（水利水电工程专业论文）河流健康评价指标体系及权重模型研究.pdf

摘要 摘要 河流是生命之源、文明之源。人们常根据河流自身的发育和为人类服务的特 性赋予其生命。当今世界，在经济社会发展的进程中，大多数河流都面临着人类 不恰当活动的干扰，很多河流出现了健康问题，这些问题越来越严重地威胁着 人民群众的生命健康和财产安全，制约着我国经济社会的可持续发展。 针对以上问题的出现，本论文在参考国内外研究成果的基础上，建立了河流 健康评价指标体系和河流健康评价权重模型，并进行了实例研究。现对全文总结 如下： 1 综合分析了国内外河流健康评价指标体系相关研究成果，提出了论文的 研究背景、研究的目的和意义、研究方法以及技术路线。 2 介绍了河流健康的内涵和特点、国内外河流健康评价指标的建立，为本 论文建立河流健康评价指标体系提供理论上的支持和指导。 3 阐述了河流健康评价指标体系建立的原则、评价指标建立的方法，并建 立了河流健康评价指标体系。 4 建立了基于博弈论的综合权重模型，用层次分析法和熵值法分析进行基 本权重计算，运用博弈论将两种方法计算出的权重进行融合、协调，用m a t l a b 软件进行计算求解。 5 以长江流域为实例，根据长江流域实际情况，建立了长江健康评价指标 体系，应用本文建立的权重模型进行评价计算。 6 对论文进行了归纳总结，指出今后的研究方向。 关键词：河流健康；评价指标体系；权重模型；博弈论：层次分析法；熵值法 a b s t r a c t t h er i v 盯i st l l es o 嘴o fl i f e 也e u r o fc i v i l i z a t i o n p p l co r 哪d e rt h e f i v e r 旬rt h e i ro w nd e v e l o p m e n ta n db 啪a ns e r v i o 船o ft l l 西rl i v c s 舀v mt o d a y s w o r l d ，i nt l ep r o c 髂so fc c o n o m i c 舳ds o c i a ld 刚叩m 锄t ，肿s tr i v e r sa r ec o n f 曲n 蜘 丽mm ei 1 1 a p p m p r i a t ea c t i v i t i e so f h 啪趾i n t 刊衙e i l 趾di n t i m i d a t i o n ，m a n yr i v e 搐 i nh e a l mi s s u e s ，w h i c hm c r e a 西n 舀ys e o u st h r e a tt op e o p l e sh e a l ma n dp m p e r t y ， c o i i s 仃a i n i n gc h i n a se c o n o m ym es u s t a i n a b l ed e v d o p m e n t ， a g a i l l s tt l l ea b o v cp r o b l e m s ，t h i sp 印c ri nr e f 音r 饥c ct od o m e s t i c 锄d 向而髓 r e s e a r c hr e s u l t s ，b a s e do nt l ei n d i c a t o r so fr i v e rh e a l t l le v a l u a t i o ns y s t e l i la 1 1 dn l e h e a l t l lo fd v e r sw e i g h tm o d d ，a n dc o n d u c t e dc 船er e s c a f c h s t h e c r i p ti s 飘l n l m a r i z e da s 0 1 1 0 w s ： 1 c o m p r c h c n s i v e 批1 a l y s i so fm ed o m c s t i ca i l di n t e m a t i o n a lh e a l mr i v 懿 e v a l u a t i o ns y s 把mr e s e a r c hr c s u l t s ，p r e s e n t e dat l l e s i so nt h es i g n i f i c a n c eo fp u r p o s e ， m e m o d o l o g ya f l dt e d m i c 出r o m e 2 1 n d u c er i v e r h e a l mc o n t c r i ta 1 1 df b a t u r e s ，d o m e s t i c 锄df o r c i 盟h 龃l t ho fm e r i v e r si nt 1 1 ee s t a b l i s h m e i l to fi n d i c a