摘要:为了保障河流健康和实现人类社会可持续协调发展,在梳理河流各功能的基础上,总结提出多功能河流的概念,构建由防洪排涝功能、自然功能、生态功能、环境功能、资源功能和人文功能构成的多功能河流健康评价指标体系。以山东小清河为例,采用AHP-模糊综合评价法,分别对2007年和2019年治理前后的小清河进行多功能评价。评价结果显示:2007年小清河各功能运行状态为“劣”,多功能性弱,鱼类保有指数、底泥污染指数、水质优劣程度、河流平均比降和通航水深保证率5个指标为“劣”,主要制约准则层为环境功能和资源功能;2019年小清河各功能运行状态为“良”,多功能性明显增强,其中资源功能得到最大改善,由“劣”变“优”,表明小清河经过一系列综合治理后,各项功能逐渐恢复。评价结果揭示了小清河治理后各功能发展状况,可为未来小清河的功能提升和治理开发提供参考依据。
关 键 词:河流健康评价; 评价指标; 模糊综合评价法; 小清河
中图法分类号: TV213.4
文献标志码: A
DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.014
0 引 言
河流是人类社会文化之源,以其自然功能推动人类社会发展,以其社会、经济和环境价值促进人类文明形成。人类大规模活动对河流的干扰早已打破了河流自然演进的变化规律,对河流生态系统造成了不同程度的胁迫,导致了河流生态系统诸多功能的衰减甚至丧失,从而损害了河流健康和人类利益[1]。因此,需要对河流各功能进行合理评价,了解各功能发展现状,为河流管理提供依据,寻求河流在自然演化和人类活动间的平衡发展。翟晶等[2]将河流社会服务功能分为防洪功能、供水功能、纳污功能及景观功能,构建了协调发展度评价模型。郭丽峰等[3]根据农村河道的功能和特点,构建了多指标、多层次的生态环境效益评估模型。曹宸等[4]以河流水环境功能、生态效益功能、防洪效益功能和支持利用功能4项功能为基础进行河流生态系统评价。另外,国内外学者在进行河流健康评价[5-6]、水生态文明城市评价[7-9]、水功能区划管理[10-12]以及人水和谐[13]等研究时也多以河流各项功能为研究基础。由此可见,河流功能评价已经从单一的河流水质评价、生物栖息地评价和水生态评价逐渐转向基于河流全功能的综合评价。本文通过梳理河流功能类别,提出了多功能河流的概念,构建了多指标多层次的多功能河流健康评价指标体系,确定了评价标准和AHP-模糊综合评价法,为进一步探究多功能河流评价奠定基础。
小清河是山东省重要的、可实现海河联运的黄金水道,但由于工业污水和生活废水的大量排放及水资源的过度利用,致使河流生态系统严重破坏,河道断航。近年来,小清河流域生态环境综合治理规划稳步推进,流域生态系统逐渐恢复,山东省已于2017年正式启动小清河复航工程,作为山东省内河航道“一纵三横”高等级航道网中的重要“一横”,小清河复航工程具备独特的水运资源。因此,本文构建了小清河多功能评价指标体系,对2007年和2019年治理前后的小清河分别进行多功能评价,揭示了复航工程实施下小清河各功能运行状况,从而为未来小清河的功能提升和生态修复提供参考依据。
1 多功能河流的概念
河流功能是河流系统与环境相互作用过程中表现出的能力和效用,是河流系统发挥的有利作用[14]。根据人类需求和环境条件不同,河流功能表现出不同的作用效果,可分为防洪排涝功能、自然功能、生态功能、环境功能、资源功能及人文功能。防洪排涝功能主要表现在防洪功能和排涝功能,分别指河流提供的泄洪通道和洪水调度作用。自然功能又可分为水文功能和地质功能,分别指河流参与全球大气水文循环过程和河水对地表岩石及土壤的侵蚀、搬运、沉积过程所作用的效果。生态功能主要包括生物栖息地功能和河流廊道功能,分别指河流为系统内生物提供生存环境、连通河流与其周边生命体和生态系统的物质能量交换及信息循环的作用。环境功能主要有水质净化功能和自我修复/调节功能,分别指河流能够在自身纳污能力范围内降低河流污染物浓度、河流调节内环境变化和抵御外界干扰的能力。资源功能则主要包括水源供给功能、能源供给功能、水产供给功能以及运输功能,指为人类的生产生活提供淡水资源、电能、水产品资源和交通运输的能力[15]。人文功能主要包括休闲娱乐功能、文化教育功能和景观功能,分别指河流提供了人们休闲娱乐的亲水空间,河流作为人类文化载体可用作教育和科研的试验场地,优美的河岸风光能带给人们观赏的愉悦感。
