朱成立，任 姣(.河海大學 南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室，南京 20098；2.河海大學水利水電學院，南京 20098)

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，在開發(fā)河流服務功能的過程中，人類社會也對河流進行著取水、分流、河岸固化等活動。近些年來，人類對河流的開發(fā)利用規(guī)模越來越大，頻率越來越高，導致河流流態(tài)、水文循環(huán)過程、水生物結(jié)構(gòu)都遭受到了巨大的影響，河流生態(tài)系統(tǒng)在不斷退化[1-5]，進而反作用于人類自身。河流生態(tài)系統(tǒng)存在的諸多問題受到了國家部門的密切關(guān)注，于2002年黃河水利委員會主任李國英對河流健康問題進行了詳細研究，對河流生命、河流健康等概念進行了定義，提高了河流健康、河流生態(tài)系統(tǒng)的社會關(guān)注度。美國、南非、澳大利亞等國先后建立了適應本國的河流健康評價機制[7-10]，我國相關(guān)學者也開展了針對性的研究，主要集中于河流健康概念、評價指標體系、河流運行機制[11-14]等方面，主要是靜態(tài)評價和探討，而關(guān)于河流健康預警的研究仍然不足。

河流不僅與人類一樣具有生命，與血管在結(jié)構(gòu)、功能、力學、物質(zhì)交換機理上也存在著相似性[15]，當人體面對外界干擾時，發(fā)揮主要作用維持人體健康的就是人體的免疫系統(tǒng)[16]。當外界抗原侵入人體，免疫系統(tǒng)將通過應答——識別——反饋——記憶等步驟消滅抗原、產(chǎn)生抗體。從免疫理論的角度出發(fā)，把河流類比于生命系統(tǒng)研究河流預警，當外界因素干擾河流正常運行時，河流的免疫系統(tǒng)開啟應答反饋機制，同時人為對河流健康狀況進行實時預警，輔助河流抵抗外界干擾、恢復自身健康，這對河流管理部門及時采取措施治理河流具有實際意義。趨勢外推分析預測在假設(shè)未來是過去和現(xiàn)在連續(xù)發(fā)展的結(jié)果，隨時間的變化呈一定的變化趨勢，通過函數(shù)對過去和現(xiàn)在的狀況進行擬合，從而對預測目標進行預測。本文基于免疫理論構(gòu)建河流健康指標體系，采用趨勢外推分析的方法建立河流健康預警模型，并對南京市七鄉(xiāng)河進行實例分析，旨在探求一種合理的河流健康預警模型。

1 河流免疫機制

河流是一個與人體具有高度相似性的復雜系統(tǒng)，同樣也具有自己的免疫系統(tǒng)。在河流健康中發(fā)揮關(guān)鍵性作用的有以下4個方面：一是河岸帶、河床、調(diào)節(jié)工程；二是河流水體；三是水生生物；四是外部干預。通過對生物免疫系統(tǒng)多層防御結(jié)構(gòu)的學習、研究、參考，把河流系統(tǒng)健康程度的影響因素作為構(gòu)成維持河流維持自身健康的四道防線，如圖1所示。

圖1 河流免疫系統(tǒng)的多層防線Fig.1 Multimedia layer defense line of river immune system

第一道防線是完整的生態(tài)河岸帶、河床及調(diào)節(jié)工程。作為河流系統(tǒng)的皮膚，生態(tài)河岸帶由土壤和植被構(gòu)成，具有對進入河流的物質(zhì)進行過濾滲透、吸收、滯留以及沉淀，削弱有毒物質(zhì)的毒性等功能，阻止外界污染物進入河流、凈化水體，保護河流系統(tǒng)健康。

第二道防線是河流水體。水體具有自凈能力，污染物隨著物理作用沉淀、化學作用分解轉(zhuǎn)化，或者降低其的毒性，使得河流基本上或者完全恢復到污染前的狀態(tài)[18,19]。另外，通過流動的水流把水體中的污染物質(zhì)運輸、稀釋，有利于污染物質(zhì)的進一步分解轉(zhuǎn)化。就像河流的吞噬細胞一樣，能夠吞噬河流中的污染物質(zhì)，保護河流健康。

第三道防線是河流中的生物，包括水生動物、水生植物、微生物等。其中水生動物、植物利用它們的根系和軀體完成對水中污染物質(zhì)的“吸收、富集、降解”過程。而微生物在自身新陳代謝的作用下，將大分子有機物的污染物分解成穩(wěn)定的小分子無機物；發(fā)酵型微生物能夠減少惡臭氣體的產(chǎn)生[20,21]。這些作用都保證了河流系統(tǒng)的健康。

第四道防線是外部干預，包括人類活動與自然活動。河流系統(tǒng)作為生態(tài)系統(tǒng)中的一份子不能夠脫離自然與人類而單獨存在，人類與自然活動可以直接對河流系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，也可以間接提高河流系統(tǒng)應對外界干擾的能力。適宜的人類活動不僅能夠引導河流向健康的方向發(fā)展，還能夠通過影響河岸帶、河床、水體及動植物、微生物等來間接地影響河流健康。

