基于改進(jìn)物元分析法的疏勒河中上游生態(tài)流量計(jì)算與評(píng)價(jià)

閆宏華，楊文舉，趙映東

(甘肅省水利廳討賴河流域水資源利用中心，甘肅 酒泉 735000)

0 引 言

疏勒河干流發(fā)源于祁連山脈的崗格爾肖合力嶺，與大通河、布哈河和黑河源頭相鄰，干流由東南向西北穿行于討賴南山與疏勒南山之間，流域面積4.12萬(wàn)km2，干流全長(zhǎng)670 km。疏勒河干流自上而下依次設(shè)定花兒地(1967年撤銷(xiāo))、昌馬堡、潘家莊、雙塔堡水庫(kù)4個(gè)水文站，其中昌馬堡水文站作為內(nèi)陸河主要的大型水文站，承擔(dān)著中央防汛辦、甘肅省防辦、酒泉市防辦報(bào)汛的任務(wù)，為可持續(xù)的水文信息發(fā)揮著十分重要的作用[1]。

生態(tài)流量作為評(píng)價(jià)河流生態(tài)健康狀況重要的水力學(xué)參數(shù)，反映了河流生態(tài)健康狀況。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多采用幾種方法用來(lái)計(jì)算當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)流量，而后通過(guò)綜合分析指標(biāo)進(jìn)行當(dāng)?shù)刈顑?yōu)生態(tài)流量的確定。李千珣等[2]基于4種生態(tài)流量計(jì)算方法計(jì)算清江生態(tài)流量過(guò)程，并采用Tennant法對(duì)結(jié)果進(jìn)行合理性分析。崔靜思等[3]基于5種水文學(xué)法和水力學(xué)法對(duì)梯級(jí)小水電應(yīng)下泄的最小生態(tài)流量進(jìn)行計(jì)算，分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)Texas法和Tennant法更適合該地區(qū)最小生態(tài)流量計(jì)算。陳楷等[4]通過(guò)多種水文學(xué)法確定密江河生態(tài)流量值，并最終確定Tennant法最適用于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)流量計(jì)算。但是這些方法還存在機(jī)理識(shí)別不清、方法適用條件不明等問(wèn)題，導(dǎo)致由此計(jì)算得出的生態(tài)流量無(wú)法滿足水生生物健康發(fā)展的內(nèi)在需求[5]。因此，有必要對(duì)目前常用的確定生態(tài)流量的水文學(xué)方法進(jìn)行深入研究，探究一種綜合客觀分析方法明確水文學(xué)方法的適用性。

因此，本研究選取年內(nèi)展布法、NGPRP法、最小生態(tài)流量法、逐月頻率法及Tennant法5種計(jì)算方法對(duì)疏勒河干流中上游生態(tài)流量進(jìn)行計(jì)算，基于博弈論確定綜合權(quán)重的改進(jìn)物元分析模型對(duì)生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終確定最適合疏勒河干流中上游生態(tài)流量，以期為計(jì)算河道生態(tài)流量過(guò)程提供新方法。

1 計(jì)算方法與原理

1.1 年內(nèi)展布法

年內(nèi)展布法以研究河道歷史長(zhǎng)系列徑流資料為依據(jù)，引入多年平均流量和最小年平均流量的同期均值比η，通過(guò)此值同需要計(jì)算的河道生態(tài)流量建立聯(lián)系，進(jìn)而確定河段生態(tài)流量數(shù)值[6]，計(jì)算步驟如下：

(1)依據(jù)長(zhǎng)系列徑流資料，求取多年平均流量Q和最小年均流量Qmin。

(2)求得多年平均流量和最小年平均流量的同期均值比η。

η=Qmin/Q

(1)

(3)最后利用同期均值比，確定河段生態(tài)流量的值Qi。

Qi=ηqi

(2)

式中，Qi為第i個(gè)月的生態(tài)流量，m3/s；qi為第i個(gè)月的多年平均流量。

1.2 NGPRP法

NGPRP法是將已知的長(zhǎng)系列水文年分為豐水年、平水年和枯水年，以長(zhǎng)系列水文年中的平水年為主要研究對(duì)象，對(duì)平水年進(jìn)行排頻，取90%保證率的年內(nèi)各月徑流量作為河段生態(tài)流量的計(jì)算方法[7]。

