徐 偉，董增川，付曉花，談娟娟，劉 倩，杜芙蓉

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京 210098;2.江蘇省水利廳水資源處，江蘇南京 210029)

近幾十年來，隨著國家的大力投入與建設(shè)，灤河流域已經(jīng)形成較完整的水利工程體系，并在流域防洪、供水等方面發(fā)揮了重要作用。但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人類活動(dòng)的日益加劇和自然氣候的變化，灤河生態(tài)健康狀況日趨惡化，其中1998年灤河干流大黑汀至河口(巖山渠首以下)段曾出現(xiàn)連續(xù)322 d的斷流情況，入海水量大幅度減少，水資源供需矛盾尖銳，加之河道污染嚴(yán)重，優(yōu)良魚種消失，濕地嚴(yán)重退化等，已經(jīng)嚴(yán)重威脅著灤河的河流健康和流域的供水安全、糧食安全和生態(tài)安全。

隨著國內(nèi)外許多河流生態(tài)狀況的惡化，河流生態(tài)健康逐漸成為研究的熱點(diǎn)［1］。王光謙等［2］曾依據(jù)評(píng)價(jià)河流健康的指標(biāo)體系，將影響河流生態(tài)健康的因素分為:水體形態(tài)因素、水動(dòng)力因素、水環(huán)境因素、水生態(tài)因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素;胡春宏等［3］也從河道健康、河流生態(tài)系統(tǒng)健康和河流的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值來研究河流健康。目前普遍認(rèn)為河流健康的內(nèi)涵基本上是從河流的自然生態(tài)環(huán)境功能和社會(huì)服務(wù)功能兩方面出發(fā)，即認(rèn)為河流生態(tài)健康具備如下:(a)河流自身結(jié)構(gòu)完整，功能完備;(b)具有滿足自身維持與更新的能力，能發(fā)揮其正常的生態(tài)環(huán)境效益;(c)滿足人類社會(huì)發(fā)展的合理要求［3］。

筆者從河流健康的這一基本內(nèi)涵出發(fā)，在已有河流健康評(píng)價(jià)研究的基礎(chǔ)上選取灤河為案例，進(jìn)行河流生態(tài)健康預(yù)警研究。

1 河流生態(tài)健康預(yù)警基本理論

預(yù)警的思想最早實(shí)踐于20世紀(jì)50年代的軍事領(lǐng)域，后又廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域［4］和氣象領(lǐng)域。生態(tài)健康預(yù)警是在工業(yè)化發(fā)展過程中由于環(huán)境污染促使社會(huì)對(duì)環(huán)境問題重視而發(fā)展起來的，其主要理論可以分為區(qū)域?qū)W派、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)派、資源學(xué)派、未來學(xué)派、協(xié)同學(xué)派等［5］。

河流生態(tài)健康預(yù)警是以警報(bào)為導(dǎo)向、以矯正為手段、以免疫為目的的一種科學(xué)管理模式。警報(bào)是通過河流生態(tài)健康狀況的不同閾值水平，對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，從而識(shí)別河流所面臨的健康危機(jī)，并發(fā)出警報(bào);矯正是指針對(duì)曾經(jīng)出現(xiàn)或者將來可能出現(xiàn)的河流生態(tài)健康問題，提出調(diào)整措施并及時(shí)糾正過去不完善或者是錯(cuò)誤的制度和行為，以促成河流在非均衡狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)自我均衡，從而使河流朝著正常健康的軌道發(fā)展［6］。按照對(duì)河流生態(tài)健康內(nèi)涵的理解，河流生態(tài)健康預(yù)警是包括河流自然生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)服務(wù)子系統(tǒng)等諸多組成部分的警情分析、警兆識(shí)別、警源尋找和警患排除的決策全過程。其預(yù)警過程包括以下幾個(gè)方面:

a.確定警情。明確警情是河流生態(tài)健康預(yù)警的起點(diǎn)。警情可以從兩方面來考察，其一是警素，其二是警度。警素是指構(gòu)成警情的指標(biāo)，在河流生態(tài)健康預(yù)警過程中，警情可以表現(xiàn)在某個(gè)考核指標(biāo)上，也可以表現(xiàn)在某個(gè)子系統(tǒng)出現(xiàn)的狀況;警度是警情所處的狀態(tài)，也即其嚴(yán)重程度，一般可以劃分為無警警度、輕警警度、中警警度、重警警度和劇警警度，用不同顏色的指示燈表示。

