多功能河流健康評價體系研究與應用

摘要：為了保障河流健康和實現人類社會可持續協調發展，在梳理河流各功能的基礎上，總結提出多功能河流的概念，構建由防洪排澇功能、自然功能、生態功能、環境功能、資源功能和人文功能構成的多功能河流健康評價指標體系。以山東小清河為例，采用AHP-模糊綜合評價法，分別對2007年和2019年治理前后的小清河進行多功能評價。評價結果顯示：2007年小清河各功能運行狀態為“劣”，多功能性弱，魚類保有指數、底泥污染指數、水質優劣程度、河流平均比降和通航水深保證率5個指標為“劣”，主要制約準則層為環境功能和資源功能；2019年小清河各功能運行狀態為“良”，多功能性明顯增強，其中資源功能得到最大改善，由“劣”變“優”，表明小清河經過一系列綜合治理后，各項功能逐漸恢復。評價結果揭示了小清河治理后各功能發展狀況，可為未來小清河的功能提升和治理開發提供參考依據。

關 鍵 詞：河流健康評價； 評價指標； 模糊綜合評價法； 小清河

中圖法分類號： TV213.4

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.014

0 引 言

河流是人類社會文化之源，以其自然功能推動人類社會發展，以其社會、經濟和環境價值促進人類文明形成。人類大規模活動對河流的干擾早已打破了河流自然演進的變化規律，對河流生態系統造成了不同程度的脅迫，導致了河流生態系統諸多功能的衰減甚至喪失，從而損害了河流健康和人類利益［1］。因此，需要對河流各功能進行合理評價，了解各功能發展現狀，為河流管理提供依據，尋求河流在自然演化和人類活動間的平衡發展。翟晶等［2］將河流社會服務功能分為防洪功能、供水功能、納污功能及景觀功能，構建了協調發展度評價模型。郭麗峰等［3］根據農村河道的功能和特點，構建了多指標、多層次的生態環境效益評估模型。曹宸等［4］以河流水環境功能、生態效益功能、防洪效益功能和支持利用功能4項功能為基礎進行河流生態系統評價。另外，國內外學者在進行河流健康評價［5-6］、水生態文明城市評價［7-9］、水功能區劃管理［10-12］以及人水和諧［13］等研究時也多以河流各項功能為研究基礎。由此可見，河流功能評價已經從單一的河流水質評價、生物棲息地評價和水生態評價逐漸轉向基于河流全功能的綜合評價。本文通過梳理河流功能類別，提出了多功能河流的概念，構建了多指標多層次的多功能河流健康評價指標體系，確定了評價標準和AHP-模糊綜合評價法，為進一步探究多功能河流評價奠定基礎。

小清河是山東省重要的、可實現海河聯運的黃金水道，但由于工業污水和生活廢水的大量排放及水資源的過度利用，致使河流生態系統嚴重破壞，河道斷航。近年來，小清河流域生態環境綜合治理規劃穩步推進，流域生態系統逐漸恢復，山東省已于2017年正式啟動小清河復航工程，作為山東省內河航道“一縱三橫”高等級航道網中的重要“一橫”，小清河復航工程具備獨特的水運資源。因此，本文構建了小清河多功能評價指標體系，對2007年和2019年治理前后的小清河分別進行多功能評價，揭示了復航工程實施下小清河各功能運行狀況，從而為未來小清河的功能提升和生態修復提供參考依據。

1 多功能河流的概念

河流功能是河流系統與環境相互作用過程中表現出的能力和效用，是河流系統發揮的有利作用［14］。根據人類需求和環境條件不同，河流功能表現出不同的作用效果，可分為防洪排澇功能、自然功能、生態功能、環境功能、資源功能及人文功能。防洪排澇功能主要表現在防洪功能和排澇功能，分別指河流提供的泄洪通道和洪水調度作用。自然功能又可分為水文功能和地質功能，分別指河流參與全球大氣水文循環過程和河水對地表巖石及土壤的侵蝕、搬運、沉積過程所作用的效果。生態功能主要包括生物棲息地功能和河流廊道功能，分別指河流為系統內生物提供生存環境、連通河流與其周邊生命體和生態系統的物質能量交換及信息循環的作用。環境功能主要有水質凈化功能和自我修復/調節功能，分別指河流能夠在自身納污能力范圍內降低河流污染物濃度、河流調節內環境變化和抵御外界干擾的能力。資源功能則主要包括水源供給功能、能源供給功能、水產供給功能以及運輸功能，指為人類的生產生活提供淡水資源、電能、水產品資源和交通運輸的能力［15］。人文功能主要包括休閑娛樂功能、文化教育功能和景觀功能，分別指河流提供了人們休閑娛樂的親水空間，河流作為人類文化載體可用作教育和科研的試驗場地，優美的河岸風光能帶給人們觀賞的愉悅感。