1.3 最小生態(tài)流量法

最小生態(tài)流量法以歷史多年徑流系列中各月的最小月平均流量作為該月的生態(tài)流量，組成最小生態(tài)流量過(guò)程[8]。

1.4 逐月頻率法

逐月頻率法根據(jù)具體河流的水文特征以及生態(tài)需求目標(biāo)選取合理的保證率，得到適宜生態(tài)流量過(guò)程[9]。不同學(xué)者采用的保證率選取方法不同，本文采用3種選取方法進(jìn)行計(jì)算，分別為：①取法I。枯水期保證率取90%、平水期保證率取70%、豐水期保證率取50%；②取法II。各月保證率均取50%；③取法III。冬季保證率取80%、春秋季保證率取75%、夏季保證率取50%。計(jì)算各種方法的流量，得到適宜生態(tài)流量過(guò)程。

1.5 Tennant法

Tennant法也叫蒙大拿法，普遍用于估算河道生態(tài)基流或生態(tài)需水量[10-11]。Tennant法將雨季和旱季的河流流量與魚(yú)類(lèi)棲息地質(zhì)量聯(lián)系起來(lái)，并量化為年均流量的百分比；引入10%作為最小瞬時(shí)流量，30%被推薦為基本流量，60%為最佳瞬時(shí)流量?；诤恿鳒y(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，確定了年平均流量的各種百分比，進(jìn)而提出了河流生態(tài)流量的標(biāo)準(zhǔn)[12]。

2 改進(jìn)物元分析法生態(tài)流量過(guò)程評(píng)價(jià)模型

2.1 建模過(guò)程

物元分析法是以相關(guān)的數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，利用實(shí)地監(jiān)測(cè)的水文徑流數(shù)據(jù)，構(gòu)建模糊評(píng)價(jià)模型，再利用構(gòu)建的模糊評(píng)價(jià)模型合理、正確的分析與評(píng)價(jià)研究對(duì)象[13]。因此，本研究將物元分析法的思路應(yīng)用到河道生態(tài)流量過(guò)程中。其建模過(guò)程為：①利用實(shí)地監(jiān)測(cè)的12個(gè)月河道生態(tài)流量數(shù)據(jù)，作為整個(gè)生態(tài)流量過(guò)程的衡量評(píng)價(jià)指標(biāo)；②借鑒傳統(tǒng)水文學(xué)計(jì)算方法中的Tennant法的評(píng)判準(zhǔn)則，構(gòu)建評(píng)價(jià)模型的經(jīng)典域和節(jié)域；③利用實(shí)地監(jiān)測(cè)的12個(gè)月生態(tài)流量滿足度的重要性，基于博弈論思想確定12個(gè)月的權(quán)重；④通過(guò)利用上述步驟確定各方法評(píng)價(jià)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度；⑤通過(guò)確定利用各種計(jì)算方法對(duì)生態(tài)流量過(guò)程結(jié)果的整體評(píng)估等級(jí)，從而最終確定合理的生態(tài)流量過(guò)程。

2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定

Tennant法是水文學(xué)計(jì)算方法中常見(jiàn)的方法，當(dāng)用于實(shí)際生態(tài)流量確定時(shí)，應(yīng)當(dāng)針對(duì)河道所處的地理位置狀況、河流的水文情勢(shì)以及河流生態(tài)需水量狀況等，做出適當(dāng)?shù)姆制诤蜆?biāo)準(zhǔn)參數(shù)調(diào)節(jié)?？紤]到疏勒河流量具有明顯的季節(jié)性變化，為彌補(bǔ)Tennant法不適用流量季節(jié)性變化大的不足，使模型評(píng)價(jià)結(jié)論更為精確，因此，將一年分為豐水期、平水期和枯水期不同時(shí)段。其具體的界定方式是：將全年區(qū)分為豐水期、平水期與枯水期，參考已有經(jīng)驗(yàn)與疏勒河流量特點(diǎn)，劃定4月～6月為平水期，7月～10月為豐水期，11月～3月為枯水期[14]。

2.3 基于博弈論的改進(jìn)物元分析法評(píng)價(jià)模型

2.3.1 構(gòu)建待評(píng)物元與關(guān)聯(lián)函數(shù)

將疏勒河干流中上游12個(gè)月的生態(tài)流量狀況作為評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，記為12個(gè)特征，并建立物元，即

(3)

式中，n為12；Pn為生態(tài)流量過(guò)程；Ci為第i個(gè)月的生態(tài)流量狀況；Xi為第i個(gè)月生態(tài)流量占多年平均流量的百分比。

依據(jù)相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，本文參考黃顯峰等[15]的研究結(jié)果，構(gòu)建模糊評(píng)價(jià)模型的經(jīng)典域和節(jié)域這兩個(gè)域的物元，并確定關(guān)聯(lián)度與關(guān)聯(lián)函數(shù)，計(jì)算公式為

