基于五元联系数法的辽河保护区沈阳段河流健康评价

李海霞，王育鹏，徐笠，冯娜娜，蔚青

1.安徽农业大学资源与环境学院 2.北京市农林科学院，北京农业质量标准与检测技术研究中心 3.农产品产地环境监测北京市重点实验室

河流是生物圈的动脉，是人类和各种生命的起源与物质基础，人类生存和发展离不开河流。河流作为自然生态系统中进行物质循环、信息传递和能量流动的重要枢纽，具有不可替代的作用[1-2]。由于气候变化、流域开发与人类活动加剧，河流生态环境日趋恶化，河流生态系统功能逐渐退化，不仅影响河流自身资源的可持续利用，而且严重制约河流流域经济与社会发展[3]。因此，针对河流健康问题进行准确、综合的分析与评价，探寻有效的河流健康评价体系，促使实现流域生态系统良性循环，经济、社会与环境协调发展已成为目前关注的热点之一。

五元联系数原理是集对分析理论的拓展，主要是运用同异反表达式解决各种由模糊、随机、信息缺失导致的不确定问题。对比以往集对分析评价，五元联系数扩大了评价等级范围，进一步细化相异部分，能够更加准确地表达系统中的不确定因素，使评价结果更为有效、完整[4]。笔者将河流健康指标和河流健康评价标准构成一个集对去分析其同异反联系，并将多个指标系统表示成一个能从总体上衡量河流健康程度的五元联系数，从而定量计算出不同层次的河流健康程度，以期为现有河流健康复杂系统评价研究提供有效补充，同时为河流健康评价提供参考[5]。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

辽河流域地处中高纬度，位于我国东北地区的南部，发源于河北省平泉县的光头山，流经河北、内蒙古、吉林、辽宁4省(区)，注入渤海。辽河全长1 345 km，是我国七大河流之一。辽河沿岸城市多以能源、冶金、建材、机械等重工业经济为主体，工业化和经济快速发展对辽河流域生态环境造成较大的影响。为了更好地治理和保护辽河，2010年3月辽宁省政府划定了辽河保护区(121°41′E～123°55.5′E，40°47′N～43°02′N)，实行全线封闭保护，实施禁牧、禁渔、禁采、禁伐，对辽河干流流域进行一站式综合治理。辽河保护区起始于东、西辽河交汇的铁岭昌图县福德店，沿辽河干流贯穿辽宁省中部，终止于盘锦入海口，全长538 km，总面积为1 869.2 km2，涉及铁岭、沈阳、鞍山、盘锦4市(图1)。辽河干流在沈阳市境内(辽河保护区沈阳段)长307.4 km[6]，由于长期接纳沿岸生活垃圾、畜禽粪便、农田径流、生活污水等，该河段大面积水体受到污染，同时存在水量减少，生物多样性锐减，生态环境破坏严重等问题，河流生态修复迫在眉睫[7]。

图1 辽河保护区沈阳段范围Fig.1 Scope of Shenyang Section of Liaohe Conservation Area

1.2 数据来源

辽河保护区沈阳段河流健康评价所需的河流自然形态、水质、底质、水生生物、社会服务等数据来源于现场调查、实验室检测、文献与资料(辽宁省统计年鉴、辽宁省水资源公报、辽宁省防洪规划)查阅和专家咨询等。河流自然形态、水质、底质中重金属、流域植被覆盖率数据均为2018年数据，由于水生生物指标中着生藻类、底栖动物和鱼类数据获得较困难，因此采用2011—2016年数据。

2 辽河保护区沈阳段河流健康评价体系构建

2.1 指标体系建立

在参考国内外河流健康评价文献及辽河保护区水生态健康评价研究[8]的基础上，基于河流健康内涵、辽河保护区沈阳段河流实际情况，从河流水文状况、生态功能、社会服务等方面，构建了由目标层、准则层、指标层构成的辽河保护区沈阳段河流健康评价指标体系，其中目标层为辽河保护区沈阳段河流健康评价(A)；准则层包含河流自然形态状况(B1)、水质状况(B2)、底质状况(B3)、水生生物及生态环境状况(B4)、社会服务状况(B5)五大类指标；指标层包含河岸稳定性(C11)、溶解氧浓度(C21)、Cu潜在生态风险(C31)等24项指标(表1)。

2.2 评价标准确定

基于科学性和代表性、整体性和层次性、简明性和可操作性、定性与定量相结合的河流水生态健康评价指标体系构建原则，参照相关标准和文献[9-19]，通过专家咨询，将辽河保护区沈阳段河流健康评价等级划分为Ⅰ～Ⅴ级(表1)。

