全 文 ：第 34卷 第 3期 生 态 科 学 34(3): 103108
2015 年 5 月 Ecological Science May 2015

收稿日期: 2014-12-16; 修订日期: 2015-01-19
基金项目: 水利部综合事业局: 水生态保护与修复技术体系研究; 201436
作者简介: 聂瑞(1988—), 女, 山西忻州人, 硕士研究生, 研究方向为农业水土、河流生态学, E-mail: 748578226@qq.com
*通信作者: 肖娟(1968—), 女, 山西临汾人, 博士, 教授, 硕导, 主要从事节水灌溉、农业水土工程及河流生态学方面的研究, E-mail: zhangxd626@
163.com

聂瑞, 肖娟, 赵辉. 基于层次分析法的三川河健康评价[J]. 生态科学, 2015, 34(3): 103108.
NIE Rui, XIAO Juan, ZHAO Hui. Diagnose the health status of Sanchuan River by Analytic Hierarchy Process[J]. Ecological Science,
2015, 34(3): 103108.

基于层次分析法的三川河健康评价
聂瑞, 肖娟, 赵辉
太原理工大学, 水利科学与工程学院, 太原 030024

【摘要】为评价三川河流域的健康状况, 采用层次分析法构建了包含生态功能、防洪功能、利用功能、服务功能和景
观环境功能 5 个准则层的河流健康评价体系, 同时综合考虑指标的重要性、普遍性、可量化性、易获取性, 筛选出揭
示三川河流域健康状况的 14 项主要指标, 使得指标体系整体结构简单、意义明确、相互间独立性容易保证。最后计
算出河流健康综合指数值, 并对照相应规范判断三川河健康状况。结果表明, 三川河健康状况为差, 具有诊断的必要
性与迫切性。

关键词：河流健康; 层次分析法; 评价体系; 评价指标
doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2015.03.018 中图分类号：X826 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2015)03-103-06
Diagnose the health status of Sanchuan River by Analytic Hierarchy Process
NIE Rui, XIAO Juan, ZHAO Hui
College of Water Conservancy Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China
Abstract: In order to evaluate the health status of Sanchuan River basin, five guidelines evaluation systems were constructed
and fourteen key indicators were selected by Analytic Hierarchy Process. The guidelines systems contained ecological
function, flood control function, using function, service function and landscape function. In order to make the guidelines
systems simple, univocal and independence, the importance of the indicators, the universality of the indicators, the
quantifiable of the indicators and the availability of the indicators were considered. According to the calculation results of
the composite index value, the health status of Sanchuan River was evaluated. The results showed that the health status of
Sanchuan River is worse, and the diagnosis of the river is necessary and urgent.
Key words: river health; Analytic Hierarchy Process; evaluation system; evaluation guidelines
1 前言
河流健康作为人类健康的类比概念其涵义尚不
明确[1], 一类认为河流健康基本等同于河流生态系
统健康[2], 河流健康评价仅是对河流生态系统状况
的评价[3]。国外河流健康几乎不涉及对人类的服务
功能, 其反映的是生态状态的好坏, 故生物指标法
和栖息地指标法等适用于对国外河流健康的评价。
但很多学者认为只强调生态系统健康不够完善, 也
应满足人类社会合理要求的能力和生态系统本身自
我维持与更新的能力[4]。赵彦伟、杨志峰[1]建立了以
水文学、物理特征、河岸区状况、水环境质量、水
104 生 态 科 学 34 卷

