遼河保護區鐵嶺段河流健康綜合評價研究
摘要：
為了明確遼河保護區鐵嶺段河流的健康狀況, 針對河流存在的問題提出具體的治理和維護建議, 以促進河流健康發展。基於河流健康內涵和遼河保護區 鐵嶺段河流的具體情況, 構建了自然形態狀況、水質狀況、底泥狀況、水生生物及生態環境狀況和社會服務狀況5個準則層和23個指標層組成的河流健康評價體系。採 用層次分析法 (AHP) 確定河流健康體系中的準則層和指標層的權重, 模糊綜合評價法對遼河保護區鐵嶺段河流進行健康評價。結果表明:遼河保護區鐵嶺段河流的綜合健康狀況為中等。其中, 自然形態健康狀況為中等, 水質健康狀況為優, 底泥健康狀況為優, 水生生物及生態環境健康狀況為良好, 社會服務健康狀況為中等。河流存在水質指標汙染物超標排放、底泥中Cd潛在生態風險很高、植被覆蓋率低、溼地保留率低和水資源利用效率不高等問題, 表明還需要實施具體措施以提高遼河保護區鐵嶺段河流健康水平。
關鍵字：
河流健康綜合評價; 層次分析法; 模糊綜合評價法; 遼河保護區;
蔚青 (1991—) , 女, 碩士研究生, 主要從事遼河保護區河流健康評價研究。E-mail:[email protected] ;
徐笠 (1984—), 男, 副研究員, 博士, 主要從事河流健康評價研究。E-mail:[email protected];
引用：
蔚青，李巧玲，段亮，等.遼河保護區鐵嶺段河流健康綜合評價研究[J].水利水電技術，2019，50(1) : 134-141.
YU Qing，LI Qiaoling，DUAN Liang，et al. Comprehensive evaluation of river health of Liaohe Nature Ｒeserve in Tieling section[J]. Water Resources and Hydropower Engineering，2019，50(1) : 134-141.
0 引言
近年來, 眾多河流生態系統的完整性受到了人類活動的影響, 出現了結構調整、環境汙染和生物多樣性損失等一系列問題。有關河流的健康評價、治理和維護等問題引起了各國以及各界研究人士的關注。最早的河流健康評價多側重於自然屬性的健康。JAMES等運用生物完整性指數 (IBI) 評估河流健康。LEE等結合植被、無脊椎動物和魚類等指標評估河流的生態健康狀況。美國《清潔水法令》中把系統維持其自然結構和生態功能的狀態, 稱為河流的健康狀態。但是, 隨著對河流健康定義及內涵理解的逐步深化, 研究者們發現河流健康如果僅僅指生態完整性是不全面的, 還應包括河流對人類的社會經濟價值。MEYER[ 6 ]從河流的生態完整性和社會服務價值兩方面去研究河流的健康狀況, 使得結果更加客觀與全面。LIU等[ 7 ]運用河流生態和社會服務指標對河流健康狀況進行更加全面的評價, 並提出了河道管理與保護建議。耿雷華等初步嘗試構建了河流健康狀況評價體系, 他們選擇了河流的服務功能、環境功能、防洪功能、開發利用功能和生態功能5個方面進行評價研究。
河流是動態變化的, 不同時期、不同地域人類對河流的需求不同, 因此, 河流健康評價指標和標準具有明顯的時代和地域特徵。2010年5月以來, 遼寧省為了更加有效地治理和保護遼河, 成立了遼河保護區。眾多研究者關注於對遼河保護區的水質、河岸帶、水生生物等的研究, 但是對於能夠結合河岸帶自然生境、河流水質、水生生物和社會服務狀況對河流健康總體評價的研究還沒有。鑑於此, 本文基於遼河保護區鐵嶺段河流的實際情況, 從河流的自然形態狀況、水質狀況、底泥狀況、水生生物及生態環境和社會服務狀況5個方面, 選取具有代表性的定量與定性相結合的23個具體指標 (物理、化學、生物和社會服務) , 通過參考現有標準規範並結合專家評判和遼河保護區鐵嶺段河流的實際情況確定評價標準, 結合層次分析和模糊綜合評價方法, 對遼河保護區鐵嶺段河流健康進行綜合評價, 以期為遼河保護區鐵嶺段河流生態環境建設與目標管理提供更加客觀全面的科學依據。
1 研究區概況
