本發(fā)明涉及水域監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及一種基于自然與社會影響的河流健康評價方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，水體的化學特征、物理生境與水體生物構(gòu)成了河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性。目前已有的研究基本上都是圍繞這三方面完成對河流健康評價，并且可以分為三種類型：(a)基于單一的指示物種存在與否或特定化學指標的濃度；(b)基于生態(tài)功能完整性，以過程速率作為評價指標(例如植物的呼吸與光合作用速率)；(c)基于多項評價因子，結(jié)合水質(zhì)，生物多樣性與物理生境的綜合指標來評價水環(huán)境的健康。其中，利用單一的指示物種的評價方法主要是基于指示物種具有反映環(huán)境壓力的潛力，具體涉及到對特定的動物(大型底棲動物、魚類等)和植物(浮游植物、底棲藻類)的分布與豐度進行研究。另一方面，基于生態(tài)功能完整性的研究主要是通過考察生物群落與外界環(huán)境之間的相互作用來間接對河流的健康狀態(tài)進行評價[9]。而基于多指標的評價研究則是利用多方面的生態(tài)因子組合成一個綜合的評價指數(shù)來描述河流的健康度。根據(jù)評價原理，基于多指標的評價研究又發(fā)展為兩種不同的評價方法：預(yù)測模型法與多指標綜合得分法。預(yù)測模型法主要是通過參照點建立生物組成(例如魚類、大型底棲動物等)與環(huán)境因子之間的判別函數(shù)，比較實際采樣得到的生物組成與模型預(yù)測的生物組成之間的差異來評價河流的受損程度。其中，英國的河流底棲動物預(yù)測與分類系統(tǒng)、美國的生物完整性指數(shù)與澳大利亞的河流評價系統(tǒng)是目前使用比較廣泛的三種預(yù)測模型。多指標綜合得分法則是使用既定的評價標準對河流的多項指標(生物、水化學及物理生境)進行打分，按照不同的指標對于河流生態(tài)系統(tǒng)的貢獻與重要性對指標賦予一定的權(quán)重，以加權(quán)后的總分作為評價河流健康狀況的依據(jù)。其中，澳大利亞的溪流狀態(tài)指數(shù)與英國的河流生境調(diào)查為兩種具有代表性的多指標綜合得分法。
在美國環(huán)保署制訂的快速生物評價方案里，水體的生物完整性被當作水體健康的終點。而且在許多成功的治污案例中，都發(fā)現(xiàn)有污染敏感生物種群在它們曾經(jīng)一度消失的生態(tài)系統(tǒng)中恢復(fù)或重新出現(xiàn)的情況。值得注意的是，在自然環(huán)境中的各種因子之間的相互作用是非常復(fù)雜的，生物群落的分布與豐度受到多種因素的控制，包括來自捕食者的壓力以及群落內(nèi)部的動態(tài)變化。因此，用生物群落的分布與豐度來準確地衡量河流生態(tài)系統(tǒng)是非常困難的。過去的一些研究也表明，當生物群落受到適度的脅迫時，其生物多樣性反而是最高的。另外，雖然預(yù)測模型法是目前應(yīng)用很廣泛的河流健康評價方法，但是它也有許多的局限。例如，在目前國內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)下，我們很難找到原始的、完全沒有遭到人類破壞的環(huán)境參照點。即使存在這樣的參照點，也需要花費大量的時間和資金對參照點進行采樣和數(shù)據(jù)收集。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
鑒于此，本發(fā)明以多指標綜合評價法為基礎(chǔ)，目的是提供一種基于自然與社會影響的河流健康評價系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的，一種基于自然與社會影響的河流健康評價方法，包括以下步驟：
a.確定評價因素集，即n個評價指標，U＝{u1,u2,…,un}；
b.根據(jù)建立的河湖健康度評價指標標準及確立的河湖5級健康度，確定評價集V＝{Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}＝{很健康，健康，基本健康，不健康，很不健康}，每一個等級對應(yīng)一個模糊子集評價集；
c.確定單因素隸屬度函數(shù)；
其中，定性指標按下表確定隸屬度值確定；
定性指標隸屬度
d.建立模糊關(guān)系矩陣
用步驟c中的隸屬函數(shù)求得第i個評價指標對于第j級健康度等級的隸屬度rij，得到全體rij的集合構(gòu)成的評價矩陣R；
e.確定評級因素的模糊權(quán)重向量
計算各因素的權(quán)重,建立各因素的權(quán)重子集W＝(ω1,ω2,ω3,ω4,ω5)＝(ωi),其中，
