基于免疫理論的河流健康預(yù)警研究

朱成立，任 姣(.河海大學(xué) 南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 20098；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 20098)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，在開發(fā)河流服務(wù)功能的過程中，人類社會也對河流進(jìn)行著取水、分流、河岸固化等活動。近些年來，人類對河流的開發(fā)利用規(guī)模越來越大，頻率越來越高，導(dǎo)致河流流態(tài)、水文循環(huán)過程、水生物結(jié)構(gòu)都遭受到了巨大的影響，河流生態(tài)系統(tǒng)在不斷退化[1-5]，進(jìn)而反作用于人類自身。河流生態(tài)系統(tǒng)存在的諸多問題受到了國家部門的密切關(guān)注，于2002年黃河水利委員會主任李國英對河流健康問題進(jìn)行了詳細(xì)研究，對河流生命、河流健康等概念進(jìn)行了定義，提高了河流健康、河流生態(tài)系統(tǒng)的社會關(guān)注度。美國、南非、澳大利亞等國先后建立了適應(yīng)本國的河流健康評價機(jī)制[7-10]，我國相關(guān)學(xué)者也開展了針對性的研究，主要集中于河流健康概念、評價指標(biāo)體系、河流運(yùn)行機(jī)制[11-14]等方面，主要是靜態(tài)評價和探討，而關(guān)于河流健康預(yù)警的研究仍然不足。

河流不僅與人類一樣具有生命，與血管在結(jié)構(gòu)、功能、力學(xué)、物質(zhì)交換機(jī)理上也存在著相似性[15]，當(dāng)人體面對外界干擾時，發(fā)揮主要作用維持人體健康的就是人體的免疫系統(tǒng)[16]。當(dāng)外界抗原侵入人體，免疫系統(tǒng)將通過應(yīng)答——識別——反饋——記憶等步驟消滅抗原、產(chǎn)生抗體。從免疫理論的角度出發(fā)，把河流類比于生命系統(tǒng)研究河流預(yù)警，當(dāng)外界因素干擾河流正常運(yùn)行時，河流的免疫系統(tǒng)開啟應(yīng)答反饋機(jī)制，同時人為對河流健康狀況進(jìn)行實(shí)時預(yù)警，輔助河流抵抗外界干擾、恢復(fù)自身健康，這對河流管理部門及時采取措施治理河流具有實(shí)際意義。趨勢外推分析預(yù)測在假設(shè)未來是過去和現(xiàn)在連續(xù)發(fā)展的結(jié)果，隨時間的變化呈一定的變化趨勢，通過函數(shù)對過去和現(xiàn)在的狀況進(jìn)行擬合，從而對預(yù)測目標(biāo)進(jìn)行預(yù)測。本文基于免疫理論構(gòu)建河流健康指標(biāo)體系，采用趨勢外推分析的方法建立河流健康預(yù)警模型，并對南京市七鄉(xiāng)河進(jìn)行實(shí)例分析，旨在探求一種合理的河流健康預(yù)警模型。

1 河流免疫機(jī)制

河流是一個與人體具有高度相似性的復(fù)雜系統(tǒng)，同樣也具有自己的免疫系統(tǒng)。在河流健康中發(fā)揮關(guān)鍵性作用的有以下4個方面：一是河岸帶、河床、調(diào)節(jié)工程；二是河流水體；三是水生生物；四是外部干預(yù)。通過對生物免疫系統(tǒng)多層防御結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)、研究、參考，把河流系統(tǒng)健康程度的影響因素作為構(gòu)成維持河流維持自身健康的四道防線，如圖1所示。

圖1 河流免疫系統(tǒng)的多層防線Fig.1 Multimedia layer defense line of river immune system

第一道防線是完整的生態(tài)河岸帶、河床及調(diào)節(jié)工程。作為河流系統(tǒng)的皮膚，生態(tài)河岸帶由土壤和植被構(gòu)成，具有對進(jìn)入河流的物質(zhì)進(jìn)行過濾滲透、吸收、滯留以及沉淀，削弱有毒物質(zhì)的毒性等功能，阻止外界污染物進(jìn)入河流、凈化水體，保護(hù)河流系統(tǒng)健康。

