基于熵值修正G2法的改进多指标河流健康评价

刘 千 禧,金 琪 华,乔 海 娟,张 丛 林,王 思 远

(1.中国科学院 生态环境研究中心,北京 100085; 2.湖州南太湖新区社会发展局,浙江 湖州 313099; 3.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029; 4.中国科学院 科技战略咨询研究院,北京 100190)

0 引 言

随着经济社会的发展与人民生活水平的提高,在满足人类对河流生态系统功能需求和解决河流存在现实问题等方面均面临一系列新的挑战,必须在保障河流健康的前提下加以应对。因此提出了河流健康的概念,并开展了相关研究[1]。国外河流健康概念的提出最早可追溯至美国1977年颁布的《清洁水法》,对维持及恢复水体的完整性作出规定。相比于发达国家,中国河流健康评价起步较晚。20世纪90年代,中国首次引入基于河流自然属性的河流健康概念[2]。历经数十年发展,基于河流生态系统的自然属性和社会属性而提出的河流健康概念是指河流既有稳定的生态结构以维持自身持续发展,又能提供合理的社会服务以维持经济社会的可持续发展[3]。

维持及恢复河流健康逐步成为河流管理的重要任务,各国开始将河流健康评价纳入河流保护管理实践[4]。20世纪90年代,都柏林举行的水环境会议提出运用一体化方法管理和评价水资源的准则;同期,以美国、澳大利亚、英国等为首的发达国家相继提出一系列河流健康评价方法,创建河流健康评价框架,并开展河流健康评价实践工作[5]。中国21世纪初初步形成河流健康评价指标体系框架,明确要求国家及地方定期开展河湖健康评估工作,随着河流健康概念不断深化扩展,水利部和生态环境部在此基础上不断补充完善评价指标框架结构。

全面系统的河流健康评价必须依托科学严谨的评价方法。目前,已有的相关研究从评价方法方面来看,主要通过指标体系法[6-10]与物种指示法[11-16],对部分流域开展健康评价。两种方法均通过参数监测来反映河流的物理和化学特性,并对河流健康状况进行评级。从指标赋权方法方面来看,主要有主观赋权法、客观赋权法和主客观组合赋权法3种。其中,主观赋权法包括层次分析法、模糊层次评价法、超标倍数法等[17-20];客观赋权法包括熵值法、标准离差法等[21-22];主观赋权法与客观赋权法相结合即为组合赋权法[23-24]。

随着中国国情、水情和河流管护实际情况发生变化,需对河流健康评价方法进一步探索和研究[11,25]。从主客观组合赋权系数(赋权系数指组合赋权法中对主观赋权法与客观赋权法确定的权重的加权合成系数)方面来看,已有研究中的组合赋权系数通常由人为确定,主观性较强、缺乏客观依据,易导致评价结果不够科学合理。从指标评价方法来看,已有研究对河流生态系统岸线植被物种丰富度与文化建设等方面关注不足,多指标的评价方法还需进一步完善。

发展与完善河流健康评价方法,提高河流健康评价的系统性和科学性,有助于系统评价河流健康状态,为河流管护提供有力支撑[26]。本文基于国内外已有研究,在进行国家需求识别、理论依据分析和已有研究总结归纳的基础上,新增岸线植被保有指数和文化建设程度两项评价指标,并运用熵值-G2交叉赋权法克服组合赋权系数的主观性,以优化河流健康评价方法,结合案例开展河流健康评价,分析影响河流健康的制约因素,提出河流管护措施。

1 研究方法与研究区域

1.1 研究方法

本文研究思路如图1所示,着眼于中国国情与水情的发展变化,河流健康评价方法有待进一步完善。首先,健全河流健康评价方法包括完善河流健康评价指标体系与建立熵值-G2交叉赋权法。其次,以浙江省丽水市松阴溪为案例开展河流健康评价,以实地考察和资料检索方式验证评价结果。最后,从系统角度分析影响河流健康的主要因素,提出河流管护措施与治理途径。