综上所述,本文对多功能河流进行如下定义:多功能河流就是指河流防洪排涝功能、自然功能、生态功能、环境功能、资源功能以及人文功能等多重功能相互协调,均衡发展,在保证河流自身结构与功能稳定的前提下实现河流功能的持续供给,达到人与河流可持续协调发展的河流。多功能河流的本质属性是河流多功能性,河流多功能性是指河流能发挥其多种功能及各种功能相互协调发展的特性,是研究和发展多功能河流的基础和前提。多功能河流不仅是对多重河流功能的耦合,更重要的是追求河流多功能的可持续性协调发展,随着人类社会的发展和人类对河流需求的不断变化,多功能河流的概念也会进行相应的调整和深化。
2 多功能河流健康评价体系
2.1 指标体系框架
构建科学合理的指标体系是评价的关键,遵循科学性、系统性、代表性、目的性及普适性等原则[16],本文以河流为主体,以河流各功能为基础,以评价多功能河流为最终目标,建立了由“目标层-准则层-亚准则层-指标层”4个层次构成的层级关系框架(图1):① 目标层。基于多功能河流的本质属性和目标,确定多功能河流为目标层。② 准则层。以河流的防洪排涝功能、自然功能、生态功能、环境功能、资源功能和人文功能为基本框架,从不同方面反映多功能河流的属性和功能。③ 亚准则层。由河流一级功能下的水文功能、地质功能等二级功能组成,反映河流各功能的运行现状和持续供给情况。④ 指标层。选取能直接反映河流某一功能某一方面具体发展程度的各种定量和定性指标,以定量为主,定性为辅,针对河流不同功能发挥的不同作用,表征河流各功能现状。
2.2 指标选取
以确立的准则层和亚准则层为依据,广泛搜集有关河流功能评价[17-19]、河流健康评价[20-26]、水生态建设[27-28]、水资源承载力评价[29-30]和幸福河评价[31]等相关经典文献、管理部门颁布的标准及导则等文件,选取引用频率较高、指标体系完备的文献作为参考,分析所选文献的指标体系,对与多功能河流评价准则相关性较大的指标依次进行理论分析、可行性分析和频度分析,得到指标初筛结果。
基于此,以指标选取原则为依据,并咨询专家意见,对其中内涵有重叠的指标进行合并处理,最终确定了多功能河流健康评价指标体系(表1),包括24项基本指标和12项备选指标,共计36项指标。鉴于我国河流生态系统多样,区域差异显著,在实际应用中,基本指标为具有普适性的建议必选指标,各地区可增设自选指标,根据待评估河流的特性和所处地区的具体情况,从备选指标中按照体系构建原则进行有针对性地选择和应用。
2.3 评价指标标准
指标标准是指标体系是否科学合理的关键所在,目前中国尚无统一推行的河流功能评价标准。本文所提供的指标标准等级及标准值的划分遵循以下原则:
(1) 若有近年来国家有关部门颁布的行业标准或技术指南,则优先采用,例如生态流量满足程度依据SL/T 793-2020《河湖健康评估技术导则》确定。
(2) 其次则借鉴相关经典文献中对应的指标标准。
(3) 最后可参考国家或河流所在地区的发展规划值进行最终确定。
基于此,将各评价指标的标准值划分为Ⅰ级(优)、Ⅱ级(良)、Ⅲ级(中)、Ⅳ级(差)、Ⅴ级(劣)共5个等级(表2)。
2.4 评价方法
在评价过程中,待评估河流并非都具有表1准则层中的所有功能,但评价目的是评估该河流的多功能性,因此要全面评价河流各功能。若某一功能开发利用程度较好,则该功能对应的评价指标得分较高,代表河流在该方面运行较好,功能性强;若某一功能发挥较弱或河流基本不具备该项功能,则该功能对应的评价指标得分较低,处于末位等级,代表河流在该方面功能性弱。指标体系中设置的备选指标旨在根据河流实际情况进行选择添加。从而更全面准确地表征河流相应功能运行的状态好坏。
多功能河流评价是一个多指标、多准则、多层次的综合评价,为了能更好地反映河流各功能运行状况,本文采用基于非等权的AHP-模糊综合评价法进行评价。通过层次分析法赋权,增加了模糊综合评价结果的科学性和可靠性;然后通过模糊综合评价法计算各指标值对不同标准值范围的隶属度,减轻了层次分析法主观因素的影响,从而进行综合评价。
(1) 权重确定。
为了能将递阶层次结构中各层次之间的重要性关系表示出来,选用能较好解决问题的层次分析法。分别构造准则层各要素之间和各准则层下相应指标层各要素之间的判断矩阵,采用1~9标度法对同一层次内n个要素的相对重要性进行打分,通过MATLAB进行一致性检验和归一化处理,最后得到权重向量W。若不具备一致性,则需对判断矩阵进行调整,最终得出一套符合待评估河流特性、体现待评估河流不同功能重要程度、反映待评估河流特色的权重系数。
