郭 寧,林澤昕,方國華,嚴(yán)春華

(1.江蘇省水利廳工程管理處,江蘇 南京 210029; 2河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

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基于灰色多層次模型的河流綜合功能評價

郭 寧1,林澤昕2,方國華2,嚴(yán)春華2

(1.江蘇省水利廳工程管理處,江蘇 南京 210029; 2河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

在分析河流功能內(nèi)涵及分類的基礎(chǔ)上,從河流自然功能、生態(tài)功能、社會功能和災(zāi)害性能四方面構(gòu)建河流綜合功能評價指標(biāo)體系。以河流綜合功能評價指標(biāo)體系為基礎(chǔ),采用層次分析法、改進(jìn)的熵權(quán)法分別確定各個指標(biāo)主、客觀權(quán)重并經(jīng)線性組合后確定綜合權(quán)重,建立改進(jìn)的灰色多層次評價模型。將河流綜合功能評價指標(biāo)體系和改進(jìn)的灰色多層次評價模型應(yīng)用于柏條河綜合功能評價中,評價結(jié)果表明柏條河綜合功能優(yōu)良,與實(shí)際情況相符。由此論證了改進(jìn)的灰色多層次評價模型能夠綜合主、客觀賦權(quán)的優(yōu)劣,并充分考慮各指標(biāo)之間關(guān)系不明確等信息,具有較強(qiáng)的可靠性和實(shí)用性。

河流功能;指標(biāo)體系;層次分析法;熵權(quán)法;灰色多層次模型

河流自身隨時空不斷演化以及人類對河流功能需求的不斷變換,形成河流功能的多樣性和復(fù)雜性。河流綜合功能涉及自然、生態(tài)、社會等多方面,面廣且綜合性強(qiáng),所以目前對河流生態(tài)功能[1-2]、自然功能[3-4]等單一方面進(jìn)行評價或研究較多,而對河流綜合功能評價或研究較少,且評價方法僅有打分法[5-6]和可變模糊評價法[7]等。打分法受人為主觀因素影響較大,評價結(jié)果不夠客觀;可變模糊評價法權(quán)重大多是人為確定的,存在一定的主觀隨意性。針對上述問題,本文從河流綜合功能角度出發(fā),在河流功能類別劃分的基礎(chǔ)上,構(gòu)建河流綜合功能評價指標(biāo)體系,并建立改進(jìn)的灰色多層次評價模型,克服了權(quán)重確定方法較主觀的弊端,能夠更好地發(fā)揮評價模型的效用。

1 河流功能理論及評價指標(biāo)體系

1.1 河流功能概念及分類

關(guān)于河流功能,不同學(xué)者有不同的定義[1,8-11]?？偨Y(jié)已有成果,本文認(rèn)為河流功能是指河流系統(tǒng)在自然和人類活動雙重影響下對人類的生存和發(fā)展所發(fā)揮的作用,是以對人類的效用為根本出發(fā)點(diǎn)。根據(jù)已有的河流功能分類體系,比較全面科學(xué)的劃分是將河流功能分為自然功能、生態(tài)環(huán)境功能、社會服務(wù)功能和災(zāi)害性能[10-11],也就是說河流功能是資源性和災(zāi)害性的統(tǒng)一。說明良好的河流綜合功能不僅是資源性功能的充分利用,也是災(zāi)害性能的及時規(guī)避和合理控制。

根據(jù)河流功能內(nèi)涵,在河流自然功能、生態(tài)環(huán)境功能、社會服務(wù)功能、災(zāi)害性能四項一級功能的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步將一級功能細(xì)分為13項二級功能,建立河流功能分類體系,見圖1。自然功能中,水文功能主要體現(xiàn)在水循環(huán)之中,可以用徑流量變化情況表示,而河型穩(wěn)定是地質(zhì)功能發(fā)揮的重要保障;生態(tài)環(huán)境功能中各項二級功能的發(fā)揮很大程度上受河岸寬度和河道連通性的影響,除此之外生物多樣性是河流生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,水質(zhì)水量是河流生態(tài)環(huán)境健康的基礎(chǔ);在社會服務(wù)功能中,各項二級功能發(fā)揮的效用應(yīng)在合理開發(fā)水資源的基礎(chǔ)上由其相應(yīng)的保證程度分別予以確定;災(zāi)害性能中,洪澇災(zāi)害發(fā)生情況與河道容納洪水量、防洪體系完善程度息息相關(guān),泥沙災(zāi)害與來沙的水沙關(guān)系、輸沙、河道沖淤關(guān)系密切。

