基于復合模糊物元-熵權組合模型的淮河干流健康綜合評價

杜現增，袁榆梁，孟 鈺，管新建

(1.鄭州大學水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001； 2.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016)

河流健康評價是對河流現狀做出的描述和評估，提出有效的河流保護措施、科學的水資源配置方案，對于河流的可持續發展、流域生態環境建設以及水資源合理利用都具重要的意義。20世紀80年代歐洲與北美一些發達國家從河流生態系統健康的概念中提出了河流健康的概念[1]，后來衍生出多種河流健康的研究方法，主要有預測模型法和綜合指標法[2]。預測模型法是將假設河流在無人為干擾條件下理論上應該存在的物種組成與河流實際的物種組成進行比較，從而評價河流的健康狀況，常見的預測模型法包括RIVPACS[3]、IBI和AUSRIVAS[4-5]等。綜合指標法的基本原理是建立一套物理、化學和生物變量指標，利用數學綜合評估模型獲得河流健康的綜合狀況[6]，常見方法包括快速生物監測協議(RBPs)[7]、河岸帶與河道環境評估法(RCE)和澳大利亞溪流狀況指數(ISC)[8]等。隨著監測技術的發展，可以測量河流水量和水質、河流結構、生物特性等各種參數，綜合指標法的應用也越來越廣泛，常用的數學評估模型包括層次分析模型、熵權模型、模糊物元模型與模糊集[9-14]等。

已有較多學者對淮河的健康做出評價，孟鈺等[15]研究了河道內生態用水保障率對淮河生態系統健康的影響；殷守敬等[16]通過遙感分析了淮河岸邊帶的生態健康；李瑤瑤等[17]評價了淮河流域河南段的生態系統健康；張穎等[18]通過計算底棲動物完整性指數來評價淮河的水系生態健康；宋大平等[19]通過氮的排放來對淮河做出健康風險評價。對淮河河流健康評價的過程中，多數學者針對河流中水生生物多樣性來評價河流健康，也有學者通過調查化學污染物對水質的影響狀況來做出評價，但大部分學者選取的評價指標較單一，對淮河的綜合健康評價不全面。本文從河流的物理、水質、生態與水文4個方面對淮河干流關鍵河段的健康狀況做出評價，根據河流的物理特征、生物多樣性、水環境質量和水文情勢，選取若干代表性指標構建河流健康評價指標體系，建立基于復合模糊物元與熵權組合的綜合評估模型，對淮河干流關鍵河段的健康狀況進行全面的研究，以期準確反映河流內水體多變性、生物多樣性和物理復雜性。

1 研究區概況與研究方法

1.1 淮河流域概況

淮河流域發源于河南省南陽市桐柏縣桐柏山，流經河南、安徽、江蘇、山東、湖北5個省，全長約 1 000 km，支流眾多，主要有白露河、池河、沙潁河、洪汝河、渦河等。淮河流域降雨時空分布不均勻，容易發生洪旱災害；水資源豐富，2006—2015年平均地表水資源量約為594.9億m3，其中Ⅲ類水質及以下占淮河水資源量的63%；化學需氧量與氨氮排放量有顯著的降低趨勢，2015年化學需氧量為 40.2萬t，氨氮排放量為3.5萬t；水生生物隨季節變化明顯，夏季物種豐度與生物量明顯高于其他季節。另外淮河流域已建大型水庫38座，總庫容達110億m3，1萬多座大小型水利工程已改變了淮河流域水平與垂直生態結構。

1.2 河流健康綜合評價指標體系的構建

1.2.1河流健康綜合評價指標體系

構建河流健康綜合評價指標體系時，把河流健康指標體系分為3個層次：目標層、準則層、指標層[20]，根據科學性與實用性原則及專家建議，選取8個代表性指標[21]，選取的指標能反映淮河干流的地貌、洪峰和洪量變化及水生生物的變化狀況，具體指標體系見圖1。

1.2.2指標計算方法

a. 河道蜿蜒度。河道蜿蜒度[22]是反映河流物理健康的典型指標，在河流健康評價中被廣泛使用。

圖1 河流健康綜合評價指標體系

計算公式為

(1)