第二道防線是河流水體。水體具有自凈能力，污染物隨著物理作用沉淀、化學(xué)作用分解轉(zhuǎn)化，或者降低其的毒性，使得河流基本上或者完全恢復(fù)到污染前的狀態(tài)[18,19]。另外，通過流動的水流把水體中的污染物質(zhì)運(yùn)輸、稀釋，有利于污染物質(zhì)的進(jìn)一步分解轉(zhuǎn)化。就像河流的吞噬細(xì)胞一樣，能夠吞噬河流中的污染物質(zhì)，保護(hù)河流健康。

第三道防線是河流中的生物，包括水生動物、水生植物、微生物等。其中水生動物、植物利用它們的根系和軀體完成對水中污染物質(zhì)的“吸收、富集、降解”過程。而微生物在自身新陳代謝的作用下，將大分子有機(jī)物的污染物分解成穩(wěn)定的小分子無機(jī)物；發(fā)酵型微生物能夠減少惡臭氣體的產(chǎn)生[20,21]。這些作用都保證了河流系統(tǒng)的健康。

第四道防線是外部干預(yù)，包括人類活動與自然活動。河流系統(tǒng)作為生態(tài)系統(tǒng)中的一份子不能夠脫離自然與人類而單獨(dú)存在，人類與自然活動可以直接對河流系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，也可以間接提高河流系統(tǒng)應(yīng)對外界干擾的能力。適宜的人類活動不僅能夠引導(dǎo)河流向健康的方向發(fā)展，還能夠通過影響河岸帶、河床、水體及動植物、微生物等來間接地影響河流健康。

河流免疫系統(tǒng)四道防線進(jìn)行“應(yīng)答-識別-反饋-記憶”的免疫預(yù)警工作機(jī)制用流程圖的方式表達(dá)，如圖2所示。

2 河流健康預(yù)警指標(biāo)體系

2.1 預(yù)警指標(biāo)體系

遵從科學(xué)性、完備性、獨(dú)立性、可操作性和區(qū)域性的構(gòu)建原則，并充分考慮影響河流系統(tǒng)健康的各因素和河流系統(tǒng)四道免疫防線構(gòu)建預(yù)警指標(biāo)體系。具體指標(biāo)及其含義見表1。

圖2 河流系統(tǒng)的免疫機(jī)制圖Fig.2 Immune mechanism of river system

表1 河流健康預(yù)警指標(biāo)體系Tab.1 Warning index system for river healthy

續(xù)表1 河流健康預(yù)警指標(biāo)體系

注：括號內(nèi)為對應(yīng)指標(biāo)權(quán)重。

本文指標(biāo)權(quán)重的確定采用較為成熟的層次分析法，鑒于該方法具有一定的主觀性，再用熵權(quán)法對權(quán)重進(jìn)行修正，增加預(yù)警計算的科學(xué)性和可靠性。首先，參考相關(guān)文獻(xiàn)、規(guī)范，依據(jù)免疫理論分層次確定14個評價指標(biāo)，并由領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行打分，確定評價指標(biāo)重要性的水平矩陣；其次，對水平矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計算評價指標(biāo)的熵權(quán)，并結(jié)合層次分析法處理指標(biāo)矩陣獲得的指標(biāo)權(quán)重，計算指標(biāo)綜合權(quán)數(shù)；最后，根據(jù)熵的定義計算信息熵的距離，選取距離最小的評價方案。計算結(jié)果見表1。

2.2 預(yù)警模型及警限劃分

2.2.1預(yù)測方法

根據(jù)多年份的單項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)合層次分析與熵權(quán)法確定的免疫層的權(quán)重，得到4個防線的預(yù)警指標(biāo)，再利用差分法修勻數(shù)據(jù)，使非平穩(wěn)序列達(dá)到平穩(wěn)序列，根據(jù)差分特性，對于三階以內(nèi)的差分相等或大致相等的采用線性模型，對于差分環(huán)比相等或大致相等的采用指數(shù)曲線模型或修正指數(shù)曲線模型，通過不同的預(yù)測模型計算得到預(yù)測年份的防線預(yù)警指標(biāo)數(shù)據(jù)，通過對各防線預(yù)警指標(biāo)權(quán)重的計算、分配，得到河流生態(tài)健康綜合預(yù)警的預(yù)測值。