綜上所述，本文對多功能河流進行如下定義：多功能河流就是指河流防洪排澇功能、自然功能、生態功能、環境功能、資源功能以及人文功能等多重功能相互協調，均衡發展，在保證河流自身結構與功能穩定的前提下實現河流功能的持續供給，達到人與河流可持續協調發展的河流。多功能河流的本質屬性是河流多功能性，河流多功能性是指河流能發揮其多種功能及各種功能相互協調發展的特性，是研究和發展多功能河流的基礎和前提。多功能河流不僅是對多重河流功能的耦合，更重要的是追求河流多功能的可持續性協調發展，隨著人類社會的發展和人類對河流需求的不斷變化，多功能河流的概念也會進行相應的調整和深化。

2 多功能河流健康評價體系

2.1 指標體系框架

構建科學合理的指標體系是評價的關鍵，遵循科學性、系統性、代表性、目的性及普適性等原則［16］，本文以河流為主體，以河流各功能為基礎，以評價多功能河流為最終目標，建立了由“目標層-準則層-亞準則層-指標層”4個層次構成的層級關系框架（圖1）：① 目標層。基于多功能河流的本質屬性和目標，確定多功能河流為目標層。② 準則層。以河流的防洪排澇功能、自然功能、生態功能、環境功能、資源功能和人文功能為基本框架，從不同方面反映多功能河流的屬性和功能。③ 亞準則層。由河流一級功能下的水文功能、地質功能等二級功能組成，反映河流各功能的運行現狀和持續供給情況。④ 指標層。選取能直接反映河流某一功能某一方面具體發展程度的各種定量和定性指標，以定量為主，定性為輔，針對河流不同功能發揮的不同作用，表征河流各功能現狀。

2.2 指標選取

以確立的準則層和亞準則層為依據，廣泛搜集有關河流功能評價［17-19］、河流健康評價［20-26］、水生態建設［27-28］、水資源承載力評價［29-30］和幸福河評價［31］等相關經典文獻、管理部門頒布的標準及導則等文件，選取引用頻率較高、指標體系完備的文獻作為參考，分析所選文獻的指標體系，對與多功能河流評價準則相關性較大的指標依次進行理論分析、可行性分析和頻度分析，得到指標初篩結果。

基于此，以指標選取原則為依據，并咨詢專家意見，對其中內涵有重疊的指標進行合并處理，最終確定了多功能河流健康評價指標體系（表1），包括24項基本指標和12項備選指標，共計36項指標。鑒于我國河流生態系統多樣，區域差異顯著，在實際應用中，基本指標為具有普適性的建議必選指標，各地區可增設自選指標，根據待評估河流的特性和所處地區的具體情況，從備選指標中按照體系構建原則進行有針對性地選擇和應用。

2.3 評價指標標準

指標標準是指標體系是否科學合理的關鍵所在，目前中國尚無統一推行的河流功能評價標準。本文所提供的指標標準等級及標準值的劃分遵循以下原則：

（1） 若有近年來國家有關部門頒布的行業標準或技術指南，則優先采用，例如生態流量滿足程度依據SL/T 793-2020《河湖健康評估技術導則》確定。

（2） 其次則借鑒相關經典文獻中對應的指標標準。

（3） 最后可參考國家或河流所在地區的發展規劃值進行最終確定。

基于此，將各評價指標的標準值劃分為Ⅰ級（優）、Ⅱ級（良）、Ⅲ級（中）、Ⅳ級（差）、Ⅴ級（劣）共5個等級（表2）。

2.4 評價方法

在評價過程中，待評估河流并非都具有表1準則層中的所有功能，但評價目的是評估該河流的多功能性，因此要全面評價河流各功能。若某一功能開發利用程度較好，則該功能對應的評價指標得分較高，代表河流在該方面運行較好，功能性強；若某一功能發揮較弱或河流基本不具備該項功能，則該功能對應的評價指標得分較低，處于末位等級，代表河流在該方面功能性弱。指標體系中設置的備選指標旨在根據河流實際情況進行選擇添加。從而更全面準確地表征河流相應功能運行的狀態好壞。