(4)

式中，Xji為待評(píng)對(duì)象的第i個(gè)指標(biāo)的經(jīng)典域，|Xji|=api-bpi；Kj(xi)為目標(biāo)層的綜合關(guān)聯(lián)度；ρ(xi，Xji)為分辨系數(shù)；Xpi為待評(píng)對(duì)象的第i個(gè)指標(biāo)的節(jié)域；api、bpi分別為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)等級(jí)a與等級(jí)b的量值范圍。

2.3.2 基于層次分析法確定主觀權(quán)重

層次分析法(AHP法)是一種采用定性和定量分析解決復(fù)雜多層次、多目標(biāo)的分析決策方法[16]，其計(jì)算過(guò)程如下：

(1)目標(biāo)遞階層次結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)模型和判斷(成對(duì)比較)矩陣的建立。首先把決策問(wèn)題層次化、模塊化，即依次按照目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層分組建立一個(gè)目標(biāo)遞階層次結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)模型?；谏鲜鲈u(píng)價(jià)模型，兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣，即

S-Bm=(bmn)k×k

(5)

式中，S為元素a的重要性程度；Bm為元素b的重要性程度；bmn為評(píng)分結(jié)果，bmn>0，bmn=1/bnm，bmm=1；k為判斷矩陣階數(shù)。當(dāng)元素進(jìn)行兩兩比較時(shí)，標(biāo)度法的范圍為1～9。

(2)目標(biāo)元素相對(duì)權(quán)重的計(jì)算。通常采用求特征值λ法和一致性指標(biāo)WAj來(lái)確定相應(yīng)的特征向量I，則一致性指標(biāo)WAj與特征值λ計(jì)算方法為

(6)

(7)

式中，W為權(quán)重；Wm為判斷矩陣m行權(quán)重；WAj為一致性指標(biāo)，I=(WA1，WA2，…，WAj)；m為判斷矩陣行數(shù)，m=1，…，i；n為判斷矩陣列數(shù)，n=1，…，j。

2.3.3 基于熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

熵權(quán)法是根據(jù)某項(xiàng)指標(biāo)信息熵的定義，熵值的大小可以用來(lái)判斷指標(biāo)的離散程度[17]，離散程度越大，熵值(權(quán)重)就越??；相反，熵值(權(quán)重)就越大，其計(jì)算過(guò)程如下：

(1)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理。假設(shè)已知有i個(gè)指標(biāo)X1，X2，…，Xi，每個(gè)指標(biāo)有j期數(shù)據(jù)，可構(gòu)建一個(gè)i行j列矩陣。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理公式為

(8)

式中，Yij為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理后參數(shù)；Xij為第i個(gè)指標(biāo)的第j期數(shù)據(jù)；Xi為第i指標(biāo)的所有數(shù)據(jù)(i=1，…，m；j=1，…，n)。

(2)確定各指標(biāo)信息(熵)權(quán)重。依據(jù)上述信息熵的定義，先計(jì)算出各指標(biāo)信息熵的大小，然后通過(guò)信息熵確定出各指標(biāo)的(熵)權(quán)值。信息熵和權(quán)重確定公式為

(9)

(10)

(11)

2.3.4 基于博弈論確定組合權(quán)重

主觀賦權(quán)法決策者主觀偏好較強(qiáng)，客觀賦權(quán)法又過(guò)多依賴于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的局限性，為綜合考慮決策者的主觀偏好信息、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比強(qiáng)度與沖突性，因此，基于博弈論對(duì)AHP-熵權(quán)法主客觀賦權(quán)結(jié)果進(jìn)行組合賦權(quán)，得到?jīng)Q策者客觀可信的評(píng)價(jià)結(jié)果。根據(jù)上述層次分析法與熵權(quán)法確定的各指標(biāo)權(quán)值WA和Wa，得到兩個(gè)權(quán)重向量u1和u2，基于博弈論組合模型[18]，推求契合度最高的權(quán)重向量u*，計(jì)算公式為

(12)

式中，a=1，2；ka為最優(yōu)的線性組合系數(shù)。

2.3.5 計(jì)算第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的聯(lián)合關(guān)聯(lián)度

(13)

式中，ui為第i個(gè)月生態(tài)流量狀況的權(quán)重；Kj(P0)為聯(lián)合關(guān)聯(lián)度；Kj(xi)為關(guān)聯(lián)函數(shù)，代表物元達(dá)到所規(guī)定的取值范疇的程度。