式中：P1為河道蜿蜒度；Lai為i河段的河道曲線長度；Lsi為i河段的河道直線長度。

b. DO、NH3-N、CODMn。DO(c1)、NH3-N(c2)、CODMn(c3)受河流物理、化學和生物特征的綜合影響，是典型的水環境變量,也是政府推薦的主要水質評價指標[23]，計算公式為

(2)

式中：ct為指標濃度值；n為實測年周數；ci為第i周指標濃度值。

c. 魚類與底棲動物多樣性指數。魚類與底棲動物多樣性指數能反映河流的物理、水質特性，也間接反映人類對河流健康的影響[24-25]。Grubb等[26]用香農-威納指數來反映魚類(H1)和底棲動物(H2)的多樣性，計算公式為

(3)

式中：N為總的數量；Ni為第i個物種的數量；s為種類的數量。

d. 流量過程變異程度(V1)。通過計算得到河流各河段實測徑流量與天然徑流量的差異[27]，進而反映出河流的水資源開發利用后對河流的影響程度。計算公式為

(4)

其中

(5)

e. 鄧迪水文變化指數(V2)。該指數由Black等[28]提出，用來表示水文條件改變下河流生態系統遭到破壞的風險程度。利用水文分析技術(IHA)[29]中33個反映河流流態年內及年際變化特征的水文改變指標賦值而得，根據IHA建立的5組33個指標改變前后變化的百分比，求每組各指標變化百分比的均值，對均值百分比以及IHA中的離散系數CV賦值，賦值過程見表1，各組賦值總和為最后鄧迪水文變化指數值。

表1 鄧迪水文變化指數賦值

1.2.3指標的評價標準

評估標準由相關研究成果和研究區域的實際情況確定。河道蜿蜒度評價等級參考Albert等[22]的研究成果；根據GB 3838—2002《地表水環境質量標準》確定DO、NH3-N、CODMn3個指標的評價等級；參考Grubb等[26]用香農-威納指數來評價魚類與底棲動物多樣性，并將其劃分健康等級；流量過程變異程度是基于金雙彥等[27]對黃河的研究而確定；根據Black等[28]的研究確定了鄧迪水文變化指數的健康等級。將8個指標分為健康(L1)、亞健康(L2)、普通(L3)、輕度惡化(L4)和惡化(L5)5個等級，具體見表2。

表2 各指標值評價標準

1.3 復合模糊物元-熵權組合模型

1.3.1復合模糊物元

a. 用n個事物的m個特征量值構造n個事物的m維復合模糊物元Qmn：

(6)

式中qmn為對應的指標值。

b. 模糊物元模型中模糊量值通常是各特征量值的相對隸屬度u(q)，根據指標特性及作用，將其分為越大越優型和越小越優型，其計算公式分別為

(7)

(8)

式中：umn為指標qmn歸一化后的值；qmax、qmin為各指標的最大、最小值。

c. 利用各特征量值的相對隸屬度構建從優隸屬度模糊物元Q′mn：

(9)

d. 用構造的標準模糊物元Q0n與Q′mn計算得到差平方模糊物元QΔ：

(10)

其中Δij=(u0i-uij)2(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

標準模糊物元中的u0i取各評價指標從優隸屬度的最大值，一般為1。

模糊物元模型能處理多指標和量綱不統一的問題，用相對隸屬度矩陣來轉化和統一各定性和定量指標，模糊物元分析法將各種指標統一化，結果更有參考價值。

1.3.2熵權法

a. 用評估對象和指標構造判斷矩陣，m個對象，n個指標，則構造m×n型判斷矩陣X=(xij)m×n，xij為第j個對象第i個指標值。

b. 對X=(xij)m×n矩陣中的每個xij值進行歸一化處理，得到歸一化矩陣R=(rij)m×n，對于越大越優型和越小越優型指標計算公式分別為

(11)

(12)

c. 計算指標體系的熵值：

(13)

其中

式中：H′i為指標i的熵值;fij為指標i在第j個對象中占的比例；n為方案的總個數。

d. 計算指標體系的權重：

(14)

