河流健康全指标体系的模糊数学评价方法

Abstract: A complete index system for river health assessment is established, which includes 36 indices in 5 aspects, i.e. hydrology, water quality, river geomorphology, biology characteristics and socioeconomic status. The river health condition is divided into 5 grades. The model for assessment is proposed based on Cauchy fuzzy theory, and membership degree function parameters are developed according to different assessment grades to make the assessment results of river health more reasonable. Keywords: river health; complete index system; fuzzy theory; assessment 河流健康评估作为一种管理工具，评估河流生态系统在自然力与人类活动双重作用下， 在长期演化过程中的完整性和可持续性， 以期在生态保护与水资源利用之间取得平衡， 对于 [1] 流域可持续管理及区域生态环境建设具有非常重要的意义 。近年来，各类河流健康评价指 标体系不断推出，如澳大利亚溪流状况指数（ISC）[2]、美国快速生物评价协议（RBPs）[3]、 英国河流栖息地调查(RHS) 方法[4]、欧盟水框架指令（WFD）[5]。我国也开始开展了河流健 康评价方面的研究，在黄河[6-8]、长江[9-11]、珠江[12]等流域先后开展的河流健康评价指标体 系研究具有代表性。 模糊数学评价方法是河流健康评价的方法之一， 对于增强评价结果的客 观性有一定的作用， 我国学者基于模糊数学原理， 分别建立了基于不同隶属度函数的模糊综 合评价模型，并以澜沧江、海河等为例进行了河流健康状况评价的应用[13-16]。但是，我国河 流健康评价工作与发达国家相比还存在很大的差距， 主要表现在未建立统一、 全面的河流健
Assessing method of the complete river health index system based on fuzzy theory
Zhang Jing1,2, Dong Zheren1, Li Yunsheng2
(1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038;2. Chinese Academy for Environmental Planningm, Beijing 100012 )
河流健康全指标体系的模糊数学评价方法
1，2 1 1 2
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Leabharlann Baidu
张晶 董哲仁 孙东亚 李云生 （1. 中国水利水电科学研究院，北京 100038; 2. 环境保护部环境规划院，北京 100012） 摘要：为评价河流生态系统的健康状态，构建了包括水文特性、水质特性、河流地貌特 性、生物特性和社会经济特性5方面、含36项指标的全国河流健康评价全指标体系，并 将每个指标的健康状况分为5个级别；文章提出了基于柯西分布的模糊评价模型，并对 指标值处于不同健康状况级别的模型参数进行区分， 可以更合理地评价不同级别的健康 状况。 关键词：河流健康 模糊评价 全指标体系 中图分类号： 文献标识码：
基金项目：水利部公益性行业科研专项经费项目（200801023）, 水利部现代水利科技创新项目（XDS2008-03） 作者简介：张晶（1981-），女，江苏泰兴，博士生，主要从事河流生态修复和河流健康评价方面的研究工作。 E_mail:zhangjing.iwhr@gmail.com