圖1 河流功能分類體系

1.2 指標(biāo)體系的建立

為進(jìn)一步量化河流功能,需建立河流功能評價指標(biāo)表征河流功能所處的狀態(tài)。在河流功能分類體系的基礎(chǔ)上,參考相關(guān)文獻(xiàn)[5-8]并根據(jù)評價對象各組成部分之間的相互關(guān)系,利用層次分析法構(gòu)建多層次評價指標(biāo)體系,將河流功能評價指標(biāo)體系分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層3個層次。目標(biāo)層主要用于反映河流綜合功能狀況;準(zhǔn)則層由河流各項一級功能組成;指標(biāo)層由表征河流各二級功能關(guān)鍵要素的指標(biāo)構(gòu)成,可直接度量得出。最終構(gòu)建了1個目標(biāo)層、4個準(zhǔn)則層、22個指標(biāo)層的河流綜合功能評價指標(biāo)體系。部分指標(biāo)含義解釋如下。

a. 流量偏離率:指天然條件下的月徑流量與實(shí)際月徑流量間的變異關(guān)系,采用溪流狀態(tài)指數(shù)SCI中的流量偏離率[12]表示。

b. 河型穩(wěn)定性指數(shù):對河流穩(wěn)定性起決定作用的是縱向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性,采用張紅武等[13]提出的河流綜合穩(wěn)定性指數(shù)表示。

c. 河流連通率:主要指河流功能連通性,即徑流從源區(qū)—干流—流域網(wǎng)絡(luò)—出流移動的效率或水循環(huán)各要素間以水為介質(zhì)的有機(jī)物、能量轉(zhuǎn)移速率,采用孟慧芳等[14]提出的河流連通率來確定。

d. 河道泥沙輸移率:指某河道的輸出泥沙量與進(jìn)入該河道泥沙總量的比值,表征河道輸送泥沙的能力,采用地貌學(xué)上的河道泥沙輸移率[6]表示。

e. 水沙搭配指數(shù):是來沙系數(shù)的函數(shù),借來沙系數(shù)對河道淤積的影響來判定水沙搭配指數(shù),當(dāng)實(shí)際來沙系數(shù)為不淤時的臨界來沙系數(shù)時,水沙搭配指數(shù)為1[15]。

f. 景觀娛樂滿足程度:指人們對水體、水上跨越結(jié)構(gòu)、山體樹木、水生動植物等在人們眼中形成的視覺效果的滿意程度,屬于定性指標(biāo)。

g. 美學(xué)文化價值指數(shù):指河流水體和沿岸陸地景觀成為人類重要的文化精神源泉和科學(xué)技術(shù)及宗教藝術(shù)發(fā)展的動力,屬于定性指標(biāo),根據(jù)河流自身的文化價值進(jìn)行評判。

1.3 評價標(biāo)準(zhǔn)的確定

河流功能評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的界定直接影響最終評價結(jié)果的準(zhǔn)確性,目前學(xué)術(shù)界尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[5]。結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會水平和現(xiàn)階段的開發(fā)利用程度等情況將河流功能狀態(tài)分為優(yōu)、良、中、差4個級別,對于不同屬性的指標(biāo)其相應(yīng)等級標(biāo)準(zhǔn)值的確定方法不同。對于定性指標(biāo),采用專家打分法與公眾參與調(diào)查法確定白化權(quán)值[16],因此不需設(shè)置等級標(biāo)準(zhǔn)值。對于定量指標(biāo),需要結(jié)合等級標(biāo)準(zhǔn)值(根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會狀況及現(xiàn)有資料)綜合確定計算白化權(quán)值。資料來源一般為:①國家、行業(yè)和地方規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn),如SL395—2007《地表水資源質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》;②國際上的先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn),如澳大利亞ISC標(biāo)準(zhǔn);③相關(guān)科研成果[5-6,17]。由此建立河流綜合功能評價指標(biāo)體系及評價標(biāo)準(zhǔn),見表1。