f.模糊綜合評價
采用M(C,D)模糊復(fù)合運算計算綜合評價結(jié)果；
N＝W·R＝{b1,b2,b3,b4,b5} (14)
式中，bj表示評價對象從總體上看對第j級健康度等級的隸屬度；
g.對模糊綜合評價結(jié)果進行向量分析
使用加權(quán)平均隸屬度等級方法，用式(15)計算評價對象的健康度值；
進一步，所述的評價指標包括水體水質(zhì)、水生生物、物理生境、水文條件和社會經(jīng)濟。
進一步，所述水體水質(zhì)包括水質(zhì)綜合指數(shù)和富營養(yǎng)化指數(shù)；所述水質(zhì)綜合指數(shù)通過以下公式計算得出：
式中，G為模糊綜合水質(zhì)評價結(jié)果，指i種水質(zhì)指標在第j類水質(zhì)標準的隸屬度的求和。
進一步，所述水生生物包括浮游生物多樣性指數(shù)和底棲動物BI指數(shù)；所述浮游生物多樣性指數(shù)采用香儂威爾多樣性指數(shù)進行計算：
其中，Pi為ni/N，ni為第i種生物的個體數(shù)，S為總種類數(shù)；
所述底棲動物BI指數(shù)通過以下方法獲?。?/p>
xi為物種i的個體數(shù)；ti為物種i的耐污值，n為物種總個體數(shù)。
進一步，所述物理生境包括土地利用系數(shù)、底質(zhì)類型、河岸穩(wěn)定性、河道形態(tài)、河岸植被；所述土地利用系數(shù)通過以下方法獲?。簆＝5×W1+4×W2+3×W3+2×W4+1×W5
其中，p為土地利用系數(shù)，W1為林地面積占流域總面積百分比，W2為草地面積占流域總面積百分比，W3為水域面積占流域總面積百分比，W4為農(nóng)村面積占總流域百分比，W5為建設(shè)用地占總面積百分比。
進一步，所述水文條件為流速變化率；
其中，f為流速變化率，v1為自然條件下參考流速，v2為實測流速。
進一步，所述社會經(jīng)濟包括河流管理水平和河流利用水平。
由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點：
1、本發(fā)明從流域整體出發(fā)建立評價指標體系，綜合考慮了涉及河流健康的全部生態(tài)過程；
2、本發(fā)明不僅可以得出河流健康的綜合評價結(jié)果，而且能夠提供各個單項指標的健康程度，從而有助于流域管理者對流域水環(huán)境進行診斷，并實施準確有效的治理措施；
3、本發(fā)明能夠完美的與GIS軟件進行結(jié)合，及時直觀地反映流域內(nèi)河流的健康狀態(tài)；
4、本發(fā)明可以同時處理多點長周期的定性與定量監(jiān)測數(shù)據(jù)，反映河流在時間和空間上的動態(tài)變化；
5、本發(fā)明適用性強，能夠在不同流域內(nèi)推廣使用。
具體實施方式
以下將對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述；應(yīng)當理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。
一種基于自然與社會影響的河流健康評價方法，其步驟如下：
a.確定評價因素集，即n個評價指標,U＝{u1,u2,…,un}。
b.根據(jù)建立的河湖健康度評價指標標準及確立的河湖5級健康度，確定評價集V＝{Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}＝{很健康，健康，亞健康，不健康，很不健康}，每一個等級對應(yīng)一個模糊子集評價集。
c.確定單因素隸屬度函數(shù)。
其中，定性指標采用實地調(diào)查結(jié)合專家評判的方法確定隸屬度，設(shè)計定性指標等級評價表，邀請河湖相關(guān)管理者、研究者及專家根據(jù)其標準確定評價對象健康狀況，按表14確定隸屬度值確定。
表14定性指標隸屬度
d.建立模糊關(guān)系矩陣
用步驟(3)中的隸屬函數(shù)可求得第i個評價指標對于第j級健康度等級的隸屬度rij，得到全體rij的集合構(gòu)成的評價矩陣R。
e.確定評級因素的模糊權(quán)重向量
計算各因素的權(quán)重,建立各因素的權(quán)重子集W＝(ω1,ω2,ω3,ω4,ω5)＝(ωi),其中，
f.模糊綜合評價
采用M(C,D)模糊復(fù)合運算計算綜合評價結(jié)果。
N＝W·R＝{b1,b2,b3,b4,b5} (14)
式中，bj表示評價對象從總體上看對第j級健康度等級的隸屬度。
g.對模糊綜合評價結(jié)果進行向量分析
使用加權(quán)平均隸屬度等級方法，用式(15)計算評價對象的健康度值。
在本發(fā)明中,評價指標分為水體水質(zhì)、水生生物、物理生境、水文條件和社會經(jīng)濟等如表1中五部分。