2.3.6 確定等級(jí)評(píng)定

若Kj=max{Kj(P0)}(j=1，2，…，m)，則表示所確定的生態(tài)流量過(guò)程已達(dá)到了第j級(jí)別。處于Kj(P0)≤-1范圍時(shí)，表明認(rèn)為不滿足該標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別的條件，并無(wú)法轉(zhuǎn)換為該級(jí)別；處于-11范圍時(shí)，表明所求生態(tài)流量過(guò)程已經(jīng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)最高要求。

2.3.7 確定生態(tài)流量過(guò)程

通過(guò)按照所選用的各種生態(tài)流量確定方法，確定了各種計(jì)算方法的生態(tài)流量過(guò)程評(píng)價(jià)等級(jí)，并結(jié)合所調(diào)查的疏勒河干流中上游生態(tài)用水要求，合理地確定出所求的生態(tài)流量過(guò)程。

3 疏勒河干流中上游生態(tài)流量計(jì)算與評(píng)價(jià)

3.1 生態(tài)流量過(guò)程計(jì)算

采用傳統(tǒng)水文計(jì)算方法中的年內(nèi)展布法、NGPRP法、逐月最小流量法、逐月頻率法，利用疏勒河干流中上游昌馬堡水文站1953年～2017年的徑流資料，計(jì)算所求的生態(tài)流量過(guò)程，不同方法的各月生態(tài)流量結(jié)果如表1所示。

表1 采用不同生態(tài)流量計(jì)算方法確定的各月生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果 m3/s

由表1可知，疏勒河干流中上游生態(tài)流量計(jì)算中不同方法的計(jì)算結(jié)果差距較小，各月生態(tài)流量值基于不同方法下變化不大，無(wú)法直觀看出各方法結(jié)果的差距，具體評(píng)價(jià)需要采用生態(tài)流量評(píng)價(jià)模型。

3.2 基于改進(jìn)物元分析法的生態(tài)流量過(guò)程評(píng)價(jià)

依據(jù)疏勒河干流中上游的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀情況以及生態(tài)流量下泄的要求，同時(shí)考慮疏勒河干流中上游所在流域降雨的特點(diǎn)，全年的生態(tài)流量重要性概況為：豐水期<平水期<枯水期。豐水期這一時(shí)段的重要性最低，枯水期這一時(shí)段的重要性最高。根據(jù)層次分析法與熵權(quán)法的基本過(guò)程，對(duì)疏勒河干流中上游各月生態(tài)流量進(jìn)行賦權(quán)處理，采用博弈論組合賦權(quán)方法計(jì)算得到各月生態(tài)流量的組合權(quán)重，具體見(jiàn)表2。

表2 生態(tài)流量賦權(quán)結(jié)果

以傳統(tǒng)水文計(jì)算方法中的逐月最小流量法為例，根據(jù)所求生態(tài)流量過(guò)程的評(píng)價(jià)等級(jí)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求(見(jiàn)表3)，構(gòu)建待評(píng)物元R、經(jīng)典域物元Rj(j=1，2，…，7)。生態(tài)流量過(guò)程的評(píng)價(jià)等級(jí)分為7個(gè)等級(jí)，分別為差、一般、較好、好、很好、最佳、最大，結(jié)果見(jiàn)表4。考慮權(quán)重關(guān)系后，再按照公式(13)計(jì)算各評(píng)價(jià)等級(jí)之間的綜合關(guān)聯(lián)度，差、一般、較好、好、很好、最佳、最大的綜合關(guān)聯(lián)度分別為-0.333、-1.03、-1.04、-1.031、-1.024、-1.017、-1.011。

表3 河流生態(tài)流量過(guò)程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) %

表4 各評(píng)價(jià)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度

由表4可知，當(dāng)Kj=max{Kj(P0)}(j=1，2，…，7)=-0.333時(shí)，由傳統(tǒng)水文計(jì)算方法中的逐月最小流量法，所求得的生態(tài)流量過(guò)程評(píng)價(jià)等級(jí)為差。且Kj處于-1