b.尋找警源。警源就是發(fā)生警情的根源，在河流生態(tài)健康預(yù)警過程中就是河流生態(tài)健康發(fā)生病變的“病因”。尋找警源既是分析警兆的基礎(chǔ)，也是排除警患的前提。由于系統(tǒng)之間存在替代、共生、此消彼長等復(fù)雜關(guān)系，警源往往比較復(fù)雜。不同警素的警源指標(biāo)各不相同，即使同一警素，在不同的時(shí)空范圍其警源指標(biāo)也可能不相同。因此，針對(duì)具體的警素，必須具體分析，直至找到問題的癥結(jié)所在。

c.識(shí)別警兆。警兆即警素發(fā)生變化后引發(fā)警情變化的前兆。一般情況下，警素不同則警兆也不同;警素相同，但時(shí)空條件不同也可能表現(xiàn)出不同的警兆。警兆與警素之間可以直接關(guān)聯(lián)，也可以間接關(guān)聯(lián)。河流生態(tài)系統(tǒng)面臨的不確定性因素很多，其警兆是在一特定區(qū)域內(nèi)由不確定性因素引發(fā)的可能發(fā)生的安全問題及后果。氣候變化因素引發(fā)的警兆主要表現(xiàn)在，由于氣候狀況發(fā)生變化的不確定性導(dǎo)致的各種健康突變，如厄爾尼諾現(xiàn)象導(dǎo)致全球變暖;人類活動(dòng)變化因素包括水利工程、水土保持、城鎮(zhèn)化、地下水開采、工礦開采等，如引灤工程的運(yùn)行使用水量增加必然會(huì)使河道水量減少，河道的適宜生態(tài)流量可能就無法保證，從而使河流生態(tài)健康狀況變差。

d.預(yù)報(bào)警度。警源和警兆確定后就要分析警兆和警素之間的數(shù)量關(guān)系，找出與5種警情相對(duì)應(yīng)的警兆范圍，然后依次進(jìn)行精度判斷。預(yù)報(bào)警度是以一個(gè)或多個(gè)警素相關(guān)的警兆來預(yù)報(bào)警情的嚴(yán)重程度，這是預(yù)警的直接目的。河流生態(tài)健康預(yù)警可以根據(jù)事先設(shè)定好的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)確定警度，其健康評(píng)價(jià)等級(jí)、警度以及預(yù)警信號(hào)之間的映射對(duì)照關(guān)系如圖1所示。

2 河流生態(tài)健康預(yù)警模型構(gòu)建

2.1 BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)警模型構(gòu)建

BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［7-9］是在對(duì)人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法從信息處理的角度對(duì)人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象，并建立某種簡化模型?；贐P人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的河流生態(tài)健康預(yù)警模型構(gòu)建是將已有的河流生態(tài)健康指標(biāo)體系近似作為警源指標(biāo)體系，利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)尋找已有規(guī)劃值的指標(biāo)與沒有規(guī)劃值的指標(biāo)的潛在聯(lián)系，預(yù)測沒有規(guī)劃值的各指標(biāo)值，即確定各警源指標(biāo)值的變化，再根據(jù)模糊物元可拓評(píng)價(jià)模型，預(yù)測河流的未來健康狀態(tài)，確定相應(yīng)的警度，并發(fā)出預(yù)警信號(hào)。發(fā)出預(yù)警信號(hào)后，還可從警源、警兆角度提出河流生態(tài)的修復(fù)治理措施，從而排除警患，解除警情。

2.2 警源指標(biāo)體系構(gòu)建

警源指標(biāo)體系即河流生態(tài)健康指標(biāo)體系，構(gòu)建時(shí)主要借鑒了國內(nèi)外已有的河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系［10-13］。所構(gòu)建的指標(biāo)體系分為自然生態(tài)功能和社會(huì)服務(wù)功能兩部分，包括河流形態(tài)特征、水量特征、水質(zhì)特征、水生生物特征、景觀特征、生境特征以及防洪安全、供水水平等8個(gè)準(zhǔn)則層，并細(xì)化為13個(gè)指標(biāo)，如表1所示(表中括號(hào)內(nèi)數(shù)字表示權(quán)重，其值的確定方法為專家評(píng)分法)。