t o r s ，p 印e r _ b a s e di n d i c a t o r so ff i v e rh e a l t h c v a l u a t i o ns y s t 锄t op r o v i d et h e o r c t i c a ls u p p o r ta 1 1 dg u i d 孤c e 3 i n t r o d u c er i v e f h e a l t he v a l u 撕o ns y s t 咖t oe s t a b l i s hm ep r i n c i p l ee s t 曲l i s h e d b ym em 甜l o do fe v a l u a t i o n 砌i c a t o r s ，e g t a b l i s hi n d i c a t o r so fr i v e rh e a l t h 黼a f c h s y s t e m 4 g a m eb 鹤e do n 也ee s t a b l i s h m e n to f ac o m p r e h e i l s i v ew e i 曲tr n o d e l 谢t ha h p 舭de n 加p ym e i l l o do fc a l c u i a t i o no ft l l ew e i 曲t sf o ru s i t l gg 蛐et h e o qt om e 帆 m 劬o d so fc a l c l l 王a t i n gt h ew e i 曲t sf o ri n t e 倒i o n ，0 0 0r d ! 【n a t i o n ，c a l 咖l a t c du s 吨 m a t u 出s o 脚a r es 0 1 u t i o n 5 a s 也ey a n g 七醵r i v e rf 醅e x 锄p l e ，a c c o r d i n gt o 也ea 曲l a is i t u 撕o ni nt h e y 锄g 乜er j v 盯a r e a t h ee s t a b l s l l i n e n to f t l l ey 锄g t z e m 、，盯h e a l t he v a l l l a o ns y 鲫咖， 龉t 曲1 i s h e db ym ea p p l i c a t i o no f t l l ew e i 曲tm o d e lt oe v a l u a t i o na r mc a l c i l l 撕o n 6 。t h cp 印e 璐w e 碍酬m m a r i z e dm a lf i l t i l r er 岱翎r c hd i 糟c t i k e y w o r d s ：h e a l t hr i v e r ；e v a l u a t i s ；t 锄；w 西g 蛳m o d d ；( 妇m et h e o r y ； a h p ；船叩y k w 目录 图表日录 圈1 1 论文技术路线图7 图3 1 河流健康评价指标构建思路2 2 图4 1 层次分析法指标体系图3 l 图4 2m a t l b 运行界面3 7 表2 1r c e 指标体系1 2 表2 2r b p s 指标体系1 2 表2 3i s c 指标体系1 2 表2 4 健康长江评价指标体系1 3 表2 5 健康长江评价指标1 4 表2 6 黄河健康表征指标体系1 5 表2 7 珠江流域河流健康评价指标体系一1 5 表2 8 上海地区城市河流健康评价体系( i 瓜h a ) 1 6 表2 9 城市河流生态系统健康评价指标1 6 表2 1 0 河流健康生命评价指标体系1 7 表2 1 l 河流健康评价指标1 7 表2 1 2 河流健康综合评价指标体系1 8 表3 1 河流健康评价指标2 2 表3 2 河流鱼类生物完整性指数及赋分标准2 3 表3 t 3 河岸栖息地状况评价标准2 4 表3 4 河流健康指标评价标准2 7 表3 5 河流健康水平评价标准2 8 表4 11 9 标度定义表3 l 表4 _ 2 平均随机一致性指标3 2 表5 1 长江健康评价指标体系4 3 表5 - 2 长江健康评价基本数据4 4 表5 3 长江健康单项指标评价值4 5 表5 4 指标权重计算表( 层次分析法) 4 6 表5 5 指标权重值( 层次分析法) 4 8 m 目录 表5 6 指标权重计算表( 熵值法) 4 9 表5 7 指标权重值( 熵值法) 4 9 表5 8 指标权重值( 基于博弈论综合权重法) 5 1 表5 9 状态层评价值5 2 表5 1 0 系统层评价值5 2 表5 1 l 目标层评价值5 2 l v 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 盔尘篓：缝 m 孑年牛月哆日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 垄蔓! 