基于層次分析法-熵權(quán)法的河湖健康評(píng)估
——以無(wú)錫蠡湖為例

宋為威，鞠茂森

（河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心，江蘇 南京 210098）

河湖健康評(píng)估從水文水資源、物理結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、生物和社會(huì)服務(wù)功能等多個(gè)層面對(duì)河湖進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)全面掌握河湖生態(tài)完整性狀況和社會(huì)服務(wù)功能狀況，找出存在的問(wèn)題和改進(jìn)的方法，為河湖管理提供基礎(chǔ)信息［1-2］。通過(guò)開(kāi)展河湖健康評(píng)估工作，對(duì)全面掌握河湖健康狀況、提升河湖管理與保護(hù)水平和促進(jìn)水生態(tài)文明建設(shè)有重要意義［3-4］。

1 區(qū)域概況

蠡湖，又名五里湖，地處江蘇省無(wú)錫市境內(nèi)，是太湖北部的一個(gè)內(nèi)湖，是典型的城市淺水型湖泊。湖泊東西長(zhǎng)約6 km，南北寬0.3～1.8 km，正常水位時(shí)湖體周長(zhǎng)約為21 km，面積約為86 km2，湖底高程0.5～15 m（吳鎮(zhèn)江基面，下同），以中部橫臥湖面的寶界橋?yàn)榻?，分別稱為“東鑫湖”和“西鑫湖”。蠢湖經(jīng)梁溪河閘、五里湖閘及支流與梅梁湖相通，通過(guò)曹王涇、長(zhǎng)廣溪等分別與京杭大運(yùn)河、貢湖相連接，湖周圍還有一些小河及斷頭浜，是一個(gè)既相獨(dú)立又與太湖相通的水體。

2 研究方法

2.1 層次分析法-熵權(quán)法

構(gòu)建湖泊健康評(píng)價(jià)體系，在選定指標(biāo)的基礎(chǔ)上，先確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。為加強(qiáng)權(quán)重確定的合理性和準(zhǔn)確性，采用層次分析法確定主觀權(quán)重，然后利用熵權(quán)法確定客觀權(quán)重，最后將主觀權(quán)重和客觀權(quán)重進(jìn)行耦合得到綜合權(quán)重。

2.1.1 層次分析法確定主觀權(quán)重

確定主觀權(quán)重，首先在結(jié)合蠡湖所處的自然環(huán)境狀況下，考慮水文、水質(zhì)、生態(tài)、服務(wù)功能，確定指標(biāo)層次及指標(biāo)體系，然后采用1～9 比例標(biāo)度法進(jìn)行相互判斷比對(duì)建立判斷矩陣。通過(guò)矩陣運(yùn)算，計(jì)算最大特征值和特征向量，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。若CR＜0.1，則通過(guò)檢驗(yàn)，特征值即為評(píng)價(jià)指標(biāo)客觀權(quán)重Pj，計(jì)算公式如下：

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征根；C1、R1為隨機(jī)一致性指標(biāo)；CR為平均隨機(jī)一致性比例；R1在1～9階矩陣取值分別為0、0、0.58、0.9、1.12、1.24、1.34、1.41、1.45。

2.2.2 熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

式中：rij為評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣的特征比值；Sj為評(píng)價(jià)指標(biāo)信息熵；Vj為評(píng)價(jià)指標(biāo)客觀權(quán)重。

2.2.3 AHP-熵權(quán)法確定綜合權(quán)重

在確定評(píng)價(jià)指標(biāo)主觀權(quán)重和客觀權(quán)重后，采用乘數(shù)歸一法計(jì)算綜合權(quán)重，計(jì)算公式為