2.2.2計算公式

(1)多項(xiàng)式曲線外推模型的通式為：

(1)

(2) 指數(shù)曲線預(yù)測模型的通式為：

(2)

(3)修正指數(shù)曲線預(yù)測模型的通式為：

(3)

2.3 警限劃分

警限是將河流健康預(yù)警值劃分為不同層次，進(jìn)而判斷河流健康預(yù)警級別。本文采用歐式幾何空間的狀態(tài)空間模型進(jìn)行描述[22]，采用預(yù)警度進(jìn)行表征，預(yù)警度越低，河流健康越差。預(yù)警度表達(dá)式為：

(4)

式中：Fr代表第r層次的預(yù)警度；χi指r層防線下的指標(biāo)值；ωi為其權(quán)重。

由于預(yù)警指標(biāo)體系中各指標(biāo)的閥值上限為1 ，因此Fr無限趨近于1，結(jié)合當(dāng)前河流健康評價級別、國內(nèi)外其他領(lǐng)域預(yù)警警限劃分以及生物免疫機(jī)制，在河流最健康狀態(tài)(Fr=1)向下浮動25%作為預(yù)警最輕的等級，在此基礎(chǔ)上以0.25的容差共確定4個預(yù)警等級。分別為：“正常、黃色(輕度警戒)、橙色(中度警戒)、紅色(重度警戒)”分別與河流系統(tǒng)的4個狀態(tài)相對應(yīng)，即“健康、亞健康、疾病和嚴(yán)重疾病”狀態(tài)。如表2。

3 實(shí)例分析

論文選取槐泗河進(jìn)行河流健康預(yù)警。槐泗河位于揚(yáng)州市邗江區(qū)的鄉(xiāng)級河道，是邵伯湖下游支流，河流為東西走向，長10.69 km，流域面積為44.04 km2，是沿河居民灌溉、養(yǎng)殖等的重要水源，也承擔(dān)著容納生活生產(chǎn)污水的作用。在2004-2005年，揚(yáng)州市對槐泗河進(jìn)行了大規(guī)模的疏浚整治，此后每年進(jìn)行小范圍的維護(hù)管理，在2012年再次進(jìn)行疏浚整治，本文選取2004-2011年之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警分析。

通過查閱《邗江區(qū)統(tǒng)計年鑒》、《邗江區(qū)水資源公報》、《淮河流域水文資料》、《邗江區(qū)河道疏浚整治規(guī)劃》及相關(guān)文獻(xiàn)[23]，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研，運(yùn)用基于免疫理論的河流健康預(yù)警指標(biāo)體系和預(yù)警模型，對槐泗河2004-2011年的河流健康進(jìn)行預(yù)警分析，結(jié)合指數(shù)外推法對2012-2016年河流健康進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而針對性的提出河流治理的方向。

表2 河流健康預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)分級表Tab.2 Grading of river health early warning standards

3.1 預(yù)警計算

首先對槐泗河2004-2011數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別計算2004-2009年四個防線的預(yù)警數(shù)值，再利用差分法修勻數(shù)據(jù)，使非平穩(wěn)序列達(dá)到平穩(wěn)序列，根據(jù)差分特性，選擇線性預(yù)測模型、指數(shù)曲線預(yù)測模型或修正指數(shù)曲線預(yù)測模型預(yù)測2007-2011年的對應(yīng)預(yù)警數(shù)值，并驗(yàn)證預(yù)測模型的可靠性。根據(jù)計算結(jié)果(見表3、圖3)，擬合的曲線R2值都在0.95以上，相對誤差在5%以內(nèi)，擬合度高，模型預(yù)測可靠。

應(yīng)用預(yù)測模型對2012-2017年個防線預(yù)警數(shù)值進(jìn)行預(yù)測，并計算綜合預(yù)警值(表4)，從而對河流健康治理提出針對性建議。

表3 槐泗河2004-2011河流健康預(yù)警計算Tab.3 The river health warning of Huai Si river between 2004 to 2011

