CN106446586A - 基于自然与社会影响的河流健康评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自然与社会影响的河流健康评价方法，包括以下步骤：a.建立评价指标体系，确定评价因素集，b.根据建立的河流健康度评价指标标准及确立的河湖5级健康度，每一个等级对应一个模糊子集评价集；c.确定单因素隶属度函数；d.建立模糊关系矩阵；e.确定评级因素的模糊权重向量；f.模糊综合评价；g.对模糊综合评价结果进行向量分析。本发明不仅可以得出河流健康的综合评价结果，而且能够提供各个单项指标的健康程度，从而有助于流域管理者对流域水环境进行诊断，并实施准确有效的治理措施。

Description

基于自然与社会影响的河流健康评价方法

技术领域

本发明涉及水域监测领域，具体涉及一种基于自然与社会影响的河流健康评价方法。

背景技术

众所周知，水体的化学特征、物理生境与水体生物构成了河流生态系统的完整性。目前已有的研究基本上都是围绕这三方面完成对河流健康评价，并且可以分为三种类型：(a)基于单一的指示物种存在与否或特定化学指标的浓度；(b)基于生态功能完整性，以过程速率作为评价指标(例如植物的呼吸与光合作用速率)；(c)基于多项评价因子，结合水质，生物多样性与物理生境的综合指标来评价水环境的健康。其中，利用单一的指示物种的评价方法主要是基于指示物种具有反映环境压力的潜力，具体涉及到对特定的动物(大型底栖动物、鱼类等)和植物(浮游植物、底栖藻类)的分布与丰度进行研究。另一方面，基于生态功能完整性的研究主要是通过考察生物群落与外界环境之间的相互作用来间接对河流的健康状态进行评价[9]。而基于多指标的评价研究则是利用多方面的生态因子组合成一个综合的评价指数来描述河流的健康度。根据评价原理，基于多指标的评价研究又发展为两种不同的评价方法：预测模型法与多指标综合得分法。预测模型法主要是通过参照点建立生物组成(例如鱼类、大型底栖动物等)与环境因子之间的判别函数，比较实际采样得到的生物组成与模型预测的生物组成之间的差异来评价河流的受损程度。其中，英国的河流底栖动物预测与分类系统、美国的生物完整性指数与澳大利亚的河流评价系统是目前使用比较广泛的三种预测模型。多指标综合得分法则是使用既定的评价标准对河流的多项指标(生物、水化学及物理生境)进行打分，按照不同的指标对于河流生态系统的贡献与重要性对指标赋予一定的权重，以加权后的总分作为评价河流健康状况的依据。其中，澳大利亚的溪流状态指数与英国的河流生境调查为两种具有代表性的多指标综合得分法。

在美国环保署制订的快速生物评价方案里，水体的生物完整性被当作水体健康的终点。而且在许多成功的治污案例中，都发现有污染敏感生物种群在它们曾经一度消失的生态系统中恢复或重新出现的情况。值得注意的是，在自然环境中的各种因子之间的相互作用是非常复杂的，生物群落的分布与丰度受到多种因素的控制，包括来自捕食者的压力以及群落内部的动态变化。因此，用生物群落的分布与丰度来准确地衡量河流生态系统是非常困难的。过去的一些研究也表明，当生物群落受到适度的胁迫时，其生物多样性反而是最高的。另外，虽然预测模型法是目前应用很广泛的河流健康评价方法，但是它也有许多的局限。例如，在目前国内的环境状态下，我们很难找到原始的、完全没有遭到人类破坏的环境参照点。即使存在这样的参照点，也需要花费大量的时间和资金对参照点进行采样和数据收集。