河流免疫系統(tǒng)四道防線進行“應答-識別-反饋-記憶”的免疫預警工作機制用流程圖的方式表達，如圖2所示。

2 河流健康預警指標體系

2.1 預警指標體系

遵從科學性、完備性、獨立性、可操作性和區(qū)域性的構(gòu)建原則，并充分考慮影響河流系統(tǒng)健康的各因素和河流系統(tǒng)四道免疫防線構(gòu)建預警指標體系。具體指標及其含義見表1。

圖2 河流系統(tǒng)的免疫機制圖Fig.2 Immune mechanism of river system

表1 河流健康預警指標體系Tab.1 Warning index system for river healthy

續(xù)表1 河流健康預警指標體系

注：括號內(nèi)為對應指標權(quán)重。

本文指標權(quán)重的確定采用較為成熟的層次分析法，鑒于該方法具有一定的主觀性，再用熵權(quán)法對權(quán)重進行修正，增加預警計算的科學性和可靠性。首先，參考相關(guān)文獻、規(guī)范，依據(jù)免疫理論分層次確定14個評價指標，并由領(lǐng)域?qū)＜疫M行打分，確定評價指標重要性的水平矩陣；其次，對水平矩陣數(shù)據(jù)進行標準化處理，計算評價指標的熵權(quán)，并結(jié)合層次分析法處理指標矩陣獲得的指標權(quán)重，計算指標綜合權(quán)數(shù)；最后，根據(jù)熵的定義計算信息熵的距離，選取距離最小的評價方案。計算結(jié)果見表1。

2.2 預警模型及警限劃分

2.2.1預測方法

根據(jù)多年份的單項指標數(shù)據(jù)結(jié)合層次分析與熵權(quán)法確定的免疫層的權(quán)重，得到4個防線的預警指標，再利用差分法修勻數(shù)據(jù)，使非平穩(wěn)序列達到平穩(wěn)序列，根據(jù)差分特性，對于三階以內(nèi)的差分相等或大致相等的采用線性模型，對于差分環(huán)比相等或大致相等的采用指數(shù)曲線模型或修正指數(shù)曲線模型，通過不同的預測模型計算得到預測年份的防線預警指標數(shù)據(jù)，通過對各防線預警指標權(quán)重的計算、分配，得到河流生態(tài)健康綜合預警的預測值。

2.2.2計算公式

(1)多項式曲線外推模型的通式為：

(1)

(2) 指數(shù)曲線預測模型的通式為：

(2)

(3)修正指數(shù)曲線預測模型的通式為：

(3)

2.3 警限劃分

警限是將河流健康預警值劃分為不同層次，進而判斷河流健康預警級別。本文采用歐式幾何空間的狀態(tài)空間模型進行描述[22]，采用預警度進行表征，預警度越低，河流健康越差。預警度表達式為：

(4)

式中：Fr代表第r層次的預警度；χi指r層防線下的指標值；ωi為其權(quán)重。

由于預警指標體系中各指標的閥值上限為1 ，因此Fr無限趨近于1，結(jié)合當前河流健康評價級別、國內(nèi)外其他領(lǐng)域預警警限劃分以及生物免疫機制，在河流最健康狀態(tài)(Fr=1)向下浮動25%作為預警最輕的等級，在此基礎(chǔ)上以0.25的容差共確定4個預警等級。分別為：“正常、黃色(輕度警戒)、橙色(中度警戒)、紅色(重度警戒)”分別與河流系統(tǒng)的4個狀態(tài)相對應，即“健康、亞健康、疾病和嚴重疾病”狀態(tài)。如表2。

3 實例分析

論文選取槐泗河進行河流健康預警。槐泗河位于揚州市邗江區(qū)的鄉(xiāng)級河道，是邵伯湖下游支流，河流為東西走向，長10.69 km，流域面積為44.04 km2，是沿河居民灌溉、養(yǎng)殖等的重要水源，也承擔著容納生活生產(chǎn)污水的作用。在2004-2005年，揚州市對槐泗河進行了大規(guī)模的疏浚整治，此后每年進行小范圍的維護管理，在2012年再次進行疏浚整治，本文選取2004-2011年之間的數(shù)據(jù)進行預警分析。

通過查閱《邗江區(qū)統(tǒng)計年鑒》、《邗江區(qū)水資源公報》、《淮河流域水文資料》、《邗江區(qū)河道疏浚整治規(guī)劃》及相關(guān)文獻[23]，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研，運用基于免疫理論的河流健康預警指標體系和預警模型，對槐泗河2004-2011年的河流健康進行預警分析，結(jié)合指數(shù)外推法對2012-2016年河流健康進行預測，進而針對性的提出河流治理的方向。