表1 河流功能指標(biāo)體系和評價標(biāo)準(zhǔn)

2 改進(jìn)的灰色多層次評價模型

2.1 綜合權(quán)重的確定

灰色多層次評價模型采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重,有較強(qiáng)的主觀性,影響評價方法的效用。本文采用主、客觀權(quán)重線性組合的方法確定綜合權(quán)重,建立改進(jìn)的灰色多層次評價模型。

層次分析法和德爾菲法是兩種主觀確定權(quán)重的方法,指標(biāo)數(shù)n≤2時,權(quán)重采用德爾菲法確定,n>2時,采用層次分析法確定,記主觀權(quán)重為w(1);熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)的方法,記客觀權(quán)重為w(2)。綜合權(quán)重w通過將主觀權(quán)重與客觀權(quán)重線性組合綜合確定:

(1)

式中:α為偏好系數(shù),根據(jù)實(shí)際情況取值,一般取α=0.5。

層次分析法是一種將定性指標(biāo)與定量指標(biāo)相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法,通過比較同一層次各指標(biāo)的相對重要性來綜合計算指標(biāo)的權(quán)重,步驟如下:①采用Saaty的9位標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣A;②求A的最大特征值λmax及相應(yīng)的特征向量,對特征向量進(jìn)行歸一化,得出w(1);③采用一致性比率CR對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗,CR<0.1時即認(rèn)為具有完全一致性,其中

(2)

(3)

式中：CI為一致性指標(biāo)；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，可查表得出。

熵的定義來自于熱力學(xué),后被引入信息論中廣泛應(yīng)用于方案優(yōu)選、多目標(biāo)決策及各種評價。熵權(quán)法是依據(jù)熵的概念和性質(zhì)以及各指標(biāo)相對重要程度的不確定性來分析各指標(biāo)的權(quán)重,是一種根據(jù)指標(biāo)反映信息可靠性程度客觀賦權(quán)的方法。

熵權(quán)法確定權(quán)重步驟如下:①計算評價指標(biāo)的熵值:

(4)

式中:rij為第i個指標(biāo)對應(yīng)第j等級的白化權(quán)值,若rij=0,則rijlnrij=0;m為等級數(shù)；②確定各指標(biāo)熵權(quán):

(5)

記熵權(quán)向量為w(2)。

2.2 評價步驟

河流功能評價指標(biāo)體系是一個多層次、多準(zhǔn)則綜合評價系統(tǒng),既涉及定量因素,又涉及定性因素,各因素相互影響、相互聯(lián)系,之間關(guān)系具有不確定性,是一種灰色系統(tǒng)。因此,針對河流功能評價指標(biāo)體系灰色性的特點(diǎn),為了使描述各灰類程度的評價信息都發(fā)揮作用,選取改進(jìn)的灰色多層次評價模型對河流綜合功能狀況進(jìn)行評估,步驟如下。

a. 劃分k個灰類,確定rij。灰類白化權(quán)值本質(zhì)上為隸屬度[18],因此采用模糊數(shù)學(xué)中的計算方法確定指標(biāo)的白化權(quán)值[16]:①定量指標(biāo)白化權(quán)值的確定。對于效益型指標(biāo)(即越大越優(yōu)型指標(biāo)),當(dāng)?shù)趇項指標(biāo)xi的值大于其對應(yīng)的第1級標(biāo)準(zhǔn)值(優(yōu))時,它對優(yōu)等級的白化權(quán)值為1,而對其他級別的白化權(quán)值為0,即