图1 研究思路Fig.1 Research ideas

1.2 河流健康评价指标体系构建

1.2.1评价指标的遴选

在查阅分析已有河流健康评价理论研究[8,27-32]与实践探索的基础上,基于水利部印发的《河湖健康评价指南(试行)》,构建河流健康评价指标体系框架,主要涉及“盆”、“水”、生物、社会服务功能4个方面。经大量实践验证发现,该评价指南适用范围广,可操作性强,指标数据获取容易,但《河湖健康评价指南(试行)》提出的指标体系有待进一步完善。

(1) 从国家需求层面来看,一方面,积极推进水文化建设日益成为河湖健康的应有之意。为加快推动河流健康评价进入新发展阶段,满足广大人民群众日益增长的精神文化需求,迫切需要开展水文化建设对河流总体健康状态的影响研究[33]。另一方面,本文新增的岸线植被保有指数指标以岸线植被丰富度作为评价标准。岸线植被丰富度大的地区,河流生态系统稳定性较高。河流健康评价重要内容之一包括河流生态系统稳定性[34],因此,研究河岸带植被保有度对河流健康水平的影响具有重大意义。

(2) 从理论分析层面来看,首先,随着经济社会快速发展,人民涉水需求逐渐发生变化,除生存型和发展型涉水需求外,新增的涉水需求以保护水生态、改善水环境等环境型需求为主。与此同时,水文化、水历史、涉水遗产等涉水精神型需求开始大量涌现[35]。其次,河流生态系统健康既包括河流生态系统功能的实现,也包括其结构的完整性。岸线植被作为河流生态系统结构的重要组成部分之一,能在保证岸坡稳定的前提下,充分发挥岸线植被的缓冲带功能和护坡效应,帮助恢复与实现河流生态系统功能,进而改善河流生态系统健康状况[36]。

(3) 从已有研究来看,一方面,已有研究将景观文化[37]、文化属性[38]、文化历史遗迹保存指数[39]、水文化体系[40]等与水文化相关的评价指标纳入河流健康评价体系。另一方面,已有研究将岸坡植被完整性等与岸线植被相关的评价指标纳入河流健康评价体系[29]。

基于上述分析,河流健康评价应兼顾河流生态系统水文化建设层面和岸坡生态建设层面,构建河流健康评价指标体系时,应将水文化指标与岸坡植被完整性指标纳入其中。

1.2.2评价指标体系

改进的多指标河流健康评价体系包含河流河道“盆”、“水”、生物、社会服务功能4个准则层21个指标,如表1所示。

表1 河流健康评价指标Tab.1 River health evaluation index

1.2.3指标计算方法

本文构建的河流健康评价指标体系中,除C5、D7两项指标外,其余19项指标均按照水利部印发的《河湖健康评价指南(试行)》规范标准进行计算。新增指标计算方法如下:

(1) 岸线植被保有指数计算方式如下:

Ic=∑Co/Ce×100%

(1)

式中:Ic为岸线植被保有指数;Co为现有评价河段植被种类数;Ce为历史记录评价河段植被种类数。

植被保有指数为100%～85%,85%～60%,60%～40%,40%～20%和20%～0%时,对应的赋分结果分别为100,80,60,40分和0分。若评价河段出现珍稀物种,该项满分。

(2) 文化建设程度。此为定性指标,由相关领域专家对以下7个方面进行评定打分,包括河流文化输出水平、河流文化教育重视程度、居民河流保护意识强度、河流文化自信建立程度、河流公共文化服务体系建设程度、河流文化历史遗迹完整性与河流文化新岸线打造程度。其中,每个方面分为非常好(100分)、好(80分)、良好(60分)、一般(40分)和差(0分)5个级别。

1.2.4河流健康评价指标权重确定方法

为突破主客观赋权方法的局限,克服组合赋权系数主观性与随机性,本次研究将熵权法与G2法相结合,采用熵值-G2交叉赋权法,以提高评价体系精度。

权重计算分层逐一进行,以评价指标对准则层权重分配为例,计算步骤如下。

(2)

(3)

(4)

(5)