发明内容

鉴于此，本发明以多指标综合评价法为基础，目的是提供一种基于自然与社会影响的河流健康评价系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种基于自然与社会影响的河流健康评价方法，包括以下步骤：

a.确定评价因素集，即n个评价指标，U＝{u₁,u₂,…,u_n}；

b.根据建立的河湖健康度评价指标标准及确立的河湖5级健康度，确定评价集V＝{Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}＝{很健康，健康，基本健康，不健康，很不健康}，每一个等级对应一个模糊子集评价集；

c.确定单因素隶属度函数；

其中，定性指标按下表确定隶属度值确定；

定性指标隶属度

d.建立模糊关系矩阵

用步骤c中的隶属函数求得第i个评价指标对于第j级健康度等级的隶属度r_ij，得到全体r_ij的集合构成的评价矩阵R；

e.确定评级因素的模糊权重向量

计算各因素的权重,建立各因素的权重子集W＝(ω₁,ω₂,ω₃,ω₄,ω₅)＝(ω_i),其中，

f.模糊综合评价

采用M(C,D)模糊复合运算计算综合评价结果；

N＝W·R＝{b₁,b₂,b₃,b₄,b₅} (14)

式中，b_j表示评价对象从总体上看对第j级健康度等级的隶属度；

g.对模糊综合评价结果进行向量分析

使用加权平均隶属度等级方法，用式(15)计算评价对象的健康度值；

进一步，所述的评价指标包括水体水质、水生生物、物理生境、水文条件和社会经济。

进一步，所述水体水质包括水质综合指数和富营养化指数；所述水质综合指数通过以下公式计算得出：

式中，G为模糊综合水质评价结果，指i种水质指标在第j类水质标准的隶属度的求和。

进一步，所述水生生物包括浮游生物多样性指数和底栖动物BI指数；所述浮游生物多样性指数采用香侬威尔多样性指数进行计算：

其中，Pi为ni/N，ni为第i种生物的个体数，S为总种类数；

所述底栖动物BI指数通过以下方法获取：

x_i为物种i的个体数；t_i为物种i的耐污值，n为物种总个体数。

进一步，所述物理生境包括土地利用系数、底质类型、河岸稳定性、河道形态、河岸植被；所述土地利用系数通过以下方法获取：p＝5×W₁+4×W₂+3×W₃+2×W₄+1×W₅

其中，p为土地利用系数，W₁为林地面积占流域总面积百分比，W₂为草地面积占流域总面积百分比，W₃为水域面积占流域总面积百分比，W₄为农村面积占总流域百分比，W₅为建设用地占总面积百分比。

进一步，所述水文条件为流速变化率；

其中，f为流速变化率，v₁为自然条件下参考流速，v₂为实测流速。

进一步，所述社会经济包括河流管理水平和河流利用水平。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

1、本发明从流域整体出发建立评价指标体系，综合考虑了涉及河流健康的全部生态过程；

2、本发明不仅可以得出河流健康的综合评价结果，而且能够提供各个单项指标的健康程度，从而有助于流域管理者对流域水环境进行诊断，并实施准确有效的治理措施；

3、本发明能够完美的与GIS软件进行结合，及时直观地反映流域内河流的健康状态；

4、本发明可以同时处理多点长周期的定性与定量监测数据，反映河流在时间和空间上的动态变化；

5、本发明适用性强，能够在不同流域内推广使用。

具体实施方式

以下将对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

一种基于自然与社会影响的河流健康评价方法，其步骤如下：

a.确定评价因素集，即n个评价指标,U＝{u₁,u₂,…,u_n}。

b.根据建立的河湖健康度评价指标标准及确立的河湖5级健康度，确定评价集V＝{Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}＝{很健康，健康，亚健康，不健康，很不健康}，每一个等级对应一个模糊子集评价集。

c.确定单因素隶属度函数。

其中，定性指标采用实地调查结合专家评判的方法确定隶属度，设计定性指标等级评价表，邀请河湖相关管理者、研究者及专家根据其标准确定评价对象健康状况，按表14确定隶属度值确定。

表14定性指标隶属度

d.建立模糊关系矩阵

用步骤(3)中的隶属函数可求得第i个评价指标对于第j级健康度等级的隶属度r_ij，得到全体r_ij的集合构成的评价矩阵R。

e.确定评级因素的模糊权重向量

计算各因素的权重,建立各因素的权重子集W＝(ω₁,ω₂,ω₃,ω₄,ω₅)＝(ω_i),其中，

f.模糊综合评价

采用M(C,D)模糊复合运算计算综合评价结果。

N＝W·R＝{b₁,b₂,b₃,b₄,b₅} (14)