多功能河流評價是一個多指標、多準則、多層次的綜合評價，為了能更好地反映河流各功能運行狀況，本文采用基于非等權的AHP-模糊綜合評價法進行評價。通過層次分析法賦權，增加了模糊綜合評價結果的科學性和可靠性；然后通過模糊綜合評價法計算各指標值對不同標準值范圍的隸屬度，減輕了層次分析法主觀因素的影響，從而進行綜合評價。

（1） 權重確定。

為了能將遞階層次結構中各層次之間的重要性關系表示出來，選用能較好解決問題的層次分析法。分別構造準則層各要素之間和各準則層下相應指標層各要素之間的判斷矩陣，采用1～9標度法對同一層次內n個要素的相對重要性進行打分，通過MATLAB進行一致性檢驗和歸一化處理，最后得到權重向量W。若不具備一致性，則需對判斷矩陣進行調整，最終得出一套符合待評估河流特性、體現待評估河流不同功能重要程度、反映待評估河流特色的權重系數。

（2） 隸屬度計算。

采用模糊綜合評價法進行隸屬度計算。建立目標層和各準則層評價指標集，確定代表具體評價指標“優、良、中、差、劣”5種狀態的評判集，分別對應表2中劃分的Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級5個等級。采用柯西分布函數為隸屬度函數計算隸屬度矩陣，其核心公式為［32］：

r（x）=1［1+a2（x-a1）2］

（1）

式中：r（x）為隸屬度函數；x為待評估年份指標；a為函數參數。

① 當x為Ⅰ級時

a1=xu，a2=4（xu-xi）2

（2）

② 當x為Ⅱ～Ⅳ級時

a1=xu+xi2，a2=4（xu-xi）2

（3）

③ 當x為Ⅴ級時

a1=xi，a2=4（xu-xi）2

（4）

式中：xu、xi分別為x對應不同級別標準值的上、下邊界值。

由隸屬度函數求得隸屬度矩陣R，與權重向量W進行模糊乘運算，得到綜合評價向量D：

D=W·R

（5）

根據最大隸屬度原則，最終確定目標層所屬等級狀況，即多功能河流評價的最終結果。

3 應用實例

3.1 研究區概況

小清河流域（東經 116°50′～118°45′，北緯 36°15′～37°20′）位于魯北平原南部（圖2），流域面積10 498.8 km2。小清河干流發源于山東省濟南市南部山區，自西向東流經濟南、淄博、濱州、東營、濰坊5市的12個縣、市、區，于壽光市羊口鎮東注入萊州灣，全長233 km，溝通黃河三角洲經濟區和山東半島藍色經濟區，是沿岸區域經濟發展的重要支撐和物資運輸的重要海河聯運通道。

20世紀70年代后，沿河工業迅速發展，污染物大量排放，導致河水開采過度、水體污染嚴重、水環境惡化加劇、水生物瀕臨滅絕、各項功能退化、航道徹底斷航。2007年底，小清河綜合治理工程啟動，小清河流域生態環境綜合治理規劃穩步推進。2017年9月，小清河復航工程正式啟動。2019年10月，小清河防洪綜合治理工程全面開展，與復航工程結合實施。2023年7月，小清河首次全線空載試航順利結束。

3.2 評價過程

根據小清河的開發利用和治理現狀，選取指標體系中的28項指標對其進行多功能評價。小清河2007年和2019年各指標現狀值見表3，定量指標采用查閱文獻資料、專家咨詢、實地觀測等方式獲取數據，定性指標根據專家打分確定，列出專家意見平均值所屬范圍。其中流量資料采用小清河岔河站數據；水質、供水量、用水量等資料由濟南市水文局提供；部分2007年指標值根據小清河統計資料計算得出；其余需要實地觀測的指標根據斷面觀測或遙感影像得到。