表1 评价指标体系及各指标评价标准

2.3 指标权重确定

在确定指标权重的诸多方法中，层次分析法针对河流健康评价中存在的定性和定量指标，将其分层次赋权，从而提高评价的准确性。因此，采用层次分析法确定指标的权重[20]。根据辽河保护区沈阳段河流健康评价指标体系结构，通过发放专家权重问卷表，邀请专家运用比较标度法，对各要素两两之间进行比较，构造判断矩阵；然后借助Matlab软件，求判断矩阵的最大特征值λmax和归一化向量值[21]，此归一化特征向量值即为该判断矩阵中对应指标的权重。由此计算得到准则层和指标层各类(项)指标的权重，结果分别如表2、表3所示。

表2 A-B判断矩阵

表3 准则层与指标层权重计算结果

2.4 五元联系数综合评价模型

2.4.1五元联系数法原理

五元联系数法是在以往集对分析理论的基础上[1]，将评价等级范围扩大，通过同、异、反联系数，将评价对象中的确定与不确定因素相结合，通过联系数评价事物之间联系与差异的一种数学运算方法[2,4]。其表达式为[3,5]：

μ=a+bi+cj+dk+el

(1)

式中：μ为五元联系数；a为事物的同一度；e为事物的对立度；b、c、d为事物的差异度；a、b、c、d、e具有明显的优序性，且满足a+b+c+d+e=1和a、b、c、d、e∈[0,1]；i、j、k、l为联系分量系数，且满足i、j、k、l∈[-1,1]，根据均分原理，取i为0.5，j为0，k为-0.5，l为1。

2.4.2指标层五元联系数计算

将河流健康评价指标与河流健康评价的5个等级(Ⅰ～Ⅴ级)构成一个集对分析同异反联系，并将多个指标系统表示成一个能从总体上衡量河流健康程度的五元联系数。根据河流健康指标的特性，可分为越大越优型(效益型)和越小越优型(成本型)指标，以相对于Ⅰ级的五元联系数的计算为例，效益型指标五元联系数表达式[22-24]为：

(2)

以相对于Ⅰ级的五元联系数的计算为例，成本型指标五元联系数表达式[22-24]为：

(3)

式中：μnt为指标层各指标的五元联系数;n为准则层各要素序号,n取1～5;t为指标层各指标的序号,t取1～7；S1～S5分别为河流健康评价Ⅰ～Ⅴ级评价标准值;xnt为各评价指标的实测值。

2.4.3准则层五元联系数计算

河流健康评价准则层的五元联系数计算公式[22-24]为：

μn=rn1+rn2i+rn3j+rn4k+rn5l

(4)

(5)

式中：μn为准则层各要素的五元联系数；rnm为指标层各指标的联系系数;m为河流健康评价等级，m取1～5分别对应Ⅰ～Ⅴ等级；Pm为准则层各要素包含的指标个数;Wnt为指标层各指标的权重。

2.4.4目标层五元联系数计算

河流健康评价目标层的五元联系数计算公式[22-24]为:

μ=r1+r2i+r3j+r4k+r5l

(6)

(7)

式中：Wn为准则层各要素的权重；rm为河流健康评价Ⅰ～Ⅴ级准则层各要素的联系系数。

同理可以计算出各指标相对于其他几级标准的联系数，根据联系数的大小可判别河流健康所属等级。

3 辽河保护区沈阳段河流健康评价结果

3.1 指标层的五元联系数及评价结果

根据式(2)、式(3)可得到辽河保护区沈阳段河流健康评价指标层与Ⅰ级的五元联系数表达式，结果如表4所示。

表4 与Ⅰ级的五元联系数表达式

由此可计算得到指标层各指标与Ⅰ～Ⅴ级的五元联系数，结果如图2所示。由图2可知，根据最大联系数原理，各指标健康状况差异较大，其中个别指标处于不健康和病态。如化学需氧量(C22)、总磷浓度(C25)处于不健康，总氮浓度(C24)、水资源开发利用率(C52)处于病态。这说明自辽河护区划定以来，虽然采取了一系列治理措施并取得一定成效，但仍存在化学需氧量与总磷、总氮浓度过高，水资源开发利用过度等问题，仍需加强治理与保护。

图2 辽河保护区沈阳段指标层与5个等级的五元联系数Fig.2 FECN of index layer and 5 grades in Shenyang Section of Liaohe Conservation Area

3.2 准则层的五元联系数及评价结果

由指标层五元联系数计算结果，结合权重可得准则层各要素与Ⅰ级的五元联系数表达式，结果如表4所示。由此可计算得到辽河保护区沈阳段准则层各要素与5个等级的五元联系数，结果如图3所示。由图3可知，根据最大联系数原理，自然形态状况(B1)最大联系数为0.932 9，评价等级为中等；水质状况(B2)最大联系数为0.550 4，评价等级为不健康，这与王树才[25]采用模糊综合评价法的评价结果一致；底质状况(B3)最大联系数为0.920 9，评价等级为优秀；水生生物及生态环境状况(B4)最大联系数为0.781 3，评价等级为良好；社会服务状况(B5)最大联系数为0.478 3，评价等级为中等。可见，辽河保护区沈阳段水质状况较差，在治理过程中应重点关注。

