基于云模型的黑龍江上中游河流健康評(píng)價(jià)

耿 芳,董增川,徐 偉

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098)

河流是生物圈中的重要組成部分,在生物圈物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮著很多作用,也是人類社會(huì)生存和發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。黑龍江是中俄界河,其流域生態(tài)環(huán)境變化更是對(duì)兩國(guó)居民的生存、生產(chǎn)與發(fā)展有著直接影響。近年來,兩岸邊境地區(qū)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化速度加快,加上長(zhǎng)期以來治理與保護(hù)工作不到位,黑龍江流域的生態(tài)環(huán)境遭受了嚴(yán)重的干擾與破壞。2013年黑龍江流域發(fā)生特大洪災(zāi),中俄雙方均遭受巨大損失,再次提醒兩國(guó)應(yīng)進(jìn)一步深入研究解決黑龍江流域的河流健康問題,在界河流域的河流健康保護(hù)工作方面加強(qiáng)合作。而只有建立一個(gè)全面、客觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并采用科學(xué)的方法對(duì)河流健康進(jìn)行評(píng)估分析,才能做出合適的管理與保護(hù)方案[2]。因此,對(duì)國(guó)際界河進(jìn)行河流健康評(píng)價(jià)有利于更好地管理和保護(hù)國(guó)際界河,具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的河流健康評(píng)價(jià)方法眾多,應(yīng)用較為廣泛的有層次分析法、物元分析法、集對(duì)分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等[3]。遺憾的是這些方法均不能同時(shí)兼顧河流健康評(píng)價(jià)中不可避免的隨機(jī)性與模糊性。而新近發(fā)展起來的云模型通過期望、熵和超熵3個(gè)數(shù)字特征將模糊性與隨機(jī)性完全集成到一起,因此成為河流健康評(píng)價(jià)的優(yōu)選方法。喬丹穎等[4]曾將云模型引入水安全評(píng)價(jià)中,并用此方法對(duì)中運(yùn)河的水安全進(jìn)行評(píng)價(jià),且通過與已有的模糊綜合模型和集對(duì)分析模型比較,發(fā)現(xiàn)云模型是一種可行的評(píng)價(jià)方法。

本文以黑龍江上中游為研究對(duì)象,在借鑒和吸收前人理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過遙感影像分析、野外實(shí)際調(diào)研,針對(duì)黑龍江流域的特點(diǎn),建立了一套適合黑龍江上中游的河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)其2013年河流健康狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),并進(jìn)一步分析造成河流健康危機(jī)的主要原因,以期為流域的河流健康保護(hù)及管理提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.1 黑龍江上中游概況

黑龍江是中國(guó)第3大河流,跨中國(guó)、俄羅斯、蒙古國(guó)、朝鮮4個(gè)國(guó)家。它有南、北兩源頭,分別為額爾古納河與石勒喀河,兩源頭在中國(guó)黑龍江省漠河縣以西的洛古河村附近匯合。匯合點(diǎn)以下稱為黑龍江干流。干流的上中游大部分為中俄界河,長(zhǎng)度約為1 887 km,是世界上最長(zhǎng)的一條界河。下游全部在俄羅斯境內(nèi),在俄羅斯的尼古拉耶夫斯克注入韃靼海峽。本文結(jié)合工作實(shí)際情況,選取黑龍江上中游作為試點(diǎn)河段研究其河流健康評(píng)價(jià)。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的確定

河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)由一系列可衡量的動(dòng)態(tài)指標(biāo)構(gòu)成,這些指標(biāo)在能完整反映河流結(jié)構(gòu)和功能現(xiàn)狀的前提下,還需從社會(huì)服務(wù)功能的角度體現(xiàn)其河流健康態(tài)勢(shì)[5]。

