河流可持續性評價指標體系與方法研究

宋進喜 魏珂欣 邵創 任源鑫 程丹東 李寧

宋進喜，

男，二級教授，博士生導師，現任西北大學城市與環境學院院長，陜西省黃河研究院執行院長，西北大學秦嶺研究院常務副院長，陜西省地表系統與環境承載力重點實驗室副主任等職務。入選國家百千萬人才工程、國家有突出貢獻中青年專家、中國科學院“百人計劃”、教育部“新世紀優秀人才支持計劃”、 陜西省“高層次人才特殊支持計劃”科技創新領軍人才、陜西省中青年科技創新領軍人才。主要從事水文學、水資源及水生態研究。先后主持包括6項國家自然科學基金（重點、面上、青年、專項項目課題）在內的國家及省部級科研課題20余項。發表學術論文160余篇，其中SCI論文110余篇。研究成果“基于河流健康的生態流量及其保障措施研究”榮獲2012年度陜西省科學技術一等獎（第一完成人），研究成果“河流潛流帶生態-水文作用機理及水生態健康評價”榮獲2022年度陜西省自然科學一等獎（第一完成人）。

摘要：

為科學評價河流可持續性并識別其主要制約因子，從水安全、水資源、水生態、水環境、水經濟、水文化6個方面選取22個指標構建河流可持續性評價指標體系及模型。通過AHP法賦權并識別主要表征因子，引入Fuzzy模糊數學和秩和比（RSR）法改進TOPSIS模型，提出可持續性水平評價方法，并以2010～2019年渭河陜西段為例，分析了河流可持續性水平隨時間的變化情況，以敏感性指數SI探究了不同時期河流可持續性對指標變化的敏感程度。結果表明：① 渭河陜西段可持續性主要表征因子為徑流調蓄能力和水生生物完整指數；② 總體來看，渭河陜西段可持續性水平整體為逐年上升趨勢，等級從初步可持續（2010年）提高至較可持續（2019年）；③ 不同年份渭河陜西段可持續性的主要敏感因子有所差異，整體對堤防防洪標準達標率I2和富營養化指數I11的波動敏感程度較大。研究結果驗證了河流可持續性指標評價方法的合理性，可為流域可持續發展和水資源管理提供借鑒。

關 鍵 詞：

河流可持續性； 指標體系； TOPSIS模型； AHP； 秩和比法； 渭河陜西段

中圖法分類號： TV213.4

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.005

0 引 言

水是生命的源泉，流域水體是生態系統重要的基礎保障。隨著經濟的快速發展，人水矛盾日益突出，主要表現在水安全破壞、水資源短缺、水環境惡化、水生態退化、水經濟低效、水文化弱化［1-3］。人水矛盾問題不僅影響流域居民生命安全，更嚴重制約經濟社會持續發展。開展河流可持續性評價研究對保護流域生態環境以及促進經濟社會健康持續發展具有重要意義。目前，關于流域健康的系統評價及實例研究主要集中在河流健康評價［4-6］、建設管理建議［7-10］等方面，對其可持續性和經濟價值的關注較少。協調好水經濟與水安全、水資源、水環境、水生態、水文化的關系，推動經濟高質量發展，對中國社會可持續發展、水資源合理開發利用等具有重要作用。在評估河流可持續性水平時需考慮水資源的經濟特性，將水經濟發展程度納入評價范圍。

本文提出高效水經濟層次，用以表征流域水經濟發展程度，可較全面系統地評價河流可持續性。高效水經濟是指高效利用水資源，提高水資源利用效率，進行可持續性水管理從而促進經濟社會可持續發展［11］。當前河流健康評價研究多采用指標體系評價方法，對其評判標準的制定研究較少，而科學地劃分標準對評價結果的準確性至關重要，需要較為合理的量化標準評價方法。因此，對河流可持續性評價指標體系方法的研究有待進一步深化。

近年來，過度干預和高強度開發渭河流域導致的流域生態系統失衡與生態安全威脅問題日漸凸顯［12］。由于在水資源開發利用中缺乏有效的管理機制和保護措施，不少地方水資源供需矛盾日益尖銳，并引發了一系列環境問題，如生態流量不足、水質惡化，成為當前制約渭河流域可持續發展的重要問題［13］。本文以渭河陜西段為例，引用全過程動態水資源評價模型［14］，構建較為完善的河流可持續性評價指標體系及模型，通過指標量化及科學制定可持續性水平劃分標準識別河流可持續性的主要影響因子，對2010～2019年河流可持續性水平隨時間變化情況進行綜合分析，以期為流域可持續發展和水資源管理提供參考。