1.2.5河流健康评价标准

根据河流健康综合指数赋分标准,将河流健康评价分级分为5级:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ,分别表示河流健康状况为非常健康(100～80分)、健康(80～60分)、亚健康(60～40分)、不健康(40～20分)、病态(20～0分)。根据评价指标的判定情况确定河流健康评价分级,采用线性插值法进行赋分,由式(6)计算河流生态健康综合指数。

(6)

式中:H为河流生态健康综合指数;Wi为评价指标权重指标;Ii为评价指标赋值。

2 研究区概况及数据来源

2.1 研究区域概况

松阴溪位于浙江省丽水市,全长120 km,流域面积2 055 km2(见图2)。结合自然与社会条件差异,将松阴溪划分为2个河段8个监测站点进行分段健康综合评价。河段A起于遂昌县垵口乡桂义岭,止于港口溪桥,沿程涵盖渡船头断面、遂昌取水口断面、大石断面、石门桥下断面、青蒙断面5个断面,全长65 km。河段B起于港口溪桥,止于丽水大港头,沿程涵盖黄田铺断面、靖居口断面、堰后断面3个断面,全长55 km。

图2 研究区域示意Fig.2 Map of research area

2.2 数据来源

河流健康评价指标体系的数据如表2所列。

表2 指标数据来源Tab.2 Index data sources

3 结果与讨论

3.1 评价权重

本研究邀请12位来自水利工程、生态经济、环境治理、环境法、环境经济领域的专家,对河流健康评价指标权重进行3轮打分,当结果满足一致性检验后即止。河流健康评价指标权重结果见表3。

表3 河流健康评价指标权重列Tab.3 River health evaluation weight list

结果表明:各准则层对目标层权重分别为19%,25%,27%,29%,均值为25%。其中,“盆”层面的权重值最小,比均值偏低6%;社会服务功能层面权重值最大,占比29%。

3.2 评价结果

通过实地调查监测与文献资料检索,计算得到各指标的评价得分与河流健康评价综合得分,得分情况如图3所示。结果显示:松阴溪流域综合评估得分为77.24分,综合健康等级为“健康”。

图3 河流健康评价得分Fig.3 River health evaluation score

(1) 从“盆”准则层来看,得分为62.79分。其中,A1、A2、A3得分较低,其原因分析如下:据实测资料与文献调查[46]统计,松阴溪干流目前已建成12座电站、堰坝,平均每隔10 km建有1座,纵向连通指数为1,主干河道水文连通性差。受人为活动影响,松阴溪河岸线多处可见抛石、堆石、干砌石等护坡工程,岸线自然状况较差。河岸带宽度指数为0.63,生态缓冲带宽度较小,可能是因为电站、堰坝等设施建设对地表植被的扰动较为严重,导致植被盖度降低。

(2) 从“水”准则层来看,得分为80.71分。其中,B2得分23.55分,相比较低,可能原因是:近年来,松阴溪流域年均温呈持续上升趋势,降水异常偏多。梅汛期暴雨频繁,与常年梅汛期雨量相比,降水量偏多,所以河流实际月径流和天然月径流平均偏离程度大。

(3) 从生物准则层来看,总体得分为76分。其中,C1、C2得分较低,可能原因如下:据水生生物监测点调查发现,1972年松阴溪水域现有鱼类80余种,而今调查鱼类仅有54种,调查结果与已有统计研究相近[47]。8个监测站点共发现76种着生硅藻,富营养化硅藻指数为61.33,流域水体富营养化,对水生生物生存造成潜在威胁,底栖动物生物量和丰度较低[48]。

(4) 从社会服务功能准则层来看,得分为72.42分。但是D1、D3得分相对较低,原因如下:松阴溪河流沿线未设堤防长度共19.62 km,占全长约16.7%,堤防建设不足;松阴溪河岸已利用生产岸线长度占河岸线总长百分比约65%,河流岸线保护完好程度较低[49]。

