河流健康評(píng)價(jià)中尺度間不同指標(biāo)的轉(zhuǎn)換

金小娟，陳 進(jìn)

（水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，430010，武漢）

河流健康概念是河流管理的一種評(píng)估工具，其目的是建立一套河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估體系，評(píng)估河流在自然力與人類(lèi)活動(dòng)雙重作用下，在長(zhǎng)期演變過(guò)程中河流生態(tài)狀態(tài)的變化趨勢(shì)。

就河流評(píng)價(jià)本身而言，一個(gè)完整的河流評(píng)價(jià)應(yīng)該涵蓋各個(gè)尺度，而且影響河流健康的主要因素、決策者的總體目標(biāo)、管理行為都與空間尺度有關(guān)，對(duì)河流的評(píng)價(jià)、開(kāi)發(fā)利用和管理行為都是在一定的尺度范圍內(nèi)進(jìn)行的，所以河流健康評(píng)價(jià)首先要明確的關(guān)鍵問(wèn)題就是尺度問(wèn)題。每個(gè)尺度的特點(diǎn)不同，評(píng)價(jià)時(shí)選取的指標(biāo)也不盡相同，如果能夠建立尺度間的評(píng)價(jià)關(guān)系，則不僅能夠減小評(píng)價(jià)工作的工作量，還能夠?qū)恿饔懈逦恼J(rèn)識(shí)。由于這方面的工作開(kāi)展尚少，本文主要研究相對(duì)簡(jiǎn)單的尺度間相同指標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

一、河流健康評(píng)價(jià)尺度劃分

Ward（1989）將河流生態(tài)環(huán)境用四維空間來(lái)描述：河流縱向、橫向、深度和時(shí)間。由于河流縱向尺度與橫向和深度方向相差很大，所以，分析河流生境時(shí)，可以將河流縱向再分成3個(gè)尺度，即整條河長(zhǎng)、與陸地生態(tài)區(qū)尺度相當(dāng)?shù)木坝^河段（幾十公里到上百公里）和工程河段（一般涉河工程影響范圍，幾公里到幾十公里），由于水生生物的正常生存及循環(huán)可以證明水環(huán)境處在良好的狀態(tài)，所以再加入生物斑點(diǎn)這種微生境上的尺度，就將一條河流劃分成了4個(gè)尺度，即全河長(zhǎng)、景觀河段、工程河段、生物斑點(diǎn)。

二、不同尺度間的評(píng)價(jià)關(guān)系

指標(biāo)的轉(zhuǎn)換是建立各級(jí)尺度評(píng)價(jià)之間的關(guān)系的一種方法。河流的尺度不同，評(píng)價(jià)的重點(diǎn)也各不相同，所選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)也各有不同，相同的指標(biāo)使用在不同的尺度上，它的含義也會(huì)產(chǎn)生變化。所以，在河流健康評(píng)價(jià)中，對(duì)應(yīng)各個(gè)尺度選取合適的指標(biāo)并進(jìn)行精確的定義是很重要的一項(xiàng)工作，它是指標(biāo)轉(zhuǎn)換的前提，并且直接影響河流評(píng)價(jià)的結(jié)果。指標(biāo)的轉(zhuǎn)換分析是在指標(biāo)已經(jīng)選擇完畢且給予了精確定義的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

1.相同指標(biāo)

有些指標(biāo)是在兩個(gè)或兩個(gè)以上的尺度上都需取用的指標(biāo)，而且在不同尺度上含義基本相同，這些指標(biāo)由于其僅僅存在應(yīng)用尺度上的差異，所以可以進(jìn)行逐級(jí)推導(dǎo)，我們將其稱為相同指標(biāo)。

2.不同指標(biāo)

除去上面定義的相同指標(biāo)外，剩下的指標(biāo)統(tǒng)稱為不同指標(biāo)。不同指標(biāo)又分為母子指標(biāo)和普通無(wú)關(guān)聯(lián)指標(biāo)兩類(lèi)。

（1）母子指標(biāo)

由于在各尺度是由小到大，包含與被包含的關(guān)系，所以在指標(biāo)層面上來(lái)看，也難免會(huì)出現(xiàn)相對(duì)大尺度上的某個(gè)指標(biāo)在含義上涉及相對(duì)小尺度上若干指標(biāo)的情況，我們把大尺度上包含小尺度指標(biāo)的指標(biāo)稱為母指標(biāo)，把被包含的小尺度指標(biāo)稱為子指標(biāo)，將這種指標(biāo)上的包含關(guān)系稱為母子關(guān)系。

母子指標(biāo)也是本文研究的重點(diǎn)。

（2）普通無(wú)關(guān)聯(lián)指標(biāo)