生生物五个准则层共 19 个指标的综合指标法, 但其
对防洪功能及水土流失方面考虑较少。卞锦宇、耿
雷华[5]等人建立了包含自然功能、生态环境功能、
社会经济功能三个准则层 11 个指标的河流健康评
价指标体系, 并将防洪功能作为生态环境功能的一
个指标来进行考虑, 对我国河流对兴利与防洪的突
出要求方面考虑较少。冯彦、何大明[6]等整理并筛
选出揭示河流生境物理、水环境、生物、水资源利
用四个准则层共 8 个指标的河流健康评价指标体
系。张晶、董哲仁[7]等提出了包含水文、水质、地
貌、生物、社会经济五个方面 36 个指标的河流健康
评价指标体系。
作为黄河的一级支流, 三川河健康状况评价方
面的研究一直有所欠缺, 故本文针对三川河特有的
情况综合考虑了满足人类社会的可持续发展需求,
最终形成人类对河流的开发与保护保持平衡的良性
循环的前提下[5], 结合我国河流对兴利与防洪功能
的突出要求, 并尽量避开了各指标之间的交叉, 旨
在建立全面均衡合理的健康评价指标体系从而对三
川河健康状况进行全面的评价。
2 三川河流域概况
三川河属黄河一级支流, 包括北川河、南川河、
东川河, 三河在离石区汇合后称为三川河。北川河
长 92 km, 南川河长 60 km, 东川河长 44 km, 干流
长 76 km, 北川河是三川河的主流, 本次着重研究
北川河及干流河段, 共计 168 km, 控制流域面积
4161 km2, 平均水深约 3.0 m, 河道平均纵坡 5.29‰,
该河流经黄土丘陵沟壑区, 水土流失严重, 河流含
沙量很高。
根据《山西省吕梁地区三川河流域治理开发规
划报告》、《山西省吕梁市第二次水资源评价》、《吕
梁市水资源综合规划报告》及太原理工大学水利学
院著《三川河流域综合规划修编报告》可知三川河
已初步治理水土流失面积 1480 km2, 占流域总面积
的 35.57%, 占水土流失面积的 45.58%; 植被面积
1659 km2, 占流域总面积的 40%; 望到 2030 年, 水
土流失治理度达到 90.6%, 林草覆盖度达到 63.4%。
三川河年平均流量3.42 m3·s–1, 年径流量1.079 m3·s–1,
年最大流量 92 m3·s–1, 汛期平均含沙量 3.03 kg·m–3;
流域的水资源开发利用工程主要有蓄水工程、引水
工程、提水工程和水井工程四大类, 集中供给城市
生活、大中型工矿企业, 同时分散供给农业灌溉、
农村生活以及小型工矿企业用水, 水资源总量为
24688 万 m3, 流域实际用水量为 14827 万 m3。全
流域已利用耕地面积 139.5 万亩, 有效灌溉面积
12.31 万亩, 农田实灌面积 7.2 万亩。流域内共有农
村人口 46.78 万人, 无供水设施的 3.99 万人, 城市
人口 23.57 万人, 无供水设施的 2.01 万人, 水体有
不同程度污染 , 污废水排放量大 , 排放总量达
1202.3 万 m3, 整个流域污水利用量仅中阳有 1.56
万 m3, 利用率仅 0.13%, 城乡饮水安全人数仅为
26.88 万人。通过查阅后大成水文站记载的 1954—
2011 年间三川河的资料, 显示地表多年平均径流量
为 6.429 亿 m3; 另外, 三川河防洪工程规划包含防
洪功能区规划, 河道及堤防规划, 控制性防洪工程
规划, 城市防洪规划, 据初步统计可知三川河已建
防洪工程数量约为拟建防洪工程数量的 30%。山西
省吕梁市第二次水资源评价、三川河地表水水质综
合评价情况如表 1。
3 层次分析法简介
层次分析法(Analytic Hierarchy Process, 简称
AHP 法)是美国运筹学家 Saaty 等人在 20 世纪 70 年
代中期提出了一种定性与定量相结合, 系统性、层
次化的多目标决策分析方法。层次分析法首先将所
要进行的决策问题置于一个大系统中, 在这个系统
中存在互相影响的多种因素, 要将这些问题层次化,
形成一个多层的分析结构模型, 之后运用数学方法
与定性分析相结合, 通过层层排序, 最终根据各方
案计算出的所占权重, 来辅助决策[8]。
4 河流健康评价指标体系的构建
从国内实际应用情况来看, 多层次多指标的
框架相对适用于中国河流健康评价, 据此建立由
目标层、准则层、指标层构成的评价体系[1–10], 见
表 2。

表 1 地表水水质综合评价
Tab. 1 Comprehensive evaluation of water quality of
surface water
河段 源头—津梁庄
津梁庄—
峪口镇
峪口镇—北、
东川汇合处
北、东川汇合
处—河口
河长/km 39 18 35 76
水质 Ⅰ Ⅱ Ⅳ 劣Ⅴ
3 期 聂瑞, 等. 基于层次分析法的三川河健康评价 105


图 1 三川河流域
Fig. 1 Reaches of Sanchuan River
表 2 河流健康指标体系
Tab. 2 Integrated assessment indicators system for river
目标层 A 准则层 B 指标层 C
基本流量指数 11C
水文波动指数 12C
水质清洁指数 13C
生态功能 1B
水土流失比例 14C
输沙功能 21C
调节能力指数 22C 防洪功能 2B
防洪功能措施完善率 23C
水资源利用率 31C 利用功能 3B 污水处理率 32C
城乡供水保证率 41C
灌溉保证率 42C 服务功能 4B
饮水安全保证率 43C
河流水质达标率 51C
河流健康 A
景观环境功能 5B 植被面积覆盖率 52C