式中，b_j表示评价对象从总体上看对第j级健康度等级的隶属度。

g.对模糊综合评价结果进行向量分析

使用加权平均隶属度等级方法，用式(15)计算评价对象的健康度值。

在本发明中,评价指标分为水体水质、水生生物、物理生境、水文条件和社会经济等如表1中五部分。

表1流域健康评价指标表

其中，所述水体水质包括水质综合指数和富营养化指数；

水质综合指数依据现有的水质监测数据进行选择，并以《国家地表水环境质量标准》(GB3838-2002)为基础建立评价标准。对某一监测点的水质级别可由下列公式计算得出：

式中，G为模糊综合水质评价结果，指i种水质指标在第j类水质标准的隶属度的求和。

水质综合指数的评价标准如下：

表2水质综合指数与河流健康的关系

富营养化指数的计算参考中国环境监测总站颁布的《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》中综合营养状态指数计算方法。

表3富营养化指数与河流健康的关系

浮游生物(浮游植物与浮游动物)的生物质量的采用香侬威尔多样性指数进行描述，计算公式为：

其中，Pi为ni/N；ni为第i种生物的个体数，S为总种类数。

表4多样性指数与河流健康的关系

底栖动物的生物质量采用BI指数进行描述，计算公式为：

x_i为物种i的个体数；t_i为物种i的耐污值；n为物种总个体数。

表5BI指数与河流健康的关系

土地利用系数：利用GIS获取了整个流域的土地利用类型面积，结合相应的公式计算出流域内的土地利用系数对土地利用水平进行评价(表6)。

p＝5×W₁+4×W₂+3×W₃+2×W₄+1×W₅ (4)

其中，p为土地利用系数，W₁为林地面积占流域总面积百分比，W₂为草地面积占流域总面积百分比，W₃为水域面积占流域总面积百分比，W₄为农村面积占总流域百分比，W₅为建设用地占总面积百分比。

表6土地利用系数与河流健康度的关系

河岸植被：采用QBR指数对河岸植被的质量进行评价(表7)。QBR指数由植被覆盖率、植被结构、覆盖质量以及河道改变情况4个方面组成。

表7河岸植被与河流健康度的关系

注：QBR指数的计算见附表1

河岸稳定性：从河岸侵蚀程度来描述河岸稳定性，具体的相对关系如下：

表8河岸稳定性与河流健康度的关系

河道形态：河道形态的健康度主要从河道渠化、疏浚程度和水工构筑物的建设程度等方面进行描述。

表9河道形态与河流健康度的关系

底质类型：通过实地采样判断水体的底质类型对水体内源污染的程度进行评价。具体的评价标准表10。

表10底质类型与河流健康度的关系

水文特征：通过河流下游的流速变化率来描述河流的水文特征。具体的计算公式如下：

其中，f为流速变化率，v₁为自然条件下参考流速，v₂为实测流速。流速参考值为自然条件下河流具备的流速，通过GIS模型获得。

表11流速变化率与河流健康度的关系

河流管理水平：主要从点源污染，生活垃圾以及河流的感官性状等方面对河流的管理水平进行描述。具体的评价标准如表12。

表12河流管理水平与河流健康度关系

河流利用水平：主要从河流在径流调节，景观以及农业等方面的表现对河流利用水平进行评价，具体的评价标准如表13。

表13河流利用水平与河流健康度关系

本发明采用基于自然与社会影响的多指标综合评价方法。该方法综合考虑了整个自然与社会因素对河流生态系统的影响，将河流生态系统划分成不同的部分来建立指标体系，分别从水体水质、水生生物、河流物理生境、水文特征以及社会经济等五方面建立指标体系，同时根据隶属度加权平均法建立评价模型对当前中国快速城市化条件下的水环境健康做出综合的评价。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种基于自然与社会影响的河流健康评价方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.建立评价指标体系，确定评价因素集，即n个评价指标，U＝{u₁,u₂,…,u_n}；

