匡舒雅 李天宏

摘要：針對生態(tài)航道評價中存在的模糊、不確定性問題，基于集對分析理論和層次分析法，建立了五元聯(lián)系數模型，根據生態(tài)航道評價指標體系各指標與等級標準的聯(lián)系程度，構造聯(lián)系度公式，結合層次分析法計算各評價指標的權重，運用該模型開展了長江下游南京-瀏河口段生態(tài)航道評價，結果表明，南京-瀏河口段生態(tài)航道等級為Ⅲ級，其中航運功能、自凈功能和景觀娛樂功能為Ⅰ級，生態(tài)功能為Ⅳ級，需要結合該河段實際情況加強生態(tài)環(huán)境保護工作。敏感性分析表明，功能層權重的小幅度波動不會對評價結果造成較大影響，說明對該河段的評價結果比較穩(wěn)定。

關鍵詞：生態(tài)航道；南京-瀏河口河段；評價體系；五元聯(lián)系數；敏感性分析

中圖分類號：X522 文獻標志碼：A 文章編號：

16721683（2018）05009309

Application of fiveelement connection number to assessment of ecological waterway in the lower reaches of Yangtze River

KUANG Shuya1，2，LI Tianhong1，2

（

1.College of Environmental Sciences and Engineering，Peking University，Beijing 100871，China；

2.Key Laboratory of Water and Sediment Sciences，Ministry of Education，Beijing 100871，China）

Abstract：

Aiming at the fuzzy and uncertainty problems in ecological waterway assessment，we built a fiveelement connection number model on the basis of AHP （Analytic Hierarchy Process） method and the SPA （Set Pair Analysis）.According to the connection between each index of the ecological waterway assessment index system and the grade standard，we constructed the connection degree formula，and calculated the weight of each assessment index by AHP.The model was applied to assess the ecological waterway of NanjingLiuhekou reach in the lower reaches of Yangtze River.The results showed that the health condition of this ecological waterway was in Grade "III".The navigation function，selfpurification function，and landscape & entertainment function were in Grade "I"，while the ecological function was in Grade "IV".It is necessary to strengthen ecological environmental protection of the reach.A sensitivity analysis indicated that the assessment results were not sensitive to smallamplitude fluctuation of the weights of the function layer，suggesting that the evaluation results of the NanjingLiuhekou reach were stable.

Key words：ecological waterway；the NanjingLiuhekou reach； assessment system；fiveelement connection number；sensitivity analysis

近年來，我國提出依托長江黃金水道發(fā)展長江經濟帶的發(fā)展戰(zhàn)略，黨的十九大報告指出：“以共抓大保護、不搞大開發(fā)為導向推動長江經濟帶發(fā)展”，要求加快內河航運現代化發(fā)展的步伐，長江水運發(fā)展迎來了新的機遇。此外，生態(tài)文明建設也要求，長江航道在滿足高效、安全的航運需求的同時，還要把長江河流生態(tài)系統(tǒng)的保護工作擺在壓倒性位置，在此背景下，生態(tài)航道建設越來越受到重視[1]，而如何對生態(tài)航道進行科學評價是生態(tài)航道建設必不可少的基礎性工作。

本文針對生態(tài)航道評價中，準則層對目標層的權重確定以及評價標準確定等環(huán)節(jié)遇到的不確定性問題，嘗試應用中國學者趙克勤[2]提出的集對分析理論，開展長江下游生態(tài)航道評價。集對分析理論（簡稱SAP，Set Pair Analysis）是處理系統(tǒng)確定性與不確定性相互作用的數學理論，其主要數學工具是聯(lián)系數，集對分析理論是將確定的和不確定的問題視為一個整體，通過同異反聯(lián)系數分析事物之間的聯(lián)系度和差異度[34]。目前，該方法已經在知識創(chuàng)新[56]、醫(yī)學[79]、工業(yè)[1012]、農業(yè)[1315]、防洪安全[1618]、水環(huán)境質量[1822]、生態(tài)評價[2324]、教育[2527]等方面得到廣泛應用。

本文從生態(tài)航道建設必須滿足河流航運功能和河流其他諸功能協(xié)調發(fā)展這一思路入手[28]，采用基于集對分析理論的五元聯(lián)系數模型，結合統(tǒng)計資料和實際監(jiān)測數據，以長江下游南京-瀏河口段為研究區(qū)域，結合層次分析法對各指標賦值，建立了基于層次分析法的五元聯(lián)系數長江生態(tài)航道評價模型，確定具體的等級劃分原則，定量計算出該河段生態(tài)航道的健康程度等級，旨在為長江下游生態(tài)航道建設和河流可持續(xù)管理提供科學參考。

