基于模糊数学综合评价法的香溪河健康评价

摘要：为识别河流健康状况、探讨河流受损的可能成因，以三峡库区坝首第一大支流香溪河为研究对象，考虑流域内人类活动分布和自然属性分布特征，将其划分为4个研究评估河段，基于层次关联指标体系，运用模糊数学综合评价法开展健康状态研究。结果表明，构建评价指标体系时，应优先考虑维持河流自身生态功能的相关指标；香溪河整体评估结果为非常健康，但模糊数学综合评价法对计算指标之间的侧重性差异则体现了不同河段评价结果的异质性；整体而言，该方法能较好地评估河流的健康水平，识别重点因子。

关键词：模糊数学综合评价法；指标体系；异质性；健康评价；香溪河

中图分类号：X522 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）10-0029-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.10.006 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： In order to identify the river health status and explore the possible causes of river damage， the Xiangxi River， the first largest tributary of the dam head in the Three Gorges Reservoir， was taken as the research object. Considering the distribution characteristics of human activities and natural attributes in the basin， the Xiangxi River was divided into four evaluation river sections. Based on the hierarchical correlation index system， the fuzzy mathematics comprehensive evaluation method was used to study the health status of Xiangxi River. The results showed that when constructing the evaluation index system， priority should be given to the relevant indicators that maintained the ecological function of the river itself. The overall health status of Xiangxi River was very healthy， but the difference between the calculation indexes of the fuzzy mathematics R3aaxGXiU9Ca8t/ybZWhjffM3w1Z5tolcJDdG8J5xgY=comprehensive evaluation method reflected the heterogeneity of the evaluation results of different river sections. On the whole， this method could better evaluate the health level of rivers and identify key factors.

Key words： fuzzy mathematics comprehensive evaluation method； index system； heterogeneity； health evaluation； Xiangxi River

健康的河流是指随着时间的推移能维持生态系统结构和功能，同时还具有经济和社会价值的生态系统［1］。河流健康对人类生存和可持续发展至关重要［2-4］。全球工业化以来，城市化步伐加快，人类活动对自然河流的干扰越来越强［5］，河流生态系统功能被扰动现象日益显著，与此同时，伴随的退化现象也反作用于人类生产生活，引发了一系列负效应［6，7］。因此，对河流系统的健康状态进行科学评价并据此开展生态修复与保护不仅是生态文明建设工作的重要手段，还有利于经济社会的和谐发展，促进人与自然的绿色共存。

20世纪90年代以来，因生态环境问题日益凸显，河流健康状况也受到关注。其中，澳大利亚［8-10］、美国［11，12］等许多国家和地区先后对各自境内的典型河流开展了健康评价工作，建立了相对成熟的调查方法与评价体系。国内学者针对不同流域面积的河流［13］和主要功能定位不同的河流［14］开展了河流健康评价。众多研究方法，如层次分析法［15］、BP神经网络法［16］、压力-状态-响应模型［17］等，已被广泛应用于河流健康评价工作。

自三峡水库建成运行以来，因其重要的生态功能保护区地位及天然的生态脆弱性，使得其健康状态引起了众多学者的关注，包括对三峡库区及其支流健康状态的关注，如邹曦等［18］对三峡库区中3个典型长江干流河段进行了生境评价；程帅等［19］基于浮游植物完整性进行河流健康评价，朱迪等［20］建立了鱼类完整性指数指标的评价体系，魏念等［21］对典型支流回水区浮游植物群落结构特征及影响因子进行了分析；张必昊［22］以三峡库区库首第一大支流香溪河为例，对三峡蓄水以来形成的回水库湾水动力情况开展研究，发现其变化显著。三峡库区支流健康状况对整个库区生态环境和生态功能有显著贡献，但相关研究在指标选取、河段评估方面存在成分单一、整体性不足的弊端［23］。为全面探讨三峡库区重要支流的健康状态，本研究基于翟晶等［24］的评价体系进行改进和扩展，从水文水资源、物理结构、水质状况、水生生物、社会服务功能5个方面构建香溪河健康评价体系，应用模糊数学综合评价法开展健康状况评价，以期取得较为全面准确的结果，为相似条件下的三峡库区各支流健康评估提供借鉴和理论参考依据。

