基于模糊數(shù)學(xué)的河流水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)模型

基于模糊數(shù)學(xué)的河流水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)模型

水生生態(tài)系統(tǒng)是自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。良好的水生態(tài)系統(tǒng)不僅可以保持其結(jié)構(gòu)的完整性和功能的穩(wěn)定性，而且能夠承受外部干擾，恢復(fù)其結(jié)構(gòu)和功能，并提供符合自然和人類需求的生態(tài)服務(wù)。河流是淡水資源和水生生物的重要載體,其水資源狀況具有明顯的周期性,且其生物多樣性具有適應(yīng)急流生境的特殊形態(tài)結(jié)構(gòu),群落結(jié)構(gòu)呈縱向連續(xù)性特征。由于水質(zhì)指標(biāo)在表征水環(huán)境質(zhì)量方面不能綜合反映水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,因而有關(guān)河流水生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的研究越來越受到關(guān)注。國外開展河流水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)工作方面,以美國、英國、澳大利亞、南非的評(píng)價(jià)實(shí)踐較具代表性。如美國,Karr于1981年提出以生態(tài)完整性指數(shù)(IBI)來評(píng)價(jià)河流水生態(tài)系統(tǒng)健康的方法(Karr,2000);英國采取對(duì)河流生態(tài)環(huán)境(主要包括背景信息、河道數(shù)據(jù)、植被類型、河岸侵蝕、河岸帶特征等指標(biāo))進(jìn)行調(diào)查的方式了解河流水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況;澳大利亞政府開展了用于監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)河流生態(tài)狀況及現(xiàn)行河流管理政策的“國家河流健康計(jì)劃”,并以AUSRIVAS為主要工具于1993年進(jìn)行了第一次全國水資源健康評(píng)價(jià)(Schofield&Davies,1996)。目前,我國的河流水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)工作還處于探索階段,國內(nèi)學(xué)者如張鳳玲等(2005)主要采用水質(zhì)理化指標(biāo)及部分生物指標(biāo),在流域尺度內(nèi)多以多指標(biāo)評(píng)價(jià)法對(duì)河流水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià);王強(qiáng)等(2014)以水量、水質(zhì)、水生生物、河岸帶、河道物理結(jié)構(gòu)為評(píng)價(jià)要素,采用模糊層次綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行了城市河流水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的研究;采用基于河流生境調(diào)查的方法對(duì)東河河流生境進(jìn)行了評(píng)價(jià)。遼寧省境內(nèi)有大小河流400余條,其中流域面積大于5000km2的河流17條,1000~5000km2的河流31條,100~1000km2的河流344條。張楠等(2009)采用主成分分析與相關(guān)性分析方法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了篩選,以改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)遼河流域河流水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià);惠秀娟(2011)采用主成分分析方法進(jìn)行指標(biāo)的篩選與指標(biāo)權(quán)重的確定,構(gòu)建了遼河干流水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。上述學(xué)者主要針對(duì)水環(huán)境和水生生物兩方面對(duì)河流水生態(tài)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),未考慮物理阻隔以及水資源開發(fā)利用狀況等其他方面的因素。本文從水文水資源、水環(huán)境狀況、河流的物理形態(tài)、生物狀況和社會(huì)環(huán)境等5方面綜合考慮影響河流生態(tài)狀況的因素,通過模糊評(píng)價(jià)得出遼寧省內(nèi)大中型河流水生態(tài)狀況,確定影響河流水生態(tài)狀況的主要因素,為遼寧省水資源保護(hù)提供技術(shù)支撐。1遼寧主要河流生態(tài)情況本文選擇遼河干流、渾河、太子河、大凌河、小凌河等12條河流進(jìn)行研究,這些河流涵蓋了遼寧省境內(nèi)的主要干支流,分別位于遼寧省的東部、中部和西部,基本能反映遼寧省大中型河流的主要水生態(tài)狀況。部分河流由于不同類型水工建筑物的阻隔,上下游水生態(tài)狀況存在一定差異性,因此將這部分河流以主要水庫為控制斷面分為上下游2個(gè)區(qū)段進(jìn)行評(píng)價(jià)。2評(píng)估方法2.1數(shù)據(jù)來源用于評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)為2012年各河流水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及1956-2010年長序列水文資料分析、各河流水生態(tài)現(xiàn)狀調(diào)查及水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果。2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取生態(tài)狀況評(píng)價(jià)是一個(gè)相對(duì)的概念,是相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)值而定的,因此水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)可以作為模糊問題來處理(謝季堅(jiān)和劉承平,2000;陳毅等,2011)。應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的方法建立水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)模型。式中,A為河流水生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)矩陣;W為評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣,W=W1,W2,…,W6;R為各指標(biāo)對(duì)各級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度矩陣,本指標(biāo)體系中將評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)水生態(tài)健康等級(jí)分為“優(yōu)、良、中、差、劣”5個(gè)級(jí)別。