(6)

當(dāng)xi的值介于其對應(yīng)的第j級和第j+1級標(biāo)準(zhǔn)值Vi,j,Vi,j+1之間時,它對第j+1級和第j級的白化權(quán)值分別為

(7)

而對其他級別的白化權(quán)值均為0;當(dāng)xi的值小于其對應(yīng)的第k級標(biāo)準(zhǔn)值時,它對“差”的白化權(quán)值為1,而對其他級別的白化權(quán)值為0,即

(8)

b. 計算指標(biāo)權(quán)重w。通過層次分析法或德爾菲法得到主觀權(quán)重w(1),通過改進(jìn)的熵權(quán)法得到客觀權(quán)重w(2),利用式(1)得出綜合權(quán)重w。

c. 確定河流功能評價指標(biāo)參考序列R0。在各方案中選取最優(yōu),構(gòu)成最理想方案作為參考序列,顯然優(yōu)等級對應(yīng)的方案為最理想的方案,結(jié)合白化權(quán)值的確定方法得出R0=(1,1,…,1)

d. 計算灰關(guān)聯(lián)系數(shù)εij。先計算各灰類指標(biāo)白化權(quán)值與參考序列之間的離差Δij:

(9)

則

(10)

式中:Δmax、Δmin分別為Δij的最大值和最小值;ρ為分辨系數(shù),0≤ρ≤1,一般取ρ=0.5。

e. 計算綜合關(guān)聯(lián)度γ。采用加權(quán)算術(shù)平均公式計算:

(11)

f. 灰類識別。采用最大關(guān)聯(lián)原則對灰類進(jìn)行識別。

3 實(shí)例應(yīng)用

柏條河是岷江內(nèi)江水系四大河渠之一,起于寶瓶口以下的蒲柏閘,止于郫縣石堤堰,全長44.76 km,流域面積258 km2,進(jìn)水口年平均流量41.5 m3/s,年徑流量11.76億m3。柏條河兼具灌溉和供水功能,是成都市兩大供水大動脈之一。根據(jù)柏條河開發(fā)利用現(xiàn)狀,選取17項指標(biāo)對其進(jìn)行評價。

3.1 指標(biāo)體系權(quán)重的確定

首先,根據(jù)指標(biāo)的相對重要性分別對一級指標(biāo)(即準(zhǔn)則層)兩兩比較,構(gòu)造判斷矩陣A:

利用層次分析法得到4個一級指標(biāo)的權(quán)重向量Z=(0.2 0.3 0.266 7 0.233 3),由式(2)、式(3)得CR=0<0.1,滿足一致性要求。同理,對生態(tài)環(huán)境功能、社會服務(wù)功能的指標(biāo)層分別進(jìn)行計算,得出其權(quán)重為(0.181 6,0.105 5,0.170 9,0.181 6,0.155 3,0.205 2)、(0.178 4,0.196 9,0.122 0,0.159 9,0.119 9,0.121 4,0.101 4)并進(jìn)行一致性檢驗。由于自然功能和防災(zāi)減災(zāi)指標(biāo)數(shù)小于等于2,因此采用德爾菲法確定權(quán)重,分別為(0.5 0.5)、(0.4 0.6)。將準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的權(quán)重分別相乘得到絕對權(quán)重：w(1)=(0.100 0 0.100 0 0.047 4 0.031 6 0.063 2 0.047 4 0.031 6 0.079 0 0.049 4 0.059 3 0.039 5 0.039 5 0.029 6 0.029 6 0.019 8 0.093 3 0.140 0)

根據(jù)式(6)～(8)及定性指標(biāo)白化權(quán)值確定方法得出各指標(biāo)白化權(quán)向量,由式(4)、式(5)計算各指標(biāo)熵權(quán)：w(2)=(0.046 9 0.056 2 0.073 4 0.037 8 0.046 9