除了相同指標(biāo)和母子指標(biāo)外的指標(biāo)稱為普通無(wú)關(guān)聯(lián)指標(biāo)，這種指標(biāo)不能進(jìn)行尺度間的轉(zhuǎn)換，按常規(guī)方法進(jìn)行處理。

三、母子指標(biāo)的確定方法

母子指標(biāo)關(guān)系又可以分為兩種，即母指標(biāo)包含的子指標(biāo)在相對(duì)小尺度的指標(biāo)集上全部出現(xiàn)的，或者只有若干（大于等于1）出現(xiàn)，還需要其他補(bǔ)充指標(biāo)才能進(jìn)行推導(dǎo)的情況。

確定具有涵蓋關(guān)系的指標(biāo)分為以下幾步：

a.確定相對(duì)大尺度上的單個(gè)指標(biāo)是由哪些指標(biāo)構(gòu)成的，以下簡(jiǎn)稱為“構(gòu)成指標(biāo)”，這一步的判別依據(jù)是已有的、廣泛采用的公式和方法。

b.判斷“構(gòu)成指標(biāo)”有沒(méi)有落在相對(duì)小尺度的指標(biāo)集上的，如果有，則進(jìn)行下一步，如果沒(méi)有，則說(shuō)明不存在涵蓋關(guān)系。

c.然后確定它與“構(gòu)成指標(biāo)”之間的函數(shù)關(guān)系。確定函數(shù)關(guān)系是最重要也是最關(guān)鍵的一個(gè)過(guò)程，因?yàn)檫@里的函數(shù)關(guān)系不是一定的，需要結(jié)合被評(píng)價(jià)河流的地理環(huán)境、流量、流速、城市化程度等因素再參照現(xiàn)有的各類(lèi)研究成果來(lái)確定需要的函數(shù)關(guān)系。

d.關(guān)系確定后，再來(lái)觀察還需要哪些補(bǔ)充指標(biāo)。

e.進(jìn)入指標(biāo)的分析推導(dǎo)過(guò)程。

母指標(biāo)與子指標(biāo)的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式為 s=f（x1，x2，…xn），即 s=f（y1，y2，…ym，b1，b2，…bn-m）

式中s為母指標(biāo)值；n為涉及的子指標(biāo)個(gè)數(shù)；y為指標(biāo)集中出現(xiàn)的指標(biāo)，稱為原有指標(biāo)；b為指標(biāo)集中沒(méi)有出現(xiàn)的子指標(biāo)，稱為補(bǔ)充指標(biāo)。

下面分為兩種情況介紹指標(biāo)的推導(dǎo)情況：

a.母指標(biāo)包含的子指標(biāo)在指標(biāo)集上全部出現(xiàn)（即m=n）

母指標(biāo)與子指標(biāo)的關(guān)系表達(dá)式為 s=f（y1，y2，…yn），將需要的指標(biāo)值帶入公式計(jì)算即可。

b.母指標(biāo)包含的子指標(biāo)在指標(biāo)集上部分出現(xiàn)（即m＜n）

母指標(biāo)與子指標(biāo)的關(guān)系表達(dá)式為 s=f（y1，y2，…ym，b1，b2，…bn-m）。

四、基于不同指標(biāo)轉(zhuǎn)換的河流健康評(píng)價(jià)

1.確定指標(biāo)集

我們從河流的水文、水質(zhì)、物理結(jié)構(gòu)、河岸質(zhì)量、水生生物、防洪和水資源利用等7個(gè)方面的內(nèi)容篩選出每個(gè)尺度上相對(duì)最重要的10個(gè)指標(biāo)來(lái)說(shuō)明這個(gè)關(guān)系問(wèn)題，所選指標(biāo)見(jiàn)表1。

2.評(píng)價(jià)方法的簡(jiǎn)單介紹

我們采用健康評(píng)價(jià)中最常用的綜合評(píng)價(jià)法來(lái)對(duì)評(píng)價(jià)中各尺度之間的關(guān)系進(jìn)行闡釋,即先選取指標(biāo)，對(duì)其賦值，再對(duì)每個(gè)指標(biāo)值加權(quán)求和得到河段的綜合健康指數(shù),標(biāo)準(zhǔn)化后得到健康標(biāo)準(zhǔn)值，通過(guò)比較綜合健康標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)判斷各尺度河流健康程度的方法。

表1 各尺度河流特征指標(biāo)選取

QX為 X河段的健康指數(shù)值，QX，N為X河段的第N個(gè)指標(biāo)的取值（順序依上表）。WX為X河段占上一級(jí)河段的權(quán)重值。