1 研究區概況與研究方法

1.1 區域概況

渭河流域即渭河及其支流（涇河、北洛河等）的匯水區域。渭河干流總長度為818 km［15］，流域面積134 766 km2，起于渭源鳥鼠山，于寶雞鳳閣嶺附近流入陜西省，在潼關匯入黃河。其中，渭河陜西段長度為502.4 km，流域面積67 108 km2，地跨黃土高原、關中盆地和秦嶺北麓山，在陜西省境內流經西安市、寶雞市、咸陽市、渭南市、楊凌區。渭河是陜西省農業重要的灌溉水源，具有防洪、維護生態平衡等功能。渭河陜西段概況如圖1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 指標體系構建

綜合考慮渭河陜西段實踐條件及發展需要，參考關于幸福河［6，16-17］、河流健康［8，15］、生態文明［12］、水資源集約利用及可持續性評價［18-21］等相關文獻，依據國家相關規劃文件及評價導則，如SL/Z 738-2016《水生態文明城市建設評價導則》［22］、SL/Z 552-2012《用水指標評價導則》［23］、GB/T 28284-2012《節水型社會評價指標體系和評價方法》［24］、SL 429-2008《水資源供需預測分析技術規范》［25］和《黃河流域綜合規劃（2012～2030年）》［26］等，并聽取專家意見，確定指標層指標，最終選取的指標如表1所列。

指標體系構建秉承全面考慮流域的防洪安全、有效供給、生態良好、環境宜居、經濟發展、文化傳承等多層次、多角度體現流域可持續發展的宗旨。綜合考慮渭河陜西段實際條件及發展需要，將河流可持續性評價劃分為水安全、水資源、水生態、水環境、水經濟、水文化共6個方面，分別對應準則層水安全防洪能力評價（G1）、水資源供給能力評價（G2）、水生態健康狀態評價（G3）、水環境良好狀況評價（G4）、水經濟發展程度評價（G5）、水文化傳承程度評價（G6）。針對每個準則層的表征內涵，選取能夠體現該準則層的指標，建立河流可持續性評價指標體系（見表1）。

1.2.3 數據來源

文章數據主要來源于2010～2019年陜西省統計年鑒、2010～2019年陜西省水資源公報、2010～2019年陜西省國民經濟和社會發展統計公報、2010～2019年陜西省生態環境狀況公報、2010～2019年黃河泥沙公報、2010～2019年黃河流域（片）水土保持公報、水情信息等。

2 結果與分析

2.1 指標權重及主要表征因子識別

基于建立的河流可持續性指標評價體系，對渭河陜西段進行河流可持續性水平綜合評價研究。AHP法是專家學者進行指標評價時常采用的方法，其傳遞性好、普適性高。根據準則層權重排序可知，6個準則層中，水安全防洪能力評價的重要性最高，經標準化后賦權為0.282，這與許多學者［4-5，7，16］的觀點相符合，即河流安全是保障河流可持續健康發展的基礎，反映出水安全防洪能力對河流可持續性的重要性。其次是水生態健康狀態評價（權重為0.199），這是因為健康的河流水生態系統對于人與自然的和諧發展具有重要作用。所得結果與其他學者結果的不同之處在于本文指出水經濟發展程度具有一定的重要性（賦權結果為0.141），主要原因是水資源對經濟的承載能力、流域居民經濟水平等可以體現人民幸福感的指標內涵，對保障流域可持續發展具有一定的借鑒和研究價值。由指標層因子矩陣分布及綜合權重計算結果可知，徑流調蓄能力、水生生物完整指數、堤防防洪標準達標率、富營養化指數、萬元工業增加值用水量、水文化傳承載體數量、城市防洪達標率是影響河流可持續性水平的主要制約因子（見表3）。洪災對人民安全和社會綜合治理具有巨大危害，有效保障河流安全運行對河流健康及可持續發展尤為重要，因而徑流調蓄能力和堤防防洪標準達標率的權重較大。渭河陜西段的水生生物物種較為豐富，但受人為干擾的影響，河流生境狀況存在生態環境隱患，故水生生物完整指數和富營養化指數對河流可持續性具有重要意義。所有準則層和指標層的判斷矩陣均滿足一致性檢驗，所得權重具有一致性，方法的合理性得到驗證。然而，河流可持續性水平評價是動態的、復雜的，單一采用層次分析法也存在一定的局限性，仍需完善，應結合所研究區域特色并充分考慮河流可持續性開展進一步的科學研究。