滏 y 。缉l f 月哆日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景及意义 河流是生命之源、文明之源。人们常根据河流自身的发育和为人类服务的特 性赋予其生命。当今世界，在经济社会发展的进程中，大多数河流都面临着人类 不恰当活动的干扰，很多河流出现了健康问题。从2 0 世纪7 0 年代以来，发达国 家在维护河流健康方面进行了多方面的理论研究和实践探索。2 0 世纪末以来， 我国也开始关注从河流健康状况视角保护河流，在河流健康评价指标体系、河流 健康状况评价方法学、河流的可持续管理方面开展了一些研究工作，尤其是长江 水利委员会、黄河水利委员会、珠江水利委员会等在河流健康方面做了很多工作， 取得了许多研究成果。 随着我国经济社会的发展和城市化进程的加快以及人口的迅猛增加，用水量 和污水排放量不断增加，再加上人们对河流的过度开发( 实践证明：一个流域的 水资源开发利用程度达到4 0 一5 0 ，就会出现水体自净能力降低、水质变坏、 河口自然环境恶化等问题) 、水资源利用效率低和生态环境的严重破坏，从而 导致了许多河流出现了断流、水资源短缺、水环境恶化、河流洪涝灾害频繁、河 道萎缩、生物多样性锐减、水土流失等一系列问题的出现。这些问题对我国河流 的防洪安全、饮水安全、水环境安全形成了严峻的挑战，越来越严重地威胁着人 民群众的生命健康、财产安全和河流的健康，制约着我国经济社会的可持续发展， 因此，河流健康问题逐步引起人们的高度重视。 随着我国经济社会的飞速发展和人民群众物质生活水平的不断提高，在新的 治水思路以及各流域面临的新形势下，保护好、治理好、利用好水资源，为子孙 后代留下健康的河流，促进我国经济社会和生态环境的可持续发展，是摆在我们 面前一项紧迫而重要的任务。维护河流健康，促进人水和谐，是保障人类健康， 实现社会经济可持续发展的重要条件，河流健康评价指标体系的研究对我国河流 管理和修复工作将具有一定的理论意义和现实意义。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，因此在进行河流健康状况评价时，既要借 鉴国外的研究成果，又要结合我国河流的实际情况，从多角度考虑河流健康的内 河海大学硕士学位论文 涵，并经过调查、论证，因地制宜的制定符合流域自然条件及社会经济条件的评 价标准和评价指标体系口一。 1 2 河流健康评价指标国内外研究综述 1 2 1 国外研究状况 在世界经济的发展过程中，许多国家都遇到了河流断流、水环境恶化、水土 流失严重等问题，如何更好地研究和保护河流的健康，为此国外对河流健康状况 的指标体系及评价方法进行了多方面的理论研究和实践探索，形成了一系列各具 特色的指标体系和评价方法，其中以美国、英国、澳大利亚、南非的评价实践较 具有代表性。 k a r r 掣6 】提出了生物完整性指数( h l d e xo f b i o l o 西c 甜i n t e 鲥t y ，简称i b i ) ， 该方法着眼于水域生物群落的结构和功能，用1 2 项指标( 河流鱼类物种丰富度、 指示种类别、营养类型等) 评价河流健康状况。该方法包含了一系列对环境状况 改变较敏感的指标，从而对所研究河流的健康状况做出全面评价，但对分析人员 专业性要求较高。 p e t c r s c r i 等【7 】提出了农业景观区域河岸带与河道环境评价方法( r i 口撕髓 c h 黜e le n v i r 0 吣e n ti n v e l l t o r y ，简称r c e ) ，该方法用于快速评价农业地区河流 状况，包括河岸带完整性、河道宽深结构、河岸结构、河床条件、水生植被、 鱼类等1 6 个指标，将河流健康状况划分为5 个等级。该方法能够在短时间内快速 评价河流的健康状况，但该方法主要适用于农业地区，如用于评价城市化地区河 流的健康状况，则需要进行一定程度的改进。 美国环保署采用快速生物监测协议( r b p 。) i 引，该评价方法涵盖了水生附着 生物、两栖动物、鱼类及栖息地的评估方法。对于河道纵坡不同河段采用不同的 参数设置，每一个监测河段等级数值范围o 2 0 ，2 0 代表栖息地址质量较高。该 方法提供了河流藻类、大型无脊椎动物和鱼类的监测评价方法和标准。在调查方 法中包括栖息地目测评估方法，但是其设定“可以达到的最佳状态”的参照状况 比较难以确定。 w 啦蛳等【9 1 针对英国的河流提出了河流无脊椎动物预测和分类系统( 砌v 盯h l v 融e b r a l ep r e 击c i t i o na i l dc l 鹅s i f i c a t i o ns y s t e m ，简称r p a c s ) ，利用区域特征 预测河流自然状况下应存在的大型无脊椎动物，并将预测值与该河流大型无脊椎 2 第一章绪论 动物的实际检测值相比较，从而评价河流健康状况。该方法能较为精确地预测某 地理论上应该存在的生物量，但该方法基于河流任何变化都会影响大型无脊椎动 物这一假设，具有一定片面性。 