b.根据建立的河流健康度评价指标标准及确立的河湖5级健康度，确定评价集V＝{Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}＝{很健康，健康，基本健康，不健康，很不健康}，每一个等级对应一个模糊子集评价集；

c.确定单因素隶属度函数；

其中，定性指标按下表确定隶属度值确定；

定性指标隶属度

d.建立模糊关系矩阵

用步骤c中的隶属函数求得第i个评价指标对于第j级健康度等级的隶属度r_ij，得到全体r_ij的集合构成的评价矩阵R；

$R=\left[\begin{array}{cccc}{r}_{11}& r_{12}& ...& r_{15}\\ r_{21}& r_{22}& ...& r_{25}\\ ...& ...& ...& ...\\ r_{n1}& r_{n2}& ...& r_{n5}\end{array}\right]---\left(13\right)$

e.确定评级因素的模糊权重向量

计算各因素的权重,建立各因素的权重子集W＝(ω₁,ω₂,ω₃,ω₄,ω₅)＝(ω_i),其中，

f.模糊综合评价

采用M(C,D)模糊复合运算计算综合评价结果；

N＝W·R＝{b₁,b₂,b₃,b₄,b₅} (14)

式中，b_j表示评价对象从总体上看对第j级健康度等级的隶属度；

g.对模糊综合评价结果进行向量分析

使用加权平均隶属度等级方法，用式(15)计算评价对象的健康度值；

$B^{\′}=\frac{\underset{j=1}{\overset{5}{\Σ}}{b}_j\·j}{\underset{j=1}{\overset{5}{\Σ}}{b}_j}---\left(15\right).$

2.根据权利要求1所述的基于自然与社会影响的河流健康评价方法，其特征在于：所述的评价指示包括水体水质、水生生物、物理生境、水文条件和社会经济。

3.根据权利要求2所述的基于自然与社会影响的河流健康评价方法，其特征在于：所述水体水质包括水质综合指数和富营养化指数；所述水质综合指数通过以下公式计算得出：

$G=\frac{\underset{j=1}{\overset{6}{\Σ}}{\mathrm{jY}}_j}{\underset{j=1}{\overset{6}{\Σ}}{Y}_j}$

式中，G为模糊综合水质评价结果，指i种水质指标在第j类水质标准的隶属度的求和。

4.根据权利要求2所述的基于自然与社会影响的河流健康评价方法，其特征在于：所述水生生物包括浮游生物多样性指数和底栖动物BI指数；所述浮游生物多样性指数采用香侬威尔多样性指数进行计算：

$H=-{\Σ}_{i=1}^s\left(Pi\right)\left(\ln Pi\right)$

其中，Pi为ni/N，ni为第i种生物的个体数，S为总种类数；

所述底栖动物BI指数通过以下方法获取：

$BI=\frac{\Σx_i{t}_i}{n}$

x_i为物种i的个体数；t_i为物种i的耐污值，n为物种总个体数。

5.根据权利要求2所述的基于自然与社会影响的河流健康评价方法，其特征在于：所述物理生境包括土地利用系数、底质类型、河岸稳定性、河道形态、河岸植被；所述土地利用系数通过以下方法获取：

p＝5×W₁+4×W₂+3×W₃+2×W₄+1×W₅

其中，p为土地利用系数，W₁为林地面积占流域总面积百分比，W₂为草地面积占流域总面积百分比，W₃为水域面积占流域总面积百分比，W₄为农村面积占总流域百分比，W₅为建设用地占总面积百分比。

6.根据权利要求2所述的基于自然与社会影响的河流健康评价方法，其特征在于：所述水文条件为流速变化率；

其中，f为流速变化率，v₁为自然条件下参考流速，v₂为实测流速。

7.根据权利要求2所述的基于自然与社会影响的河流健康评价方法，其特征在于：所述社会经济包括河流管理水平和河流利用水平。