式中：aj為AHP-熵權(quán)法確定的綜合權(quán)重；Pj為評(píng)價(jià)指標(biāo)主觀權(quán)重。

2.2 湖泊健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

湖泊健康源于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康，但不局限于生態(tài)系統(tǒng)的健康。根據(jù)蠡湖的水生態(tài)環(huán)境特征和社會(huì)環(huán)境狀況，結(jié)合湖泊健康評(píng)估國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐應(yīng)用情況，蠡湖的健康評(píng)價(jià)體系構(gòu)建更適用于多層次多指標(biāo)的指標(biāo)框架體系［5］。采用目標(biāo)層—準(zhǔn)則層—指標(biāo)層關(guān)系框架，依據(jù)評(píng)估指標(biāo)選取原則，結(jié)合蠡湖結(jié)構(gòu)類型、自然地理?xiàng)l件和所處區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，同時(shí)參考國(guó)外RCE、ISC等評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、國(guó)內(nèi)《河湖健康評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》（SL/T793—2020）的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，綜合其他河湖健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，提出能綜合體現(xiàn)蠡湖健康狀況的常用河湖健康評(píng)價(jià)指標(biāo)［6-7］。蠡湖健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以湖泊健康為目標(biāo)層，以水文、物理結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、生物、社會(huì)服務(wù)為準(zhǔn)則層，以水環(huán)境健康、生態(tài)健康、社會(huì)服務(wù)健康為目標(biāo)，分別選取了22項(xiàng)可以代表蠡湖健康狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)。指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

表1 蠡湖評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)果與討論

3.1 蠡湖健康調(diào)查分析

蠡湖保持在3.3 m 常水位，參照太湖最低生態(tài)水位2.9 m。由此可見(jiàn)，蠡湖完全滿足生態(tài)水位的要求。為保護(hù)蠡湖水質(zhì)，環(huán)湖32條主要支流均被閘斷，蠡湖的水體交換動(dòng)力因此受到極大的制約，外部補(bǔ)水只能依靠降雨，蠡湖聯(lián)通指數(shù)為0。近年以來(lái)，蠡湖始終保持3.3 m 的常水位，湖泊水域面積保持穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，蠡湖的湖泊面積萎縮比例賦分為100分。蠡湖岸線大約65%為生態(tài)護(hù)岸，植被覆蓋率高，賦分為95分；35%為硬質(zhì)護(hù)岸，無(wú)植被覆蓋，賦分為0分。蠡湖的入湖排污口建設(shè)均滿足“看得見(jiàn)，可測(cè)量，有監(jiān)控”的規(guī)范化要求，布局合理，違規(guī)開(kāi)發(fā)利用水域岸線程度賦分為100分。當(dāng)有多個(gè)水質(zhì)項(xiàng)目濃度均為最差水質(zhì)類別時(shí)，分別進(jìn)行評(píng)分計(jì)算，取最低值，蠡湖水質(zhì)優(yōu)劣程度賦分為71.10 分。通過(guò)計(jì)算，蠡湖營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為54.18，蠡湖水質(zhì)優(yōu)劣程度賦分為46.06分。根據(jù)2023年5月16日《蠡湖水質(zhì)調(diào)查報(bào)告（第5-10期）》數(shù)據(jù)，蠡湖溶解氧質(zhì)量濃度為8.96 mg/L，飽和度為107%，蠡湖水體自凈能力賦分為100 分。2021 年，蠡湖完成首次鳥(niǎo)類調(diào)查，調(diào)查選取了濕地公園內(nèi)渤公島、寶界湖濱、長(zhǎng)廣溪、金城灣4 個(gè)具有代表性的區(qū)域進(jìn)行，用一年時(shí)間，共記錄到鳥(niǎo)類16目47 科136 種，其中包括鶚、林雕、鳳頭鷹等國(guó)家二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生動(dòng)物12 種，水鳥(niǎo)狀況賦分為85 分。浮游植物密度為6 364萬(wàn)個(gè)/L，大型水生植物覆蓋度為1.2%。蠡湖一期全面整治以及后續(xù)的保護(hù)工作的開(kāi)展，蠡湖岸線目前沒(méi)有已利用生產(chǎn)岸線且全部恢復(fù)原狀。通過(guò)網(wǎng)上問(wèn)卷調(diào)查以及隨機(jī)發(fā)放問(wèn)卷，已有超過(guò)500 人次完成了問(wèn)卷調(diào)查，大部分民眾對(duì)于目前蠡湖現(xiàn)狀持滿意態(tài)度，部分群眾對(duì)水體水質(zhì)透明度等問(wèn)題表達(dá)了擔(dān)憂，公眾滿意度賦分為92。