r a 啪等【l o 】提出了河流栖息地调查方法( 鼬v 盯h 曲i t a ts u r v e y ，简称r h s ) ， 通过调查背景信息、河道数据、沉积物特征、植被类型、河岸侵蚀、河岸带特征 以及土地利用等指标来评价河流生境的自然特征和质量。该方法能较好的将生境 指标与河流形态、生物组成相联系，但选用的某些指标与生物的内在联系未能明 确，部分用于评价的数据以定性为主，使得数理统计较为困难。 s i m p s 蚰蛆dn o r r i s 等【l l 】提出了澳大利亚评价计划( a u s t r a l i a l l 鼬v e r a s s e s s m e n ts y s t e l l l ，简称a u s r i v a s ) ，针对澳大利亚河流特点，在评价数据的 采集和分析方面对r p a c s 方法进行了修改，使得模型能够广泛用于澳大利亚 河流健康状况的评价。该方法能预测河流理论上应该存在的生物量，结果易于被 管理者理解，但该方法仅考虑了大型无脊椎动物，并且未能将水质及生境退化与 生物条件相联系。 l a d s o n 等【1 2 】提出了澳大利弧溪流状态指数( m d e xo f s t r e 锄c o n d i t i o n ，简称 i s c ) ，构建了基于回流水文学、形态特征、河岸带状况、水质及水生生物5 方面 的指标体系，将每条河流的每项指标与参照点对比评分，总分作为评价的综合指 数。该方法将河流状态的主要表征因子融合在一起，而为科学管理提供指导，但 缺乏对单个指标相应变化的反映，参考河段的选择较为主观。澳大利亚的b r i e d e y 在1 9 9 4 年提出了河流形态结构框架( g e o m o r p h i cr i v e rs t y l e s 【1 川5 】) ，旨在强调 河流健康的物理结构和功能因子，并提供流域不同河段河流特征的基础调查以及 河流形态结构控制的评价程序。 r o w n t r e e 等1 1 6 提出了南非河流健康计划( r i v e rh e a l t hp r 0 掣a n l m e ，简称 褂 p ) ，该计划选择河流无脊椎动物、鱼类、河岸植被、生境完整性、水质、水 文、形态等7 类指标评价河流的健康状况。该计划较好地运用生物群落指标来表 征河流系统对各种外界干扰的响应，但在实际应用中，部分指标的获取存在一定 的困难。南非应用的河流地貌指数方法( i i l d e xo fs 订c a mg c o m o r l ) h o l o g y ，简称 i s g ) ，是南非河流健康评价计划的框架文件之一，内容包括两部分，即河流分类 和河流状况评估，在河流构成和特征描述中把尺度定位：流域、景观单元、河段、 河海大学颀士学位论文 地貌单元4 类。该方法重视野外测量和调查，包括调查测量河流断面的宽深比， 调查河流形态和栖息地指数等。提出按照水力学和河流本底值情况描述河段栖息 地多样性的方澍1 7 1 9 1 。 1 2 2 国内研究状况 2 0 世纪末以来，河流健康问题越来越引起人们的重视。为此，我国也开始 关注河流健康状况，在河流健康评价指标体系、河流健康状况评价方法学、河流 的可持续管理方面开展了一些工作，取得了许多研究成果。跃江水利委员会、黄 河水利委员会、珠江水利委员会等在河流健康方面做了很多工作，海河水利委员 会在河流生态修复和保护方面也进行了系统的调查和研究，松辽水利委员会在湿 地补水、改善生态系统方面进行了调查研究。 2 0 0 5 年长江水利委员会提出了“维护健康长江，促进人水和谐实旌意见”【2 】， 从生态环境功能和服务功能两个角度对长江健康评价指标体系进行了研究。 蔡其华等【3 l 对健康长江进行了研究分析，从生态环境保护系统、防洪安全保 障系统、水资源丌发利用系统三个方面对长江进行综合评价，根据目标和需要提 出了由总目标层、系统层、状态层和要素层4 缴1 4 个指标构成的健康长江评价 指标体系。 乇龙，邵东国，郑江丽，吴玉婷等【2 0 】对健康长江进行评价，根据科学性、代 表性、创新性等原则，运用主成分分析法和聚类分析法，构建了健康长江评价指 标体系，包括河岸稳定性、河床稳定性等1 9 个定量指标和水系连通性、河岸栖 息地状况和珍稀水生物存活状况3 个定性指标。给出了相应指标的量化评价方 法，并通过国内外相关研究成果的综合分析，提出了健康长江的评价标准及分类 标准，为维持河流健康理论发展提供了新方法。 林木隆、李向阳、杨明海等【4 】从自然属性和社会属性两个角度分析了珠江的 健康状况，并定义了河流形态结构、水环境状况、河流水生物、服务功能、监测 水平等五大类2 0 个指标及计算方法。 2 0 0 2 年，李国廿【5 t 2 1 1 从河流生命角度呼吁黄河所需基本水量，提出了“维持 黄河健康生命”的新理念，把维持黄河健康生命作为黄河治理的终极目标。