改進(jìn)集對(duì)模型在遼河流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究

曹 虎

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)是由生態(tài)健康基本理論和內(nèi)涵發(fā)展而來的，其概念是指由自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)組成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)并具有顯著的空間差異性和復(fù)雜行[1]。其健康等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和影響因素在評(píng)價(jià)流域健康程度時(shí)同樣表現(xiàn)出多層次的動(dòng)態(tài)特性?；诮M合熵權(quán)的改進(jìn)集對(duì)模型可對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的各影響因素貢獻(xiàn)率進(jìn)行綜合分析，并通過提取數(shù)據(jù)資料所包含的有效信息可準(zhǔn)確反應(yīng)各影響因素對(duì)流域健康狀態(tài)影響大?。粚?duì)樣本與評(píng)價(jià)等級(jí)的接近程度可利用聯(lián)系度的可展性從優(yōu)、劣兩個(gè)方面進(jìn)行準(zhǔn)確描述，據(jù)此可對(duì)指標(biāo)所屬評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行準(zhǔn)確表征并得到更加合理的評(píng)價(jià)結(jié)果[2]。將流域生態(tài)環(huán)境按照評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析并針對(duì)有關(guān)問題給出合理化建議和指導(dǎo)，對(duì)于生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及可持續(xù)發(fā)展管理具有重要意義[3]。

1 生態(tài)健康評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀

在20世紀(jì)80年代初生態(tài)系統(tǒng)健康概念被首次提出，之后河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)逐漸成為河流管理的重點(diǎn)和主要方向。生態(tài)系統(tǒng)健康內(nèi)涵是由Rapport于1989年首次提出的，并對(duì)人類可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系做了相關(guān)論述和研究[4]；Ladson于1999年通過對(duì)溪流狀態(tài)指數(shù)進(jìn)行分析建立了指標(biāo)體系，并對(duì)參照項(xiàng)羽各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)[5]。PeterRose于2008年對(duì)干旱區(qū)河流的健康程度利用底棲動(dòng)物群落特征進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析[6]；PintoH于2014年基于景觀程度和娛樂活動(dòng)等指標(biāo)提出了城市景觀河流評(píng)價(jià)方法[7]；Oeding于2015年對(duì)亞熱帶生態(tài)河流中的硅藻進(jìn)行分析，并認(rèn)為硅藻為該流域的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)[8]。

我國主要是對(duì)流域水質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，而對(duì)流域生態(tài)健康的研究相對(duì)較少并處于初步階段。近年來，我國眾多學(xué)者分別對(duì)生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)和理論方法進(jìn)行了研究和分析，并取得了一定成果形成了相應(yīng)的理論方法，如吳阿娜等[9]通過選取和暗袋、水文特征、理化參數(shù)等指標(biāo)評(píng)價(jià)了河流生態(tài)健康；張晶等[1]基于集水面積、區(qū)域特征、河源距離等空間因子提出了兩級(jí)水生態(tài)區(qū)劃判定方法并建立了一級(jí)分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；鄧曉軍等[11]以漓江市區(qū)段河流為例在建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上采用模糊綜合評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)了該河流生態(tài)健康；封光寅等[12]以漢江中下游為例對(duì)其流量影響因素和變異過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，定量的分析了該區(qū)域河流健康與流量過程變異之間的相互關(guān)系。

2 流域概況

遼河流域位于我國東北地區(qū)西南部，屬于溫帶、寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬冷干燥漫長，夏季多雨炎熱，流經(jīng)量在空間分布上極不均衡，其中西部徑流面積較大約占總徑流量的75%。流域內(nèi)工業(yè)發(fā)展充分、畜牧業(yè)和農(nóng)林業(yè)發(fā)展迅速，不僅是我國東北地區(qū)糧食生產(chǎn)基地而且位于工業(yè)發(fā)展中心的核心位置。流域面積約21.9萬km2，主要支流有老哈河、大遼河、渾河、太子河等，小河流支流眾多且多以蜿蜒曲折狀分布；冰雪融水以及大氣降水為徑流主要補(bǔ)給來源，年平均氣溫8.6℃且晝夜溫差較大，多年平均降水量約為620mm，主要集中在6—8月。年際蒸發(fā)量較大且在不同區(qū)域存在較大差異，東部區(qū)域蒸發(fā)量較大且降雨徑流量較低，而西部區(qū)域降水徑流量大且蒸發(fā)量相對(duì)較低，該區(qū)域水資源開采潛力較大。