3.3 讨 论

增加了C5(岸线植被保有指数)和D7(文化建设程度)两项指标后,与采用水利部印发的《河湖健康评价指南(试行)》进行评价相比(见表4),松阴溪流域综合健康水平均为“健康”,且综合评估得分相近;从准则层来看,松阴溪流域“水”和生物2个准则层得分相差较大,分析原因可能如下:① 由于新增C5与D7指标,本次研究的“水”准则层各项指标权重总体减小19.1%,且3项赋分较高的指标(B1、B3、B4)权重减幅更大,在指标赋分不变的情况下,“水”准则层得分变小。② 由于生物准则层新增C5指标,且该项指标赋分高(100分),在其他指标赋分不变的情况下,生物准则层得分变大。

表4 河流健康评价对比Tab.4 River health assessment comparison

从短板理论角度出发,新增C5和D7指标后,有助于平衡“水”和生物准则层各项指标权重,促进政府加强河流管理,优化政策,提高河流总体健康状况,维护河流健康生命。此外,生物准则层新增C5指标后,在一定程度上能够体现河流岸线健康水平;社会服务准则层新增D7指标后,能够反映河流生态系统水文化建设水平,有利于完善河流健康评价指标体系,落实《“十四五”水文化建设规划》政策,也是建设造福人民幸福之河的应有之义。

4 结论与建议

4.1 结 论

(1) 本文基于水利部印发的《河湖健康评价指南(试行)》,构建河流健康评价指标体系,补充遴选指标,构建“盆”、“水”、生物、社会服务功能4个准则层,优化指标权重确定方法,并以松阴溪流域为例开展研究。研究方法不仅可应用于对松阴溪流域的健康状况进行客观描述和评估,而且有助于相关单位对松阴溪流域进行管理和保护,以促进流域实现高水平保护和高质量发展。

(2) 在研究和实践探索基础上,从国家需求、理论分析和已有研究总结3方面分析了新增指标的遴选合理性。为加快推进水文化建设,满足人民群众日益增长的涉水精神型需求,新增了文化建设程度指标;同时,为体现河流生态系统岸线植被的缓冲带功能和护坡效应,更为全面地评估河流生态系统健康状况,新增岸线植被保有指数指标。

(3) 本文基于熵值G2主客观综合赋权法,确定河流健康评价指标权重,四大准则层的权重大小排序为社会服务>生物>“水”>“盆”,社会服务功能层面对河流健康的权重值最大。

(4) 总体来看,松阴溪河流健康水平为“健康”,制约松阴溪健康水平的问题主要有三大类:① 水资源的过度开发利用,以取用水调节为主要特征的人类活动影响地表水文循环过程,导致河流流量变异程度高等问题;② 水生生物保护工作不到位,当地水污染排放导致水体富营养化,造成鱼类保有指数低等问题;③ 防洪排涝体系有待完善,主要涉及堤防建设工程不足等问题。

4.2 建 议

为促进松阴溪流域总体健康水平,从问题着手,提出河流健康管理工作和生态修复的对策建议:

(1) 严格管控河流岸线开发利用。坚持生态优先,尽可能减少浆砌石、混凝土等硬化材料的护坡护脚工程,宜采用人工植草生态护坡工程,整治边坡病害,提高生态河岸带宽度。完善水量调度方案,科学调度水资源,重点保障枯水期河道生态基流。建立湖区植被缓冲带,及时清除废弃电站、水库等,以陆生和湿生植物为主建立灌草结合绿化隔离带。

(2) 加强水生生物多样性保护力度。应建立水生生物多样性观测网络,定期开展生物多样性普查,及时更新物种组成、分布和种群数量等信息,并进行水生物胁迫因子评估工作。掌握重要水生生物动态变化情况。政府应积极引导,减少河流工业废水和生活污水的排放,切实加强对污染排放单位的审核和监督,并采取水污染治理技术和生态恢复工程措施,控制浮游植物过度增长。

(3) 全面提高河流防洪能力。开展生态河道建设,根据现有防洪岸堤和自然岸线,开展强塘固防工程、中小河流治理工程等松阴溪综合治理工程,实施生态防洪工程、河道堤防管护设施建设等一系列措施,保障城乡防洪安全。此外,应建立健全松阴溪流域防洪排涝风险预报体制,确保对突发洪水等灾害事件的及时有效响应。