基于熵值修正G2法的改進多指標河流健康評價

劉 千 禧,金 琪 華,喬 海 娟,張 叢 林,王 思 遠

(1.中國科學院 生態環境研究中心,北京 100085; 2.湖州南太湖新區社會發展局,浙江 湖州 313099; 3.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210029; 4.中國科學院 科技戰略咨詢研究院,北京 100190)

0 引 言

隨著經濟社會的發展與人民生活水平的提高,在滿足人類對河流生態系統功能需求和解決河流存在現實問題等方面均面臨一系列新的挑戰,必須在保障河流健康的前提下加以應對。因此提出了河流健康的概念,并開展了相關研究[1]。國外河流健康概念的提出最早可追溯至美國1977年頒布的《清潔水法》,對維持及恢復水體的完整性作出規定。相比于發達國家,中國河流健康評價起步較晚。20世紀90年代,中國首次引入基于河流自然屬性的河流健康概念[2]。歷經數十年發展,基于河流生態系統的自然屬性和社會屬性而提出的河流健康概念是指河流既有穩定的生態結構以維持自身持續發展,又能提供合理的社會服務以維持經濟社會的可持續發展[3]。

維持及恢復河流健康逐步成為河流管理的重要任務,各國開始將河流健康評價納入河流保護管理實踐[4]。20世紀90年代,都柏林舉行的水環境會議提出運用一體化方法管理和評價水資源的準則;同期,以美國、澳大利亞、英國等為首的發達國家相繼提出一系列河流健康評價方法,創建河流健康評價框架,并開展河流健康評價實踐工作[5]。中國21世紀初初步形成河流健康評價指標體系框架,明確要求國家及地方定期開展河湖健康評估工作,隨著河流健康概念不斷深化擴展,水利部和生態環境部在此基礎上不斷補充完善評價指標框架結構。

全面系統的河流健康評價必須依托科學嚴謹的評價方法。目前,已有的相關研究從評價方法方面來看,主要通過指標體系法[6-10]與物種指示法[11-16],對部分流域開展健康評價。兩種方法均通過參數監測來反映河流的物理和化學特性,并對河流健康狀況進行評級。從指標賦權方法方面來看,主要有主觀賦權法、客觀賦權法和主客觀組合賦權法3種。其中,主觀賦權法包括層次分析法、模糊層次評價法、超標倍數法等[17-20];客觀賦權法包括熵值法、標準離差法等[21-22];主觀賦權法與客觀賦權法相結合即為組合賦權法[23-24]。

隨著中國國情、水情和河流管護實際情況發生變化,需對河流健康評價方法進一步探索和研究[11,25]。從主客觀組合賦權系數(賦權系數指組合賦權法中對主觀賦權法與客觀賦權法確定的權重的加權合成系數)方面來看,已有研究中的組合賦權系數通常由人為確定,主觀性較強、缺乏客觀依據,易導致評價結果不夠科學合理。從指標評價方法來看,已有研究對河流生態系統岸線植被物種豐富度與文化建設等方面關注不足,多指標的評價方法還需進一步完善。

發展與完善河流健康評價方法,提高河流健康評價的系統性和科學性,有助于系統評價河流健康狀態,為河流管護提供有力支撐[26]。本文基于國內外已有研究,在進行國家需求識別、理論依據分析和已有研究總結歸納的基礎上,新增岸線植被保有指數和文化建設程度兩項評價指標,并運用熵值-G2交叉賦權法克服組合賦權系數的主觀性,以優化河流健康評價方法,結合案例開展河流健康評價,分析影響河流健康的制約因素,提出河流管護措施。

1 研究方法與研究區域

1.1 研究方法

本文研究思路如圖1所示,著眼于中國國情與水情的發展變化,河流健康評價方法有待進一步完善。首先,健全河流健康評價方法包括完善河流健康評價指標體系與建立熵值-G2交叉賦權法。其次,以浙江省麗水市松陰溪為案例開展河流健康評價,以實地考察和資料檢索方式驗證評價結果。最后,從系統角度分析影響河流健康的主要因素,提出河流管護措施與治理途徑。