康评价指标体系， 评价方法存在一定的缺陷， 从而难以使河流健康评价真正纳入到流域生态 保护与管理工作之中。 本文构建了适用于全国的、包括水文、水质、地貌、生物和社会经济五个方面的河流健 康全指标体系，对传统的隶属函数进行了改进，建立了基于模糊数学原理的评价模型。 1 构建河流健康全指标体系的必要性 河流生态系统是由系统内各要素相互依存和制约而形成的整体， 同时又与系统外界环境 紧密联系，基于此，河流健康评价时首先需要建立河流健康全指标体系，全面考虑对河流生 态系统有影响的各方面要素。建立全指标体系时需要重视的问题为： (1) 河流健康评价既要保护河流生态系统的完整性和可持续性， 又要满足水资源可持续 利用的社会经济需求。 根据我国国情， 我国河流的兴利与防洪要求比较突出， 河流要为供水、 灌溉、发电、航运、旅游等目标服务。因此河流健康概念应该包含对于人类合理开发河流现 实的承认， 寻求在保护河流生态系统与开发利用水资源之间取得平衡， 实现生态保护与经济 发展的双赢。 (2) 河流健康评价应建立统一的准则，进而对不同河流因地制宜制定细则。河流健康评 估作为一种管理工具，应该在全国建立统一的准则。英国、澳大利亚等国均已建立了全国性 的、统一的河流健康评估体系，便于自上而下的管理。同时，由于我国幅员辽阔，各流域的 自然条件不同，经济社会发展水平各异，应在全国统一准则框架下，经过调查、论证因地制 宜地制定符合流域、地区自然及社会经济条件的健康评估细则。 (3) 河流健康评估指标体系应包括生态和社会两个方面。对我国大多数河流而言，河流 是自然的河流，也是社会的河流。健康的河流其自然功能和社会功能均能兼顾，河流自身生 存发展和人类开发利用相对平衡， 因此河流健康表现为河流生态功能和社会服务功能两方面 的健康，用于判断河流健康状态的指标体系应能从这两个不同的方面反映河流的健康状态。 (4) 河流健康评估应全面反映河流生态系统的生物和生境特征， 包括水文、 水质、 地貌、 生物等方面。其中，水文评估区别于传统的理解，不仅是水量评估，还应包括水文过程评估, 特定的河流生物群落的生物构成和生物过程与特定的水文情势具有明显的相关性 [17]；水质 评估作为河流健康评估指标，可以不同程度地反映河流水流和水质变化、河势变化、土地使 用情况和岸边结构； 在水量与水质一定的情况下， 河流地貌特征与生物群落的多样性存在着 [18] 线形关系 ，影响着生物群落的结构和功能，因此对地貌的评价是生物评价的一个合理替 代；生物评估是指利用生物调查和其它地表水中生物直接监测方法来评估水体的状况。 2 河流健康评价全指标体系 2.1 全指标体系构建 基于河流健康的定义和内涵， 考虑影响河流生态系统的生境因素和人类活动因素， 本文 提出了包含水文、水质、地貌、生物及社会经济等 5 个方面 36 个指标的河流健康全指标体 系，如表 1 所示。河流健康全指标体系选择了具有主导作用、代表性和独立性较强的指标， 力图做到全面、客观、充分地体现河流健康的特征，同时也考虑了现有的监测技术水平、数 据的易获取性等。至于特定河流健康评价指标可从这 36 项指标中挑选适宜的指标来评价。 表 1 河流健康评价全指标体系 属性 层 水文 2 序号 1 指标 月均流量变化率 C11 年流量极值和持续时间 描述 该指标为 1～12 月各月流量平均值或中值的变化率几 何平均值：； 该指标为以下数据的变化率几何平均值：年度内 1 日、
3 4
年流量极值的发生时机 变化率 C13 高、低流量脉冲的频率 和持续时间变化率 C14 日间流量变化率和变化 频率 C15 最小环境需水量满足率 C16 地下水埋深 C17
5 6 7 8
水质类别 C21
9 主要污染物浓度 C22 水质 10 11 12 13 14 15 16 纵向连续性 C32 17 侧向连通性 C33 地貌
变化率 C12
