劉玉玉,許士國

(大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院,遼寧大連 116024)

可變模糊評價方法在渾河上游河段健康評價中的應(yīng)用

劉玉玉,許士國

(大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院,遼寧大連 116024)

綜合考慮影響河流健康的各方面因素,采用驅(qū)動力壓力狀態(tài)影響響應(yīng)(DPSIR)模型建立河流健康評價指標(biāo)體系,運(yùn)用可變模糊集理論建立評價模型對渾河上游河段河流健康狀況進(jìn)行評價。評價結(jié)果表明,渾河上游河段健康評價平均值為2.914,屬于亞健康等級,與常規(guī)的集對分析方法和綜合指數(shù)評價方法的評價結(jié)果一致,驗(yàn)證了可變模糊評價方法的可行性和合理性。鑒于研究區(qū)段位于渾河源頭上段,承載著巨大的生態(tài)服務(wù)功能,對該河段進(jìn)行生態(tài)保護(hù)和修復(fù)是非常重要的。

河流健康;可變模糊評價;DPSIR模型;渾河上游河段

河流是陸地生態(tài)系統(tǒng)的動脈[1],是重要的自然資源和環(huán)境載體,具有水源供應(yīng)、空間綠化、環(huán)境凈化、自然保護(hù)、娛樂旅游、交通運(yùn)輸以及能源供應(yīng)等多種生態(tài)功能[2]。隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步,人類對河流水資源的開發(fā)利用程度越來越高,人類活動對河流生態(tài)系統(tǒng)帶來一系列影響,導(dǎo)致河流水質(zhì)惡化、水生生物銳減以及河岸帶棲息地退化等一系列生態(tài)環(huán)境問題。河流健康評價作為河流系統(tǒng)管理的一種有效手段,有助于提高管理決策能力,對于流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

河流健康的概念自20世紀(jì)80年代被提出以來,得到了廣泛的關(guān)注。隨著國際范圍內(nèi)河流生態(tài)保護(hù)、恢復(fù)和治理的深入,河流健康的相關(guān)理論研究與評價實(shí)踐[3-8]得到了迅速發(fā)展,評價方法按原理可以分為兩種:多指標(biāo)評價法和預(yù)測模型法。多指標(biāo)評價法因其能夠反映復(fù)雜河流系統(tǒng)在多尺度、多壓力下的特征,可全面揭示河流環(huán)境存在的問題,使用較為普遍,逐漸成為河流健康評價的主要方法[3]。本文通過驅(qū)動-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(DPSIR)模型建立多指標(biāo)評價體系,利用可變模糊評價模型[9]定量評估渾河上游河段的健康程度,以期為河流管理和水資源的可持續(xù)利用提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

渾河是遼寧省境內(nèi)最大的內(nèi)河,發(fā)源于撫順市清原縣灣甸子鎮(zhèn)的滾馬嶺(海拔997.4 m),全長415 km,流域面積達(dá)11481 km2。該流域地處溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū),大陸性氣候明顯。渾河屬受控程度比較高的河流,干流上游建有大伙房水庫,總庫容為21.87億m3,是下游沈陽、撫順、鞍山等7個城市的飲用水源地;市區(qū)段由上游至下游建有10余個橡膠壩或節(jié)制閘調(diào)節(jié)流量[10]。

渾河上游河段位于清原縣大伙房水庫以上,其流域西南以龍崗山脈與新賓縣分界,東北部伴英額河西行。河流基本依山而行,岸邊有部分自然形成的護(hù)岸林。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人類對河流的開發(fā)利用程度加大,不可避免地對河流生態(tài)系統(tǒng)造成損傷,導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)功能衰退。鑒于渾河上游河段的特殊區(qū)位和資源環(huán)境態(tài)勢,有必要對其健康程度進(jìn)行綜合定量評價,為該河段生態(tài)保護(hù)和綜合治理決策提供科學(xué)依據(jù)。