表中各健康评价指标计算公式及指标现状值计
算结果如下
11 ( ) /( ) (3.42 0.802) /
(3.42 0.802) 0.6199
c cC Q Q Q Q    
 
式中: Q为计算时段平均流量, CQ 为典型断面低限
流量, 以三川河典型枯水年 1961 年的年径流量 0.253
亿 m3作为低限年径流量计算得 0.802CQ  m3·s–1[11]。
12 max min max min
max min max min

( ) /( )
( ) /( )
( ) /( )
(1.079 / 365 2.57 1.079 / 365 0.526) /
(1.079 / 365 2.57 1.079 / 365 0.526)
0.6602
p p p p
C Q Q Q Q
K K K K
   
   
  
  
  
   
  

天 天 天 天
式中: maxQ 、 minQ 分别为年最大及最小日平均流量
13 6 [ ( ) / ] 6 3.99 2.01i i iC Q q Q      
式中: iQ 为水源地的供水量, iq 为水质类型, 超Ⅴ
类水质按 6 计)
14 / 3248 / 4161 0.7806C   水土流失面积 土地面积
21
| | 0.03297 0.011 1 0.4654
0.03297 0.01
c
c
C   
      
式中:  为来沙系数, c 为保持河流不冲不淤的临
界来沙系数, 本论文选取 0.01 作为三川河的来沙系
数临界值[12]。
22 /
4161 3/ 642900 0.0194
C 
  
河流总库容 地表多年平均径流量
23 /
0.30
C 

已完成的防洪工程数量 应完成的防洪工程数量
31 /
14827 / 24688 0.6006
C 
 
流域实际用水量 流域水资源总量
32 / 1.56 /1202.3 0.0013C   污水处理量 污水排放量
41 /
(70.35 6.00) / 70.35 0.9147
C 
  
城乡供水总量 城乡总需水量

42 / 7.2/12.31 0.5848C   农田实灌面积 有效灌溉面积
43 /
26.88 / 70.35 0.3820
C 
 
饮水安全人数 流域人口总数


51C Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ /类水质河长 评价河长总长
(39 18) /168 0.3392  
52 / 1659 / 4161 0.40C   植被面积 流域土地面积
5 层次分析法评价三川河健康状况的计算
5.1 构建判断矩阵
AHP 法在对指标的相对重要性进行评价时, 引
入了九分位的比例标度, 见表 3。根据相对重要性比
例尺度, 构建三川河流域健康评价的判断矩阵 [9],
见表 4。
106 生 态 科 学 34 卷

表 3 相对重要性比例标度
Tab. 3 Proportional scale of relative importance
甲指标比乙指标 极重要 很重要 重要 略重要 同等 略次要 次要 很次要 极次要
甲指标评价值 9 7 5 3 1 1/3 1/5 1/7 1/9
备注 取 8、6、4、2、1/2、1/4、1/6、1/8 为上述评价值的中间值

表 4 判断矩阵
Tab. 4 Judgment matrix
三川河流域 生态功能 防洪功能 利用功能 服务功能 景观环境功能
生态功能 1 1 1 1/3 1
防洪功能 1 1 1 1/2 2
利用功能 1 1 1 1/2 1
服务功能 3 2 2 1 3
景观环境功能 1 1/2 1 1/3 1

5.2 权重计算及一致性检验
5.2.1 根据判断矩阵求最大特征值 max 对应的特征
向量 1 2 3 4 5[ , , , , ]Tw W W W W W
5.2.2 将特征向量归一化, 求出各指标权重
5.2.3 通过公式 /CR CI RI 对判断矩阵进行一致
性检验, 判断权重分派是否合理, 式中, CR 为判断
矩阵的随机一致性指标, 当阶数大于 2, CR <0.1 时,
即认为判断矩阵具有满意的一致性, 否则需要调整
判断矩阵, 以使之具有满意的一致性。CI 为判断矩
阵的一般一致性指标 max
1
nCI
n
   , RI 为判断矩阵
的平均随机一致性指标, 取值参照表 5。
经计算, 得出三川河五个准则层的权重分配如
表 6, max =5.06, 随机一致性指标 /CR CI RI =
0.01525/1.12=0.0136<0.1,说明判断矩阵具有满意的
一致性。
5.3 计算各指标健康值
将各单项因子对整体系统健康的影响力视为相
同, 即把第二层次权重在五个准则层中的权重值设
定为相等 , 各准则层中单项因子权重分别为 :
0.0370、0.0615、0.0803、0.1259、0.0645。
根据三川河各健康评价指标现状值及三川河健
康评价指标质量值可计算出各指标的现状健康值[7],
见表 7。
5.4 评价三川河的健康状况
采用层次分析法确定各评价指标权重, 再结合
上述计算确定的各评价指标健康值, 则河流健康评
价综合得分可用公式
1
n
i i
i
S S