河流 与人类文明发展相互关联，通过对河流生命的理念的论述，确立了河流的价值主 体地位。以黄河治理开发为例，形成了新世纪维持黄河健康生命的治河方略，从 4 第一章绪论 理论体系、生产体系、伦理体系三个不同的视角，阐述了这一崭新的治河理念的 内涵、目标及实现战略，并通过行政、法律、技术、工程、经济等具体措施，分 阶段、有步骤的实施“1 4 9 3 ”治河体系，构建人类与河流之间的和谐关系，从而 使黄河的健康生命得以恢复及维持。 刘晓燕等2 2 ，2 3 】构建了黄河健康生命的指标体系，从河流生命和河流健康的本 质出发，通过分析黄河自身、人类和河流生态系统的生存需要，认为连续的河川 径流、通畅安全的水沙通道、良好的水质、良性运行的河流生态和一定的供水能 力是现阶段黄河健康生命的标志，提高用低限流量、平摊流量、湿地面积等9 个 指示性因子具体表达健康黄河的标志，并给出了这些因子在未来小同阶段的量化 指标。 赵彦伟、杨志峰、姚长青等【卅在探讨黄河健康内涵的基础上，构建了黄河健 康评价框架，包括干流与支流健康，河源、上游、中游、下游与河口段健康，流 域社会经济与自然生态系统健康；建立了包括水质、水量、水生生物、物理结构 与河岸带等5 个要素的黄河健康表征指标体系；还提出宏观、中观与微观3 个层 次上的黄河河流修复内容，识别出黄河修复的优先行动领域。 张远、郑丙辉、刘鸿亮、王西琴等 2 习对河流生态系统健康进行了评价，以深 圳市的3 条河流为实例，对河流生态系统健康理论和评价方法进行了研究。建立 了以水化学和水生物指标为基础的河流生态系统健康评价指标体系，并确定评价 指标的等级标准。提出了基于模糊概率的河流生念系统健康评价方法，以反映河 流健康状况以及不同健康状况河段所占的比例。 u r h a 是针对上海区域特色及河流现状而建立的评价体系口6 1 ，从河流水文、 河流形态、河岸带状况、水质、水生生物等五个方面建立评价指标体系进行评价， 该方法比较适用于上海地区的城市河流健康评估。 耿雷华、刘恒、钟华平、刘翠善等2 7 1 从河流的健康内涵出发，立足于河流的 特性，考虑到河流的服务功能、环境功能、防洪功能、开发利用功能和生态功能， 借鉴国内外对健康河流的认知水甲，遵循科学、实用及简明的评价原则，构建单 一目标层、5 个准则层和2 5 个具体指标的健康河流评价体系，探讨性的提出了 健康河流的评价标准。并以澜沧江为例对建立的评价指标、评价标准和评价方法 进行了验证应用。 5 扣j 海人学硕士学位论文 李传哲、于福亮、秦大庸等2 8 1 构建了河流健康综合评价指标体系，构建了单 一目标层、4 个准则层和1 8 个评价指标，采用层次分析法对各指标进行研究， 确定水系连通性、洪水蓄泄能力、优良河势保持率、河道生态需水满足程度、水 质达标率和水生生物物种等6 项主要评价指标，最后应用模糊综合评价方法对长 江健康状况作出评价。 1 3 研究方法和技术路线 1 3 1 研究方法 河流健康评价的方法可以分为预测模型法和多指标综合评价法。预测模型法 首先通过选择参考点( 无人为干扰或人为干扰最小的样点) ，建立理想情况下样 点的环境特征及相应生物组成的经验模型，通过比较观测点生物组成的实际值 ( o ) 与模型推导的该点预期值( e ) 的比值，即o e 的值对其进行评价，比较 典型的方法如a u s r n ，a s 和r p a c s 等。理论上，o e 值可在啦l 问变化， 比值越接近1 则该点的健康状况越好【l l 1 3 ，”】。但是，预测模型法存在一个较大 的缺陷，即主要通过单一物种对河流健康状况进行比较评价，并且假设河流任何 变化都会反映在这一物种的变化上，因此，一旦出现河流健康状况受到破坏，但 并未反映在所选物种的变化上时，就无法反映河流真实状况，具有一定的局限性 【2 6 1 。早期的河流健康评价方法主要是采取预测模型法，由于其局限性，因此，本 论文采用多指标综合评价法。 多指标综合评价法是根据评价标准对河流的生物、化学以及形态特征指标进 行打分，将各项得分累计后的总分作为评价河流健康状况的依据。其中最具代表 性的为i s c 方法，它构建了包括河流水文特征、物理构造特征、河岸带状况、 水质参数、水生生物5 个方面，总共1 9 项指标的评价指标体系，通过对澳大利 亚维多利亚流域的8 0 多条河流的实证研究表明，i s c 方法的结果有助于确定河 流恢复的目标，评价河流恢复的有效性，从而引导可持续发展的河流管理。这一 方法是对河流各方面特征的综合评价，其结果更加全面、客观，是河流健康状况 评价的一种发展方向【，2 蝴“。评价指标的选择采用频率统计法、理论分析法、 专家咨询法等进行筛选。 根据一般河流的情况分目标层、系统层、状态层、指标层建立河流健康评价 指标，进行综合评价。现行的计算权重的方法很多，有主观赋权法和客观赋权法 6 第一章绪论 以及主客观赋权法，为了尽可能消除和避免由于主观或客观赋权所存在的片面性 而对评价结果产生不利影响，充分利用所获取的信息。本论文采用主客观结合的 赋权法基于博弈论的综合权重法，给各个指标赋予客观合理的权重，进行综合评 价。 