1 研究区概况

1.1 研究区位置

香溪河是三峡水库湖北省库区范围内最大的一条支流，位于110°18′—111°06′E、30°38′—31°34′N；有东西两个源头，东源于神农架林区骡马店（东河），西源于大神农架山南（西河）。流域面积3 099 km2，河流干流全长97.6 km，有九冲河、古夫河、高岚河3条主要支流。香溪河流经地多为深山峡谷，自然落差达1 540 m，水资源十分丰富，年径流19.65亿m3，其流域水系见图1。流域内分布有部分工、矿企业，农业耕种强度大，水上运输较为繁忙。根据流域内人类活动分布情况和地形地貌特征将香溪河划分为4个评价河段（图1），各评价河段起止位置划分情况见表1。

1.2 数据来源

基础数据来源于《湖北省统计年鉴》（2021年）、《湖北省水资源公报》（2020年）、《湖北省水土保持公报》《宜昌市环境总体规划》以及近几年的香溪河流域鱼类资源调查和浮游植物调查成果，其他定量指标数据（流动性指数、防洪工程达标率）来源于2022年3—9月实地测量和调查。评价计算在软件MATLAB2021b中进行。

2 研究方法

2.1 评价指标体系

2.1.1 整体结构设计 河流健康评价指标是综合反映评价对象某一方面情况的物理量，指标体系是一系列指标构成的整体，应全面真实地综合反映评价对象的各方面状况［25-27］。根据香溪河流域特征，结合文献［28］，重点考虑维持河流自身生态功能的指标构建健康评价指标体系，具体包括1个目标层（河流健康）、5个准则层（水文水资源、物理结构、水质状况、水生生物、社会服务功能）和14个指标层，各指标与准则层的对应关系如表2所示。

2.1.2 评价指标 评价指标力求能够全面反映准则层状况，以5个准则层为出发点，各自对应指标的具体要求如下。

1）水文水资源。该准则层的指标有3个，即表征水文状态与生境情况的流动性指数、表征人类社会经济发展与水资源利用状况的水资源开发利用率、表征中小河流防洪减灾能力和当地生态能力的水土流失严重程度。

2）物理结构。在人类活动干扰下，中小河流形态更易于发生剧烈变化，物理干扰逐渐成为中小河流结构和功能整体恶化的主导因素，故选用刻画河流常水位与植被群落消失边缘距离的缓冲带宽度、岸带植被垂直投影面积占滨岸带面积比例的植被覆盖率、各类跨河障碍物长度与河流长度比值的纵向连通指数、表征人类活动影响状态的完整性与人为干扰程度4项指标作为河流物理结构的指标层。

3）水质状况。河流水体理化性质即水质会直接影响河流生态环境的状况，故选择3个指标表征水质状况，包括水质类别（以总氮、氨氮、总磷、正磷酸盐浓度、高锰酸钾指数、五日生化需氧量、水温、pH、溶解氧9项常规指标状况反映）、水质营养状态和叶绿素a浓度。

4）水生生物。水生生物的结构和数量对河流生态系统发挥着重要作用，主要涉及浮游植物和鱼类生物两类指标，其中以Shannon-Wiener多样性指数表征浮游植物多样性，以现有鱼类数量占20世纪80年代以前鱼类数量的比例表征鱼类生物损失指数。

5）社会服务功能。社会服务功能表征中小河流生态系统自然属性受到人类活动关注中不可或缺的社会属性，以公众满意度和防洪工程达标率表征。

2.2 模糊数学综合评价方法

模糊数学法综合评价法运用模糊数学原理对边界不明显且具有多种因素的复杂系统进行分析和评价，以隶属度描述模糊界限，从而有效解决评价因素复杂性、评价对象层次性、评价标准模糊性、评价影响因素不确定性以及定性指标难以量化等众多问题，实现定性与定量分析相结合，使评价结果真实可信［29，30］。其计算步骤如下。

1）建立综合评价的因素集。将与评价对象相关的各因素组成集合U，记为：

2）建立综合评价的评价集。以评价结果具有实际应用价值为目标，结合《湖北省河湖健康评价》构建5级评价集V，记为V=｛Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ｝=｛非常健康，健康，亚健康，不健康，劣态｝，1个等级对应1个模糊子集评价集，且等级越高说明健康状态越差。

3）确定单因素隶属度函数。根据各指标ui的值X，按照隶属函数的5级计算公式（式2～式4）计算对应准则层隶属度。

Ⅰ级健康状态的隶属函数为：

Ⅱ级至Ⅳ级健康状态的隶属函数为：

Ⅴ级健康状态的隶属函数为：

式中，Yj为指标ui属于第j级健康度的隶属度；X为计算指标的实测值；S1至S5为各定量指标各级健康度等级的分界值。一般情况下，S1≤S2≤S3≤S4≤S5；当S1≥S2≥S3≥S4≥S5时，只需将上述隶属函数各条件式反向即可。本次各指标划分隶属度等级分界值见表3。

