健康水库评价指标的研究及应用——以东圳水库为例

瞿 奂，陈 璇，郑 鹏，蔡芫镔，潘文斌

(福州大学环境与资源学院，福州 350108)

1 引 言

新中国成立以来，我国水利建设有了很大的发展，兴建了许多水库，在发电、灌溉、供水、防洪、航运、水产养殖及旅游等方面对我国的社会经济发展产生了巨大的影响，为保障社会和谐稳定，提高人民生活水平做出了巨大的贡献。20世纪80年代，加拿大学者Schaeff和Rapport提出 “生态系统健康”这一概念和内涵[1]，它为进行生态系统评价提供了一种语言，并逐渐得到专家学者们的关注[2]。自20世纪90年代以来，流域健康作为“生态系统健康”的分支，也被专家学者们运用不同的评价方法和指标体系展开了较多也较为深入的研究[3-4]。如美国EPA提出“Healthy Watersheds Initiative(HWI)”，计划建立完整河川流域健康评估制度[5]，并提出60个可以评估修复后水体或流域的指标[6]；不久，EPA又提出了健康流域评估涉及景观状况、地形地貌、生物栖息地、水质、水文、生物状态等六大方面内容[7]。2000年欧盟颁布《水框架指令》，将河流健康指标分为生态要素、水文形态要素、水体物理-化学质量要素三大类共几十个条目。我国针对河湖健康问题，江河湖库环境综合整治工作起步较晚，湖库健康评估尚处于起步阶段。高永胜等人先后提出采用评价指数、二元对比模糊分析法及多目标综合模糊模型来评价水库的健康状况(高永胜等，2005，2014)，但未对其进行解释并加以运用；魏海等人也提出可采用AHP法建立评价模型，但对于各个具体指标的计算没有进行深入的研究和表述(魏海等，2008)；吴腾等人将水库健康状况划分为五级的评估标准，但并没有实现其实际应用(吴腾等，2008)；周富春等人基于AHP模糊评价法构建了一套水库健康评价指标体系，将评价等价划分为健康、亚健康、病变、危情四个等级(周富春，2015)；刘新阳等人通过四种不同的客观赋权法计算各指标权重，并运用基于兼容度和差异度的灰色关联分析法，将结合灰关联定权法的模糊优先模型选为最优方案(刘新阳，2008)；于福兰和陈昊参照由中国水利部于2010年印发的技术文件《湖泊健康评估指标、标准与方法》(试点工作用)分别在大伙房水库和鸡心石水库进行水库健康评估分析，根据评估结果分析了水库存在的问题和水库不健康表征，并提出了相应的保护对策(于福兰，2015；陈昊，2014)[8～15]。

总结近几年对健康水库进行的研究，我国对健康水库的定义总体分为两类，一类由肖金凤等人提出，认为健康的水库既要有良好的水库生态系统，又具有其良好的社会服务功能[16]；另一类则是高永胜、吴腾等人在此基础上对健康水库概念的发展，认为水库健康还应包含水库对库区周围生态系统的支撑程度，对河流下游生态环境的影响程度，以及水库与周围环境的可持续性发展[8，11]。本文通过总结上述观念，提出了水库安全、水库生态、水库效益及水库管理等4个准则层，并建立了16个指标，以东圳水库为例，阐述了健康水库评价指标体系及其评价方法在实际中的应用。

2 研究区域概况

2.1 自然环境概况

东圳水库坝址位于福建省莆田市荔城区常太镇东圳尾村境内，所在河流为西北7km的木兰溪支流延寿溪中游地带(图1)，河道长40.5km，河道平均坡降12.4‰。东圳水库于1960年4月建成竣工通水，正常水位水库水面面积17.8km2，总库容4.35亿m3，兴利库容2.787亿m3，调洪库容1.87亿m3，死库容400万m3，水库正常蓄水位80.5m，多年平均来水量3.13亿m3，防洪标准为千年一遇洪水设计、万年一遇加20%洪水校核，是一座主要以农业灌溉为主，同时兼具防洪、发电、养殖和城镇工业与生活供水等多功能利用的多年调节大型水库[17]。库区属中、南亚热带海洋性季风气候，多年平均气温17℃～20℃，多年平均降水量1 710～1 970mm，分布不均，自东南向西北递增。库区土壤土层较薄，结构疏松，主要以红壤或赤红壤类型为主，植被一旦破坏，较易引起水土流失[18]。

图1 东圳水库流域位置图Fig.1 Location of Dongzhen Reservoir

2.2 社会经济概况

据统计，库区范围有53个行政村，人口约9.35万人，以集居或散居的方式分布在库区内，主要集镇为常太镇。库区经济以农业为主，有林地面积32.85万亩，果园地面积6.9万亩。库区森林覆盖率达85.6%，森林树种以马尾松、湿地松为主；经济林以枇杷、龙眼、橄榄为主，种植业在1995年后发展迅速，形成了规模化、产业化经营[17-18]。