2 河流健康評價指標(biāo)體系

DPSIR模型是由歐洲環(huán)境組織(EEA)為綜合分析與描述環(huán)境問題及其和社會發(fā)展的關(guān)系而構(gòu)建起來的。該模型基于因果關(guān)系組織信息及相關(guān)指數(shù),存在著驅(qū)動力(driving forces)→壓力(pressure)→狀態(tài)(state)→影響(impact)→響應(yīng)(responses)的因果關(guān)系鏈,被廣泛應(yīng)用于各個研究領(lǐng)域[11-14]。根據(jù)指標(biāo)設(shè)置原則以及數(shù)據(jù)的可獲得性,本文將評價指標(biāo)分成驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應(yīng)5種類型,每種類型又分成若干種指標(biāo),有助于理解河流健康與社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境各因素的作用過程以及彼此之間的因果關(guān)系。綜合考慮影響河流健康的各方面因素,構(gòu)建多指標(biāo)評價體系,見圖1。指標(biāo)設(shè)置時主要從以下幾個方面考慮:①驅(qū)動力指標(biāo)是指由于社會、經(jīng)濟(jì)、人口發(fā)展以及相應(yīng)的人類生活方式和消費(fèi)、生產(chǎn)形式的改變對河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的指標(biāo),選用人均GDP(x1)、城市化率(x2)和恩格爾系數(shù)(x3)這3個二級指標(biāo)。②在驅(qū)動力作用之后,在河流生態(tài)系統(tǒng)之上直接施加促使該系統(tǒng)發(fā)展變化的壓力(土地、水資源等),這方面的指標(biāo)選擇人口密度(x4)、水資源模數(shù)(x5)、單位面積化肥施用量(x6)和單位面積農(nóng)藥施用量(x7)。③狀態(tài)指標(biāo)描述的是在特定區(qū)域和特定時間內(nèi)物理、生物和化學(xué)現(xiàn)象的水平、數(shù)量或質(zhì)量。狀態(tài)的改變會對整個河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)境、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)上的影響,選用指標(biāo)包括多年平均降水量(x8)、徑流系數(shù)變化率(x9)、魚類種類變化率(x10)和植被覆蓋率(x11)。④影響指標(biāo)用于描述由于驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)因素引起的河流生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的改變,反映了狀態(tài)變化的最終結(jié)果,選擇水資源開發(fā)利用率(x12)、河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率(x13)和河道生態(tài)需水量保證率(x14)來衡量。⑤響應(yīng)指標(biāo)描述的是政府、組織和個人為預(yù)防、減輕、改善或者適應(yīng)非預(yù)期的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變化而采取的積極響應(yīng),是人的主觀能動性的體現(xiàn),選用單方水GDP產(chǎn)出(x15)、工業(yè)用水重復(fù)率(x16)、調(diào)節(jié)能力指數(shù)(x17)和防洪工程措施完善率(x18)這4個二級指標(biāo)。

圖1 基于DPSIR模型的河流健康評價指標(biāo)體系

3 評價方法

由于河流健康涉及自然、社會等諸多因素,其健康評價系統(tǒng)是典型的復(fù)雜系統(tǒng),而以往的評價方法在評價過程中存在難以反映評價過程中的模糊、不確定性以及評價指標(biāo)的不兼容性等問題?？勺兡：碚撌窃谙鄬﹄`屬度的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,可以很好地解決上述問題。因此,本文利用可變模糊集理論[15]對渾河上游河段河流健康進(jìn)行綜合評價。

設(shè)X0=[a,b]為實(shí)軸上模糊可變集合~A的吸引域,X=[c,d]為包含X0(X0?X)的某一上、下界范圍域區(qū)間,如圖2所示。

式中:系數(shù)β≥0,通?？扇ˇ?1。

設(shè)有對河流系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評價的n個樣本集合X={x1,x2,…,xn},有m個指標(biāo)特征值和c個評價級別數(shù),則可變模糊評價模型為

式中:u′hj為非歸一化的綜合相對隸屬度;wi為指標(biāo)權(quán)重;u~A(xij)h為指標(biāo)x對~A關(guān)于級別h的相對隸屬度;α為模型優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù),α=1表示最小一乘方準(zhǔn)則,α=2表示最小二乘方準(zhǔn)則;p為距離參數(shù),p=1為海明距離,p=2為歐氏距離。α和p有4個組合,對應(yīng)4種計算模型:①α=1,p=1,相當(dāng)于模糊綜合評判模型;②α=1,p=2,相當(dāng)于理想點(diǎn)模型;③α= 2,p=1,模型變?yōu)閟igmoid型函數(shù),可用來描述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中神經(jīng)元的激勵函數(shù);④α=2,p=2,為模糊優(yōu)選模型。

由式(3)可得到非歸一化的綜合相對隸屬度矩陣:

由式(4)歸一化處理得到綜合相對隸屬度矩陣:

根據(jù)模糊概念在分級條件下最大隸屬度原則的不適用性,采用級別特征值方法對樣本進(jìn)行級別評價。級別特征值的計算公式為

采用級別特征值方法既考慮到最大隸屬度的作用,同時也考慮到其他隸屬度的影響,使評價結(jié)果更客觀全面。

4 河流健康評價

為了定量表征河流健康的狀態(tài),綜合考慮國內(nèi)外相關(guān)指標(biāo)[5-8]的發(fā)展特點(diǎn)及趨勢,根據(jù)已有文獻(xiàn)成果和渾河上游河段的實(shí)際情況,合理設(shè)計和擬定其分級標(biāo)準(zhǔn)值。指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)按很健康1級)、健康(2級)、亞健康(3級)、不健康(4級)、病態(tài)(5級) 5個級別劃分,其單項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值按這5個級別分別確定,指標(biāo)劃分設(shè)置見表1。表中指標(biāo)值主要來源于遼寧省統(tǒng)計年鑒、清原縣水資源評價資料、清原縣縣志和渾河上游生態(tài)保護(hù)與綜合治理調(diào)研問卷。

