濃度的變化。水生生物及生態環境狀況中，底棲動物完整性(C41)和流域植被覆蓋率(C44)評價等級處于優秀，魚類多樣性指數(C42)和著生藻類多樣性指數(C43)處于中等。總體來講，近年來遼河保護區水質已得到明顯改善，水體主要污染物濃度均呈顯著下降趨勢，這說明自遼河保護區劃定以來，實施的一系列污染治理措施取得了一定成效。

表3 遼河保護區河流水生態健康評價指標層與5個等級的灰色關聯度及評價結果

3.2 準則層、目標層的灰色關聯度及評價結果

由指標層的評價結果，計算得到準則層各要素與水生態健康評價5個等級的灰色關聯度，在此基礎上，結合準則層各要素的權重，計算得到目標層與水生態健康評價5個等級的灰色關聯度，結果如表4所示。

表4 遼河保護區河流水生態健康評價準則層和目標層與5個等級的灰色關聯度及評價等級

由表4可知，根據最大隸屬度、最大關聯度和最大聯系度原則，基于灰色關聯分析法，遼河保護區河流水生態健康綜合評價(A)的灰色關聯度為0.727 7，評價等級為中等。準則層中，自然形態狀況(B1)灰色關聯度為0.868 4，評價等級為中等；水質狀況(B2)灰色關聯度為0.691 2，評價等級為中等；水生生物及生態環境狀況(B4)灰色關聯度為0.750 4，評價等級為中等；底質狀況(B3)灰色關聯度為0.968 6，評價等級為優秀。可見，遼河保護區河流沉積物重金屬污染較輕，但在河流自然形態、水質、水生物及生境方面存在問題，后續需加強治理。

3.3 遼河保護區河流水生態健康評價結果分析

3.3.1準則層評價結果分析

準則層各要素評價等級為中等～優秀，可見，與“十二五”期間相比，目前遼河保護區河流水質狀況有了較大提升，但部分污染物(如總氮、總磷)濃度仍較高，這主要是由于保護區上游鐵嶺市工業廢水和生活污水通過5個排污口直接排入遼河，中下游沈陽和鞍山市工廠較多，存在廢水直排現象，加之遼河沈陽段是沈陽的主要農業區域，農業面源污染也對河流水質造成污染。

3.3.2指標層評價結果分析

指標層中，河床穩定性(C12)和河道彎曲程度(C14)評價結果為中等，說明目前遼河保護區河流的河床還不穩定，存在沖淤現象，同時城市化的進程導致部分河流截彎取直，對河床的穩定不利。在河床不穩定的河段，建議在河流兩岸設置石籠網，提高河床邊坡的穩定性，保護河床不被沖刷，同時積極開展河道疏浚和堤防建設。2018年遼河保護區河流水體化學需氧量(C22)年均值為21.00 mg/L，為GB 3838—2002《地面水環境質量標準》中Ⅰ類水質，與“十二五”期間化學需氧量基本處于Ⅳ類水質[26-28]相比，健康狀況得到大幅度提升。2018年河流水體氨氮濃度(C23)年均值為0.33 mg/L，為Ⅱ類水質，與“十一五”期間的Ⅳ類水質[29-31]和“十二五”期間的Ⅲ類水質相比，水體氨氮濃度明顯降低。可見，自遼河保護區劃定以來，遼河水體化學需氧量和氨氮污染狀況均有所好轉[32]。總磷濃度(C25)年均值為0.23 mg/L，為Ⅳ類水質，已消除了“十二五”期間的Ⅴ類水質；但總氮濃度(C24)年均值為2.62 mg/L，仍屬于劣Ⅴ類水質。本次評價中Cd潛在生態風險指數(C33)為28.54，評價等級為良好，2011年Cd潛在生態風險等級為極強[33]，2011—2013年Cd潛在生態風險等級極強的區域比例降低[19]，2014年消除了Cd極強風險等級[34]，與歷史評價結果相比較可知，遼河保護區河流底泥Cd污染治理成效顯著。2018年流域植被覆蓋率(C44)為73.40%，評價結果為優秀，這與遼河保護區劃定后遼寧省政府大力實施植樹造林和退耕還林等政策相關，現場調研也發現，遼河鐵嶺段植被覆蓋率很高，河岸比較穩定。此次魚類多樣性指數(C42)和著生藻類多樣性指數(C43)評價結果為中等，其原因可能是較高營養鹽濃度影響了魚類的分布和藻類生長。劉斌等[22]發現秋季河流水體總氮濃度對魚類群落組成有顯著影響，秋季降雨豐富，農田徑流攜帶較高濃度的營養鹽入河，影響水體中藻類的繁殖與生長，間接影響魚類的分布。魚類和著生藻類群落變化可直接反映遼河水環境變化，魚類、藻類多樣性指數評價結果表明，仍需持續對遼河保護區水環境污染進行治理。

自遼河保護區劃定以來，通過一系列治理與修復措施的實施，遼河保護區水質和底質狀況得到了一定提高，但仍需持續削減工業廢水的污染物排放，同時加強對農業、農村生活垃圾和畜禽養殖污染的治理，推進農村生活污水處理設施的建設，以進一步提高遼河水生態健康狀況。

4 結論

(1)構建了包含河流自然形態狀況、水質狀況、底質狀況、水生生物及生態環境狀況四大類共20項指標的遼河保護區河流水生態健康評價指標體系，由層次分析法確定權重，利用灰色關聯分析法對遼河保護區河流水生態健康狀況進行綜合評價。結果表明，遼河保護區河流水生態健康狀況為中等，其中自然形態、水質、水生生物及生態環境健康狀況的評價結果均為中等，底質狀況評價結果為優秀。

(2)遼河保護區河流水生態健康評價結果顯示，目前遼河保護區存在河床穩定性差、水質污染、魚類多樣性和著生藻類多樣性指數較低等問題，建議加強對農業、農村生活污染的治理，提高民眾環保意識，加強河流生態修復等，以提高遼河保護區河流水生態健康水平。