1.3.3歐式貼近度

貼近度ρHi表示樣本與標準樣本的相互接近程度，值越大表示越接近最優值，用歐式貼近度表示河流健康綜合指數，根據貼近度的大小對河流健康狀況進行分類并給出評價等級。ρHi計算公式為

(15)

2 結果與分析

2.1 指標權重計算結果及分析

將淮河干流根據淮濱、王家壩、魯臺子、蚌埠4個關鍵斷面劃分為4個河段，輸入4個河段8個指標的數據，構造判斷矩陣X=(xij)m×n(m=8,n=4)，根據熵權法利用式(11)～(15)計算各指標權重。河道蜿蜒度(P1)、流量過程變異程度(V1)、鄧迪水文變化指數(V2)、DO(c1)、NH3-N(c2)、CODMn(c3)、魚類多樣性指數(H1)、底棲多樣性指數(H2)權重計算結果分別為0.146、0.123、0.122、0.103、0.123、0.123、0.134、0.126。

權重能反映指標在評價過程中的影響程度，權重越大，說明對應的指標波動狀況越大，評價時容易影響整體結果。從計算結果可以看出河道蜿蜒度、魚類與底棲動物多樣性指數的權重較大，溶解氧的權重最小。淮河干流從上游到下游河道蜿蜒度變化明顯，魚類、底棲動物的多樣性指數受季節與河流物理特征影響嚴重，這3個指標對評價結果影響較大；淮河干流溶解氧含量較豐富，4個河段都處于良好的狀態，變化不明顯。

2.2 淮河干流關鍵河段河流健康綜合指數

根據4個河段的指標值、平均值及表2中指標評價等級，構造8個指標10個對象的模糊物元Q8×10，先根據式(6)～(9)對各指標及評價標準歸一化處理后構造從優隸屬度模糊物元Q′8×10，再用式(10)計算得各指標及加入邊界條件的差平方模糊物元QΔ，最后根據計算出的權重和差平方模糊物元用式(15)計算淮河干流關鍵河段的健康綜合指數以及河流健康的邊界指數。得到淮河干流淮濱、王家壩、魯臺子與蚌埠4個關鍵斷面的河流健康綜合指數分別為0.470、0.435、0.462、0.432，4個斷面健康綜合指數的平均值為0.450。同時利用差平方模糊物元QΔ計算得到河流健康邊界指數，根據計算結果將河流健康分為(ρH≥0.931)、亞健康(0.483≤ρH<0.931)、普通(0.321≤ρH<0.483)、輕度惡化(0.200≤ρH<0.321)、惡化(ρH<0.200)5個健康等級，結合河流健康邊界指數辨識淮河干流關鍵河段的河流健康狀態。

從計算出的淮河干流4個河段健康綜合指數得出，淮河干流上4個河段都處于普通健康的狀態，但是每個河段有一定的差別。健康指數最大的為淮濱河段(ρH=0.470)，最小的為蚌埠河段(ρH=0.432)，在4個關鍵河段中只有淮濱和魯臺子兩個河段健康指數達到了淮河干流的平均水平(ρH=0.450)，淮河干流從上游到下游健康指數有減弱的趨勢，健康程度逐漸減弱，但魯臺子河段健康指數明顯變大。

3 討 論

3.1 關鍵指標識別與趨勢分析

3.1.1河道蜿蜒度

河道蜿蜒度的權重最大，達到了0.146，淮河干流的河道蜿蜒度先呈上升趨勢，然后逐漸下降，變化明顯，整體健康狀況良好(圖2)。淮河干流魯臺子河段河流彎曲度最大，河道蜿蜒度為1.62，該河段為水生生物提供了更加多樣化的生境空間，水生態受洪水與干旱影響相對較少，水生生物種類與數量豐富，其次該河段蓄水能力好，水文情勢不易發生改變，有利于取水工程布置。