3.2 數(shù)據(jù)分析

結(jié)合表2、表3可以看出，經(jīng)過疏浚整治，在2005年槐泗河達(dá)到了正常(無警戒)的健康狀態(tài)。隨時間的推移，槐泗河的綜合預(yù)警數(shù)值呈現(xiàn)下降趨勢，從2008年起，槐泗河預(yù)警等級下降到黃色(輕度警戒)。從表4中的預(yù)測看，如果不對槐泗河進(jìn)行大規(guī)模的疏浚整治，2013年槐泗河將進(jìn)入橙色預(yù)警(中度警戒)，并于2017年達(dá)到重度警戒。可見，除了日常的健康維護(hù)，有針對性的疏浚整治對維護(hù)河流健康具有顯著作用。根據(jù)預(yù)測分析，槐泗河在疏浚整治過后的7年后河流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和部分功能遭到了輕度破壞，雖然系統(tǒng)無明顯的病癥但是卻正處于健康的邊緣狀態(tài)。

從時間變化分析，四道防線的預(yù)警值都隨時間變化逐年下降。作為河流的“皮膚”，防線一肩負(fù)著抵御外來干擾，維護(hù)河流健康的責(zé)任，也最先最易受到外來干擾的侵襲，因此防線一的預(yù)警指標(biāo)下降幅度最陡。而防線二和防線三主要為河流的水體和水生生物指標(biāo)，當(dāng)受到外界干擾時，指標(biāo)變化需要一定的反應(yīng)時間，因此下降幅度較防線一緩慢。防線四為人類對河流健康的外部干預(yù)，人為可控性性強(qiáng)，隨時間變化最為緩慢。四道防線隨時間變化的靈敏度，可以間接反映出治理河流的措施響應(yīng)程度。下降幅度越陡，則采取相應(yīng)治理措施后見效時間越短，對于時間敏感度低的防線，則應(yīng)在日常的河道管理中進(jìn)行維護(hù)。

注：圖中標(biāo)注*為預(yù)測年份圖3 槐泗河2004-2011河流健康預(yù)警Fig.3 The river health warning of Huai Si river between 2004 to 2011

表4 槐泗河2012-2017河流健康預(yù)警預(yù)測Tab.4 The river health warning forecast of Huai Si river between 2012 to 2017

4 結(jié)論與建議

本文通過構(gòu)建基于免疫理論的河流健康預(yù)警體系，采用指數(shù)曲線模型或修正指數(shù)曲線模型對揚(yáng)州槐泗河健康狀況進(jìn)行預(yù)測，從而定性定量的分析了槐泗河流健康變化趨勢，做出河流健康預(yù)警預(yù)報。研究表明：

(1)基于免疫理論的河流健康預(yù)警指標(biāo)體系的構(gòu)建科學(xué)、可靠度高，基于層次分析法得到的各指標(biāo)權(quán)重的分配科學(xué)、合理，基于趨勢外推法構(gòu)建的預(yù)警預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果符合實(shí)際變化趨勢。

(2)揚(yáng)州市槐泗河在預(yù)測期內(nèi)從輕度警戒逐步上升至中度警戒，并有發(fā)展到重度警戒的趨勢，在現(xiàn)有河流健康維護(hù)措施的基礎(chǔ)上，建議一定期限內(nèi)進(jìn)行針對性的疏浚整治或水質(zhì)水生物治理，否則河流健康將持續(xù)惡化，影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)安全。

針對槐泗河的預(yù)警分析，建議河道管理機(jī)構(gòu)采取以下措施改善河流健康發(fā)展趨勢，促進(jìn)槐泗河健康預(yù)警的警戒下降：

(1)定期對淮泗河河道進(jìn)行疏浚整治。結(jié)合表4的槐泗河河流健康預(yù)警預(yù)測，在河道瀕臨中度警戒之前，應(yīng)對槐泗河開展全面的疏浚整治，進(jìn)行清理河道底泥、加護(hù)岸坡、排沙植樹等一系列活動，綜合改善河流健康，保證淮泗河河道的生態(tài)健康。