 计算, 其中 S 为河
流健康综合指数, 河流健康综合指数越低, 则河流
健康状况越差。 i 为各评价指标的权重, iS 为各评
价指标的健康值。若综合指数为 0.8—1.0, 则河流健
康状况为“健康”; 若综合指数为 0.6—0.8, 则河流
健康状况为“好”; 若综合指数为 0.4—0.6, 则河流
健康状况为“一般”; 若综合指数为 0.2—0.4, 则河
流健康状况为“差”, 若综合指数小于 0.2, 则河流
健康状况为“极差”[9]。计算得, 三川河健康评价综
合得分 S =0.3570。各指标评价指数计算结果见图 2。
表 5 判断矩阵的平均随机一致性指标[8]
Tab. 5 Mean random consistency indexes of judgment matrix
n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
RI 0 0 0.52 0.89 1.12 1.26 1.36 1.41 1.46 1.49
表 6 五个准则层的权重分配
Tab. 6 Weight distribution of five guidelines
指标层 生态功能 防洪功能 利用功能 服务功能 景观环境功能
指标层权重 0.1481 0.1845 0.1606 0.3778 0.1289

3 期 聂瑞, 等. 基于层次分析法的三川河健康评价 107

表 7 三川河健康评价指标健康值
Tab. 7 Health values of the health evaluation indexes of Sanchuan River
指标 质量值 现状值(%)
11C 100 80 60 40 20 <20 61.99
健康值 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0.05 0.62
12C 100 80 60 40 20 <20 66.02
健康值 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0.05 0.66
13C 500 400 300 200 100 0 200
健康值 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.05 0.40
14C 0 10 20 30 40 >50 78.06
健康值 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.05 0.05
21C 100 80 60 40 20 <20 46.54
健康值 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0.05 0.47
22C >0.2 0.15 0.10 0.06 0.02 <0.01 1.94
健康值 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.05 1.00
23C 100 95 90 80 70 <60 30.00
健康值 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.05 0.05
51C 100 80 65 50 40 <30 33.92
健康值 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.05 0.10
续表 7
指标 质量值 现状值(%)
31C <5 10 20 30 35 40 45 50 54 58 >60 60.06
健康值 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.05 0.05
32C 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 <5 0.13
健康值 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.05 0.05
41C 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 <50 92.00
健康值 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.05 0.84
42C 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 <50 58.50
健康值 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.05 0.17
43C 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 <50 38.20
健康值 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.05 0.05
52C >50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 <1 40
健康值 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.05 0.8

图 2 各评价指标对比图
Fig. 2 The comparison chart of each evaluation indexes
108 生 态 科 学 34 卷

6 结论与讨论
三川河健康状况诊断为“差”。水土流失非常严
重, 防洪措施不够完善, 水资源利用率刚达水资源
总量的一半, 且河流水质差, 居民供水保证率虽然
较高但饮水安全得不到保证, 污水处理力度不够。
应该加强三川河的管理, 保证河流生态系统的良性
循环, 采用有效技术手段加强对河流系统的修复,
避免其健康状况濒临崩溃, 同时完善相应的防洪工
程措施, 从而保证整个流域健康、平衡、稳定、持
续的发展。
本文重点体现了河流健康评价的指标选取及层
次分析法的运用, 未对指标权重、指标阈值进行考
虑。另外本文虽然囊括了 14 项指标, 尽量达到全面
均衡, 但河流生态系统的复杂性及其与人类关系的
多样性注定了每种方法的局限性, 很难建立一套完
全一致的指标体系来评价每一条河流的健康状况。
本文将人类对河流的开发与保护保持平衡作为前提,
因此更适用于已开发利用程度较大的城市河流生态
系统。
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