表1流域健康評價指標表
其中，所述水體水質(zhì)包括水質(zhì)綜合指數(shù)和富營養(yǎng)化指數(shù)；
水質(zhì)綜合指數(shù)依據(jù)現(xiàn)有的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行選擇，并以《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)為基礎(chǔ)建立評價標準。對某一監(jiān)測點的水質(zhì)級別可由下列公式計算得出：
式中，G為模糊綜合水質(zhì)評價結(jié)果，指i種水質(zhì)指標在第j類水質(zhì)標準的隸屬度的求和。
水質(zhì)綜合指數(shù)的評價標準如下：
表2水質(zhì)綜合指數(shù)與河流健康的關(guān)系
富營養(yǎng)化指數(shù)的計算參考中國環(huán)境監(jiān)測總站頒布的《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價方法及分級技術(shù)規(guī)定》中綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算方法。
表3富營養(yǎng)化指數(shù)與河流健康的關(guān)系
浮游生物(浮游植物與浮游動物)的生物質(zhì)量的采用香儂威爾多樣性指數(shù)進行描述，計算公式為：
其中，Pi為ni/N；ni為第i種生物的個體數(shù)，S為總種類數(shù)。
表4多樣性指數(shù)與河流健康的關(guān)系
底棲動物的生物質(zhì)量采用BI指數(shù)進行描述，計算公式為：
xi為物種i的個體數(shù)；ti為物種i的耐污值；n為物種總個體數(shù)。
表5BI指數(shù)與河流健康的關(guān)系
土地利用系數(shù)：利用GIS獲取了整個流域的土地利用類型面積，結(jié)合相應(yīng)的公式計算出流域內(nèi)的土地利用系數(shù)對土地利用水平進行評價(表6)。
p＝5×W1+4×W2+3×W3+2×W4+1×W5 (4)
其中，p為土地利用系數(shù)，W1為林地面積占流域總面積百分比，W2為草地面積占流域總面積百分比，W3為水域面積占流域總面積百分比，W4為農(nóng)村面積占總流域百分比，W5為建設(shè)用地占總面積百分比。
表6土地利用系數(shù)與河流健康度的關(guān)系
河岸植被：采用QBR指數(shù)對河岸植被的質(zhì)量進行評價(表7)。QBR指數(shù)由植被覆蓋率、植被結(jié)構(gòu)、覆蓋質(zhì)量以及河道改變情況4個方面組成。
表7河岸植被與河流健康度的關(guān)系
注：QBR指數(shù)的計算見附表1
河岸穩(wěn)定性：從河岸侵蝕程度來描述河岸穩(wěn)定性，具體的相對關(guān)系如下：
表8河岸穩(wěn)定性與河流健康度的關(guān)系
河道形態(tài)：河道形態(tài)的健康度主要從河道渠化、疏浚程度和水工構(gòu)筑物的建設(shè)程度等方面進行描述。
表9河道形態(tài)與河流健康度的關(guān)系
底質(zhì)類型：通過實地采樣判斷水體的底質(zhì)類型對水體內(nèi)源污染的程度進行評價。具體的評價標準表10。
表10底質(zhì)類型與河流健康度的關(guān)系
水文特征：通過河流下游的流速變化率來描述河流的水文特征。具體的計算公式如下：
其中，f為流速變化率，v1為自然條件下參考流速，v2為實測流速。流速參考值為自然條件下河流具備的流速，通過GIS模型獲得。
表11流速變化率與河流健康度的關(guān)系
河流管理水平：主要從點源污染，生活垃圾以及河流的感官性狀等方面對河流的管理水平進行描述。具體的評價標準如表12。
表12河流管理水平與河流健康度關(guān)系
河流利用水平：主要從河流在徑流調(diào)節(jié)，景觀以及農(nóng)業(yè)等方面的表現(xiàn)對河流利用水平進行評價，具體的評價標準如表13。
表13河流利用水平與河流健康度關(guān)系
本發(fā)明采用基于自然與社會影響的多指標綜合評價方法。該方法綜合考慮了整個自然與社會因素對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響，將河流生態(tài)系統(tǒng)劃分成不同的部分來建立指標體系，分別從水體水質(zhì)、水生生物、河流物理生境、水文特征以及社會經(jīng)濟等五方面建立指標體系，同時根據(jù)隸屬度加權(quán)平均法建立評價模型對當前中國快速城市化條件下的水環(huán)境健康做出綜合的評價。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。