圖1 研究思路Fig.1 Research ideas

1.2 河流健康評價指標體系構建

1.2.1評價指標的遴選

在查閱分析已有河流健康評價理論研究[8,27-32]與實踐探索的基礎上,基于水利部印發的《河湖健康評價指南(試行)》,構建河流健康評價指標體系框架,主要涉及“盆”、“水”、生物、社會服務功能4個方面。經大量實踐驗證發現,該評價指南適用范圍廣,可操作性強,指標數據獲取容易,但《河湖健康評價指南(試行)》提出的指標體系有待進一步完善。

(1) 從國家需求層面來看,一方面,積極推進水文化建設日益成為河湖健康的應有之意。為加快推動河流健康評價進入新發展階段,滿足廣大人民群眾日益增長的精神文化需求,迫切需要開展水文化建設對河流總體健康狀態的影響研究[33]。另一方面,本文新增的岸線植被保有指數指標以岸線植被豐富度作為評價標準。岸線植被豐富度大的地區,河流生態系統穩定性較高。河流健康評價重要內容之一包括河流生態系統穩定性[34],因此,研究河岸帶植被保有度對河流健康水平的影響具有重大意義。

(2) 從理論分析層面來看,首先,隨著經濟社會快速發展,人民涉水需求逐漸發生變化,除生存型和發展型涉水需求外,新增的涉水需求以保護水生態、改善水環境等環境型需求為主。與此同時,水文化、水歷史、涉水遺產等涉水精神型需求開始大量涌現[35]。其次,河流生態系統健康既包括河流生態系統功能的實現,也包括其結構的完整性。岸線植被作為河流生態系統結構的重要組成部分之一,能在保證岸坡穩定的前提下,充分發揮岸線植被的緩沖帶功能和護坡效應,幫助恢復與實現河流生態系統功能,進而改善河流生態系統健康狀況[36]。

(3) 從已有研究來看,一方面,已有研究將景觀文化[37]、文化屬性[38]、文化歷史遺跡保存指數[39]、水文化體系[40]等與水文化相關的評價指標納入河流健康評價體系。另一方面,已有研究將岸坡植被完整性等與岸線植被相關的評價指標納入河流健康評價體系[29]。

基于上述分析,河流健康評價應兼顧河流生態系統水文化建設層面和岸坡生態建設層面,構建河流健康評價指標體系時,應將水文化指標與岸坡植被完整性指標納入其中。

1.2.2評價指標體系

改進的多指標河流健康評價體系包含河流河道“盆”、“水”、生物、社會服務功能4個準則層21個指標,如表1所示。

表1 河流健康評價指標Tab.1 River health evaluation index

1.2.3指標計算方法

本文構建的河流健康評價指標體系中,除C5、D7兩項指標外,其余19項指標均按照水利部印發的《河湖健康評價指南(試行)》規范標準進行計算。新增指標計算方法如下:

(1) 岸線植被保有指數計算方式如下:

Ic=∑Co/Ce×100%

(1)

式中:Ic為岸線植被保有指數;Co為現有評價河段植被種類數;Ce為歷史記錄評價河段植被種類數。

植被保有指數為100%～85%,85%～60%,60%～40%,40%～20%和20%～0%時,對應的賦分結果分別為100,80,60,40分和0分。若評價河段出現珍稀物種,該項滿分。

(2) 文化建設程度。此為定性指標,由相關領域專家對以下7個方面進行評定打分,包括河流文化輸出水平、河流文化教育重視程度、居民河流保護意識強度、河流文化自信建立程度、河流公共文化服務體系建設程度、河流文化歷史遺跡完整性與河流文化新岸線打造程度。其中,每個方面分為非常好(100分)、好(80分)、良好(60分)、一般(40分)和差(0分)5個級別。

1.2.4河流健康評價指標權重確定方法

為突破主客觀賦權方法的局限,克服組合賦權系數主觀性與隨機性,本次研究將熵權法與G2法相結合,采用熵值-G2交叉賦權法,以提高評價體系精度。

權重計算分層逐一進行,以評價指標對準則層權重分配為例,計算步驟如下。

(2)

(3)

(4)

(5)