2.2 渭河陜西段可持續性水平評價

以RSR值為自變量，各組平均秩次經修正后的向下累計頻數所對應概率單位P值為因變量，進行線性回歸。從F檢驗結果分析可知：差異性水平呈現顯著性，變量之間存在回歸關系，模型的擬合程度R2=0.949，模型表現較為優秀，模型構建良好且基本滿足要求。模型公式為RSR=-0.183+0.135P。

TOPSIS法、RSR法、TOPSIS-RSR聯合法這三種方法下的河流可持續性水平評價結果存在差異，主要原因是TOPSIS容易受極端值影響。將TOPSIS與RSR聯合進行綜合評價，既改良了TOPSIS受離散程度較大值的影響，又彌補了RSR未充分利用指標數據的不足，提高了評價結果的科學性。研究結果表明：經改進后建立的TOPSIS-RSR-Fuzzy綜合評價模型，具有一定的可行性，可使評價結果更加準確合理。

依據擇多原則，渭河陜西段可持續性水平綜合評價結果從高到低的相應年份依次為2019，2018，2017，2016，2015，2010，2011，2013，2012年以及2014年，排序結果與0.9Ci+0.1RSR趨勢的一致性最好（見表4）。因此，最終的綜合評價排序集為0.9Ci+0.1RSR。2014年渭河陜西段可持續性水平最低為0.347，處于初步可持續等級，2010～2013年可持續性水平雖各有小幅度上升但仍處于初步可持續階段。隨著水利改革朝著人水和諧方向發展，2015～2017年渭河陜西段可持續性水平有所提升，整體提升至接近可持續等級，這表明渭河陜西段可持續性水平整體呈上升趨勢，并具有良好的發展態勢。其中，2016年渭河陜西段可持續性水平大于0.5，為0.520，提升較明顯，屬于接近可持續；2018～2019年渭河陜西段可持續性水平穩步上升至較可持續等級，說明渭河陜西段水安全、水資源、水環境、水經濟、水生態、水文化整體狀況有所改善，人民幸福感不斷提升。擬合預測值證明渭河陜西段可持續性水平有向好發展的趨勢，從而有效驗證了2010～2019年的可持續性水平評價結果，但2016～2019年渭河陜西段可持續性水平數值仍然較低，且最高為0.638，距可持續水平（0.730～1）存在較大提升空間。因此，為實現河流可持續發展，陜西省應積極響應黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略，開展改善渭河水生態環境、提高防洪能力、緩解水資源供需矛盾、助推水文化傳承等一系列措施，不斷提升人民幸福感和河流可持續性水平。可持續性水平評價結果較符合渭河陜西段整體發展狀況，表明該評價方法及結果具有一定的可靠性。

2.3 敏感性分析

以敏感性指數探究2010～2019年渭河陜西段河流可持續性水平與主要表征因子間的響應關系（見圖2）。渭河陜西段整體敏感度最高的因子是堤防防洪標準達標率I2，其次是富營養化指數I11、城市防洪達標率I3和水生生物完整指數I10。因此，為實現河流可持續發展，需保障流域的防洪安全，確保供水總量充足，合理調配水資源，完成健康水生態保護，守住生態紅線，防治水體富營養化。2014～2016年渭河陜西段可持續性水平對水生生物完整指數I10的敏感度有所增加，2015年渭河陜西段可持續性水平主要敏感因子為富營養化指數I11，原因是從2009年開始，陜西省利用6 a時間提高水生生物資源養護水平，以初步改善水生生態環境、維護水生生物多樣性。2011年萬元工業增加值用水量I16的波動對河流可持續性水平的影響比其他因子大，這與2011年陜西省將萬元工業增加值用水量I16指標納入政府工作考核體系、擬定用水效率紅線有一定關聯。因此，為提高河流可持續性水平，應首先提高用水效率，調整產業結構，持續降低萬元工業增加值用水量。隨著先進水文化的傳承與保護力度的加大，2013年、2016～2018年水文化傳承載體數量I20的變化也對河流可持續性水平產生一定的影響。2010～2019年間，受指標變化影響最大的年份為2017年，主要原因是2017年陜西省汛雨提前，防洪形勢嚴峻，導致堤防防洪標準達標率I2指標波動增大，進而影響河流可持續性水平。2010～2012年和2019年敏感性指數整體較低，需綜合考慮主要表征因子，加大河流建設力度。