1 3 2 技术路线 本论文技术路线如图1 1 所示。 l河流健康评价指标体系理论研究，借鉴国内 i 外研究成果，建立河流健康评价指标体系 i河流健康评价权重模型的建立，采用基于博 i 弈论的综合权重法给指标赋权，进行评价 r 实例研究，以长江为例，根据长江流域的实 际情况，建立了长江健康评价指标体系，并运用 建立的权重模型进行评价 分析评价结果，并针对分析存在的问题提出对 l 策，从而可以改善长江的健康状况 图1 1 论文技术路线图 1 4 主要研究内容 本论文共分六章，主要内容如下： 第一章是绪论。主要是对论文的研究背景和研究意义进行阐述，并对国内外 7 河海大学硕士学位论文 相关研究成果进行综述，充分借鉴已有的成果和根据目前的研究状况，提出了本 论文的研究方法、技术路线以及主要研究内容。 第二章是河流健康评价指标体系理论研究。该章主要进行了河流健康评价指 标体系的理论研究，介绍了河流健康的内涵和特点、国外河流健康评价指标的建 立、国内河流健康评价指标的建立。 第三章是河流健康评价指标体系。该章主要介绍了河流健康评价指标体系建 立的原则，评价指标建立的方法，经过频率统计法、理论分析法、专家咨询法等 方法建立了河流健康评价指标体系，并给出各个评价指标的含义，最后介绍了河 流健康的评价标准。 第四章是河流健康评价指标体系的权重模型。介绍了几种常用权重的确定方 法，根据几种方法的优缺点，最后选择了主客观赋权法基于博弈论的综合权重法； 同时介绍了基于博弈论的综合权重法的计算步骤和m a t l a b 软件，根据主观赋 权法( 层次分析法) 和客观赋权法( 熵值法) 分别计算出各指标的权重，运用博 弈论方法将两种方法计算出的结果进行融合、协调，最后得出最优的权重，基于 博弈论的综合权重法要运用m a t l b 软件在计算机上实现。 第五章是实例研究。介绍了长江流域的地理概况、河流水系、水文气象和社 会经济概况；根据长江流域的实际情况对河流健康评价指标体系进行了修改，建 立了长江健康评价指标体系，并运用第四章建立的评价模型进行分析、计算、评 价；得出评价结果并对结果进行分析，针对分析出存在的问题提出对策，从而可 以改善长江的健康状况。 第六章是总结与展望。归纳总结本论文的主要研究结论，指出研究的不足之 处，探讨今后研究的方向。 第二章河流健康评价指标体系理论研究 第二章河流健康评价指标体系理论研究 2 1 河流健康的内涵及特点 ( 1 ) 河流健康的内澍3 习 “河流健康”、“河流健康生命”是最近几年来热门的名词，尽管其涵义并不 很明确，但是从可持续发展看，对河流研究、河流保护有着积极的意义。“河流 健康”不是严格意义上的科学概念，而是一种河流管理的评估工具，其作用是建 立相对基准点和评估准则体系，对于在自然力和人类活动双重作用下的河流生态 系统状况进行动态评估，以研究其演进趋势并通过管理促其向良性方向发展 3 3 】。 河流健康作为人类健康的类比概念，其涵义尚不十分明确，河流健康的理论和方 法处于初步形成与发展阶段，还存在着很大的分歧，但是最终目标是实现人与河 流的和谐共存【3 6 1 。 中国工程院院士文伏波认为健康的河流既是生态良好的，又是造福人类的河 流，是水资源可持续利用的河流。中国工程院院士韩其为认为河流健康的涵义应 随着河流生命的阶段、社会发展、科学进步、人类对其功能的要求而变，不可能 用一些固定、通用的指标来要求，不同时期河流的功能是有差别的。中国科学院 地理科学与资源研究所陆地水循环与地表过程重点实验室的许炯心研究员则认 为河流健康应该有两重含义：既有自然意义上的河流健康，即河流自身的健康； 也有社会经济意义上的河流健康，即人一水关系的健康。中国水利水电科学研究 院的胡春宏教授认为河流健康是指河流系统在各种环境的影响下，河流系统自身 的结构和功能保持相对稳定状态，并具有可持续发展不断完善的特性，满足周边 环境( 包括人类社会发展) 的合理需求，其内涵主要包括河道、流域生念环境系 统和流域社会经济发展和人类活动等三个方面的健康。中国工程院院士华东师范 大学河口海岸国家重点实验室的陈吉余认为分析河流的健康应从两个方面来理 解：一个是自然河流的角度，另一个是以人为本，从社会需求的角度，二者结合 就成为人与河流和谐相处，才是健康的河流。黄委会主任李国英认为河流在满足 基本水量的前提下，具有稳定的河道、适度的洪水、清洁的水质、健康的流域生 态系统和持续的造物能力掣3 7 1 。 9 河海大学硬士学位论文 2 0 世纪8 0 年代，在欧洲和北美，开始了河流保护行动，人们认识到河流不 仅是可供开发的资源，更是地球生命系统的载体；不仅要关注河流的资源功能， 还要关注河流的生态功能。许多国家通过修改、制定法规，加强对河流环境和生 态的评价。在新的生态环境理念引导下，9 0 年代中期出现了“河流健康”的概 念，并很快得到澳大利亚、南非、欧洲和美国等国家的积极响应，随后又出现了 “生态势”和健康工作河流的概3 9 】。