4）获得评价矩阵。由上述步骤可求得第i个准则层第j个指标健康度等级rij以及全体rij集合构成的模糊评价矩阵Ri。各二级评价指标Ri如下。

式中，m表示每个准则层下的指标个数。

5）确定向量因素权重。确定集合U中各因素的权重Wi（准则层权重），每个指标向量各因素的权重（[wij]）和为1，即：

式中，[j=1nwij=1]。

6）计算结果向量。以评价指标矩阵和向量因素权重求积，计算得到二级模糊评价向量Vi。

将准则层权重向量与模糊综合评价矩阵（R）求积，得到一级模糊评价结果向量（V）。

式中，i代表不同准则层，bi表示不同准则层下在每个隶属度下的值。

7）等级评定。基于最大隶属度原则，取式（10）中隶属度（B）最大值，找出与表3所对应的健康度等级。

2.3 河流健康等级确定

按照式（1）至式（10）依次递进计算指标层、准则层和目标层健康度等级，得到各河段和全流域的健康等级。

3 应用结果

3.1 评价结果

3.1.1 评估河段隶属度 4个河段各评价指标的隶属度结果见表4。由表4可知，各评估河段相同准则层的同一指标隶属度有所不同，这主要反映出了不同河段区间的指标描述现状的差异性。根据隶属度值越大，结果越好的规律，评估河段中隶属度最优的是水资源开发利用率，最差的是纵向连通指数。

3.1.2 健康等级结果 基于表4得到的各指标隶属度，计算各河段隶属度，对应汇总得到各河段在不同健康状态等级的隶属度，结果见表5。由表5可知，评价河段L1、L2和L3为Ⅰ类河湖，L4河段评价结果为Ⅱ类河湖；香溪河整体评价结果为Ⅰ类河湖。

3.2 讨论

3.2.1 结果异质性分析 香溪河全流域位于古洞口水库上游的基本为自然河流，古洞口水库下游河段流经兴山县城、昭君镇、峡口镇等人口密集城镇，除满足自然生态功能外，还有显著的社会服务功能，同时还受三峡水库回水影响［31］。从4个河段的评估结果来看，模糊数学综合评价法对各指标的概化能较为明显地分离不同河段的影响因素，从而获得较可靠的评估结果。这也说明相同评价指标前提下，河流天然状态和外界影响因子在不同河段的敏感程度有一定差异，进而使得评估结论出现异质性。下游河段健康评价等级低于其他河段的原因主要为人类活动影响的累积和库区回水区自然条件的改变，即纵向连通指数、鱼类生物损失指数和浮游植物多样性3个指标较上游河段受外界影响大于河流自身因素。具体体现在，三峡库区形成后，导致小江河口段水位整体抬高且周期性变动，缓冲带宽度较窄，水生生境发生改变，导致鱼类生物损失较大、浮游植物多样性降低［32］。

3.2.2 方法适用性 应用模糊数学综合评价法分别对香溪河4个河段开展健康状态评价。结果（表5）显示，胡家湾电站至古洞口水库段、古洞口水库至高阳大桥段和高阳大桥至峡口一桥段非常健康，峡口一桥至小江河口段健康。此种情况主要是模糊数学评价法对于非此即彼、亦此亦彼的模糊问题通过隶属度的模糊处理，定性解决指标归属问题，对外界因素的概化更为突出，其结果往往会更接近于事实情况。结合相似文献的研究成果［33，34］，可认为模糊数学综合评价法在天然河段和回水影响河段的结论具有一定的实际参考价值。

3.3 香溪河健康状况优化建议

尽管评价结果在不同河段存在一定的差异，但均反映出香溪河仍面临一定的水环境压力。在胡家湾电站至古洞口水库段和古洞口水库至高阳大桥段继续采取措施维持现状，高阳大桥至峡口一桥段和峡口一桥至小江河口段要注重通过人为措施控制健康状态，避免向不利方向发展。在水文水资源方面，建议加强对流域内水电站的监督管理，必须保证最低下泄流量，采取合理的水电工程调度运行方式，保证河道最小流量；严禁随意砍伐河岸带植被，在植被覆盖度较低的区域采取生态恢复措施，栽植既耐冬季水淹、又耐夏季干旱、固土作用较强的植物，提高生物多样性，减少水土流失。在上游山地河流区域应重点恢复并重建河岸林保护河岸带，减少对原始植被的破坏，加强水土保持工作。在城镇密集区域，加快推进污水处理厂及管网配套建设，加强畜禽养殖污染防治，加强农村散排污水和垃圾治理，杜绝污水直接入河［35］。沿河农作物种植区域，加强梯田维护，优化农业生产方式、推广生态农业，调整施肥和耕作方案、控制氮磷元素输入，加强农业面源污染防治［36］。