設(shè)法在各尺度有關(guān)聯(lián)的Q之間確定聯(lián)系，可以大大地減小評(píng)價(jià)的工作量，還可以對(duì)尺度之間的關(guān)系有更清楚的描述。當(dāng)所有的Q值都確定后，再將其無(wú)量綱化，標(biāo)準(zhǔn)化，得到健康標(biāo)準(zhǔn)值Q′，利用眾多的Q′值就可以算出各尺度各河段的健康標(biāo)準(zhǔn)值，再對(duì)健康標(biāo)準(zhǔn)值做出相應(yīng)的劃分和界定，就可以得出河流健康狀況的評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.建立母子指標(biāo)的推導(dǎo)關(guān)系

（1）篩選不同尺度上的母子對(duì)應(yīng)指標(biāo)

①生物斑點(diǎn)—工程河段

物種種類(lèi)、物種數(shù)量（子）——物種多樣性（母）；

河岸帶植被種類(lèi) （子）——河岸帶植被結(jié)構(gòu)完整性（母）。

②工程河段—景觀河段

防洪能力（子）——防洪安全指數(shù)。

（2）建立母子指標(biāo)的推導(dǎo)關(guān)系

①生物斑點(diǎn)—工程河段

a.物種種類(lèi)、物種數(shù)量（子）——物種多樣性（母）

指標(biāo)介紹：

物種多樣性指數(shù)，表征河流生物種類(lèi)豐富程度，采用shannon-wiener指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

pi為物種i的個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的比例，n為物種數(shù)。

建立關(guān)系：

QCij，8=物種多樣性指數(shù)

b.河岸帶植被種類(lèi)（子）—河岸帶植被結(jié)構(gòu)完整性（母）

指標(biāo)介紹：

植被結(jié)構(gòu)完整性，表征河流岸帶植被結(jié)構(gòu)狀況。

植被結(jié)構(gòu)完整性=植被種類(lèi)／4，植被種類(lèi)大于4的等同于4。

建立關(guān)系：

QCij，10=植被結(jié)構(gòu)完整性=植被種類(lèi)總數(shù)

表2 工程河段綜合評(píng)價(jià)表

表3 景觀河段綜合評(píng)價(jià)表

表4 全河長(zhǎng)綜合評(píng)價(jià)表

②工程河段—景觀河段

指標(biāo)介紹：

防洪能力（子）——規(guī)定的防洪能力（補(bǔ)充）——防洪安全指數(shù)（母）。

防洪安全指數(shù)（FC）：反映河流防洪安全程度，指數(shù)越高越安全，最大為1。計(jì)算公式為：

當(dāng) Fi＞F0i時(shí)，令 Fi=F0i。 式中 n 為河流分段數(shù)；Fi為第i段實(shí)際防洪能力 （重現(xiàn)期）；F0i為第i段規(guī)定的防洪能力。

建立關(guān)系：

QBi，9=第 i個(gè)景觀河段的防洪安全指數(shù)

QCij，9=第i個(gè)景觀河段下屬的第j個(gè)河段的防洪能力

五、舉例說(shuō)明（以漢江為例）

漢江全長(zhǎng)1 577 km，與國(guó)外河流相比，屬大型河流。其上中下游無(wú)論是地形地貌、水文氣象、河道特征還是生態(tài)資源、水質(zhì)污染、水資源開(kāi)發(fā)利用狀況都各不相同，因而以它為例，進(jìn)行分尺度評(píng)價(jià)，其中利用到相同尺度的線性轉(zhuǎn)換。評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2～表 4。

1.景觀河段與工程河段劃分

按照地質(zhì)地貌特征將漢江上游劃分成8個(gè)景觀河段：

①源頭—勉縣，②勉縣—洋縣，③洋縣—安康，④安康—白河，⑤白河—丹江口，⑥丹江口—襄樊，⑦襄樊—鐘祥，⑧鐘祥舊口—漢口。

按照涉水工程 （閘涵、橋梁、碼頭、堤防加固、城市等）對(duì)漢江的影響狀況，找出了九冶治江大橋工程段，橋閘工程三橋工程段，漢中城區(qū)工程段等26個(gè)工程河段。

2.尺度間指標(biāo)值的分析計(jì)算

我們直接用上面的編號(hào)來(lái)表示相應(yīng)的河段。

為了便于計(jì)算處理，將所有指標(biāo)進(jìn)行賦值處理，賦值區(qū)間定為1～5，1為最差，2為比較差，3為一般，4為較好，5為好。最后算出健康標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)判斷河段與河流的健康程度，其中，1～2之間為不健康，2～3之間為一般，3～4 之間為亞健康，4～5 之間為健康。簡(jiǎn)便起見(jiàn)，將各河段視為等權(quán)重。工程河段評(píng)價(jià)表中，序號(hào)這一行同色的工程河段視為隸屬于同一景觀河段。

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