[BT2-*6] 1 區(qū)域概況

長江源遠流長，水量充沛，終年不凍，水運條件優(yōu)越，素有“黃金水道”的稱譽。長江下游的南京至瀏河口河段長306 km，位于江蘇省境內。江陰以上常以分汊河型為主；江陰以下河道總體上自上而下成喇叭形逐漸展寬，河道中有較多沙體和潛洲，沖淤變化頻繁，河床演變受徑流和潮流共同作用，潮流影響較大（圖1）。南京至瀏河口河段自然條件優(yōu)越，具有建設深水航道的基本條件。該段航道整治的主要措施包括活動邊灘治理、河勢控導、減淤和疏浚等。目前，這些航道整治工程的實施也越來越關注對河流生態(tài)環(huán)境的影響。

[BT2-*8] 2 生態(tài)航道評價指標體系構建

2.1 指標體系

生態(tài)航道的評價對象是具有航運功能的河流生態(tài)系統(tǒng)的健康水平，注重航運功能與其他諸功能的協(xié)調發(fā)展。一個健康的河流生態(tài)系統(tǒng)應該具有自然結構穩(wěn)定、功能健全、抵抗和恢復外界干擾的能力并且能夠充分發(fā)揮其正常的生態(tài)效益以及社會經濟效益[29]?；趯降琅c河流系統(tǒng)關系的理解并借鑒相關研究成果[30]，本文構建了包括一個目標層A（長江下游南京-瀏河口段生態(tài)航道水平）、7個準則層B（航運功能、輸水泄洪功能、輸沙功能、自凈功能、供水功能、生態(tài)功能、景觀娛樂功能）、19個指標層C的長江下游生態(tài)航道南京-瀏河口段評價指標體系，見圖2。

采用定性與定量相結合的方法對單項指標進行分級，分級的依據優(yōu)先采用相關國家、地區(qū)、行業(yè)標準，或參考與研究區(qū)域相似地區(qū)研究成果。將長江下游南京-瀏河口段生態(tài)航道評價劃分為“Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ”五個等級，為采用五元聯(lián)系數法評價長江下游生態(tài)航道健康水平做鋪墊，具體指標及分級標準見表1。

2.2 指標權重確定

本文采用層次分析法（AHP，Analytic Hierarchy Process）確定指標權重，層次分析法是最為常用的一種指標賦權方法，在層次分析法的基礎上采用五元聯(lián)系數模型進行評價，以提高評價結果的客觀性。

通過發(fā)放專家調查表獲得專家打分結果，根據專家打分結果構造判斷矩陣AB和BiC，將各判斷矩陣逐次輸入Matlab軟件中，應用函數eig（A）求各判斷矩陣的最大特征值λmax和特征向量，然后計算各判斷矩陣的一致性，若一致性檢驗通過，則歸一化特征向量[WTB1X]w[WTBZ]的各分量值即為各指標的權重。

取各位專家賦權平均值得到長江下游生態(tài)航道評價指標體系準則層的絕對權重，計算得到AB判斷矩陣λmax=75236，CI= 00873，CR=00661<010，說明AB判斷矩陣具有一致性，對λmax所對應的特征向量進行歸一化得到W={01331，03073，01536，01268，01353，01153，00288}T，采用層次分析法確定各指標絕對權重結果見表2。

3 基于五元聯(lián)系數法的生態(tài)航道評價

3.1 五元聯(lián)系數原理

五元聯(lián)系數方法是集對分析理論中相同、相異、相反聯(lián)系數的一種推廣[4445]，將三元聯(lián)系數μ=a+bi+cj 中的bi項進一步劃分，便可以得到基于集對分析理論的多元聯(lián)系數[4]，將相異的部分進一步細化，能夠更加準確的分析系統(tǒng)中的不確定性因素，增加計算結果的準確性和有效性[4546]。五元聯(lián)系數表達式為[47]：

μ=a+bi+cj+d[WTB1X]k[WTBX]+el （1）

式中：a，b，c，d，e具有明顯的優(yōu)序性，即a表示事物的同一度；e表示事物的對立度；b，c，d為差異度；且滿足a+b+c+d+e=1，a，b，c，d，e∈[0，1]；聯(lián)系分量系數i，j，k∈[-1，1]，l=-1；有時i，j，k，l不取任何值，僅作為一種標記。