表2 河流健康預警標準分級表Tab.2 Grading of river health early warning standards

3.1 預警計算

首先對槐泗河2004-2011數(shù)據(jù)進行處理，分別計算2004-2009年四個防線的預警數(shù)值，再利用差分法修勻數(shù)據(jù)，使非平穩(wěn)序列達到平穩(wěn)序列，根據(jù)差分特性，選擇線性預測模型、指數(shù)曲線預測模型或修正指數(shù)曲線預測模型預測2007-2011年的對應預警數(shù)值，并驗證預測模型的可靠性。根據(jù)計算結(jié)果(見表3、圖3)，擬合的曲線R2值都在0.95以上，相對誤差在5%以內(nèi)，擬合度高，模型預測可靠。

應用預測模型對2012-2017年個防線預警數(shù)值進行預測，并計算綜合預警值(表4)，從而對河流健康治理提出針對性建議。

表3 槐泗河2004-2011河流健康預警計算Tab.3 The river health warning of Huai Si river between 2004 to 2011

3.2 數(shù)據(jù)分析

結(jié)合表2、表3可以看出，經(jīng)過疏浚整治，在2005年槐泗河達到了正常(無警戒)的健康狀態(tài)。隨時間的推移，槐泗河的綜合預警數(shù)值呈現(xiàn)下降趨勢，從2008年起，槐泗河預警等級下降到黃色(輕度警戒)。從表4中的預測看，如果不對槐泗河進行大規(guī)模的疏浚整治，2013年槐泗河將進入橙色預警(中度警戒)，并于2017年達到重度警戒。可見，除了日常的健康維護，有針對性的疏浚整治對維護河流健康具有顯著作用。根據(jù)預測分析，槐泗河在疏浚整治過后的7年后河流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和部分功能遭到了輕度破壞，雖然系統(tǒng)無明顯的病癥但是卻正處于健康的邊緣狀態(tài)。

從時間變化分析，四道防線的預警值都隨時間變化逐年下降。作為河流的“皮膚”，防線一肩負著抵御外來干擾，維護河流健康的責任，也最先最易受到外來干擾的侵襲，因此防線一的預警指標下降幅度最陡。而防線二和防線三主要為河流的水體和水生生物指標，當受到外界干擾時，指標變化需要一定的反應時間，因此下降幅度較防線一緩慢。防線四為人類對河流健康的外部干預，人為可控性性強，隨時間變化最為緩慢。四道防線隨時間變化的靈敏度，可以間接反映出治理河流的措施響應程度。下降幅度越陡，則采取相應治理措施后見效時間越短，對于時間敏感度低的防線，則應在日常的河道管理中進行維護。

注：圖中標注*為預測年份圖3 槐泗河2004-2011河流健康預警Fig.3 The river health warning of Huai Si river between 2004 to 2011

表4 槐泗河2012-2017河流健康預警預測Tab.4 The river health warning forecast of Huai Si river between 2012 to 2017

4 結(jié)論與建議

本文通過構(gòu)建基于免疫理論的河流健康預警體系，采用指數(shù)曲線模型或修正指數(shù)曲線模型對揚州槐泗河健康狀況進行預測，從而定性定量的分析了槐泗河流健康變化趨勢，做出河流健康預警預報。研究表明：

(1)基于免疫理論的河流健康預警指標體系的構(gòu)建科學、可靠度高，基于層次分析法得到的各指標權(quán)重的分配科學、合理，基于趨勢外推法構(gòu)建的預警預測模型的預測結(jié)果符合實際變化趨勢。

(2)揚州市槐泗河在預測期內(nèi)從輕度警戒逐步上升至中度警戒，并有發(fā)展到重度警戒的趨勢，在現(xiàn)有河流健康維護措施的基礎(chǔ)上，建議一定期限內(nèi)進行針對性的疏浚整治或水質(zhì)水生物治理，否則河流健康將持續(xù)惡化，影響當?shù)厣鷳B(tài)安全。

針對槐泗河的預警分析，建議河道管理機構(gòu)采取以下措施改善河流健康發(fā)展趨勢，促進槐泗河健康預警的警戒下降：

(1)定期對淮泗河河道進行疏浚整治。結(jié)合表4的槐泗河河流健康預警預測，在河道瀕臨中度警戒之前，應對槐泗河開展全面的疏浚整治，進行清理河道底泥、加護岸坡、排沙植樹等一系列活動，綜合改善河流健康，保證淮泗河河道的生態(tài)健康。

(2)大力開展河道健康評估，密切監(jiān)管河道健康預警狀態(tài)。將河道健康狀況的評估常態(tài)化，將河道健康狀況的監(jiān)督常態(tài)化，將河道健康狀況的維護常態(tài)化，保證預警值達到或接近中度警戒時，能夠及時采取針對性的治理措施，協(xié)助河流四道防線，維護河流生態(tài)健康。

(3)加強日常管理，保障河流健康維護投入。將河流健康的隱患消滅在日常管理中，及時發(fā)現(xiàn)問題，及時處理問題，輔助河流抵御外界干擾。

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