3.2 AHP-熵權(quán)法的指標(biāo)權(quán)重確定

利用層次分析法確定海湖泊健康評(píng)價(jià)體系中各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。以準(zhǔn)則層權(quán)重確定為列，采取專家咨詢法，咨詢5 位行業(yè)專家，對(duì)準(zhǔn)則層子系統(tǒng)進(jìn)行打分，構(gòu)建判斷矩陣。

采用近似解法計(jì)算判斷矩陣的特征向量，然后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。通過(guò)計(jì)算得出，準(zhǔn)則層判斷矩陣H 的最大特征根λmax=5.325，CR=0.081 ＜0.1。該矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)，得到主觀權(quán)重值為PA=0.13，PB=,0.13，PC=0.086，PD=0.26，PE=0.394。再通過(guò)熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)信息熵確定信息權(quán)重，得到客觀權(quán)重VA=0.1146，VB=0.2201，VC=0.2475，VD=0.194，VE=0.2238。通過(guò)乘數(shù)合成歸一法得到準(zhǔn)則層的綜合權(quán)重aA=0.0904，aB=0.0987，aC=0.0641，aD=0.182，aE=0.5648。指標(biāo)層權(quán)重計(jì)算方法與準(zhǔn)則層一致，判斷矩陣及最大特征根均通過(guò)一致性檢驗(yàn)，最終確定蠡湖健康評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，見(jiàn)表1。

3.3 蠡湖健康評(píng)估

根據(jù)《河湖健康評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》（SL/T793—2020）進(jìn)行蠡湖的健康評(píng)價(jià)各指標(biāo)結(jié)果測(cè)算，計(jì)算結(jié)果如下表所示?？傮w而言，蠡湖在“水”和社會(huì)服務(wù)功能準(zhǔn)則層上各個(gè)分區(qū)的得分相對(duì)較高，而在生物準(zhǔn)則層方面的得分相對(duì)較低，見(jiàn)表2。參照導(dǎo)則的定義，將河湖健康狀況劃分為五類，分別為一類河湖（非常健康，90≤IRHI≤100）、二類河湖（健康，75≤IRHI＜90）、三類河湖（亞健康，60≤IRHI＜75）、四類河湖（不健康，40≤IRHI＜60）、五類河湖（劣汰，IRHI＜40）。

表2 蠡湖健康評(píng)價(jià)各準(zhǔn)則層測(cè)算結(jié)果

蠡湖健康狀況指數(shù)綜合得分為87.78，健康綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為“健康”，從準(zhǔn)則層來(lái)看，蠡湖作為城市景觀湖泊在社會(huì)服務(wù)層面的得分表現(xiàn)良好。蠡湖湖泊連通性差，造成了湖泊換水周期長(zhǎng)，水動(dòng)力不足，水體懸浮顆粒物多，最終導(dǎo)致了蠡湖透明度全年偏低。蠡湖水動(dòng)力不足，藻密度水平較高。蠡湖水草覆蓋度低且存在進(jìn)一步萎縮風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法與藻類競(jìng)爭(zhēng)成為初級(jí)生產(chǎn)者，不足以支撐蠡湖向草型清水生境穩(wěn)態(tài)的自然轉(zhuǎn)換。

4 結(jié) 語(yǔ)

湖泊生態(tài)健康直接影響區(qū)域水生態(tài)安全。基于層次分析法-熵權(quán)法湖泊健康評(píng)價(jià)可以較好反應(yīng)蠡湖健康水平的指標(biāo)權(quán)重，指標(biāo)體系不僅體現(xiàn)了各單項(xiàng)指標(biāo)差異，而且從準(zhǔn)則層和指標(biāo)層體現(xiàn)了湖泊健康特征。將主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的權(quán)重確定方法也提高了評(píng)價(jià)的科學(xué)性和精準(zhǔn)性。蠡湖健康狀況指數(shù)綜合得分為87.78，健康綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為“健康”水平，作為城市景觀湖泊在社會(huì)服務(wù)層面的得分表現(xiàn)良好，由于湖泊連通性差，生物準(zhǔn)則層得分較低，從而需要尋找合適的外部水源進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。建議今后繼續(xù)加強(qiáng)蠡湖管理保護(hù)，建立基于實(shí)時(shí)移動(dòng)監(jiān)測(cè)與駁岸河湖長(zhǎng)平臺(tái)有機(jī)結(jié)合的河湖健康管理一站式系統(tǒng)。