表1 河流生態(tài)健康指標(biāo)體系(灤河)Table 1 Index system of river ecosystem health(Luanhe River)

河流生態(tài)健康具有相對(duì)性，不同區(qū)域、不同類型的河流在不同時(shí)期面對(duì)不同的社會(huì)期望，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。一般來說其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定的依據(jù)有:(a)國家、行業(yè)和地方規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如《水生態(tài)城市試行標(biāo)準(zhǔn)》;(b)國家和地方發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)和要求;(c)參考國內(nèi)外已有的研究成果;(d)公眾參與等。按此依據(jù)將灤河的健康評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)分為健康、亞健康、輕度疾病、疾病、重病5個(gè)等級(jí)，如表2所示。

表2 河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(灤河)Table 2 Evaluation criteria of index system of river ecosystem health(Luanhe River)

2.3 警度確定方法

由于建立的河流生態(tài)健康指標(biāo)體系具有層次性，各層次性具有向下一級(jí)的拓展性。下一層與上一層的遞階屬性，在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)出其可拓性，不同層次的遞階評(píng)價(jià)過程可采用可拓學(xué)的物元評(píng)價(jià)方法，而同一層次的評(píng)價(jià)適合選擇模糊優(yōu)選評(píng)價(jià)［14］。因此在用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得各指標(biāo)的預(yù)測值后，可采用模糊物元可拓評(píng)價(jià)模型［6，14-15］計(jì)算河流生態(tài)健康綜合指數(shù)，即可確定河流健康狀態(tài)，并可根據(jù)圖1確定其相應(yīng)的預(yù)警警度。

模糊物元可拓評(píng)價(jià)模型步驟主要如下:

a.確定經(jīng)典域:

式中:N0j——評(píng)價(jià)對(duì)象N的第j個(gè)健康等級(jí);ci——第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo);x0ji——健康等級(jí)N0j關(guān)于指標(biāo)ci所規(guī)定的量值范圍。

b.確定節(jié)域:

式中:P——河流健康等級(jí)的全體;xpi=〈api，bpi〉——P關(guān)于指標(biāo)ci所規(guī)定的量值范圍。

c.確定待評(píng)價(jià)物元R:

式中:N——待評(píng)價(jià)對(duì)象;xi——N關(guān)于健康指標(biāo)ci的量值。

d.采用改進(jìn)的模糊優(yōu)選方法［14］計(jì)算各健康指標(biāo)關(guān)于各等級(jí)的隸屬度。設(shè)x(a)i、x(b)i為指標(biāo)集pi的左右2個(gè)基點(diǎn)值，其中x(a)i＜x(b)i，隸屬度rij計(jì)算公式如下:

當(dāng)指標(biāo)為效益型指標(biāo)時(shí)

當(dāng)指標(biāo)為成本型指標(biāo)時(shí)

e.計(jì)算河流健康綜合指數(shù)。用各指標(biāo)的隸屬度乘以各自權(quán)重，求和即可得各準(zhǔn)則層的優(yōu)屬度;各準(zhǔn)則層的優(yōu)屬度乘以各自權(quán)重，求和即可得河流健康綜合指數(shù)。

將表2中的各指標(biāo)健康等級(jí)閾值范圍代入該模糊物元可拓評(píng)價(jià)模型，即可得到河流生態(tài)健康綜合指數(shù)各等級(jí)的閾值范圍，結(jié)果如下:評(píng)價(jià)為健康、亞健康、輕度疾病、疾病、重病等級(jí)的，綜合指數(shù)閾值范圍分別為［0.85，1.0］、［0.7，0.85)、［0.55，0.7)、［0.4，0.55)、［0，0.4)。

3 灤河河流健康預(yù)警及其結(jié)果分析

表3 灤河已有規(guī)劃值或預(yù)測值的指標(biāo)及其指標(biāo)值Table 3 Indices of Luanhe River and their predicted values