根據層次分析法計算得到小清河流域各指標權重，用MATLAB求得各判斷矩陣的最大特征根，使其具有滿意的一致性，定量指標的隸屬度根據柯西分布函數計算得出，定性指標的隸屬度則根據專家賦分整理得出。分別得出小清河2007年和2019年各項指標的隸屬度矩陣，并用MATLAB進行模糊乘運算得到2007年和2019年各準則層的評價向量。根據最大隸屬度原則，最終得到小清河2007年和2019年多功能評價結果。

3.3 結果與討論

3.3.1 權重及指標層評價分析

小清河2007年和2019年各指標權重及評價結果見表3，準則層中防洪排澇功能、自然功能、生態功能、環境功能、資源功能和人文功能的權重分別為0.100 6、0.275 6、0.275 6、0.137 8、0.157 4、0.053 8，指標層各指標相對于目標層的權重取值范圍為0.005 9～0.088 0，娛樂項目豐度和景觀小品多樣性權重值最小，月均流量變化率和底棲動物多樣性指數權重值最大。

2007年評價結果顯示：在28項指標中，僅有自然功能中的水流挾沙能力變化率為優，占比3.6%；有6項指標為良，占比21.4%；有3項指標為中，占比10.7%；有13項指標為差，占比46.4%；魚類保有指數、底泥污染指數、水質優劣程度、河流平均比降和通航水深保證率5個指標為劣，占比17.9%。2019年評價結果顯示：流量過程變異程度、生態流量滿足程度、水資源開發利用率、飲用水水源地水質達標率和通航水深保證率5個指標均為優，占比17.9%；有11項指標為良，占比39.3%；有6項指標為中，占比21.4%；有4項指標為差，占比14.3%；僅有防洪工程措施達標率和河流平均比降2項指標為劣，占比7.1%。可以看出，各項指標的評價等級整體上顯著提升，占比最大的等級由差變為良，評價結果為優的指標數量增加，劣的指標數量減少。

3.3.2 準則層評價分析

小清河各準則層評價結果見圖3。在防洪排澇功能方面，由于小清河多數河段僅為20 a一遇防洪標準，堤防多缺口，閘涵老化，遠不能達到流域防洪需求，需進行防洪綜合治理以保障流域安全，同時排澇能力較差，故2007年評價結果為差，經過綜合治理后，防洪排澇功能由差變中。

在自然功能方面，2007年評價結果為良，在各功能中等級最高，表明小清河自身結構基礎較好，開展綜合治理可行性較高，2019年評價結果仍為良，但關于優的隸屬度值變大。

在生態功能方面，2007年評價結果為中，沿岸工農業大量用水、污廢水排放導致小清河水環境惡化，底棲動物、魚類及藻類等生物種類和數量減少，棲息地遭到破壞，經過治理和開發后，基礎功能運行有所好轉，生態功能由中變良。

在環境功能方面，2007年評價結果為劣，工業廢水和生活污水直排入河，帶來大量污染物，小清河河道比降小導致水體污染物累積沉淀，底泥嚴重污染，水質不斷惡化，水環境惡劣，經過近年來綜合施策和全面治理，不斷加快污水處理設施和配套管網建設，小清河水質明顯改善，環境功能由劣變中。

在資源功能方面，小清河屬平原河流，河流平均比降小，水電能源可開發程度不高，水質惡化導致水產品生產能力較低，河流供給能源和水產能力較差，同時航道斷航致使河流失去運輸功能，故2007年評價結果為劣，經過治理后，2019年資源功能得到最大改善，由劣變優，水資源供給功能運行較好，能基本滿足沿河工農業和居民用水。

在人文功能方面，2007年評價結果為差，水質惡化使沿岸居民生活質量下降，滿意度低，對小清河沿岸的整治和生態恢復使人文功能由差變良，沿岸居民滿意度提升，幸福感增強，小清河逐漸恢復往日的“水清、河暢、岸綠、景美、宜游”。