(2) 隶属度计算。
采用模糊综合评价法进行隶属度计算。建立目标层和各准则层评价指标集,确定代表具体评价指标“优、良、中、差、劣”5种状态的评判集,分别对应表2中划分的Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级5个等级。采用柯西分布函数为隶属度函数计算隶属度矩阵,其核心公式为[32]:
r(x)=1[1+a2(x-a1)2]
(1)
式中:r(x)为隶属度函数;x为待评估年份指标;a为函数参数。
① 当x为Ⅰ级时
a1=xu,a2=4(xu-xi)2
(2)
② 当x为Ⅱ~Ⅳ级时
a1=xu+xi2,a2=4(xu-xi)2
(3)
③ 当x为Ⅴ级时
a1=xi,a2=4(xu-xi)2
(4)
式中:xu、xi分别为x对应不同级别标准值的上、下边界值。
由隶属度函数求得隶属度矩阵R,与权重向量W进行模糊乘运算,得到综合评价向量D:
D=W·R
(5)
根据最大隶属度原则,最终确定目标层所属等级状况,即多功能河流评价的最终结果。
3 应用实例
3.1 研究区概况
小清河流域(东经 116°50′~118°45′,北纬 36°15′~37°20′)位于鲁北平原南部(图2),流域面积10 498.8 km2。小清河干流发源于山东省济南市南部山区,自西向东流经济南、淄博、滨州、东营、潍坊5市的12个县、市、区,于寿光市羊口镇东注入莱州湾,全长233 km,沟通黄河三角洲经济区和山东半岛蓝色经济区,是沿岸区域经济发展的重要支撑和物资运输的重要海河联运通道。
20世纪70年代后,沿河工业迅速发展,污染物大量排放,导致河水开采过度、水体污染严重、水环境恶化加剧、水生物濒临灭绝、各项功能退化、航道彻底断航。2007年底,小清河综合治理工程启动,小清河流域生态环境综合治理规划稳步推进。2017年9月,小清河复航工程正式启动。2019年10月,小清河防洪综合治理工程全面开展,与复航工程结合实施。2023年7月,小清河首次全线空载试航顺利结束。
3.2 评价过程
根据小清河的开发利用和治理现状,选取指标体系中的28项指标对其进行多功能评价。小清河2007年和2019年各指标现状值见表3,定量指标采用查阅文献资料、专家咨询、实地观测等方式获取数据,定性指标根据专家打分确定,列出专家意见平均值所属范围。其中流量资料采用小清河岔河站数据;水质、供水量、用水量等资料由济南市水文局提供;部分2007年指标值根据小清河统计资料计算得出;其余需要实地观测的指标根据断面观测或遥感影像得到。
根据层次分析法计算得到小清河流域各指标权重,用MATLAB求得各判断矩阵的最大特征根,使其具有满意的一致性,定量指标的隶属度根据柯西分布函数计算得出,定性指标的隶属度则根据专家赋分整理得出。分别得出小清河2007年和2019年各项指标的隶属度矩阵,并用MATLAB进行模糊乘运算得到2007年和2019年各准则层的评价向量。根据最大隶属度原则,最终得到小清河2007年和2019年多功能评价结果。
3.3 结果与讨论
3.3.1 权重及指标层评价分析
小清河2007年和2019年各指标权重及评价结果见表3,准则层中防洪排涝功能、自然功能、生态功能、环境功能、资源功能和人文功能的权重分别为0.100 6、0.275 6、0.275 6、0.137 8、0.157 4、0.053 8,指标层各指标相对于目标层的权重取值范围为0.005 9~0.088 0,娱乐项目丰度和景观小品多样性权重值最小,月均流量变化率和底栖动物多样性指数权重值最大。
2007年评价结果显示:在28项指标中,仅有自然功能中的水流挟沙能力变化率为优,占比3.6%;有6项指标为良,占比21.4%;有3项指标为中,占比10.7%;有13项指标为差,占比46.4%;鱼类保有指数、底泥污染指数、水质优劣程度、河流平均比降和通航水深保证率5个指标为劣,占比17.9%。2019年评价结果显示:流量过程变异程度、生态流量满足程度、水资源开发利用率、饮用水水源地水质达标率和通航水深保证率5个指标均为优,占比17.9%;有11项指标为良,占比39.3%;有6项指标为中,占比21.4%;有4项指标为差,占比14.3%;仅有防洪工程措施达标率和河流平均比降2项指标为劣,占比7.1%。可以看出,各项指标的评价等级整体上显著提升,占比最大的等级由差变为良,评价结果为优的指标数量增加,劣的指标数量减少。