對(duì)于可計(jì)算的指標(biāo),采用模糊判別法,求出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的判別矩陣Ri,應(yīng)用降半梯形分布法建立。指標(biāo)分為5類,即m=5,單指標(biāo)模糊概率評(píng)價(jià)矩陣R中的隸屬度(i指標(biāo)發(fā)生j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的概率)通過線性函數(shù)來確定,按如下公式計(jì)算:(1)第1級(jí),即j=1,其隸屬函數(shù)為:(2)第2~4級(jí),即j=2~4,其隸屬函數(shù)為:將計(jì)算結(jié)果構(gòu)造隸屬矩陣R:對(duì)于定性識(shí)別的指標(biāo),采用專家判別法將其類別歸到其對(duì)應(yīng)的等級(jí)。2.3生態(tài)指標(biāo)體系的確定河流水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)主要根據(jù)水生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)、水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)分布及敏感生態(tài)問題,采用水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院2011年編制的《全國主要河湖水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)規(guī)劃》中推薦的評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇,主要包括水文水資源、水環(huán)境狀況、物理形態(tài)、生物狀況及社會(huì)服務(wù)功能5個(gè)方面、8項(xiàng)指標(biāo),詳見表1。2.4準(zhǔn)則層和指標(biāo)權(quán)重應(yīng)用層次分析法,結(jié)合專家咨詢,確定準(zhǔn)則層和指標(biāo)權(quán)重;通過咨詢生態(tài)、水文、環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面專家和水產(chǎn)部門專家,確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重。詳見表2。2.5評(píng)價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院2012年編制的《全國水資源保護(hù)規(guī)劃技術(shù)大綱(試行)》,評(píng)價(jià)采用的河流水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表3。3各河段約束性指標(biāo)研究河流中不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)河流水生態(tài)健康評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬情況見表4。渾江桓仁水庫以下、蒲石河、愛河和大洋河各項(xiàng)指標(biāo)較好,總評(píng)價(jià)為優(yōu);太子河葠窩水庫以上段為良好狀況;清河、小凌河和六股河總評(píng)價(jià)為中;遼河干流、繞陽河、渾河、太子河葠窩水庫以下段、大凌河總評(píng)價(jià)為劣。各河段對(duì)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度情況見圖1。渾江桓仁水庫以下、愛河、蒲石河等河段的約束指標(biāo)為縱向連通性;清河和太子河葠窩水庫以上主要約束性指標(biāo)為水資源開發(fā)利用程度和縱向連通性;遼河干流、繞陽河和大凌河白石水庫以下等河段的主要約束指標(biāo)為生態(tài)基流滿足程度和水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率;六股河主要約束性指標(biāo)為生態(tài)基流滿足程度;小凌河主要約束性指標(biāo)為生態(tài)基流滿足程度和縱向連通性;太子河葠窩水庫以下河段主要約束性指標(biāo)為水資源開發(fā)利用程度和水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率;渾河主要約束性指標(biāo)為水資源開發(fā)利用程度、生態(tài)基流滿足程度、縱向連通性和水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率。4水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)因素研究結(jié)果表明制約遼寧省主要河流水生態(tài)系統(tǒng)健康水平的主要因素是水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、縱向連通性和水資源開發(fā)利用程度以及流量變異程度。參考朱黨生等(2011)觀點(diǎn),提出改善遼寧省主要河流水生態(tài)系統(tǒng)狀況的措施。4.1城市污水處理及排放遼河干流、渾河、繞陽河、太子河葠窩水庫以下、大凌河等多流經(jīng)城市市區(qū),城市內(nèi)大量生活污水及工業(yè)廢水排入河道。為改善河流水質(zhì),應(yīng)加大對(duì)河道上游城市污廢水的治理力度,確保污水處理廠的規(guī)模能夠滿足廢水處理要求,并保證污水處理廠及各排污企業(yè)直接入河排污口出水水質(zhì)達(dá)到《遼寧省污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB21/1628-2008)相關(guān)要求。同時(shí)嚴(yán)格按照國家“三條紅線”要求,加強(qiáng)水功能區(qū)納污限排管理及各入河排污口的監(jiān)控,對(duì)未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)和限排總量要求的應(yīng)加大處罰整改力度,并且因地制宜對(duì)入河排污口處采取河道清淤治理和生態(tài)濕地建設(shè)等綜合治理措施。4.2降低河道水生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生阻隔的措施清河、渾河、愛河、蒲石河、小凌河、太子河葠窩水庫以上等河段已建或在建的水利水電工程的阻隔作用,對(duì)河流水生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性及完整性產(chǎn)生了較大影響。因此,應(yīng)改善河段上現(xiàn)有閘壩的調(diào)度運(yùn)行方案,對(duì)有條件的河段建設(shè)過魚通道,降低閘壩對(duì)上下游河流中水生生物阻隔的影響;必要時(shí),可采取人工增殖放流措施。4.3建設(shè)生態(tài)保護(hù)工程,降低下游水遼河干流、渾河、小凌河、六股河、繞陽河、大凌河白石水庫以下等河段目前枯水期河道水量均不能滿足河流最小生態(tài)流量要求,因此,應(yīng)結(jié)合位于上述河段干支流的清河水庫、柴河水庫、大伙房水庫、錦凌水庫、青山水庫和白石水庫等蓄水工程優(yōu)化工程調(diào)度運(yùn)行方式,并可在優(yōu)先利用本流域水資源仍無法滿足生態(tài)需水要求的情況下采取跨流域調(diào)水方式供給下游河道生態(tài)用水,提高河道生態(tài)基流滿足程度(王強(qiáng)等,2013)。4.4建立水資源高效利用體系清河、渾河、太子河葠窩水庫以下河段均存在水資源開發(fā)利用程度過高問題。應(yīng)按照水生態(tài)環(huán)境承載能力,引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,嚴(yán)格控制河流開發(fā)利用上限