莆田市东圳水库管理局是水库和灌区的管理机构，属自收自支的事业单位，隶属莆田市水利局领导，编制290人，局机关设7个股室，灌区设8个渠道管理所和38个管理站，有鱼苗养殖场2个，捕捞场和木兰提水泵站各1个。年经济收入约2 000万元，先后荣获“2007～2010年度福建省水利系统先进集体”、“2010～2011年度先进基层党组织”等荣誉称号。

3 研究方法

3.1 数据来源

东圳水库健康评价所需数据主要来源于水利部安全管理中心、《水利科技》《2015年福建省水资源》、福建省环境保护厅官网以及《福建鱼类志》，其它定量指标的现状值主要是在资料收集和实地调研的基础上征询相关专家建议得出，各类指标的现状值及数据来源具体见表1。

表1 东圳水库评价指标现状值及其数据来源Tab.1 Current status and data source of evaluation index of Dongzhen Reservoir

3.2 权重分配

首先根据健康水库评价指标体系和层次分析法的原理设计出准则层和指标层的专家咨询表，发放给东圳水库评估专家，随后回收问卷进行数据整理、计算相关矩阵的特征值和特征向量，接着检验各评判矩阵的一致性确定各要素和指标的权重，最后结合专家给出的评定结果确定最终权重值并排序(表2)。

表2 健康水库评价指标体系及其指标权重Tab.2 Index system of healthy reservoir evaluation and relevant weight

3.3 评价标准确定

鉴于目前健康水库尚无明确统一标准，因而在综合国内外健康水库评价的研究成果及东圳水库的实际情况的基础上，本研究将健康水库的评价标准分为理想、健康、亚健康、不健康、病态等5个级别，结合收回的专家问卷调查表，并借鉴国内外健康水库评价标准和国家相关标准，确定各指标的标准值如表3所示。

3.4 健康水库AHP-模糊综合评价模型的应用

一致性矩阵A的最大特征根对λamx应的已归一化后的特征向量，即为同一层次中诸因素对于上一层次某因素的相对重要性权值，也称为权向量。

根据各类单项指标对水库健康程度的不同响应关系(正向或逆向)，将指标项分成两类，以确定单因素模糊集，即隶属度矩阵。

最后通过权系数矩阵W与隶属度矩阵R的模糊合成运算，变换得到模糊综合评判集S。

即：设W=(μj)j×m，R=(rij)m×n,那么

其中“°”为模糊合成算子。进行模糊变化时要选择适宜的模糊合成算子，本文选择最优的M(·,⊕)算子[30]，

模糊评判集S=(S1,S2,…,Sn)中Si是等级Vi对模糊评判集S的隶属度，按最大隶属度原则得出综合结论，即M=max(S1,S2,…,Sn)，M所对应的元素即为综合评价结果。

3.5 采用相对级别特征值判定水库健康级别

相对级别特征值计算公式为[31]：

其中，H：相对级别特征值；h：水质级别；c：水质分级数；μh：相对隶属度。

4 结 果

4.1 隶属度矩阵的确定及权重计算

本研究将定量指标采用公式计算法，定性指标采用单项指标评价标准与实地调查专家评价相结合的方法，结合表2的评价指标体系权重，得到各类指标的隶属度，结果如图2所示。

图2 指标等级分布Fig.2 Grade distribution of indexes

4.2 水库健康分层模糊评价

健康水库模糊评价先根据健康水库评价指标体系四个准则层进行分层模糊评价，依据公式1得到模糊综合评价矩阵S，汇总结果如图3所示。

图3 准则层模糊评价结果Fig.3 Results for the criteria layer of fuzzy performance matrix

4.3 水库健康总体模糊评价

根据公式1、准则层B相对于目标层A的权重以及水库分层模糊评价结果，可计算得出水库健康模糊综合评价，评价结果如图4所示。

图4 健康水库综合评价结果Fig.4 Results of evaluation of Dongzhen Reservoir

由相对级别特征值原则可知，相对级别特征值H等于不同健康级别与其相应隶属度的乘积之和，结合图4所得目标层A的评价结果为：

H=0.316 7×1+0.295 9×2+0.350 2×3+0.029 0×4+0.008 2×5=2.116 1

该值介于处于第2级与第3级之间，且更接近第2级，即在5个等级的隶属度中，第2级代表的健康程度“健康”即为东圳水库的健康水库评价结果。

5 结 论

本文在总结前人关于健康水库评价的理论与实践研究的基础上，结合水库的生态与社会经济服务功能，构建了基于AHP-模糊综合评价方法的健康水库评价指标体系，确定了评价标准及其权重，并加以实例研究——对东圳水库的健康状况进行了分析。从评价结果中可以看出，东圳水库管理局非常重视大坝安全，能通过实施规划和计划，有效的实现对东圳水库的全面管理；然而，由于灌溉效益的重要性没有得到重视，“灌溉”及“发电”两项指标占“不健康”比重较大，降低了东圳水库的整体健康水平；其次，“大坝安全”、“大坝风险”及“水库生态系统健康”等三项指标占“亚健康”比重较大，需要引起相对重视。

致谢:感谢台湾大学环境工程学研究所蒋本基教授和莆田市东圳水文站林建森站长在论文写作中的悉心指导和热情帮助。