針對(duì)黑龍江上中游地理?xiàng)l件、水體條件、生態(tài)環(huán)境狀況等自然條件,結(jié)合國(guó)內(nèi)外最近研究成果并咨詢國(guó)內(nèi)專家意見,篩選了河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的關(guān)鍵因子,最終構(gòu)建了比較全面的黑龍江上中游河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1),該體系分為4個(gè)層次,每一層又分別選擇能反映其主要特征的要素作為評(píng)價(jià)指標(biāo),以避免遺漏和重復(fù)。第1層是目標(biāo)層,以河流健康為總目標(biāo);第2層是控制層,包括河流自然環(huán)境系統(tǒng)和社會(huì)服務(wù)功能;第3層是準(zhǔn)則層,包括水文特征、形態(tài)特征、水體特征等,從各個(gè)角度反映黑龍江上中游的河流健康態(tài)勢(shì);第4層是指標(biāo)層,由河流封凍期、水利干擾程度、岸坡穩(wěn)定性指數(shù)、河流連通阻隔指數(shù)等16個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)組成。

表1 黑龍江上中游河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

目標(biāo)層 控制層 準(zhǔn)則層 指標(biāo)層

注:“+”表示越大越好;“-”表示越小越好。

a. 水文特征。黑龍江流域冬季寒冷,冬雪期長(zhǎng),每年封凍期長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月,對(duì)航運(yùn)及漁業(yè)都造成了一定的影響。此外,黑龍江流域當(dāng)前的筑壩、水電站建設(shè)等都顯著改變了河流的流速、流量等自然水文特性,從而影響河流功能的正常發(fā)揮。為此,采用封凍期、水利工程干擾2個(gè)指標(biāo)來反映河流水文狀況。

b. 形態(tài)特征。受來水來沙的影響,黑龍江流域河床演變劇烈而復(fù)雜,同時(shí),修筑水工建筑物等也會(huì)造成河床的變形。為反映黑龍江上中游形態(tài)特征,此項(xiàng)選取岸坡穩(wěn)定性指數(shù)、河流連通阻隔指數(shù)2個(gè)指標(biāo)。

c. 水體特征。水體特征能直接反映河流健康狀況。這項(xiàng)用適宜生態(tài)流量保證率、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率2個(gè)指標(biāo)來反映。

d. 生物特征、生態(tài)環(huán)境特征。這2項(xiàng)能夠反映黑龍江上中游河流系統(tǒng)自然演替及人類活動(dòng)對(duì)其作用的綜合結(jié)果。因此,分別用生物多樣性指數(shù)、植被結(jié)構(gòu)完整性指數(shù)和水土流失率、濕地保留率共4個(gè)指標(biāo)來反映。

e. 水資源開發(fā)利用水平。安全的河流還應(yīng)具有經(jīng)濟(jì)社會(huì)服務(wù)功能,通常表現(xiàn)在人類對(duì)水資源的開發(fā)利用上。為此,選取養(yǎng)殖覆蓋率、水能資源開發(fā)率、通航保證率、景觀資源開發(fā)率、供水保證率5個(gè)指標(biāo)來反映水資源開發(fā)利用水平。

f. 防洪安全。黑龍江流域由于氣候、地貌、土壤、植被等自然條件十分復(fù)雜,近年來洪水十分頻繁。因此,此項(xiàng)從防洪減災(zāi)保證率的角度反映河流健康態(tài)勢(shì)。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重的確定

根據(jù)國(guó)家和地方規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家和地方發(fā)展規(guī)劃的目標(biāo)和要求、現(xiàn)有研究成果以及現(xiàn)狀分析結(jié)果等確定了黑龍江上中游河流健康評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。一些指標(biāo)如河流封凍期、水土流失率等,可采用查閱歷史資料、遙感數(shù)據(jù)分析的方式來確定分級(jí)標(biāo)準(zhǔn);一些指標(biāo)如水利工程干擾程度、岸坡穩(wěn)定性指數(shù),則需采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查以及拍照對(duì)比的方式。結(jié)合國(guó)內(nèi)外河流健康等級(jí)分級(jí)情況,該標(biāo)準(zhǔn)將河流健康等級(jí)劃分為5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí),即Ⅰ(優(yōu))、Ⅱ(良)、Ⅲ(中)、Ⅳ(差)、Ⅴ(極差)(表2)。