1.2.5河流健康評價標準

根據河流健康綜合指數賦分標準,將河流健康評價分級分為5級:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ,分別表示河流健康狀況為非常健康(100～80分)、健康(80～60分)、亞健康(60～40分)、不健康(40～20分)、病態(20～0分)。根據評價指標的判定情況確定河流健康評價分級,采用線性插值法進行賦分,由式(6)計算河流生態健康綜合指數。

(6)

式中:H為河流生態健康綜合指數;Wi為評價指標權重指標;Ii為評價指標賦值。

2 研究區概況及數據來源

2.1 研究區域概況

松陰溪位于浙江省麗水市,全長120 km,流域面積2 055 km2(見圖2)。結合自然與社會條件差異,將松陰溪劃分為2個河段8個監測站點進行分段健康綜合評價。河段A起于遂昌縣垵口鄉桂義嶺,止于港口溪橋,沿程涵蓋渡船頭斷面、遂昌取水口斷面、大石斷面、石門橋下斷面、青蒙斷面5個斷面,全長65 km。河段B起于港口溪橋,止于麗水大港頭,沿程涵蓋黃田鋪斷面、靖居口斷面、堰后斷面3個斷面,全長55 km。

圖2 研究區域示意Fig.2 Map of research area

2.2 數據來源

河流健康評價指標體系的數據如表2所列。

表2 指標數據來源Tab.2 Index data sources

3 結果與討論

3.1 評價權重

本研究邀請12位來自水利工程、生態經濟、環境治理、環境法、環境經濟領域的專家,對河流健康評價指標權重進行3輪打分,當結果滿足一致性檢驗后即止。河流健康評價指標權重結果見表3。

表3 河流健康評價指標權重列Tab.3 River health evaluation weight list

結果表明:各準則層對目標層權重分別為19%,25%,27%,29%,均值為25%。其中,“盆”層面的權重值最小,比均值偏低6%;社會服務功能層面權重值最大,占比29%。

3.2 評價結果

通過實地調查監測與文獻資料檢索,計算得到各指標的評價得分與河流健康評價綜合得分,得分情況如圖3所示。結果顯示:松陰溪流域綜合評估得分為77.24分,綜合健康等級為“健康”。

圖3 河流健康評價得分Fig.3 River health evaluation score

(1) 從“盆”準則層來看,得分為62.79分。其中,A1、A2、A3得分較低,其原因分析如下:據實測資料與文獻調查[46]統計,松陰溪干流目前已建成12座電站、堰壩,平均每隔10 km建有1座,縱向連通指數為1,主干河道水文連通性差。受人為活動影響,松陰溪河岸線多處可見拋石、堆石、干砌石等護坡工程,岸線自然狀況較差。河岸帶寬度指數為0.63,生態緩沖帶寬度較小,可能是因為電站、堰壩等設施建設對地表植被的擾動較為嚴重,導致植被蓋度降低。

(2) 從“水”準則層來看,得分為80.71分。其中,B2得分23.55分,相比較低,可能原因是:近年來,松陰溪流域年均溫呈持續上升趨勢,降水異常偏多。梅汛期暴雨頻繁,與常年梅汛期雨量相比,降水量偏多,所以河流實際月徑流和天然月徑流平均偏離程度大。

(3) 從生物準則層來看,總體得分為76分。其中,C1、C2得分較低,可能原因如下:據水生生物監測點調查發現,1972年松陰溪水域現有魚類80余種,而今調查魚類僅有54種,調查結果與已有統計研究相近[47]。8個監測站點共發現76種著生硅藻,富營養化硅藻指數為61.33,流域水體富營養化,對水生生物生存造成潛在威脅,底棲動物生物量和豐度較低[48]。

(4) 從社會服務功能準則層來看,得分為72.42分。但是D1、D3得分相對較低,原因如下:松陰溪河流沿線未設堤防長度共19.62 km,占全長約16.7%,堤防建設不足;松陰溪河岸已利用生產岸線長度占河岸線總長百分比約65%,河流岸線保護完好程度較低[49]。