遼河保護區全長538km, 總面積1 869.2 km2, 始於東、西遼河交匯處鐵嶺昌圖縣福德店, 終止於遼河干流盤錦入海口, 涉及鐵嶺、瀋陽、鞍山、盤錦4市及其所轄的昌圖、開原、鐵嶺等14個縣 (區) 。鐵嶺段境內河長170 km, 流經昌圖縣、開原市、鐵嶺縣、銀州區和兩家子農場, 17個鄉 (鎮) 、74個村。近年來, 隨著人口的快速增長以及工農業化進程的加快, 遼河流域河流健康遭到破壞。本文以遼河保護區鐵嶺段河流為研究對象, 構建河流健康評價體系, 研究區域概況如圖1所示。
圖1 遼河保護區鐵嶺段河流研究區域概況
2 遼河保護區鐵嶺段河流健康評價
2.1 指標體系建立
本文以對河流健康內涵的理解為基礎, 協調統一河流的自然屬性和社會屬性, 並結合遼河保護區鐵嶺段河流的實際情況, 遵照科學性、層次性、代表性、可操作性和定量與定性相結合的原則, 最終確定採用的評價體系分為3個層次:目標層、準則層和指標層, 建立評價體系進行綜合評價。
第1層:目標層。A遼河保護區鐵嶺段河流健康綜合評價, 全面反映河流健康狀況。
第2層:準則層。從B1自然形態狀況、B2水質狀況、B3底泥狀況、B4水生生物及生態環境狀況和B5社會服務狀況等5個不同側面反映河流健康狀況水平。
第3層:指標層。由每個準則層下若干具體指標構成。本文對河流健康評價指標選取定量和定性指標結合的方式, 定量為主, 定性為輔。指標層由河岸穩定性和水系連通性等23個指標組成, 具體的層次結構如圖2所示。
圖2 評價指標體系結構
2.2 評價標準
根據遼河保護區自身特點, 參照歷史數據和相關標準, 將遼河保護區鐵嶺段河流健康評價的評價標準分為“優秀、良好、中等、不健康、病態”5個級別, 每個等級對應一定的取值範圍。對於定量指標直接給出具體數值, 定性指標根據文獻查閱和專家諮詢現場定性打分描述。本文具體數據來源於遼河保護區水質監測數據、鐵嶺市統計年鑑、鐵嶺市水資源公報、遼寧省防洪規劃、遼寧省相關網站、文獻查閱和專家諮詢等渠道, 得到遼河保護區鐵嶺段河流指標現狀值 (見表1)。
表1 各評價指標含義、評價標準以及現狀值
2.3 層次分析法確定指標權重
20世紀70年代, 美國運籌學家薩蒂提出層次分析法 (AHP) , 它是一種定性與定量相結合的系統、簡變、靈活的分析方法 。AHP確定的指標權重能充分體現專家的經驗, 通過向專家發放指標權重問卷調查表, 專家們結合自己的實踐經驗、河流的實際情況、整體性和科學性得出各指標的權重值, 確定的權重一般情況下比較符合實際情況, 所以被很多學者運用到河流健康評價中。AHP計算過程首先要構造判斷矩陣, 然後進行權重計算及一致性檢驗。
2.3.1 構造判斷矩陣
判斷矩陣是指同一層次中各元素相互間量化比較形成的方陣, 本文按照1—9位標度法構造判斷矩陣, 通過發放專家指標權重問卷表, 邀請專家確定兩因素相對重要程度的數值。相對重要性取值如表2所列。依此法可以構造出目標層判斷矩陣A及準則層判斷矩陣B1—B5。
表2 相對重要性取值
注:其他取上述評價值的中間值, 如2、4、6、8、1/2、1/4、1/6、1/8
2.3.2 權重計算及一致性檢驗
用MATLAB數學軟件計算其矩陣的最大特徵值和對應的特徵向量, 將特徵向量歸一化, 此歸一化特徵向量值即為該判斷矩陣中所對應指標的權重值。最後對判斷矩陣進行一致性檢驗, 以保證每個判斷合理, 避免各指標相互矛盾。
式中, CI為一致性指數;λ(max)為最大特徵向量;n為矩陣的階數 (n=1, 2, 3,…) ;RI為隨機一致性指數, 若n=4, RI=0.89;n=5, RI=1.11;n=6, RI=1.25 。
當CR小於0.1時, 表明判斷矩陣是充分一致的;大於等於0.1時則需請專家重新打分。對上述構造的判斷矩陣A及B1—B5進行一致性檢驗, 並計算各準則層相對於目標層的權重和各準則層下指標層的權重值, 具體結果如表3所列。
表3 各指標層權重計算結果
2.3.3 專家意見分析結果