2.4 建 議

為建設健康、可持續的河湖，應首先確保河湖水安全，保障良好的生態環境；其次，應注重水資源供需平衡，保證居民用水，提高用水效率；此外，社會經濟發展及水文化的傳承與普及也不可忽視。實現流域內水-生態-經濟-文化高質量發展有助于提升人民幸福感，當前應以供定需保證居民用水，提高生態系統服務功能，改善流域水環境質量，推動經濟社會高質量發展。同時，應實現宜居的水環境治理，保證流域內水資源高效供給、流域外有序調水。此外，洪水等自然災害會對社會人民生命財產安全造成不可估量的損失，為牢固基礎保障，應防止河水泛濫，加強河道整治，提高河段上游流域供沙條件。總之，建設可持續河流，應以提升人民幸福感和滿足感為目標，因地制宜地全力推進生態文明建設。

3 結 論

本文從河流安全、資源、生態、環境、經濟、文化等多層次綜合管理視角，建立更為科學客觀的河流可持續性評價指標體系，通過定性定量分析方法研究選取指標的重要程度，提出敏感性指數探究其響應關系；建立改進后的TOPSIS-RSR-Fuzzy綜合評價模型，選取渭河陜西段作為研究對象進行應用實例研究，從時間尺度上評估河流整體可持續性水平。基于上述評價體系方法，實證開展了渭河陜西段可持續性水平綜合評價，以期為相關指標體系構建和管理政策制定提供理論支撐。所得研究結果如下。

（1） 渭河陜西段可持續性水平主要表征因子為徑流調蓄能力、水生生物完整指數、堤防防洪標準達標率和富營養化指數。建設渭河陜西段健康河湖應注重調節徑流，增強徑流調蓄能力，持續提升堤防防洪能力。同時，應加強水體富營養化治理，保護水生生物完整性。

（2） TOPSIS-RSR-Fuzzy綜合評價模型的驗證結果表明該模型構建良好，符合要求。TOPSIS-RSR聯合評價方法可以將兩種方法的優勢充分利用，并規避單一使用TOPSIS或RSR方法的缺陷，有效提高指標綜合分析的準確性。渭河陜西段可持續性水平綜合評價結果排序前三名的年份分別是2019年（0.638）、2018年（0.593）和2016年（0.520），后三名分別是2013年（0.372）、2012年（0.352）和2014年（0.347）。

（3） 不同年份渭河陜西段可持續性水平的主要敏感因子有所差異。2010～2019年渭河陜西段可持續性水平整體受堤防防洪標準達標率I2和富營養化指數I11的波動影響較大，其中2017年渭河陜西段可持續性水平受指標變化影響最大，對堤防防洪標準達標率I2變化最為敏感。7個主要表征因子數值的年際變化對2019年渭河陜西段可持續性水平影響較小，在評價時需對主要表征因子綜合考慮，以提升河流可持續性水平。

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（編輯：高小雲）

Abstract：

In order to scientifically evaluate the river sustainability and identify its main restrictive factors，22 indicators were selected from 6 aspects：water security，water resources，water ecology，water environment，water economy and water culture，so as to construct an evaluation index system and model for river sustainability evaluation.Through weighting and identifying the main characterization factors by AHP method，introducing Fuzzy mathematics and Rank-sum ratio（RSR）method to improve TOPSIS model，weput forward the evaluation method of sustainability level.Taking Shaanxi section of Weihe River from 2010 to 2019 as an example，this paper analyzed the change of river sustainability level with time，and explored the sensitivity of river sustainability to index change in different periods with sensitivity index SI.The results showed that：① The main characterization factors of the sustainability of Weihe River in Shaanxi Province were runoff storage capacity and aquatic organism integrity index；② The overall sustainability level of the Shaanxi section of Weihe River had an upward trend year by year，and the grade has increased from preliminary sustainability（2010）to relatively sustainability（2019）；③ The main sensitive factors of sustainability in the Shaanxi section of Weihe River were different in different years，and the overall sensitivity to the fluctuation of flood control standard compliance rate I2 and eutrophication index I11 were relatively large.The research results verified the rationality of the evaluation method of river sustainability index which can provide reference for the sustainable development of river basins and water resources management.

Key words：

river sustainability；index system；TOPSIS model；AHP；RSR；Shaanxi section of Weihe River