五元聯(lián)系數集對模型評價生態(tài)航道健康水平分為以下幾個步驟。

（1）構造集對并確定評價等級。將生態(tài)航道健康水平劃分為5級，[HJ2.08mm]分別為“Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ”級，將長江下游生態(tài)航道評價指標體系的指標實測值視為集合Cn（n=1，2，…，n；n為評價指標體系中指標個數），將各指標對應的Ⅰ至Ⅴ級評價標準視為集合Bt （t為評價等級“Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ”），集合Cn和Bt共同構成一個集對H（Cn，Bt，），將評價等級中的的Ⅰ類標準作為同一度a的取值依據，Ⅴ類標準作為對立度e的取值依據，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類評價標準分別作為差異度b，c，d的取值依據[4849]，用五元聯(lián)系數來表示長江下游生態(tài)航道健康狀況，其表達式為：

μ=a+bi+cj+dk+el （2）

式中：a，b，c，d，e分別表示第n個指標Cn與該指標Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級分類標準的聯(lián)系度。

（2）構造指標層聯(lián)系度表達式。某指標的實測值為xn，生態(tài)航道健康水平等級劃分為5個等級，有4個臨界值分別表示為S1、S2、S3、S4，根據公式（3）和公式（4）構造指標層聯(lián)系度表達式。

成本型指標（越小越好型指標）的聯(lián)系度表達式[4951]：

式中：S1、S2、S3、S4分別為 Ⅰ至Ⅴ類評價等級的臨界值。

（3）構造準則層聯(lián)系度表達式。在通過式（3）、式（4）計算出各指標的聯(lián)系度的基礎上，結合層次分析法的賦權結果，計算生態(tài)航道評價一級子系統(tǒng)（準則層）的評價五元聯(lián)系數μ

3.2 五元聯(lián)系數評價等級劃分

采用置信度準則來評價生態(tài)航道不同河流系統(tǒng)功能的健康等級[29]。計算公式為：

4 結果與討論

4.1 評價結果

根據公式（3）、式（4）計算長江下游生態(tài)航道南京-瀏河口段各指標的同一度分量a，差異度分量b，c，d和對立度分量e，結合各指標相應權重，可由公式（5）計算不同準則層的同一度分量a，差異度分量b，c，d和對立度分量e，再結合各準則層相應權重，可由公式（6）計算得到長江下游生態(tài)航道南京-瀏河口段相對于I級狀態(tài)的五元聯(lián)系數為μ=03364+02332i+02615j+00815k+00873l，具體計算結果見表4。

確定合理的置信度λ，根據公式（7）判別出南京-瀏河口段生態(tài)航道所屬健康等級，本文λ取0.6，則南京-瀏河口段聯(lián)系度h1=f1=03364；h2=f1+f2=03364+02332=05696<06；h3=f1+f2+f3=03364+02332+02615=08312>06，故判定結果為南京-瀏河口段生態(tài)航道評價等級為“Ⅲ”，同理，可計算得到各準則層所屬的健康等級，具體計算結果見表5。

從表5可以看出，長江下游生態(tài)航道南京-瀏河口段航運功能、輸水泄洪功能、輸沙功能、供水功能、自凈功能、生態(tài)功能、景觀娛樂功能的健康等級分別是Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅲ級、Ⅰ級、Ⅳ級、Ⅰ級。

4.2 敏感性分析

權重的選取對評價結果影響較大，本文采用層次分析法確定指標權重主要是通過發(fā)放專家調查問卷，根據專家對長江下游生態(tài)航道準則層7項功能和各指標含義的個人理解進行重要程度排序，根據

打分結果構造判斷矩陣確定的權重會使結果具有一定的主觀性，因此，需要對評價結果進行敏感性分析，即每次變動一個功能指標的權重，其他功能的權重依比例做相應改變，確保權重總和始終為1，以此求出某個指標本身變動對評價體系結果的影響程度，進而檢測評價結果的穩(wěn)定性，計算結果見表6。

功能的總權重值的某些小幅調整對評估結果不會造成很大影響，這說明長江下游生態(tài)航道南京-瀏河口段評價結果具有較高的穩(wěn)定性。

5 結論

基于集對分析理論和層次分析法，建立了長江下游南京-瀏河口段生態(tài)航道健康評價五元聯(lián)系數模型，采用層次分析法計算各指標絕對權重，根據五元聯(lián)系數相關公式計算生態(tài)航道健康等級。該模型能夠處理生態(tài)航道評價過程中分級標準邊界模糊、信息不完整導致的不確定性問題，等級劃分更加合理。從結果來看，南京-瀏河口段生態(tài)航道健康等級總體處于Ⅲ級，從具體功能來看，河流航運功能、自凈功能和景觀娛樂功能處于Ⅰ級狀態(tài)，生態(tài)功能處于Ⅳ級，亟待結合該河段實際狀況進行生態(tài)治理。對南京-瀏河口段評價結果的敏感性分析也表明，功能層權重的小幅度波動不會對評價結果造成較大影響。

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