灤河已有規(guī)劃值指標(biāo)如表3所示。以表3中4個(gè)指標(biāo)1980—2011年間共32 a的指標(biāo)值(已經(jīng)過歸一化處理)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入層，以其他9個(gè)指標(biāo)1980—2011年32 a的數(shù)據(jù)作為輸出層，采用24 a的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，5 a的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，3 a的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。訓(xùn)練完成后即可根據(jù)規(guī)劃指標(biāo)值預(yù)測2015年、2020年和2030年各健康指標(biāo)的指標(biāo)值，如表4所示。將各指標(biāo)代入模糊物元可拓評(píng)價(jià)模型即可得灤河河流生態(tài)健康預(yù)警結(jié)果，如表5所示。

表4 灤河各指標(biāo)預(yù)測值Table 4 Predicted values of indices of Luanhe River

表5 灤河河流健康預(yù)警結(jié)果Table 5 Early warning results of ecosystem health of Luanhe River

由預(yù)警結(jié)果可知，未來20 a灤河河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況預(yù)期較為樂觀，其中在近期水平年2015年為輕度疾病狀態(tài)，警情為中警狀態(tài);中期水平年2020年與遠(yuǎn)期水平年2030年均為亞健康狀態(tài)，警情為輕警狀態(tài)。根據(jù)警情結(jié)果尋找警源，不難發(fā)現(xiàn)灤河的縱向連續(xù)性指數(shù)、適宜生態(tài)流量保證率、河口徑流指標(biāo)等指標(biāo)仍然存在一定的問題。因此要解除警情，灤河近期應(yīng)著重加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的河道生態(tài)治理措施:

a.全面節(jié)水，建設(shè)節(jié)水型社會(huì)，量水而行。流域要在經(jīng)濟(jì)規(guī)模、城鎮(zhèn)布局和人口發(fā)展等各項(xiàng)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃中充分考慮當(dāng)?shù)氐乃Y源條件，適時(shí)調(diào)整經(jīng)濟(jì)布局和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。實(shí)行總量控制、定額管理，促進(jìn)水資源的節(jié)約和保護(hù)。

b.在水利工程方面要優(yōu)化水源調(diào)度工程，增加生態(tài)流量。未來通過南水北調(diào)對(duì)天津市、北京市供水，做好潘家口、大黑汀、桃林口等水庫的調(diào)度，對(duì)中下游河道進(jìn)行合理補(bǔ)水，滿足河道生態(tài)流量要求和河口流量要求。

c.控制污染，達(dá)標(biāo)排放，總量控制。灤河流域有承德市、唐山市等大中型城市，采礦、造紙等工業(yè)排污以及城市發(fā)展和人口增長帶來的污水排放量逐年增加，直接影響灤河河流生態(tài)系統(tǒng)。在近期，流域仍應(yīng)新建一些污水處理廠，做好相關(guān)管網(wǎng)配套工作，加強(qiáng)河流排污的治理能力。要加強(qiáng)對(duì)工業(yè)污水排放的監(jiān)督和管理，從源頭控制污染，實(shí)行總量控制。

另外，流域近期仍應(yīng)加強(qiáng)潘家口水庫以上地區(qū)的水土保持工作和灤河源、灤河口的濕地修復(fù)工作。

4 結(jié) 語

a.河流生態(tài)健康預(yù)警是包括河流自然生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)服務(wù)子系統(tǒng)等諸多組成部分的警情分析、警兆識(shí)別、警源尋找和警患排除的決策全過程。

b.構(gòu)建了基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的河流生態(tài)健康預(yù)警模型，并對(duì)灤河未來的河流生態(tài)健康狀況進(jìn)行預(yù)警，結(jié)果表明未來灤河仍有一定程度的警情存在;此外還從警源、警兆角度提出灤河河流生態(tài)的修復(fù)治理措施。

［1］王偉，楊曉華，陳強(qiáng).基于ELMAN網(wǎng)絡(luò)的河流健康復(fù)雜系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)［J］.水電能源科學(xué)，2007，5(2):1-4.(WANG Wei，YANG Xiaohua，CHEN Qiang.Comprehensive assessment of river health complex system based on Elman NetworKmodel［J］.Water Resources and Power，2007，5(2):1-4.(in Chinese))