為避免河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)的不確定性,采用組合賦權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重。組合賦權(quán)法是一種綜合主觀和客觀賦權(quán)結(jié)果的賦權(quán)方法,使評(píng)價(jià)結(jié)果更加真實(shí)與可靠[6]。先用層次分析法和熵值法分別從主觀和客觀角度計(jì)算黑龍江上中游河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的權(quán)重值,利用統(tǒng)計(jì)學(xué)中spearman秩相關(guān)系數(shù)對(duì)兩種方法賦權(quán)結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn),在兩者滿足一致性的基礎(chǔ)上,最后依照博弈論的均衡理論對(duì)兩者進(jìn)行合成,計(jì)算黑龍江上中游河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的組合權(quán)重值(表2)。

表2 黑龍江上中游河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重

2 基于云模型的河流健康評(píng)價(jià)方法

2.1 基于云模型的河流健康評(píng)價(jià)方法思路

在已確定評(píng)價(jià)指標(biāo)、指標(biāo)權(quán)重及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,基于云模型的河流健康評(píng)價(jià)方法思路如下:①確定云模型的3個(gè)數(shù)字特征;②將河流的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)帶入正態(tài)云發(fā)生器,生成該評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬于各個(gè)河流健康級(jí)別的確定度矩陣;③將該確定度矩陣乘以評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量ω,即得河流隸屬于各個(gè)河流健康級(jí)別的確定度向量,確定度最大值所在的級(jí)別即為該河流的河流健康級(jí)別。

2.2 云模型參數(shù)確定

云模型有期望Ex、熵En和超熵He3個(gè)基本數(shù)字特征。

可以根據(jù)下述方法確定云模型的3個(gè)數(shù)字特征:對(duì)于某個(gè)河流健康級(jí)別,若其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)具有上下邊界,形如[Bij,min,Bij,max],云的3個(gè)數(shù)字特征一般通過式(1)計(jì)算:

(1)

式中:Bij,max、Bij,min分別為第i個(gè)指標(biāo)、第j個(gè)級(jí)別的上、下邊界;Exij、Enij分別為第i個(gè)指標(biāo)、第j個(gè)級(jí)別的期望和熵;He為超熵,為常數(shù),可根據(jù)變量的模糊閾度進(jìn)行調(diào)整[7]。

對(duì)于單邊界限的情況,形如(-∞,Bij,max]或[Bij,min,+∞),可先根據(jù)數(shù)據(jù)的上下限確定其缺省邊界參數(shù)或期望值,然后再參照式(1)計(jì)算云的數(shù)字特征[5]。

2.3 云模型的確定度計(jì)算

讀取河流的實(shí)測(cè)值,代入正態(tài)云發(fā)生器可生成確定度矩陣U=[uij(x)]M×N。

對(duì)于越小越好的指標(biāo):

當(dāng)Exi1≤xi≤ExiN時(shí):

(2)

(3)

當(dāng)xi>ExiN時(shí):

(4)

對(duì)于越大越好的指標(biāo):

當(dāng)ExiN≤xi≤Exi1時(shí):

(5)

當(dāng)xi>Exi1時(shí):

(6)

當(dāng)xi

(7)

式(2)和式(5)即為正態(tài)云發(fā)生器。

根據(jù)上述方法計(jì)算出確定度矩陣U=[uij(x)]M×N后,必須對(duì)各個(gè)指標(biāo)的確定度向量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,令

(8)

然后，根據(jù)式(9)利用權(quán)重向量和標(biāo)準(zhǔn)化后的確定度矩陣計(jì)算河流健康綜合確定度向量v=[v1,v2,…,vN]，再結(jié)合最大確定度原則,判斷河流健康等級(jí)。

v=ωTU

(9)

3 黑龍江上中游河流健康評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 河流健康評(píng)價(jià)結(jié)果及成因分析