專家打分確定的指標權重結果中, 對於準則層中B4水生生物及生態環境狀況的比重最高 (0.430 9) , 因為流域植被具有保持水土、攔截泥沙、緩解洪峰、穩定流量、削減面源汙染和改善河流生態環境等重要作用;溼地和河流互相影響, 具有調節徑流、淨化水質、調節洪水以及減緩洪水流速等功能, 對於河流的長遠發展具有重要意義;生物群落主要受到河流系統的水文情勢、地貌、流態、水質和人類活動等因素的影響, 通過魚類和底棲動物能夠反應整個河流生態系統的生物指標狀況, 是評價河流健康狀況的重要指標。B5社會服務狀況 (0.269 6) 次之, 河流的服務狀況可以反映河流的社會屬性, 體現了人與自然的和諧發展, 健康的河流系統是自然屬性與社會屬性的統一。B2水質狀況 (0.171 1) 能夠直接反映河流物理、化學指標狀況, 河流水體質量優劣, 影響河流生物群落組成, 關係人類生命健康和社會經濟發展。B 自然形態狀況(0.083 4) 能夠反映河流系統的穩固性, 但是指標層大多數是定性評價, 主觀因素比較大, 所以專家確定的此準則層的比重不太大。B3底泥狀況 (0.044 9) 比重最小, 因為水中的重金屬會積累到底泥中, 從而對河流健康狀況有影響, 但是這種積累階段性較長, 所以比重較小。重金屬潛在生態風險值已經考慮了不同重金屬的毒性效應, 所以專家最後確定的各個重金屬的潛在生態風險值比重都相同。
2.4 模糊綜合評價
模糊綜合評價法能較好地解決模糊的、難以量化的和本身帶有主觀性的問題, 它將定性指標與定量指標合理的結合到了一起, 使用隸屬度函數逐項進行準則層和目標層的評價, 不僅能知道河流最終的健康狀況, 還可以很直觀地知道每個準則層的健康狀況。河流健康評價體系中水質、生物、河道的狀況和社會服務指標的好壞都是模糊的, 並且其判斷都是基於評價標準的。為此, 健康與否只是一個模糊和相對的概念, 所以使用模糊評判法來進行綜合評估是十分合適的。
2.4.1 計算指標層參數的隸屬度矩陣
此評價法重點是要建立各參數隸屬度矩陣, 以表1中各指標評價值和表3中的權重值結果為依據, 構建指標層各參數在相應評價等級中的隸屬度。隸屬度計算:定量指標採用線性內插法確定;對於定性指標採用專家打分法與實地調查相結合的方法確定隸屬度矩陣。
式中, R(Bj)為第j個準則層的隸屬矩陣;n為第j個準則層所含有的指標數為n。
各準則層評價指標隸屬矩陣如表4所列。
表4 河流健康評價結構及隸屬度矩陣
2.4.2 分層模糊評價
(1) 指標層對準則層一級模糊評價
由各準則層下指標層權重與相對應的隸屬度矩陣計算河流一級模糊評價結果
指標層對準則層的一級模糊評價結果為Bj=(Bj1, Bj2, B j3, Bj4, Bj5) , Bj為第j準則的模糊評價;模糊合算子“。”採用M (·, +) , i=1, 2,…, 5。W(C-Bj)為各相對應指標層的權重向量, 計算結果如表5所列。
表5 河流一級模糊評價結果
(2) 準則層對目標層二級模糊評價
由準則層相對目標層的權重及一級模糊評價的結果可計算出二級模糊評價結果, 即為河流健康評價的綜合評價結果, 計算結果如表6所列。
表6 河流二級模糊評價結果
3 評價結果與分析
按照最大隸屬度原則, 確定遼河保護區鐵嶺段河流健康狀況總體評價結果為中等 (見圖3) 。在5個準則層指標中, B2水質狀況為病態, B1自然形態狀況和B5社會服務狀況健康度評價為中等, 說明遼河保護區鐵嶺段自然環境狀況受人類活動的影響比較大, 水質狀況較差, 同時流域管理總體水平不高, 因此後續的治理中需要重點關注這些方面。B3底泥狀況健康度評價為優, 說明流域重金屬等核心指標處於較好狀態。B4水生生物及生態環境狀況健康度評價為良, 說明人類活動雖然對生態環境造成一定的負面影響, 但是還處於可接受範圍之內。
圖3 河流健康評價隸屬度等級
在指標層各評價指標中, C21溶解氧為7.30 mg·L-1 處於《地面水環境質量標準》 (GB 3838—2002) Ⅱ類標準, 與2006年鐵嶺段各斷面的溶解氧 (均處於Ⅳ和Ⅴ類)相比, 健康狀況得到大幅度提升 ;C 氨氮為1.48 mg·L-1處於Ⅳ類標準, 2000—2010年遼河干流鐵嶺段氨氮均為Ⅴ類或劣Ⅴ類, 所以成立遼河保護區以來溶解氧和氨氮汙染狀況有所好轉 。C22化學需氧量為59.21 mg·L 劣Ⅴ類標準, 雖然低於2006年鐵嶺段227.45 mg·L-1, 但是健康狀況仍處於病態。C24總氮和C25總磷也處於病態。目前水質狀況仍不容樂觀, 這主要是與生活汙水排入、農業面源汙染 (包括農藥、化肥的使用以及固體廢棄物垃圾的隨意傾倒) 有關, 因為鐵嶺市工業和生活廢水通過5個排汙口直接排入遼河。