3.3.3 目標層評價分析

小清河2007年目標層評價向量為D2 007=（0.121 7，0.229 2，0.177 0，0.219 6，0.230 7），根據最大隸屬度原則，評價結果為劣，表明小清河2007年各項功能整體運行狀況差，多功能性弱，主要制約準則層為環境功能和資源功能。2019年目標層評價向量為D2019=（0.174 9，0.291 2，0.232 5，0.179 7，0.119 7），根據最大隸屬度原則，評價結果為良，表明小清河經過一系列綜合治理后，各項功能逐漸恢復，呈現良好的發展態勢，多功能性明顯增強。

通過對比分析2007年和2019年評價結果得知，嚴重的人為干擾是導致小清河各功能運行狀態差的主要原因，綜合治理和復航工程使小清河的生態環境有所改善，各項功能逐漸恢復，但防洪排澇功能和環境功能運行狀態仍是重點，今后小清河可著重從防洪除澇和改善水環境方面進行功能提升。

4 結 論

（1） 通過歸納概括河流功能總結提出多功能河流的概念。多功能河流是多重功能相互協調、均衡發展的河流，是自身結構與功能穩定的河流，是能實現河流功能的持續供給并達到人與河流可持續協調發展的河流。多功能河流的本質屬性是河流多功能性，建設多功能河流的最終目標是實現人與河流可持續協調發展。

（2） 基于多功能河流的內涵，以防洪排澇功能、自然功能、生態功能、環境功能、資源功能以及人文功能為準則層，建立了一套具有一定普適性，共36項指標（24項基本指標、12項備選指標）的多指標多層次的多功能河流健康評價指標體系。采用基于非等權的AHP-模糊綜合評價法進行評價，通過AHP法賦權，以柯西分布函數為隸屬度函數計算得到隸屬度矩陣，與權重向量進行模糊乘運算，依據最大隸屬度原則確定最終評價結果。

（3） 以小清河流域為實例進行多功能評價應用，分別評價2007年和2019年治理前后的各項功能運行狀況。評價結果顯示，2007年各功能運行狀態為劣，多功能性弱，主要制約準則層為環境功能和資源功能，2019年各功能運行狀態為良，多功能性明顯增強。隨著小清河復航工程的推進，應對小清河進行生態修復，重點進行防洪治理和水環境改善。

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（編輯：黃文晉）

Research and application of multifunctional river health evaluation system

WANG Hao1，HAN Song2，SUN Zhongfeng3，FU Yongfei4，LIU Yuyu2

（1.Water Resources Research Institute of Shandong Province，Ji′nan 250013，China； 2.School of Water Conservancy and Environment，University of Jinan，Ji′nan 250022，China； 3.Haihe River，Huaihe River，and Xiaoqinghe River Basin Water Conservancy Management and Service Center of Shandong Province，Jinan 250100，China； 4.Water Affairs Bureau of Yanzhou District，Jining 272100，China）

Abstract：

To ensure the health of rivers and achieve sustainable and coordinated development of human society，this study introduced the concept of "multifunctional rivers" based on an analysis of various river functions.We constructed a multifunctional river health assessment index system，which encompasses flood control and drainage functions，natural functions，ecological functions，environmental functions，resource functions，and cultural functions.Using the Xiaoqing River in Shandong Province as a case study，this research employed the AHP-fuzzy comprehensive evaluation method to conduct a multifunctional assessment of the Xiaoqing River before and after management interventions in 2007 and 2019，respectively.The evaluation results indicated that in 2007，the operational status of various functions of the Xiaoqing River was "inferior，" displaying weak multifunctionality.Specific indicators such as the fish population index，sediment pollution index，water quality，average river slope，and navigational water depth assurance rate were rated as "inferior，" with the primary constraining criteria being environmental and resource functions.In 2019，the operational status of the various functions of the Xiaoqing River was improved to "good"，showing a significant enhancement in multifunctionality.The resource function exhibited the most substantial improvement，transitioning from "inferior" to "excellent"，indicating that by carrying through a series of comprehensive management measures，the river′s functions gradually recovered.The evaluation results have revealed the developmental status of various functions of the Xiaoqing River after its management，aiming to provide a reference for the future enhancement of the river′s functions and its management and development.

Key words：

river health evaluation； evaluation index； fuzzy comprehensive evaluation method； Xiaoqing River