另外，为保护珍稀特有物种和补充渔业资源，严格执行禁渔期和禁渔区，建立鱼类增殖放流站，依据保护鱼类资源状况、生物学特性和生态环境变化趋势有计划地开展人工增殖放流；加强渔政管理，严格禁止电鱼、炸鱼、毒鱼等行为，限制渔具类型及其规格。

4 小结

本试验以三峡库区重要支流香溪河为研究对象，通过水文水资源、物理结构、水质状况、水生生物和社会服务功能5个准则层构建了香溪河河流健康评价指标体系，基于模糊数学综合评价法对4个河段开展健康状态评价，得到以下结论。

1）模糊数学综合评价法对4个河段的评价结果分别为非常健康、非常健康、非常健康和健康，对香溪河整体健康模糊评价的结果为非常健康，属于Ⅰ类河湖。

2）模糊数学综合评价法在香溪河健康状态的评价应用表明，考虑指标权重客观性的方法有利于更好地认识河流健康状态，且指标确定的可操作性为同类河流的健康评估提供了借鉴，有利于促进生态文明建设相关工作。

参考文献：

［1］ MEYER J L. Stream health： Incorporating the human dimension to advance stream ecology［J］. Journal of the north american benthological society， 1997，16（2）： 439-447.

［2］ 高 凡， 孙晓懿， 蓝 利， 等.基于可达最佳状态标准的叶尔羌河健康评价［J］.人民黄河， 2017，39（11）： 103-108， 156.

［3］ 吕 爽， 齐青青， 张泽中， 等.基于突变理论的城市河流生态健康评价研究［J］.人民黄河， 2017，39（4）： 78-81.

［4］ 朱卫红， 曹光兰， 李 莹， 等.图们江流域河流生态系统健康评价［J］.生态学报， 2014，34（14）： 3969-3977.

［5］ 李美香， 周向华， 王启明， 等.基于改进突变级数法的秦淮河河流健康评价［J］.水资源与水工程学报， 2016，27（6）： 39-43.

［6］ 李 杨， 李 斌， 李淑丹， 等. 洱海流域河流生态系统健康评价［J］. 应用与环境生物学报， 2017，23（3）： 427-431.

［7］ 胡晓雪， 杨晓华， 郦建强， 等.河流健康系统评价的集对分析模型［J］.系统工程理论与实践， 2008，28（5）： 164-170， 176.

［8］ SUDARYANTI S， TRIHADININGRUM Y， HART B T， et al. Assessment of the biological health of the Brantas River， East Java， Indonesia using the Australian River Assessment System （AUSRIVAS） methodology［J］. Aquatic ecology， 2001，35（2）： 135-146.

［9］ LADSON A R， WHITE L J， DOOLAN J A， et al. Development and testing of an Index of stream condition for waterway management in Australia［J］. Freshwater biology， 1999，41（2）： 453-468.

［10］ FRYIRS K. Guiding principles for assessing geomorphic river condition： Application of a framework in the Bega catchment， South Coast， New South Wales， Australia［J］. Catena， 2003，53（1）： 17-52.

［11］ KARR J R. Defining and measuring river health［J］. Freshwater biology， 1999，41（2）： 221-234.

［12］ WILSON M A， CARPENTER S R. Economic valuation of freshwater ecosystem services in the United States： 1971-1997［J］. Ecological applications， 1999，9（3）： 772-783.

［13］ 胡 威， 李卫明， 王 丽， 等.基于GA-BP优化模型的中小河流健康评价研究［J］.生态学报， 2021，41（5）： 1786-1797.

［14］ PETERSEN R C. The RCE：A riparian， channel， and environmental inventory for small streams in the agricultural landscape［J］. Freshwater biology， 1992，27（2）： 295-306.

［15］ 赵 义， 曹 娜， 王园园， 等.基于层次分析法的中原经济区流域水系统健康评价［J］.环境科学研究， 2016，29（6）： 936-944.