表5 不同生態(tài)流量計(jì)算方法確定的生態(tài)流量過(guò)程評(píng)價(jià)結(jié)果

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

由表5可知，采用傳統(tǒng)水文計(jì)算方法中的各生態(tài)流量計(jì)算方法，來(lái)確定河道的最小生態(tài)流量過(guò)程時(shí)，年內(nèi)展布法計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)等級(jí)為“好”，而最小生態(tài)流量法的計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)等級(jí)為“差”。最小生態(tài)流量過(guò)程按照相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)等級(jí)確定為“好”的生態(tài)流量過(guò)程，其最小生態(tài)流量宜按照多年平均流量的30%～60%確定；評(píng)價(jià)等級(jí)確定為“差”的生態(tài)流量過(guò)程，其最小生態(tài)流量宜按照多年平均流量的0～30%確定。Tennant法認(rèn)為10%的流量是為防止生態(tài)退化的最小流量，可以滿足河道內(nèi)各種水生生物和植物的最低生存要求。為了流域生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)足發(fā)展，應(yīng)在確定的河道最小生態(tài)流量過(guò)程的基礎(chǔ)上預(yù)留一定的空間。因此，取評(píng)價(jià)等級(jí)為“好”的年內(nèi)展布法和評(píng)價(jià)等級(jí)為“差”的最小生態(tài)流量法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行耦合，取其外包線作為最小生態(tài)流量過(guò)程，且不低于10%的多年平均流量，如圖1所示。

圖1 最小生態(tài)流量過(guò)程耦合

對(duì)于短期的河道水文情勢(shì)而言，確定的河道最小生態(tài)流量過(guò)程可以滿足河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的要求。為了保持河道生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)于長(zhǎng)期的河道水文情勢(shì)而言，還應(yīng)確定適宜生態(tài)流量過(guò)程。

綜合上述分析，利用所選取傳統(tǒng)水文計(jì)算方法中的各生態(tài)流量計(jì)算方法，來(lái)確定適宜生態(tài)流量過(guò)程時(shí)，采用NGPRP法和逐月頻率法取法Ⅱ確定的生態(tài)流量過(guò)程評(píng)價(jià)等級(jí)為“很好”，采用逐月頻率法取法Ⅰ與逐月頻率法取法Ⅲ確定的生態(tài)流量過(guò)程評(píng)價(jià)等級(jí)為“最佳”。按照相對(duì)應(yīng)的適宜生態(tài)流量過(guò)程的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，確定的生態(tài)流量過(guò)程評(píng)價(jià)等級(jí)為“很好”的，適宜生態(tài)流量按照多年平均流量的40%～80%計(jì)算；確定的生態(tài)流量過(guò)程評(píng)價(jià)等級(jí)為“最佳”的，適宜生態(tài)流量按照多年平均流量的為60%～100%計(jì)算。由于干流中上游保護(hù)對(duì)象為濕地生態(tài)系統(tǒng)[19]，為保證下游河道內(nèi)水生生物的生存和水生態(tài)系統(tǒng)的平衡，同時(shí)考慮到60%～100%的年平均流量為最適宜的生態(tài)流量[15]，因此，采用逐月頻率法取法Ⅰ與逐月頻率法取法Ⅲ計(jì)算結(jié)果進(jìn)行耦合，取其外包線和內(nèi)包線分別作為適宜生態(tài)流量過(guò)程閾值的上下限，如圖2所示。由于昌馬堡水文站上游距離不遠(yuǎn)處有月兒彎一級(jí)水電站，承擔(dān)著重要的發(fā)電任務(wù)，因此，結(jié)合上游來(lái)水及發(fā)電需求，在適宜生態(tài)流量閾值內(nèi)靈活泄放生態(tài)流量，可以最大限度的提高水資源利用率。

圖2 適宜生態(tài)流量過(guò)程耦合

由圖1、圖2分析得出各月最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量，如表6所示。

表6 生態(tài)流量過(guò)程 m3/s

由表6可知，最小和適宜生態(tài)流量過(guò)程變化趨勢(shì)都呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，即從1月份開(kāi)始，逐漸增大，到8月份時(shí)，達(dá)到最大值，而后直到12月份，又開(kāi)始持續(xù)減小。二者變化趨勢(shì)均呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，與實(shí)測(cè)資料相符，其結(jié)果可靠。

4 結(jié) 論

(1)采用年內(nèi)展布法與逐月最小流量法確定的疏勒河干流中上游最小生態(tài)流量過(guò)程，以及采用逐月頻率法取法Ⅰ與逐月頻率法取法Ⅲ確定的疏勒河干流中上游適宜生態(tài)流量過(guò)程符合該流域的生態(tài)水文特征，以期為疏勒河干流中上游生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)參考。

(2)本文基于博弈論思想提出改進(jìn)物元分析法的河流生態(tài)流量過(guò)程綜合評(píng)價(jià)模型，并應(yīng)用于疏勒河干流中上游生態(tài)流量計(jì)算，模型適用性較高。研究可為推求河道生態(tài)流量分析確定提供新方法。