图3 辽河保护区沈阳段准则层与5个等级的五元联系数Fig.3 FECN of criterion layer and five grades in Shenyang Section of Liaohe Conservation Area

根据本研究对辽河保护区沈阳段河流健康评价结果，对比基于灰色关联法对辽河保护区水生态健康评价的结果[8]发现，由于本研究评价的河段处于辽河保护区的中段，水质状况评价结果为不健康，劣于辽河保护区全河段评价结果(中等)；而水生生物及生态环境状况评价等级为良好，优于辽河保护区全河段评价结果(中等)。

3.3 目标层的五元联系数及评价结果

辽河保护区沈阳段目标层与5个等级的五元联系数如图4所示。由图4可知，根据最大联系数原理，辽河保护区沈阳段河流健康评价五元联系数为0.576 8，评价等级为中等。可见，辽河保护区沈阳段河流健康状态不太理想，其原因可能与该区段农业生产活动和畜禽养殖有关，并且该区段水资源开发利用强度较高，使得水资源处于严重透支状态。

图4 辽河流域沈阳段目标层与5个等级的五元联系数Fig.4 FECN of target layer and five grades in Shenyang Section of Liaohe Conservation Area

3.4 评价结果分析

评价结果表明，辽河保护区沈阳段河流自然形态状况评价结果为中等，其中河岸稳定性(C11)、河床稳定性(C12)、水系连通性(C13)处于中等，河道弯曲程度(C14)处于良好，可见该区段河流自然形态状况欠佳，这可能与目前辽河保护区沈阳段部分河段河岸植被稀少，岸坡被侵蚀及人类活动造成的河流生态环境恶化等相关。因此在后续治理中，应提高当地群众的生态环境保护意识，增加河两岸植被面积，增强河床及边坡的稳定性，防止河床受到冲刷。

辽河保护区沈阳段2018年水质状况评价结果为不健康，其中溶解氧浓度达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅰ类水质标准，评价结果为优秀，但化学需氧量、氨氮浓度、总磷浓度分别处于良好、不健康、不健康，总氮浓度处于病态。与曹小磊等[26]提出的辽河沈阳段2007—2010年水质为Ⅴ类相比较发现，虽然自辽河保护区划定以来，辽河水质健康状况得到明显改善，但辽河保护区沈阳段水质状况仍较差。这是因为研究区为沈阳市农业生产区，区域内农业种植范围广，施用的氮肥较多，且化肥的利用率不高，通过地表径流和农田排水导致河流水体氮浓度增加；同时由于河流沿岸畜禽养殖量很大，大量污染物未经处理直接排入河流；加之农村生活污水未处理直排入河，影响河流水质[27]。可见，辽河保护区在后续治理中，应加强对农业、畜禽养殖污染的治理，科学施用农药化肥，增加有机肥施用量，提高肥料利用率，同时在雨季应加强对面源污染的控制和治理。

辽河保护区沈阳段2018年底质状况评价结果为优秀，其中Cd潜在生态风险评价结果为良好，其他6种重金属均为优秀，与2014年He等[27]测定的辽河沈阳段河流底泥中重金属结果相比，2018年该河段底质中重金属污染状况明显好转。可见，自辽河保护区划定以来，通过实施一系列治理与修复措施，辽河保护区沈阳段底质中重金属的污染状况得到明显改善。

辽河保护区沈阳段水生生物及生态环境状况评价结果为良好，其中底栖生物完整性指数评价结果为优秀，鱼类多样性指数为中等，着生藻类多样性指数、流域植被覆盖率均处于良好，可见辽河保护区沈阳段水生生物及生境状况不容乐观，这可能是受到该河段水质状况的影响[28-31]。

辽河保护区沈阳段社会服务状况评价结果为中等，其中亲水景观舒适度评价结果为中等，万元GDP用水量、防洪标准均处于良好，水资源开发利用率评价结果为病态。可见，辽河保护区沈阳段社会服务状况不是很好，尤其是水资源开发利用率远超过生态警戒线，这与多年来对辽河流域水资源的过度开发及无节制的引水，使河流水资源处于严重透支状态，在一定程度上降低了水资源的再生性[32]有关。

4 结论

(1)运用五元联系数对辽河保护区沈阳段河流健康状况进行评价，结果表明，辽河保护区沈阳段河流健康状况评价结果为中等，其中自然形态状况评价结果为中等，水质状况为不健康，底质状况为优秀，水生生物及生态环境状况为良好，社会服务状况为中等。五元联系数法可避免单因素分析的弊端，突出最差指标对河流健康状况的影响程度，较客观、全面地对河流健康状况进行评价。

(2)辽河保护区沈阳段底质重金属污染状况较轻，但水质状况不理想，影响该河段河流健康的主要因素为人类不合理的生产活动。应提高化肥利用率，强化水资源管理，严格控制污水随意排放，提高环保与节水意识。