圖2 關鍵河段河道蜿蜒度

3.1.2水文情勢

淮河各河段中蚌埠的流量過程變異程度最小，但是也達到了病變的狀態，其他3個河段都處于嚴重病變狀態。淮河干流取用水過度，特別是中上游，已嚴重影響了淮河的生態健康。淮河干流流量隨季節變化明顯，月平均流量差異較大，每月的平均流量對計算鄧迪水文變化指數指標影響嚴重，如圖3。鄧迪水文變化指數最大的為蚌埠河段，蚌埠河段月平均流量差異最大，水位起伏也很大，年最大最小水位出現的時間變化明顯，說明該河段水文情勢最不穩定，容易發生一系列水情災害。由于淮濱河段處于淮河干流上游，受人類活動影響很小，天然流量均勻，因此鄧迪水文變化指數不易發生改變。

圖3 關鍵河段IHA中各組指標賦值變化情況

3.1.3生物多樣性

魚類與底棲動物的多樣性指數權重所占比例較大，分別為0.134和0.126。對淮河干流生物多樣性評價時采集了4個河段4門、20目、41科66種底棲動物和5目、10科、18屬19種魚類，通過整年的觀察和分析，結果(圖4)顯示水生生物多樣性最高的是夏季(6—8月)，最低的是冬季(12月至次年2月)，這符合了我國水生生物的生活習性和增長模式。淮河干流底棲動物多樣性處于較好的水平，魚類受季節影響顯著，春季和冬季魚類種類和數量都大量減少，生態系統也受河流物理性質與水文情勢影響較大。魯臺子河段河道蜿蜒度最大、鄧迪水文變化指數小，水流較緩，為水生生物提供更多的棲息空間，導致魚類與底棲動物的種類與數量較大；而蚌埠河段物理特征與水文情勢比較惡劣，不適合水生生物的生長，所以水生生物多樣性差。

3.2 河流健康綜合狀況及成因分析

淮河干流從上游到下游各河段的健康程度有明顯的變差趨勢，健康狀況受支流與外界因素影響較嚴重。淮河流經人口密集的農業集中區，淮河流域的土地利用類型主要為耕地，耕地約占土地面積的70%，城鄉居民用地占10%以上，這對淮河的健康產生了一定負面影響。在上游，流域的土地開發程度不高，對河流產生的負面影響較小，而淮河流域下游人口相對集中，城市化嚴重，對河流的各項功能要求高，同時人類活動向河流內排放大量污水，水污染嚴重，導致淮河水生生物的種類和數量嚴重下降，淮河干流的綜合健康隨之下降。

(a) 底棲動物

在魯臺子上游大約15 km處沙潁河匯入淮河干流，國家、地方政府和科技部門投入了大量的人力與財力對沙潁河進行監測與保護，沙潁河中NH3-N、COD等污染物得到了有效的控制，沙潁河的水質優良、水生態豐富、水資源配置科學，匯入淮河干流后，積極地改變著淮河干流中游的水質與水生態。其次，2011年國家在淮河干流中游建立國家自然保護區保護長吻鮠的生存，間接地提高了淮河干流魯臺子河段的水質狀況和水生生物多樣性，保護了魯臺子河段河流的健康。魯臺子河段為河流保護的成功典范，為淮河干流及支流其他河段的保護提供了有益的指導和借鑒。洪汝河整體呈上寬下窄的形態，上游河水匯入而下游排水不通暢，加之人為調水不充分，洪汝河很容易發生洪澇災害，河水流動性不足，污染物累積，不易清除，在王家壩上游匯入淮河干流后造成王家壩河段健康程度降低。渦河在蚌埠上游匯入淮河干流，渦河由于“引黃淤灌”引入大量泥沙，且流經城市攜帶大量污染物，政府部門也沒有制定全面的管理政策，導致渦河的水質惡化嚴重，水生態穩定性減弱，因此受渦河的影響淮河干流蚌埠段的河流綜合健康急劇下降。

4 結 語

本文以河流的物理、水質、水文和生態4個方面為基礎，運用復合模糊物元-熵權組合模型計算關鍵河段的河流綜合健康指數進而對河流做出健康綜合評價。結果表明，淮河干流的健康狀態受河道蜿蜒度、水文情勢與水生態特性的影響比較重，在外界環境的干擾下其健康狀態從上游到下游有逐漸減弱的趨勢，而且淮河干流整體健康狀況處于普通等級。淮河干流的健康狀況受流域中匯入的支流和外界因素影響較大。