0.073 4 0.073 4 0.052 7 0.073 4 0.073 4

0.041 1 0.073 4 0.055 1 0.056 4 0.055 1 0.073 4 0.037 8)

最后根據(jù)式(1)計算(α=0.5)得出綜合權(quán)重：

w=(0.073 5 0.078 1 0.060 4 0.034 7 0.055 0

0.060 4 0.052 5 0.065 8 0.061 4 0.066 3

0.040 3 0.056 5 0.042 4 0.043 0 0.037 4

0.083 4 0.088 9)

3.2 柏條河綜合功能定量評價

根據(jù)2013年相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù),并結(jié)合河流功能各評價指標(biāo)的計算方法確定柏條河指標(biāo)現(xiàn)狀值,見表3。①根據(jù)河流功能灰類劃分及不同屬性指標(biāo)白化權(quán)值的確定方法,分別計算不同灰類下各指標(biāo)的白化權(quán)值;②采用式(9)、式(10)計算相應(yīng)的絕對離差Δij及εij，取Δmax=1，Δmin=0，ρ=0.5；③利用式(11)計算綜合關(guān)聯(lián)度：

γ=(0.67 0.49 0.33 0.33)

根據(jù)關(guān)聯(lián)度最大原則，有

maxγ=0.67

表3 柏條河功能評價指標(biāo)現(xiàn)狀值及權(quán)重

對照河流功能灰類劃分,可判定柏條河綜合功能處于優(yōu)狀態(tài)。根據(jù)調(diào)查資料顯示,柏條河上除跨河橋梁、局部河段的卵石漿砌堤岸和幾個城鎮(zhèn)的臨河建筑外基本沒有其他人工構(gòu)筑物,總體上保持著生態(tài)河流的特性,沿岸林木蔥郁,是水源保護(hù)的天然生態(tài)屏障。柏條河年平均灌溉面積3 800多hm2,保證了農(nóng)產(chǎn)品的增產(chǎn)增收。另外作為成都市中心城區(qū)的主水源,與備用水源的徐堰河共同提供給成都市90%以上的飲用水,日最高取水量55萬m3,年均取水量17 155萬m3,有效保證了中心城區(qū)400多萬人的用水安全?？梢钥闯?柏條河綜合功能發(fā)揮良好,評價結(jié)果與現(xiàn)狀相符。河流綜合功能的優(yōu)良發(fā)揮,不僅有助于營造良好的自然生態(tài)環(huán)境,更能保障經(jīng)濟(jì)和社會的良好發(fā)展。

4 結(jié) 論

本文從河流資源效益和災(zāi)害性能兩方面出發(fā),根據(jù)河流功能內(nèi)涵和分類,構(gòu)建河流綜合功能評價指標(biāo)體系,并針對河流功能指標(biāo)多層次結(jié)構(gòu)體系及指標(biāo)體系內(nèi)部信息不明確性等問題,建立改進(jìn)的灰色多層次評價模型。該模型綜合主、客觀賦權(quán)的優(yōu)劣,在運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析的基礎(chǔ)上,充分考慮各指標(biāo)之間關(guān)系不明確等信息,對河流功能進(jìn)行綜合評價,具有較好的可靠性和實(shí)用性。

河流功能評價是涉及多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng),也是基于不同階段、不同區(qū)域的動態(tài)過程。在今后的研究中可根據(jù)不同階段和區(qū)域動態(tài)調(diào)整和選取河流綜合功能評價指標(biāo)體系,真正做到“因河而異,因時而異”。

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江蘇省水利科技創(chuàng)新計劃(2015009);江蘇省普通高校專業(yè)學(xué)位研究生創(chuàng)新計劃(SJZZ15_0059)

郭寧(1963—),女,江蘇南京人,高級工程師,主要從事水利工程管理研究。E-mail:guon@jswater.gov.cn

10.3880/j.issn.1003-9511.2016.06.010

TV882

A

1003-9511(2016)06-0038-05

2016-06-30 編輯：胡新宇)