如一”1 将河流生态完整性当作健康； s i m p o n 【4 0 l 等认为河流生态系统健康是指河流生态系统支持与维持主要生态过 程，以及具有一定种类组成、多样性和功能组织的生物群落尽可能接近未受干扰 前状态的能力，把河流原始状态作为健康状态：n o r r i s 【3 4 】等则认为河流生态系统 健康依赖于社会系统的判断，应考虑人类福利要求：m e y 一“1 认为健康的河流系 统不但要维持生态系统的结构与功能，且应包括其人类与社会价值，在河流健康 的概念中涵盖了生态完整性与人类价值。 河流健康将河流自然生态特征维护与生态服务功能的持续供给协调起来，健 康的河流不但保持生态学意义上的完整性，还应强调对人类生态服务功能的发 挥。生态完整性与否直接影响生态系统的恢复能力，服务功能是生态系统管理的 重要目标之一，二者有机统一有助于实现河流生态系统的良性循环与服务的持续 供应，促进人与自然的和谐【4 2 ，4 3 1 。 长江委的观点【2 j ：按照以人为本、可持续的科学发展观的要求，健康的河流 是生态功能和服务功能的统一。健康的河流应在生态系统保护和服务功能的发挥 两方面达到辨证的统一，它应该既是生态良好的河流，又是造福人类的河流，不 仅应维持其生态功能，而且能可持续的满足人类经济社会发展对其服务功能的需 求，即当今经济社会的发展，不能以牺牲或损害子孙后代的发展条件为代价。健 康河流以水资源可持续利用为目标，能可持续利用的河流即为健康河流。 珠江委的观点【4 】：按照以人为本、人水和谐的治水思路，健康的河流是人类 经济社会发展和生态环境保护相协调的整合性概念。只注重河流的生态环境保护， 拒绝人类经济社会发展对其服务功能的需求；或者只注重河流的服务功能，忽视 对其生态环境的保护都是片面的、不完整的。健康的河流应是生态环境等自然属 性和服务功能等社会属性的辨证统一，它应该既是生态良好的河流，又是人水和 谐相处的河流。 l o 第二章河流健康评价指标体系理论研究 根据目前对河流健康状况的研究，普遍一致的观点是河流健康是生态功能与 服务功能的统一，河流健康不仅意味着生态学意义上的完整性，还要强调河流对 人类服务功能的正常发挥。 ( 2 ) 河流健康的特点 根据一般河流健康的内涵，健康的河流应具有以下的特点2 ，3 ，3 6 ，“，4 珂： 保持河流水生生物多样性，具有丰富的水生生物。珍稀和特有水生生物 能够生存繁衍；以鱼类为标志的生物多样性得到有效保护；经济鱼类的种群数量 得到较好的恢复。 河岸带具有良好的植被覆盖率、湿地保留率和河岸栖息地，水土保持得 到有效控制，水土流失率低，河岸带水景观舒适。 河流具有良好的恢复能力和自我维持能力，即对污染能稀释、降解，对 干扰能化解、排除，达到回归河流原生态的能力；水质能够满足水功能区水质目 标的要求；能够满足河道内生态需水。 要保持河岸、河床的稳定性，河流的上中下游、干支流、河湖的连通性 较好，能够满足水流连续性、通航、水生生物生境、防洪除涝等的需要。 具有足够的调蓄洪水空间和河道泄流能力，防洪工程措施达标率和非工 程措施完善率满足防洪安全需要。 合理开发利用水资源，使水资源以及水能资源开发利用率控制在生态与 环境能够承受的范围内，维持健全的供水、灌溉、发电、航运等诸多为人类利用 功能。 2 2 国外河流健康评价指标体系 国外对河流健康的研究较早，因此评价指标建立了很多种，例如k a 盯等提 出了生物完整性指数( i b i ) ，p c t e r s c n 等提出了农业景观区域河岸带与河道环境 评价方法( r c e ) ，美国环保署采用快速生物髓测协议( r b p 。) ，w r i 曲t 等针对 英国的河流提出了河流无脊椎动物预测和分类系统( r j v p a c s ) ，r a v e n 等提出 了河流栖息地调查方法( r h s ) ，s i m p s o na i l d n o f r i s 等提出了澳大利亚评价计划 ( a u s r i v a s ) ，l a d s o n 等提出了澳大利亚溪流状态指数( i s c ) ，r 0 w n t r e e 等提 出了南非河流健康计划( i m p ) ，南非应用的河流地貌指数方法( i s g ) ，每种评 价方法都建立了相应的评价指标。如表2 1r c e 评价指标体系【刀、表2 2r b p s 【8 ，4 6 】 河海大学硕士学位论文 评价指标、表2 3i s c 评价指标体系【1 2 - 2 6 j 。 表2 1r c e 指标体系 河道阻留结构 河道宽，深结构 河道沉积物 河岸结构 河流形态 河岸侵蚀 瑞典农业景观区域河岸带 石块底质 与河道环境评价方法( r c e ) 河床条件 指标体系 浅滩、深潭或曲流 河岸带外土地利用 河岸带状况河岸带宽度 河岸带完整性 河岸带植被 鱼类 水生生物木质碎屑 水生植被 大犁底栖动物 表2 2l m p s 指标体系 一级指标- 二级指标 生境指标河床表层生境，河床泥沙组成 流速及水深参数，河床稳定性 r b p 。