由于各指標(biāo)所發(fā)揮的作用不同,因此權(quán)重不同。應(yīng)用文獻(xiàn)[9]提出的確定指標(biāo)權(quán)重重要性排序一致性定理,首先得到通過檢驗(yàn)的指標(biāo)重要性排序一致性標(biāo)度矩陣,然后對指標(biāo)做關(guān)于重要性程度的二元比較判斷,并利用語氣算子與相對隸屬度之間的關(guān)系(表2),得到評價指標(biāo)的權(quán)重,結(jié)果見表3。

根據(jù)各評價指標(biāo)采用的可變模糊識別模型,計算渾河上游河段河流健康評價的級別特征值,改變模型參數(shù)α、p,應(yīng)用可變模糊評價模型(式(3))進(jìn)行不同模型的計算,得出4種模型下評價值分別為2.881、2.991、2.832以及2.951,則渾河上游河段河流健康評價平均值為2.914,由表4可見,屬于3 級,即亞健康狀況。近年來,渾河年徑流量逐年減少,植被等數(shù)量、種類的變化可能導(dǎo)致植被涵養(yǎng)水源的變化;由于一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)沒有固定的垃圾場,沿途居民將生活垃圾直接傾倒至河道,加上農(nóng)藥、化肥等農(nóng)業(yè)污染以及部分工業(yè)生產(chǎn)污染,導(dǎo)致渾河水環(huán)境變差。

表1 渾河上游河段河流健康評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)值

表2 語氣算子與模糊標(biāo)度值、相對隸屬度之間的關(guān)系

表3 評價指標(biāo)權(quán)重計算值

表4 評價標(biāo)準(zhǔn)

為了分析驗(yàn)證可變模糊評價結(jié)果,將常規(guī)的集對分析方法[16-17]和綜合指數(shù)評價方法[5,18]計算結(jié)果與本文模型結(jié)果進(jìn)行對比,見表5。由表5可見,可變模糊評價與其他評價方法的評價結(jié)果一致,即目前渾河上游河段健康狀況屬于3級,即亞健康狀況?；诳勺兡：碚摰脑u價方法是合理描述非線性系統(tǒng)中復(fù)雜關(guān)系的有效工具,可以較好地處理指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)為區(qū)間值的問題,結(jié)果可靠性較高。

表5 評價結(jié)果比較

鑒于研究區(qū)段位于渾河源頭上段,承載著巨大的生態(tài)服務(wù)功能,因此,對該段河流進(jìn)行生態(tài)保護(hù)、改善和治理是非常重要的。對河流及時進(jìn)行生態(tài)治理,既需要工程技術(shù)的支持,同時也需要相關(guān)政策、體制等發(fā)揮作用,使研究區(qū)段河流生態(tài)系統(tǒng)逐步恢復(fù)到健康狀態(tài)。

5 結(jié) 語

在河流健康復(fù)雜系統(tǒng)評價體系中,存在著大量的不確定性因素,具有明顯的模糊性。應(yīng)用可變模糊集理論能夠科學(xué)、合理地確定樣本指標(biāo)對各級指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的相對隸屬度和相對隸屬函數(shù),并且通過變化模型及其參數(shù),能夠合理地確定出河流健康的評價等級,提高對河流健康水平等級評價的可信度。

通過DPSIR模型構(gòu)建河流健康評價指標(biāo)體系,對渾河上游河段河流健康狀況運(yùn)用可變模糊評價模型進(jìn)行評價,得到評價指標(biāo)平均值為2.914,屬于亞健康等級。利用常規(guī)的集對分析方法和綜合指數(shù)評價方法來評估渾河上游河段河流健康狀況,結(jié)果與可變模糊評價結(jié)果一致,驗(yàn)證了可變模糊評價方法應(yīng)用的可行性和合理性。

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River health assessment in the upper Hun River based on variable fuzzy model

//LIU Yuyu,XU Shiguo(School of Hydraulic Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

With consideration of influencing factors of the river health,the evaluation system of river health was constructed based on a driving-pressure-state-impact-responses(DPSIR)model.An evaluation model was developed using the method of variable fuzzy theory to evaluate the health of the upper Hun River.The results show that the upper Hun River with a mean health evaluation value of 2.914 is in the sub-healthy state.The set pair analysis method and the comprehensive evaluation index system method were also employed to evaluate the health of the upper Hun River and the results are consistent with those of the variable fuzzy method,which shows that the variable fuzzy method is effective.It is important to protect and repair ecological environment in the upper Hun River because this reach has a remarkable ecological service potential.

river health;variable fuzzy model;DPSIR model;upper reach of the Hun River

10.3880/j.issn.10067647.2013.03.014

X824

A

10067647(2013)03006404

2012-07-02 編輯:駱超)

國家自然科學(xué)基金(50979012)

劉玉玉(1984-),女,山東臨沂人,博士研究生,主要從事水文水資源與水環(huán)境研究。E-mail:yyliu@mail.dlut.edu.cn