結(jié)合資料搜集的情況,將2013年作為典型年對(duì)黑龍江上中游河流健康進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]獲取2013年黑龍江上中游河流健康評(píng)價(jià)各指標(biāo)特征值,結(jié)合前文中介紹的正向云發(fā)生器,計(jì)算指標(biāo)的確定度，得到的確定度矩陣U見式(10)。

無論是什么原因?qū)е潞⒆拥哪ゲ?，只要我們?jiān)持一個(gè)接納的原則，孩子的問題就會(huì)迎刃而解！接納他們就是這樣獨(dú)一無二，與眾不同；接納他們不能像我們要求的那樣迅速反應(yīng)；接納他們很多習(xí)慣從開始養(yǎng)成的時(shí)候是我們沒有做好！改變親子之間的溝通模式，多給孩子一些空間和時(shí)間。

(10)

根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定度,對(duì)應(yīng)上文指標(biāo)體系分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),可以直觀全面地對(duì)黑龍江上中游的河流健康狀況進(jìn)行分析。由式(10)可知,黑龍江上中游水文特征層面中,河流封凍期對(duì)“差”級(jí)的接近程度相對(duì)大些,為0.68,這說明黑龍江中上游河流封凍期時(shí)間較長(zhǎng),基本在100～200 d范圍內(nèi),實(shí)際上該區(qū)域每年大約有5個(gè)月左右的冰封期,這是由其位于中高緯度寒冷地區(qū)的地理位置決定的。水利干擾程度對(duì)“良”級(jí)的接近程度較高,為0.81,說明該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境受水利工程的干擾程度較小。形態(tài)特征下的各指標(biāo)對(duì)“中”級(jí)的確定度較大,岸坡穩(wěn)定性指數(shù)、河流連通阻隔指數(shù)主要反映了河岸的穩(wěn)定和連通情況,表明該區(qū)域水利工程的建設(shè)對(duì)河流地理空間的穩(wěn)定性和連續(xù)性有輕微破壞。水體特征下的各指標(biāo)最大確定度出現(xiàn)在“中”、“差”等級(jí),這表明黑龍江上中游水體健康態(tài)勢(shì)并不樂觀。首先河道的生態(tài)流量得不到充分保證,這是因?yàn)楹邶埥饔虻纳鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)用水量增加以及水利工程的興建,改變了河流的水文情勢(shì)。其次,流域內(nèi)水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率不高,究其原因,一方面是黑龍江流域地理位置較偏,城市基礎(chǔ)建設(shè)緩慢,城市排水及工業(yè)污水得不到很好的處理；另一方面是松花江作為黑龍江流域最大的支流也是其最重要的污染源。生物特征下的生物多樣性及植被結(jié)構(gòu)完整性對(duì)“良”級(jí)的確定度均很大,說明這兩項(xiàng)指標(biāo)的安全態(tài)勢(shì)較好,反映了河流現(xiàn)有物種豐富,完整性較高。生態(tài)環(huán)境特征下的各指標(biāo)對(duì)“中”級(jí)的確定度較大。其中水土流失率和濕地保存率都反映了流域人類活動(dòng)對(duì)河流生態(tài)健康的影響。黑龍江中上游沿江平原區(qū)植被、濕地遭到破壞被開墾為農(nóng)田,導(dǎo)致該流域水土保持能力降低,水土流失還跟該區(qū)域的河床地質(zhì)條件及寒冷氣候有關(guān)。水資源開發(fā)利用水平下的養(yǎng)殖覆蓋率指標(biāo)和水能資源開發(fā)率、景觀資源開發(fā)率指標(biāo)基本上隸屬于“中”等級(jí),黑龍江流域的水資源極為豐富,水力動(dòng)能資源也較為集中。通航保證率對(duì)“優(yōu)”級(jí)的確定度較大,這是因?yàn)楹邶埥饔蛩槐容^穩(wěn)定,水量豐富,水深均在2 m以上,且河道比降小,是僅次于長(zhǎng)江通航里程的深水航道。供水保證率對(duì)“良”級(jí)的確定度較大。以上這些指標(biāo)值都反映了河流具有一定的社會(huì)服務(wù)功能水平。但黑龍江上中游防洪安全下的防洪減災(zāi)保證率指標(biāo)對(duì)“差”級(jí)的確定度非常大,為0.86,說明黑龍江流域河流防洪能力不能夠滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)的要求,亟需采取工程措施,進(jìn)一步提高防洪能力。最后,根據(jù)式(9)計(jì)算黑龍江上中游河流健康綜合確定度向量見式(11)。

v=[0.042,0.255,0.401,0.264,0.037]