(2)大力開展河道健康評估，密切監(jiān)管河道健康預(yù)警狀態(tài)。將河道健康狀況的評估常態(tài)化，將河道健康狀況的監(jiān)督常態(tài)化，將河道健康狀況的維護(hù)常態(tài)化，保證預(yù)警值達(dá)到或接近中度警戒時，能夠及時采取針對性的治理措施，協(xié)助河流四道防線，維護(hù)河流生態(tài)健康。

(3)加強(qiáng)日常管理，保障河流健康維護(hù)投入。將河流健康的隱患消滅在日常管理中，及時發(fā)現(xiàn)問題，及時處理問題，輔助河流抵御外界干擾。

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[1] Karr J R, Chu E. Sustaining Living Rivers [J]. Hydrobiology,2000,422/423:1-14.

[2] Poff L N，Allan D，Bain M B，et al. The natural flow regine，a paradigm for river conservation and restoration[J].Bioscience，1997,47：769-784.

[3] Aguiar F C，F(xiàn)erreira M T，Moreira I. Exotic and native vegetation establishment following channelization of a western Iberian river[J].Regulated Rivers: Research & Managment, 2001,17：509-526.

[4] Chovanec A, Schiemer F, Waidbacher H,el al. Rehabilitation of a heavily modified river section of the danube in vienna(austria):biological assessment of landscape linkages on different scales[J].Internet Rev Hydrobiol，2001,87：183-195.

[5] Norris R H, Thoms M C. What is river health?[J].Freshwater Biology,1999,41(2):197-209.

[6] 李國英.黃河治理的終極目標(biāo)是“維持黃河健康生命”[J].人民黃河,2004,26(1):1-2.

[7] T J 森特納，朱慶云. 美國《清潔水法》的公眾參與要求辨析[J]. 水利水電快報,2011,(5):1-4,27.

[8] 吳阿娜. 河流健康評價：理論、方法與實(shí)踐[D].上海：華東師范大學(xué),2008.

[9] An K G, Park S,Shin J Y. An evaluation of a river health using the index of biological along with relations to chemical and habitat conditions[J].Environment International,2002,28(5):411-420.

[10] 劉 瑛,高甲榮,崔 強(qiáng),等. 4種國外河溪健康評價方法述評[J]. 水土保持通報,2009,(3):40-44.

[11] 曾小瑱,車 越,吳阿娜.3種河流健康綜合性評價方法的比較[J]. 中國給水排水,2007,(4):92-96.

[12] 王韶偉,徐勁草,許新宜. 河流生態(tài)修復(fù)淺議[J]. 北京師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,(Z1):626-630.

[13] 蔡慶華,唐 濤,鄧紅兵. 淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其評價指標(biāo)體系的探討[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2003,(1):135-138.

[14] 杜 東,余 輝,李中強(qiáng),等. 河流水環(huán)境健康評價研究與展望[J]. 水科學(xué)與工程技術(shù),2013,(1):1-6.

[15] 韓玉玲,夏繼紅,嚴(yán)忠民,等.河道生態(tài)建設(shè)——河流健康診斷技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社,2012.

[16] 龔非力. 醫(yī)學(xué)免疫學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2003.

[17] 夏繼紅,嚴(yán)忠民.生態(tài)河岸帶的概念及功能[J].水利水電技術(shù),2006,37(5):14-17.

[18] Frimmel F H.Strategies of maintaining the natural purification potential of rivers and lakes[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2003,10(4):251-255.

[19] Vagnetti R, Miana P, Fabris M, et al. Self-purification ability of a resurgence stream[J]. Chemosphere, 2003,52(10):1 781-1 795.

[20] 黃文紅．淺談水體污染與自凈機(jī)制[J].江西水利科技,2000,26(4):222-224．

[21] 林 靜,謝 冰.復(fù)合微生物制劑在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用[J].上?；?2004,(12):7-11．

[22] 毛漢英,余丹林.環(huán)渤海地區(qū)區(qū)域承載力研究[J].地理學(xué)報,2001,56(3):343-351．

[23] 薄麗潔.槐泗河水環(huán)境整治預(yù)測評價研究[D]. 江蘇揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué),2012:16-21．