C33Cd的生態風險指數高達298.41, 具有很高的潛在生態風險。Cd在環境中化學活性強, 移動性大, 毒性持久, 可以藉由空氣、水體、土壤進入食物鏈, 通過生物富集作用造成慢性中毒, 進而引發腎衰變、軟骨症及癌症等病變。一般來說, 水體中的Cd汙染主要來自地表徑流和工業廢水, 但是遼河保護區的Cd汙染主要來自農業面源汙染 。水質和底泥狀況與過去相比得到了一些提高, 但是仍有指標超標排放, 這說明開展的遼河水汙染專項治理行動已取得了一定成效, 但仍需加強對農業、農村生活垃圾和畜禽養殖汙染的治理, 加強鄉村生活汙水處理設施的建設, 並且適當減少工業汙水的排放。
C43溼地保留率為病態, C44植被覆蓋率健康度和C54防洪標準為中等, C12水系連通性、C11河岸穩定性和C42河床穩定性都處於良偏中等。自然生境狀況較差, 原因可能是河道的不合理開發增加了河岸帶的水土流失, 造成河勢的大量淤積和不穩定, 使河道的洪流不暢通, 導致防洪標準的降低, 威脅到河流的生態安全。目前雖已採取了一系列舉措, 包括植樹造林、退耕還林和溼地恢復等, 可是目前植被覆蓋率和溼地保留率都偏低。所以在後續治理過程中仍需要加大保護措施, 促進天然植被恢復和改善自然生境, 提高植被覆蓋度。
C52水資源開發利用率為24.21%和C53萬元GDP用水量為100.36 m3/萬元, 與2005年 (100.12%, 288.10 m3/萬元) 和2006年 (99.55%, 272.83) 相比水資源的利用效率得到了大幅度提升, 但是健康度仍為中等。所以還需要加強對水資源開發利用的管理, 實行經濟手段, 提高現有水價, 合理界定水權, 對水資源進行合理分配, 進一步加強工業、農業、生活節水設施的建設。
4 結論
本文基於評價指標和評價標準的動態相關性, 結合遼河保護區鐵嶺段河流的區域特點, 構建了河流健康評價體系。評價指標的權重由定性與定量相結合的層次分析法(AHP) 確定, 利用模糊綜合評價法對遼河保護區鐵嶺段河流健康進行綜合評價。得到的主要結論如下:
(1) 遼河保護區鐵嶺段河流綜合健康狀況為中等。其中, 自然形態健康狀況為中等, 水質健康狀況為優, 底泥健康狀況為優, 水生生物及生態環境健康狀況為良好, 社會服務健康狀況為中等。
(2) 遼河保護區鐵嶺段河流目前還存在水質指標汙染物超標排放、沉積物Cd潛在生態風險很高、植被覆蓋率和溼地保留率低下和水資源利用效率不高等問題, 這說明還需要進一步實施針對性的措施, 如加強對農業、農村生活垃圾和畜禽養殖汙染的治理, 加強鄉村生活汙水處理設施的建設, 並且適當減少工業汙水的排放;加大植樹造林、退耕還林和溼地恢復力度;加強對水資源開發利用的管理和進一步加強工業、農業、生活節水設施的建設等來提高遼河保護區鐵嶺段河流健康水平。
基金項目：
遼河流域水環境管理與水汙染治理技術推廣應用項目 (2018ZX07601003);
北京市農林科學院青年基金 (QNJJ201717) ;
北京市農林科學院創新能力建設項目 (KJCX20180406);
水利水電技術
水利部《水利水電技術》雜誌是中國水利水電行業的綜合性技術期刊（月刊），為全國中文核心期刊，面向國內外公開發行。本刊以介紹我國水資源的開發、利用、治理、配置、節約和保護，以及水利水電工程的勘測、設計、施工、運行管理和科學研究等方面的技術經驗為主，同時也報道國外的先進技術。期刊主要欄目有:水文水資源、水工建築、工程施工、工程基礎、水力學、機電技術、泥沙研究、水環境與水生態、運行管理、試驗研究、工程地質、金屬結構、水利經濟、水利規劃、防汛抗旱、建設管理、新能源、城市水利、農村水利、水土保持、水庫移民、水利現代化、國際水利等。
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