［2］王光謙，翟媛.河流健康的內(nèi)涵及其影響因素［J］.河南水利與南水北調(diào)，2007(3):1-2.(WANG Guangqian，ZHAI Yuan.The connotation of river health and its influencing factors［J］.Henan Water Resources＆ South-to-North Water Diversion，2007(3):1-2.(in Chinese))

［3］胡春宏，陳建國，孫雪嵐，等.黃河下游河道健康狀況評(píng)價(jià)與治理對(duì)策［J］.水利學(xué)報(bào)，2008，39(10):1189-1196.(HU Chunhong，CHEN Jianguo，SUN Xuelan，et al.Health assessment of river course in Lower Yellow River and measures for regulation［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2008，39(10):1189-1196.(in Chinese))

［4］顧海兵.未雨綢繆——宏觀經(jīng)濟(jì)問題預(yù)警［M］.北京:經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)出版社，1993.

［5］仇蕾.基于免疫機(jī)理的流域生態(tài)系統(tǒng)健康診斷預(yù)警研究［D］.南京:河海大學(xué)，2006.

［6］杜芙蓉.河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)與預(yù)警研究［D］.南京:河海大學(xué)，2009.

［7］王旭，王宏，王文輝.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用［M］.沈陽:東北大學(xué)出版社，2000.

［8］溫家鳴，郭純清，李新建，等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的桂林生態(tài)城市建設(shè)需水量預(yù)測［J］.水資源保護(hù)，2012，28(3):47-50.(WEN Jiaming，GUO Chunqing，LI Xinjian，et al.Water demand forecast of eco-city construction in Guilin City based on BP neural network［J］.Water Resources Protection，2012，28(3):47-50.(in Chinese))

［9］崔東文，金波.改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在小康水利綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014，42(4):306-313.(CUI Dongwen，JIN Bo.Application of improved BP neural networKmodel to comprehensive evaluation of water conservancy in a state of relative prosperity［J］.Journal of Hohai University:Natural Sciences，2014，42(4):306-313.(in Chinese))

［10］王淑英，王浩，高永勝，等.河流健康狀況診斷指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2011(4):591-598.(WANG Shuying，WANG Hao，GAO Yongsheng，et al.Index system and criteria for diagnosing the status of river health ［J］.Journal of Natural Resources，2011(4):591-598.(in Chinese))

［11］高永勝，王浩，王芳，等.河流健康生命評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2007，18(2):252-257.(GAO Yongsheng，WANG Hao，WANG Fang，et al.Construction of evaluation index system for river’s healthy life［J］.Advances in Water Science，2007，18(2):252-257.(in Chinese))

［12］孫雪嵐，胡春宏.河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系初探［J］.泥沙研究，2007(4):21-27.(SUN Xuelan，HU Chunhong.River health evaluation index system［J］.Journal of Sediment Research，2007(4):21-27.(in Chinese))

［13］張又，劉凌，閆峰.基于模糊物元模型的河流健康評(píng)價(jià)研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40(1):382-384.(ZHANG You，LIU Ling，YAN Feng.River health assessment based on fuzzy matter-element model［J］.Journal of Anhui Agricultural Sciences，2012，40(1):382-384.(in Chinese))

［14］劉倩，董增川，徐偉，等.基于模糊物元模型的灤河河流健康評(píng)價(jià)［J］.水電能源科學(xué)，2014，32(9):47-50.(LIU Qian，DONG Zengchuan，XU Wei，et al.Health assessment of Luanhe River based on fuzzy matter-element model［J］.Water Resources and Power，2014，32(9):47-50.(in Chinese))

［15］何金平，廖文來，施玉群.基于可拓學(xué)的大壩安全綜合評(píng)價(jià)方法［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2008，41(2):42-45.(HE Jinping，LIAO Wenlai，SHI Yuqun.Comprehensive assessment method of dam safety based on extenics theory［J］.Engineering Journal of Wuhan University，2008，41(2):42-45.(in Chinese))