3 日、 7 日、 30 日、 90 日平均最小流量， 年度内 1 日、 3 日、7 日、30 日、90 日平均最大流量，零流量的天 数，年均 7 日最小流量/年平均流量； 包括以下数据的变化率几何平均值： 年最大流量出现日 期、年最小流量出现日期； 该指标为以下数据的变化率几何平均值： 年低流量的谷 底数、年低流量的平均持续时间、年高流量的洪峰数、 年高流量的平均持续时间； 包括以下数据的变化率几何平均值：年均日间涨水率、 年均日间落水率、每年涨落水次数； 河流的枯水期最小流量与河道的最小环境需水量的比 值； 指地表上某一点至浅层地下水水位之间的垂线距离。 水质类别用于表征河流水体的质量， 根据考察河段水质 监测断面的污染物平均值、 依据 《地表水环境质量标准》 （GB3838－2002）评价，地表淡水水质按其使用功能 和保护目标分为Ⅰ～Ⅴ类； 影响河流健康的主要污染物包括总氮、总磷、浊度、电 导率、pH、叶绿素 a 等，取考察河段水质监测断面的平 均值。 在某河段水功能区水质达到其水质目标的个数（河长、 面积）占水功能区总数（总河长、总面积）的比例。 用综合营养状态指数表征； 某种污染物的年排放量与该水域纳污能力的比值； 指水体的温度。最重要的是水库的下泄水温，是指水库 建成后下泄水体的最大、最小月均温度； 河流水工程建设后下游水温恢复到满足下游敏感目标 要求天然温度的长度； 沿河流中线两点间的实际长度与其直线距离的比值； 指在河流系统内生态元素在空间结构上的纵向联系。 纵 向连续性可以用下式表达： C32=V/Q× 100％，V－河 道障碍物的径流调节库容；Q－多年平均来水量。 表征河流横向连通程度， 反映沿河工程建设对河流横向 连通的干扰状况。 侧向连续性可以用下式表达： C33= A1/ A2× 100％，A1－现状洪水淹面积；A2－自然洪水淹没面 积 反映地表水与地下水之间水力联系受人类的干扰程度， 体现水生生物多样性的改变程度。 可使用渗透系数 k 表 征河流垂向连通性，k 可通过物理试验获得。 岸坡稳定性受岸坡坡度和岸坡材料及其构造控制并与 植被条件有关。其整体稳定性可用抗滑安全系数来确 定，局部稳定性由表面土体抗侵蚀性来描述或度量。可 以定性地分为好、中、差等级别； 河流在现有气象、水文条件下，维持自身尺度、类型和
水功能区水质达标率 C23 富营养化指数 C24 纳污性能 C25 水温 C26 水温恢复距离 C27 蜿蜒度 C31
18 垂向透水性 C34 19 岸坡稳定性 C35
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河道稳定性 C36
剖面以保持动态平衡的能力。 长期来看是指以既不淤积 也不冲刷的方式输送其流域产生的泥沙及水流的能力。 可以定性地分为好、中、差等级别； 21 22 23 土壤侵蚀强度 C39 24 25 26 河岸带宽度 C310 物种多样性 C41 珍稀水生生物存活状况 C42 悬移质输沙量变化率 C37 天然植被覆盖度 C38 体为当前的水流输沙能力与参考状态下的水流输沙能 力的比率； 指天然植物（包括叶、茎、枝）在单位面积内植物的垂 直投影面积所占百分比； 地壳表层土壤在自然力（水力、风力、重力及冻融等） 和人类活动综合作用下，单位面积、单位时段内被剥蚀 并发生位移的土壤侵蚀量，以土壤侵蚀模数表示； 指河滨植被缓冲带的宽度； 物种的种类及组成，反映物种的丰富程度。用物种多样 性指数表征； 珍稀水生生物或者特征水生生物在河流中生存繁衍， 物 种存活质量与数量的状况。 可用珍稀水生生物数量增减 来定性判断； 指在目标区域内，是否造成出现外来物种、外来物种对 本地土著生物和生态系统造成威胁的影响程度。 可以定 性地分为低、中、高等级别； 从生物集合体的组成成分（多样性）和结构两个方面反 映生态系统健康状况。可以用鱼类 IBI 指数、底栖 IBI 指数来表示； 指现状河川径流量还原量与参考状态下还原量的变化 率； 某河段各类涉水疾病的综合传播阻断效果。 流域内各类生产与生活用水及河道外生态用水的总量 占流域内水资源量的比例关系； 指流域或区域内已开发的水能资源占总生态安全可开 发水能资源的比例； 指消耗于作物蒸腾的灌水量与由灌区渠首进入灌区的 灌水量之比值； 流域内用水量与流域的国内生产总值之比； 采用公众调查与专家评判相结合的方法， 定性的估测景 观舒适度； 特定的河流根据其自身具体情况需要增加的河流健康 指标，如采砂率、底泥污染程度、河流断流几率等。