(11)

因此,根據(jù)最大確定度原則,黑龍江上中游2013年河流健康等級(jí)為“中”。通過研究發(fā)現(xiàn),黑龍江上中游的河流健康狀況雖然整體上屬中等級(jí)別,但仍存在一些不可忽視的健康問題。綜上,人類不合理的生產(chǎn)活動(dòng)是造成河流健康狀況不斷惡化的主導(dǎo)因素。黑龍江上中游整體水質(zhì)尚好,但流域內(nèi)的一些支流卻受到嚴(yán)重污染并對(duì)部分河段造成影響;濕地圍墾、毀林毀草等造成流域內(nèi)濕地減少、水土流失問題嚴(yán)重;水利工程的興建對(duì)河床的沖蝕也極易導(dǎo)致河道演變,水土流失;而由于過量捕撈、水環(huán)境污染及流域生態(tài)破壞等因素,流域內(nèi)生物多樣性也有所減少[10]。

3.2 河流健康治理對(duì)策

如何對(duì)已經(jīng)受損的河流自然環(huán)境系統(tǒng)和社會(huì)服務(wù)功能進(jìn)行修復(fù),使河流保持可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)已經(jīng)成為兩國(guó)河流管理者和公眾面臨的重要問題之一[11]。針對(duì)黑龍江上中游河流健康問題,提出以下治理對(duì)策:

a. 加強(qiáng)各種水體污染源的控制。對(duì)流域內(nèi)的采金作業(yè)采取污染防治措施,加強(qiáng)船舶運(yùn)輸管理,同時(shí)要控制流域內(nèi)工業(yè)和生活污水的排放。

b. 抓緊時(shí)間采取切實(shí)有效措施進(jìn)行沿岸堤壩加固,加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)管理,防止新的洪水災(zāi)害發(fā)生。

c. 保護(hù)流域內(nèi)的植被、森林、濕地和土壤,嚴(yán)禁大規(guī)模毀林開荒,按計(jì)劃退耕還林還草，恢復(fù)濕地,建造防護(hù)林,嚴(yán)格控制因人為破壞而引起的水土流失。

d. 在節(jié)水體系建設(shè)的基礎(chǔ)上,對(duì)水利工程的調(diào)度方式進(jìn)行調(diào)整,實(shí)施生態(tài)調(diào)度,以滿足流域主要河段的生態(tài)需水要求,從而達(dá)到黑龍江流域水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的目的。

4 結(jié) 語

a. 針對(duì)黑龍江上中游實(shí)際特點(diǎn),在考慮河流自然環(huán)境系統(tǒng)和社會(huì)服務(wù)功能的基礎(chǔ)上,從7個(gè)層面選取了16個(gè)指標(biāo)構(gòu)建了黑龍江上中游河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并把河流健康分為“優(yōu)”、“良”、“中”、“差”、“極差”5個(gè)等級(jí)。

b. 根據(jù)建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用層次分析法和熵值法組合賦權(quán)的方法確定其權(quán)重,并利用云模型方法對(duì)黑龍江上中游2013年河流健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果為“中”。

c. 影響黑龍江上中游河流健康的主要因素主要包括工農(nóng)業(yè)開發(fā)、水利工程興建、過度開采等人類干擾活動(dòng),而河流健康治理可以在加強(qiáng)水污染治理、沿岸堤壩加固、退耕還林恢復(fù)濕地、水利工程生態(tài)調(diào)度等方面采取措施。

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