曹 虎

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

流域生態(tài)健康評價是由生態(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)濟和社會組成的復(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]。其健康等級標準和影響因素在評價流域健康程度時同樣表現(xiàn)出多層次的動態(tài)特性。基于組合熵權(quán)的改進集對模型可對生態(tài)系統(tǒng)的各影響因素貢獻率進行綜合分析，并通過提取數(shù)據(jù)資料所包含的有效信息可準確反應(yīng)各影響因素對流域健康狀態(tài)影響大??；對樣本與評價等級的接近程度可利用聯(lián)系度的可展性從優(yōu)、劣兩個方面進行準確描述，據(jù)此可對指標所屬評價等級進行準確表征并得到更加合理的評價結(jié)果[2]。將流域生態(tài)環(huán)境按照評價結(jié)果進行分析并針對有關(guān)問題給出合理化建議和指導(dǎo)，對于生態(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)健康評價研究現(xiàn)狀

在20世紀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年通過對溪流狀態(tài)指數(shù)進行分析建立了指標體系，并對參照項羽各評價指標進行了對比評價[5]。PeterRose于2008年對干旱區(qū)河流的健康程度利用底棲動物群落特征進行了評價分析[6]；PintoH于2014年基于景觀程度和娛樂活動等指標提出了城市景觀河流評價方法[7]；Oeding于2015年對亞熱帶生態(tài)河流中的硅藻進行分析，并認為硅藻為該流域的主要評價指標[8]。

我國主要是對流域水質(zhì)狀態(tài)進行評價，而對流域生態(tài)健康的研究相對較少并處于初步階段。近年來，我國眾多學(xué)者分別對生態(tài)系統(tǒng)評價指標和理論方法進行了研究和分析，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)等指標評價了河流生態(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水生態(tài)區(qū)劃判定方法并建立了一級分區(qū)評價指標體系；鄧曉軍等[11]以漓江市區(qū)段河流為例在建立了評價指標和標準的基礎(chǔ)上采用模糊綜合評價模型評價了該河流生態(tài)健康；封光寅等[12]以漢江中下游為例對其流量影響因素和變異過程進行了詳細分析，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)量相對較低，該區(qū)域水資源開采潛力較大。

3 改進集對分析模型

3.1 評價指標體系和評價標準的構(gòu)建

遼河流域各支流縱橫交錯且區(qū)域特征存在較大差異，河流健康評價標準體系和指標缺乏可靠的依據(jù)和指導(dǎo)理論，然而各指標的選取應(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)實現(xiàn)可持續(xù)性科學(xué)開發(fā)；評價指標具有較強的可對比性和易獲取性，各指標的分析計算應(yīng)盡可能的簡便；指標的選取應(yīng)滿足綜合性強和有效信息量大的特征；各指標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、知識等進行選取。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，在實地考察的基礎(chǔ)上結(jié)合指標選取基本原則篩選出了典型的評價指標，并構(gòu)建了評價指標體系。結(jié)合相關(guān)文獻資料以及生態(tài)健康評價等級有關(guān)研究成果將遼河流域生態(tài)健康評價等級劃分為瀕于崩潰、病態(tài)、亞健康、基本健康和健康5個等級。評價指標體系和各等級標準見表1。

表1 遼河流域生態(tài)健康評價指標體系及等級標準

3.2 建立改進集對分析模型

將μT:X的表達式利用聯(lián)系度延展性進行拓展，其表達式可轉(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—對立度分量。

評價模型一級聯(lián)系度計算公式如下：

(2)

本文以遼河流域為例，為了保證各評價指標評價結(jié)果一致性規(guī)律特征可將越大越優(yōu)型指標進行倒數(shù)轉(zhuǎn)換并形成越小越優(yōu)型指標，利用上述相關(guān)公式可得到各指標聯(lián)系度系數(shù)和遼河流域上、中、下游聯(lián)系度矩陣μ1、μ2、μ3計算。

4 指標權(quán)重的確定

本研究采用熵值法和層次分析法對評價指標權(quán)重進行組合權(quán)重計算，即對指標主觀權(quán)重利用層次分析法進行確定并做一致性檢驗；對指標客觀權(quán)重利用熵值法進行計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價指標的最終權(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)健康實際狀況可將評價系統(tǒng)劃分為指標層、準則層和目標層3個層次等級。根據(jù)專家意見并采用1～9比較尺度法構(gòu)造判斷矩陣并進行體系中各元素相對于上一層元素的對比判斷，以目標層與準則層元素之間的對比判斷為例構(gòu)建A～B判斷矩陣，見表2。

表2 A～B判斷矩陣

以A～B矩陣為例對各指標權(quán)重系數(shù)利用求和法進行計算，具體過程如下：

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

表3 遼河流域生態(tài)健康評價指標權(quán)重計算值

表4 判斷矩陣隨機一致性檢驗結(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 改進集對分析模糊綜合評價

利用組合權(quán)重W和聯(lián)系度μ計算結(jié)果可對遼河流域上游綜合聯(lián)系度矩陣A進行計算。引入shi(A)=a/c作為集對勢，若集對勢值大于1則代表集合存在同一趨勢；集對勢值小于于1則代表集對反勢；若值為若1則代表集合對均勢；若a>c>b則代表集合為強同勢；若a>b>c則代表集合為弱同勢；若b>a>c則代表集合為微同勢；若b值為0則代表集合為準同勢。對遼河流域上游生態(tài)

表5 遼河流域生態(tài)健康各評價指標權(quán)重及熵值計算結(jié)果

健康評價等級5個集對勢分別計算，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)處于基本健康標準等級，同理可對其中、下游區(qū)域的生態(tài)健康進行評價，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)等級水平。

表6 遼河流域生態(tài)健康評價結(jié)果

結(jié)合上述評價分析結(jié)果和人類活動、自然條件等因素對遼河流域生態(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)上以遼河流域為例進行生態(tài)健康綜合評價，該方法具有評價結(jié)果可靠準確、方法原理簡單等特征。對同、異、反特征利用集對分析中聯(lián)系度的可展性進行改進并建立評價模型。將熵值法與層次分析法利用組合賦權(quán)理論進行有效結(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價者的主觀判斷，進而提高了評價結(jié)果與實際狀況的貼近程度。實例研究表明：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。