3.3 討 論

增加了C5(岸線植被保有指數)和D7(文化建設程度)兩項指標后,與采用水利部印發的《河湖健康評價指南(試行)》進行評價相比(見表4),松陰溪流域綜合健康水平均為“健康”,且綜合評估得分相近;從準則層來看,松陰溪流域“水”和生物2個準則層得分相差較大,分析原因可能如下:① 由于新增C5與D7指標,本次研究的“水”準則層各項指標權重總體減小19.1%,且3項賦分較高的指標(B1、B3、B4)權重減幅更大,在指標賦分不變的情況下,“水”準則層得分變小。② 由于生物準則層新增C5指標,且該項指標賦分高(100分),在其他指標賦分不變的情況下,生物準則層得分變大。

表4 河流健康評價對比Tab.4 River health assessment comparison

從短板理論角度出發,新增C5和D7指標后,有助于平衡“水”和生物準則層各項指標權重,促進政府加強河流管理,優化政策,提高河流總體健康狀況,維護河流健康生命。此外,生物準則層新增C5指標后,在一定程度上能夠體現河流岸線健康水平;社會服務準則層新增D7指標后,能夠反映河流生態系統水文化建設水平,有利于完善河流健康評價指標體系,落實《“十四五”水文化建設規劃》政策,也是建設造福人民幸福之河的應有之義。

4 結論與建議

4.1 結 論

(1) 本文基于水利部印發的《河湖健康評價指南(試行)》,構建河流健康評價指標體系,補充遴選指標,構建“盆”、“水”、生物、社會服務功能4個準則層,優化指標權重確定方法,并以松陰溪流域為例開展研究。研究方法不僅可應用于對松陰溪流域的健康狀況進行客觀描述和評估,而且有助于相關單位對松陰溪流域進行管理和保護,以促進流域實現高水平保護和高質量發展。

(2) 在研究和實踐探索基礎上,從國家需求、理論分析和已有研究總結3方面分析了新增指標的遴選合理性。為加快推進水文化建設,滿足人民群眾日益增長的涉水精神型需求,新增了文化建設程度指標;同時,為體現河流生態系統岸線植被的緩沖帶功能和護坡效應,更為全面地評估河流生態系統健康狀況,新增岸線植被保有指數指標。

(3) 本文基于熵值G2主客觀綜合賦權法,確定河流健康評價指標權重,四大準則層的權重大小排序為社會服務>生物>“水”>“盆”,社會服務功能層面對河流健康的權重值最大。

(4) 總體來看,松陰溪河流健康水平為“健康”,制約松陰溪健康水平的問題主要有三大類:① 水資源的過度開發利用,以取用水調節為主要特征的人類活動影響地表水文循環過程,導致河流流量變異程度高等問題;② 水生生物保護工作不到位,當地水污染排放導致水體富營養化,造成魚類保有指數低等問題;③ 防洪排澇體系有待完善,主要涉及堤防建設工程不足等問題。

4.2 建 議

為促進松陰溪流域總體健康水平,從問題著手,提出河流健康管理工作和生態修復的對策建議:

(1) 嚴格管控河流岸線開發利用。堅持生態優先,盡可能減少漿砌石、混凝土等硬化材料的護坡護腳工程,宜采用人工植草生態護坡工程,整治邊坡病害,提高生態河岸帶寬度。完善水量調度方案,科學調度水資源,重點保障枯水期河道生態基流。建立湖區植被緩沖帶,及時清除廢棄電站、水庫等,以陸生和濕生植物為主建立灌草結合綠化隔離帶。

(2) 加強水生生物多樣性保護力度。應建立水生生物多樣性觀測網絡,定期開展生物多樣性普查,及時更新物種組成、分布和種群數量等信息,并進行水生物脅迫因子評估工作。掌握重要水生生物動態變化情況。政府應積極引導,減少河流工業廢水和生活污水的排放,切實加強對污染排放單位的審核和監督,并采取水污染治理技術和生態恢復工程措施,控制浮游植物過度增長。

(3) 全面提高河流防洪能力。開展生態河道建設,根據現有防洪岸堤和自然岸線,開展強塘固防工程、中小河流治理工程等松陰溪綜合治理工程,實施生態防洪工程、河道堤防管護設施建設等一系列措施,保障城鄉防洪安全。此外,應建立健全松陰溪流域防洪排澇風險預報體制,確保對突發洪水等災害事件的及時有效響應。