［16］ 傅 春， 邓俊鹏， 吴远卓.基于BP神经网络和协调度的河流健康评价［J］.长江流域资源与环境， 2020，29（6）： 1422-1431.

［17］ 李 港， 陈 诚， 姚斯洋， 等.基于压力-状态-响应和物元可拓模型的城市河流健康评价［J］.生态学报，2022，42（9）： 3771-3781.

［18］ 邹 曦， 杨 志， 郑志伟， 等.长江干流典型区域河流生境健康评价［J］.长江流域资源与环境， 2020，29（10）： 2219-2228.

［19］ 程 帅， 左新宇， 李同庆， 等.基于浮游植物完整性指数的三峡库区小江河流健康评价［J］.水利水电快报， 2021，42（2）： 54-60.

［20］ 朱 迪， 杨 志.鱼类生物完整性指标在河流健康管理中的应用［J］.人民长江， 2013，44（15）： 65-68.

［21］ 魏 念，余丽梅，茹辉军， 等.三峡库区典型支流回水区浮游植物群落结构特征及影响因子分析［J］.淡水渔业， 2022，52（1）：103-112.

［22］ 张必昊.香溪河库湾水华关键水动力指标研究［D］.湖北宜昌：三峡大学， 2022.

［23］ 吕平毓， 张 钘， 熊中福， 等.三峡库区成库前后干流万州段水体总磷特征［J］.西南大学学报（自然科学版）， 2020，42（7）： 162-167.

［24］ 翟 晶， 徐国宾， 郭书英， 等.基于协调发展度的河流健康评价方法研究［J］.水利学报， 2016，47（11）： 1465-1471.

［25］ 李 云， 李春明， 王晓刚， 等.河湖健康评价指标体系的构建与思考［J］.中国水利， 2020（20）： 4-7.

［26］ 彭文启.河湖健康评估指标、标准与方法研究［J］.中国水利水电科学研究院学报， 2018，16（5）： 394-404， 416.

［27］ 山成菊，董增川， 樊孔明， 等.组合赋权法在河流健康评价权重计算中的应用［J］.河海大学学报（自然科学版）， 2012，40（6）：622-628.

［28］ 董哲仁， 孙东亚， 赵进勇， 等.河流生态系统结构功能整体性概念模型［J］.水科学进展， 2010，21（4）： 550-559.

［29］ 张明慧， 张劲文， 刘贞文， 等.基于层次分析法和模糊数学的大连金石滩海岸整治修复工程效果评价［J］.海洋技术学报， 2022，41（5）： 122-130.

［30］ 赵有益，林慧龙，任继周.草坪质量的模糊数学综合评价方法［J］.草业科学， 2006，23（2）： 92-97.

［31］ 王 强， 庞 旭， 王志坚， 等.城市化对河流大型底栖动物群落的影响研究进展［J］.生态学报， 2017，37（18）： 6275-6288.

［32］ 刘园园， 阿依巧丽， 张森瑞， 等.着生藻类和浮游藻类在三峡库区河流健康评价中的适宜性比较研究［J］.生态学报， 2020，40（11）： 3833-3843.

［33］ 邓梁堃，张 翔，高仕春，等.基于模糊逻辑的河流健康评价与敏感因子识别［J］.中国农村水利水电，2022（4）：100-105，113.

［34］ 李银久， 李秋华， 焦树林.基于改进层次分析法、CRITIC法与复合模糊物元VIKOR模型的河流健康评价［J］.生态学杂志， 2022，41（4）： 822-832.

［35］ 李凤清，叶 麟，刘瑞秋，等.香溪河流域水体环境因子研究［J］.生态科学， 2007，26（3）： 199-207.

［36］ 申振玲， 周 奉， 孙溢点， 等.基于“源-质”响应的香溪河流域问题解析［J］.环境工程技术学报， 2022，12（2）： 485-492.

收稿日期：2023-12-09

基金项目：重庆市教育委员会科学技术研究项目（KJZD-M202300203）；重庆市科学技术局技术创新与应用发展重点专项（CSTB2023TIAD-KPX0075）；西南大学大学生创新创业训练计划项目（X202210635062）

作者简介：卢世荣（2003-），男，重庆人，在读本科生，专业方向为环境保护，（电话）15223146858（电子信箱）2772760034@qq.com；通信作者，叶 琰（1977-），男，副教授，博士，主要从事水资源-经济-生态纽带关系、水生态修复与保护研究，（电子信箱）yeyan@swu.edu.cn。