3.3.2 准则层评价分析
小清河各准则层评价结果见图3。在防洪排涝功能方面,由于小清河多数河段仅为20 a一遇防洪标准,堤防多缺口,闸涵老化,远不能达到流域防洪需求,需进行防洪综合治理以保障流域安全,同时排涝能力较差,故2007年评价结果为差,经过综合治理后,防洪排涝功能由差变中。
在自然功能方面,2007年评价结果为良,在各功能中等级最高,表明小清河自身结构基础较好,开展综合治理可行性较高,2019年评价结果仍为良,但关于优的隶属度值变大。
在生态功能方面,2007年评价结果为中,沿岸工农业大量用水、污废水排放导致小清河水环境恶化,底栖动物、鱼类及藻类等生物种类和数量减少,栖息地遭到破坏,经过治理和开发后,基础功能运行有所好转,生态功能由中变良。
在环境功能方面,2007年评价结果为劣,工业废水和生活污水直排入河,带来大量污染物,小清河河道比降小导致水体污染物累积沉淀,底泥严重污染,水质不断恶化,水环境恶劣,经过近年来综合施策和全面治理,不断加快污水处理设施和配套管网建设,小清河水质明显改善,环境功能由劣变中。
在资源功能方面,小清河属平原河流,河流平均比降小,水电能源可开发程度不高,水质恶化导致水产品生产能力较低,河流供给能源和水产能力较差,同时航道断航致使河流失去运输功能,故2007年评价结果为劣,经过治理后,2019年资源功能得到最大改善,由劣变优,水资源供给功能运行较好,能基本满足沿河工农业和居民用水。
在人文功能方面,2007年评价结果为差,水质恶化使沿岸居民生活质量下降,满意度低,对小清河沿岸的整治和生态恢复使人文功能由差变良,沿岸居民满意度提升,幸福感增强,小清河逐渐恢复往日的“水清、河畅、岸绿、景美、宜游”。
3.3.3 目标层评价分析
小清河2007年目标层评价向量为D2 007=(0.121 7,0.229 2,0.177 0,0.219 6,0.230 7),根据最大隶属度原则,评价结果为劣,表明小清河2007年各项功能整体运行状况差,多功能性弱,主要制约准则层为环境功能和资源功能。2019年目标层评价向量为D2019=(0.174 9,0.291 2,0.232 5,0.179 7,0.119 7),根据最大隶属度原则,评价结果为良,表明小清河经过一系列综合治理后,各项功能逐渐恢复,呈现良好的发展态势,多功能性明显增强。
通过对比分析2007年和2019年评价结果得知,严重的人为干扰是导致小清河各功能运行状态差的主要原因,综合治理和复航工程使小清河的生态环境有所改善,各项功能逐渐恢复,但防洪排涝功能和环境功能运行状态仍是重点,今后小清河可着重从防洪除涝和改善水环境方面进行功能提升。
4 结 论
(1) 通过归纳概括河流功能总结提出多功能河流的概念。多功能河流是多重功能相互协调、均衡发展的河流,是自身结构与功能稳定的河流,是能实现河流功能的持续供给并达到人与河流可持续协调发展的河流。多功能河流的本质属性是河流多功能性,建设多功能河流的最终目标是实现人与河流可持续协调发展。
(2) 基于多功能河流的内涵,以防洪排涝功能、自然功能、生态功能、环境功能、资源功能以及人文功能为准则层,建立了一套具有一定普适性,共36项指标(24项基本指标、12项备选指标)的多指标多层次的多功能河流健康评价指标体系。采用基于非等权的AHP-模糊综合评价法进行评价,通过AHP法赋权,以柯西分布函数为隶属度函数计算得到隶属度矩阵,与权重向量进行模糊乘运算,依据最大隶属度原则确定最终评价结果。
(3) 以小清河流域为实例进行多功能评价应用,分别评价2007年和2019年治理前后的各项功能运行状况。评价结果显示,2007年各功能运行状态为劣,多功能性弱,主要制约准则层为环境功能和资源功能,2019年各功能运行状态为良,多功能性明显增强。随着小清河复航工程的推进,应对小清河进行生态修复,重点进行防洪治理和水环境改善。
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(编辑:黄文晋)
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