指标体系河道干桔情况，河流形态变化 河岸浅滩特征，河岸冲淤，河岸植被，河岸带 宽度 生物指标水生附着生物，鱼类，人型无脊椎动物 表2 3i s c 指标体系 修正年平均流鼙偏差 河流水文 冈流域渗透能力变化引起的日流量变化 囡水电站建设引起的日流量变化 河岸稳定性 河流形态河床稳定性 河道内的物理生境 人为阻碍物对鱼类迂徙的影响 植被带宽度 澳大利亚溪流状况指数 结构完整性 ( i s c ) 指标体系 纵向连续性 河岸带状况 外来植被的覆盖状况 1 2 第二章河流健康评价指标体系理论研究 本十植被的重建状况 河岸湿地与洼地状况 总磷 水质 浊度 电导率 水生生物 s i g n a l a u s r i 、，a s 2 3 国内河流健康评价指标体系 我国对河流健康的研究也取得了许多成果，研究对象最多的是长江、黄河、 珠江。长江水利委员会、黄河水利委员会、珠江水利委员会等都建立了各自流域 的健康评价指标体系。 蔡其华等3 1 对健康长江进行了研究，建立了健康长江评价指标体系如表2 4 所示。 表2 4 健康长江评价指标体系 总目标层系统层状态层要素层 河道生态需水满足 程度 水质功能区水质达 水土资源和水环境状况标率 水土流失比例 血吸虫病传播阻断 蛊 生态环境保护系统 天然湿地率 维护健康 河流完整性与稳定性 优良河辨保持率 长江，促进 通航水深保证率 人水和谐 水系连通性 鱼类生物完整性指 水生生物多样性 数 珍稀水生动物存活 状况 防洪工程措施完善 防洪安全保障系统蓄泄能力 窒 防洪非_ t 程措施完 善率 水资源开发利用系统水资源开发利用现状水资源开发利用率 水能资源利用率 河海大学硕士学位论文 王龙、邵东国、郑江丽、吴玉婷等2 0 】对健康长江进行了研究，提出了不同 与长江委的健康长江评价指标，如表2 5 所示。 表2 5 健康长江评价指标 总体层系统层状态层指标层 河道生态需水罱满足程 度 水环境状况水功能区水质达标率 水十流失率 水景观舒适度 血吸虫病传播阻断率 生态保护 水生生物状况 鱼类生物完整性指数 珍稀水生动物存活状况 河岸稳定性 维护健康 河床稳定性 长江，促进 河流自然形态 水系连通性 人水和谐 河岸栖息地状况 湿地保留率 防洪安全保障蓄泄能力防洪_ t 程措施达标率 防洪1 f 工程措施达标率 水资源开发状况水资源开发率 水能资源开发率 人均生活用水茸 水资源开发利用系统 农田灌溉亩均用水量 水资源利用状况 万元g d p 用水量 通航水深保证率 综合供水保证率 综台灌溉保证率 李国英指出：维持黄河健康生命，就要是维持黄河的生命功能。黄河的生命 力主要体现在水资源总量、洪水造床能力、水流挟沙能力、水流自净能力、河道 生态维护能力等方面。“堤防不决口，河道不断流，污染不超标，河床不抬高” 是体现黄河治理终极目标的4 项主要标志【2 ，4 7 1 。 赵彦伟，杨志峰，姚长青掣2 4 1 对黄河进行了评价，建立了黄河健康表征指 标体系，如表2 6 所示： 表2 6 黄河健康表征指标体系 要素类别详细指标各河段健康指示指标 水量水文水利、水电一t = 程及取水河源：生态完整性、 导致的水文、流态变化生物多样性 第二章河流健康评价指标体系理论研究 水量取水或外调水量、流域 上游：水利工程建设 外生态补水量、生态流导致的流量变化、重 量、平滩流量点鱼类鱼道与栖息地 水质流体水质污染强度、水体含状况 沙量中游：水质污染强度、 底质底泥污染监测指标 水体含沙量、河岸稳 黄河健康 水生生物完整性、珍稀生物 定性 表征指标 生物存活状况 下游：冲沙生态流量、 体系 水质污染强度、河槽 河岸植被植被宽度与覆盖状况 流路通畅性、河床与 带 防洪防洪标准 河岸稳定性 交换能力河岸、河道固化强度 河口区：湿地生态需 物理物理稳同性河床、河岸稳定性 水、成淡水鱼类丰度 结构连通性河流廊道连通性、河槽 与多样性、鸟类种群 流路通畅性 生存状况、植被状况、 栖息涮游环境 河道内栖息地、鱼道状 石油污染 况 林木隆、李向阳、杨明海等h 1 对珠江的健康状况进行了评价，建立了珠江流 域河流健康评价指标体系，如表2 7 所示： 表2 7 珠江流域河流健康评价指标体系 总体层系统层状态层指标层 自然属性河流形态结构河岸河床稳定性 水土流失与f i 漠化治理率 与周丽r 1 然生态连通性 亲水景观舒适度 水环境状况河道生态用水保障程度 河流健康综合评价 水功能i 父水质逃标率 饮川水源地威皮超标程度 遭受污染修复能力 河流水生物藻类多样性指数 鱼类多样性指数 珍稀水生动物存活状况 社会属性服务功能 万元g d p 取水量 水资源开发利j j 率 饮水安全保障程度 灌溉保证率 水电开发率 通航保证率 监测水平跨界河流监测站点完善状况 非_ l 程措施完善状况 5 河海大学硕士学位论文 l 限h a 口6 】是针对上海区域特色及河流现状而建立的评价指标体系，比较适合 于上海地区的城市河流健康评估，如表2 8 所示： 表2 8 上海地区城市河流健康评价体系( i 瓜h a ) 上海地区城市河流健康评河流水文流速状况 价指标体系(