3 改進(jìn)集對(duì)分析模型

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建

遼河流域各支流縱橫交錯(cuò)且區(qū)域特征存在較大差異，河流健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系和指標(biāo)缺乏可靠的依據(jù)和指導(dǎo)理論，然而各指標(biāo)的選取應(yīng)符合可持續(xù)性、定量性、可操作性以及主導(dǎo)性等基本原則，其中水資源的開發(fā)和利用應(yīng)以生態(tài)健康內(nèi)涵為依據(jù)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性科學(xué)開發(fā)；評(píng)價(jià)指標(biāo)具有較強(qiáng)的可對(duì)比性和易獲取性，各指標(biāo)的分析計(jì)算應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)便；指標(biāo)的選取應(yīng)滿足綜合性強(qiáng)和有效信息量大的特征；各指標(biāo)在遵循上述基本原則的基礎(chǔ)上還應(yīng)參考相似流域的研究成果并借鑒有關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)等進(jìn)行選取。本文通過借鑒內(nèi)陸河以及長江、黃河等流域相關(guān)研究成果，在實(shí)地考察的基礎(chǔ)上結(jié)合指標(biāo)選取基本原則篩選出了典型的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料以及生態(tài)健康評(píng)價(jià)等級(jí)有關(guān)研究成果將遼河流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為瀕于崩潰、病態(tài)、亞健康、基本健康和健康5個(gè)等級(jí)。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和各等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 遼河流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 建立改進(jìn)集對(duì)分析模型

將μT:X的表達(dá)式利用聯(lián)系度延展性進(jìn)行拓展，其表達(dá)式可轉(zhuǎn)化為：

μT:X=a+bI+cJ=a+(b1i1+b2i2)

+(c1j1+c2j2)

(1)

a+b1+b2+c1+c2=1

式中，b1、b2—差異度分量；c1、c2—對(duì)立度分量。

評(píng)價(jià)模型一級(jí)聯(lián)系度計(jì)算公式如下：

(2)

本文以遼河流域?yàn)槔?，為了保證各評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果一致性規(guī)律特征可將越大越優(yōu)型指標(biāo)進(jìn)行倒數(shù)轉(zhuǎn)換并形成越小越優(yōu)型指標(biāo)，利用上述相關(guān)公式可得到各指標(biāo)聯(lián)系度系數(shù)和遼河流域上、中、下游聯(lián)系度矩陣μ1、μ2、μ3計(jì)算。

4 指標(biāo)權(quán)重的確定

本研究采用熵值法和層次分析法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行組合權(quán)重計(jì)算，即對(duì)指標(biāo)主觀權(quán)重利用層次分析法進(jìn)行確定并做一致性檢驗(yàn)；對(duì)指標(biāo)客觀權(quán)重利用熵值法進(jìn)行計(jì)算確定并得到兩種賦權(quán)法權(quán)重系數(shù)，取二者的幾何平均值即作為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的最終權(quán)重。

4.1 層次分析法確定主觀權(quán)重

結(jié)合遼河流域生態(tài)健康實(shí)際狀況可將評(píng)價(jià)系統(tǒng)劃分為指標(biāo)層、準(zhǔn)則層和目標(biāo)層3個(gè)層次等級(jí)。根據(jù)專家意見并采用1～9比較尺度法構(gòu)造判斷矩陣并進(jìn)行體系中各元素相對(duì)于上一層元素的對(duì)比判斷，以目標(biāo)層與準(zhǔn)則層元素之間的對(duì)比判斷為例構(gòu)建A～B判斷矩陣，見表2。

表2 A～B判斷矩陣

以A～B矩陣為例對(duì)各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)利用求和法進(jìn)行計(jì)算，具體過程如下：

利用上述計(jì)算結(jié)果和方法可對(duì)B～C矩陣的最大特征根以及特征向量進(jìn)行求解，各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 遼河流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算值

表4 判斷矩陣隨機(jī)一致性檢驗(yàn)結(jié)果

4.2 熵值法確定客觀權(quán)重

4.3 主客觀組合權(quán)重

5 改進(jìn)集對(duì)分析模糊綜合評(píng)價(jià)

利用組合權(quán)重W和聯(lián)系度μ計(jì)算結(jié)果可對(duì)遼河流域上游綜合聯(lián)系度矩陣A進(jìn)行計(jì)算。引入shi(A)=a/c作為集對(duì)勢(shì)，若集對(duì)勢(shì)值大于1則代表集合存在同一趨勢(shì)；集對(duì)勢(shì)值小于于1則代表集對(duì)反勢(shì)；若值為若1則代表集合對(duì)均勢(shì)；若a>c>b則代表集合為強(qiáng)同勢(shì)；若a>b>c則代表集合為弱同勢(shì)；若b>a>c則代表集合為微同勢(shì)；若b值為0則代表集合為準(zhǔn)同勢(shì)。對(duì)遼河流域上游生態(tài)

表5 遼河流域生態(tài)健康各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重及熵值計(jì)算結(jié)果

健康評(píng)價(jià)等級(jí)5個(gè)集對(duì)勢(shì)分別計(jì)算，u1～u5結(jié)果分別為4.416、10.881、8.325、4.162、2.517，經(jīng)歸一化處理可知，遼河流域生態(tài)由生態(tài)健康到瀕于崩潰的概率分布為14.58%、35.91%、27.47%、13.74%、8.31%，據(jù)此可判定為該流域上游生態(tài)處于基本健康標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，同理可對(duì)其中、下游區(qū)域的生態(tài)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表6。由表6可知，該流域上、中、下游生態(tài)健康分別基本健康、亞健康和病態(tài)等級(jí)水平。

表6 遼河流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)結(jié)果

結(jié)合上述評(píng)價(jià)分析結(jié)果和人類活動(dòng)、自然條件等因素對(duì)遼河流域生態(tài)環(huán)境的作用影響，該流域生態(tài)處于較脆弱水平，其原因主要和該流域水資源緊缺、蒸散發(fā)量大以及降雨量少等因素相關(guān)，并且該區(qū)域?qū)λY源的開發(fā)利用程度較高且用水結(jié)構(gòu)較低，水效率系數(shù)處于較低水平；中下游區(qū)域的水質(zhì)較差，工業(yè)發(fā)展以及農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展等。

6 結(jié)語

本文在詳細(xì)分析了層次分析和組合熵權(quán)法理論的基礎(chǔ)上以遼河流域?yàn)槔M(jìn)行生態(tài)健康綜合評(píng)價(jià)，該方法具有評(píng)價(jià)結(jié)果可靠準(zhǔn)確、方法原理簡(jiǎn)單等特征。對(duì)同、異、反特征利用集對(duì)分析中聯(lián)系度的可展性進(jìn)行改進(jìn)并建立評(píng)價(jià)模型。將熵值法與層次分析法利用組合賦權(quán)理論進(jìn)行有效結(jié)合并以此避免了單一權(quán)重法的片面行，據(jù)此不僅充分體現(xiàn)了數(shù)據(jù)資料所包含的有效信息而且能夠最大限度地反映評(píng)價(jià)者的主觀判斷，進(jìn)而提高了評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際狀況的貼近程度。實(shí)例研究表明：遼河流域上、中、下游生態(tài)健康分別基本健康、亞健康和病態(tài)等級(jí)水平；原因主要和該流域水資源緊缺、蒸散發(fā)量大以及降雨量少等因素相關(guān)，并且該區(qū)域?qū)λY源的開發(fā)利用程度較高且用水結(jié)構(gòu)較低，水效率系數(shù)處于較低水平；中下游區(qū)域的水質(zhì)較差，工業(yè)發(fā)展以及農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展等。