灰关联综合分析法在石羊河流域生态健康评价中的应用

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(甘肃省水文水资源局，甘肃 兰州 730000)

灰关联综合分析法在石羊河流域生态健康评价中的应用

霍正文，孙超

(甘肃省水文水资源局，甘肃 兰州 730000)

河流生态系统健康是河流生态系统特征的综合反映。本研究探讨了灰关联和层次分析模型在流域生态健康评价中的应用，以石羊河流域为例,构造灰关联综合评价模型,采用层次分析法确定各因素的权重,依据评价值,对流域生态系统健康程度进行了定量评价。并依据评估结果提出意见建议，为流域的可持续发展提供参考。

石羊河流域；生态系统健康程度；评价指标；层次分析法；灰关联模型

河流生态系统健康是河流生态系统特征的综合反映,是流域内社会、经济、自然复合生态系统,应将人类活动和社会经济因素考虑在内[1]。由于河流生态系统为多变量,其健康标准也应是动态及多层次的[2]，灰关联综合评价是考虑在对影响流域生态系统的各因素与参考指标之间关联度的基础上对其健康程度进行评价,弥补了只考虑单因子的不足。本文在对生态系统进行定量评价的基础上,分析其水资源开发利用中存在的问题,对流域的可持续发展具有重要意义。

1 流域概况

1.1 地理位置

石羊河流域位于甘肃省河西走廊东部,介于乌鞘岭以西、大黄山以东,祁连山冷龙岭以北、巴丹吉林沙漠以南的区域。

1.2 河流水系

石羊河水系自西向东由发源于祁连山的西大河、东大河、西营河、金塔河、杂木河、黄洋河、古浪河、大靖河8条主要支流及区间内多条小河沟组成,径流补给来源为山区降水和高山融水,产流面积4.16万 km2，多年平均径流量14.6亿 m3，其中冰川融水占3.7%[3]。

1.3 地形地貌

石羊河流域地貌介于青藏高原与蒙古高原边缘,地势南高北低自西南向东北倾斜。南部祁连山地,海拔2 000～5 000 m，是流域的主要产流区;中部走廊平原区,海拔1 470～1 860 m，山势低矮,风化剥蚀强烈。由龙首山、韩母山、红崖山等将走廊平原分割为南北盆地。南盆地包括大靖、武威、永昌盆地,北盆地包括民勤盆地、金川-昌宁盆地,海拔1 300～1 400 m；北部低山丘陵区,海拔低于2 000 m；东部为腾格里沙漠边缘地带,广泛分布新月形沙丘和沙丘链[4]。

1.4 气候降水

石羊河流域属大陆性温带干旱气候,日照充足、昼夜温差大、降水少、蒸发强烈。南部祁连山区为高寒半干旱半阴湿区,平均气温0℃以下,年降水量300～600 mm,年蒸发量700～1 200 mm；东部走廓平原为温凉干旱区,年平均气温5℃,年降水量150～300 mm，年蒸发量1 200～2 000 mm;北部温暖干旱区,年降水量50～185 mm,年蒸发量2 000～3 030 mm。

1.5 经济社会

2013年全流域总人口220.55万人,其中农业人口135.37万人。耕地面积457.43万亩,农田实灌面积376.57万亩。地区生产总值595.58亿元,农业总产值102.11亿元,工业总产值327.51亿元。

1.6 水资源开发利用情况

石羊河流域水资源总量为16.59亿 m3,其中地表天然水资源量为15.6亿 m3，与地表水不重复的地下水资源量0.99亿 m3。径流量年内分配极不均衡,5 ～9月径流占年总量的85%，而枯季10月至翌年 3月径流量不到年总量的15%。2013年全流域总用水量23.18亿 m3,其中,农业用水量18.79亿 m3,工业用水量5.06亿 m3,居民生活用水量0.46亿 m3。

2 灰关联综合评价模型确定关联系数

2.1 确定原始序列

2.2 评价标准

按照11个评价因素,将健康程度划分为5个等级。分别为健康(0.8～1.0):流域环境没有压力,恢复能力很强,主要服务功能正常发挥,满足社会经济良好发展;基本健康(0.6～0.8):流域环境压力较轻,恢复能力较强,自然现状良好;亚健康(0.4～0.6):流域环境有一定压力,主要服务功能尚能发挥,满足一定程度的社会经济发展;病态(0.2～0.4):流域环境状况有压力,恢复能力差;濒于崩溃(0～0.2):流域环境状况压力很大,恢复能力很差,主要服务功能丧失,难以满足社会经济可持续发展[5][6]。

表1 石羊河流域健康评价标准

2.3 指标的数据处理

由于原始序列的量纲不一致,为了使各因素之间具有可比性,需对原始数据进行无量、无数量级处理,将其转化为0～1之间无量纲可比较数值范围。区间值无量纲处理方法如下[7]，计算结果见表2。

(1)越大越优型：

yi(k)=

(2)越小越优型

yi(k)=

2.4 关联系数计算

参考数列x0(k)和比较数列xi(k)在k时刻的关联系数ε0i(k)。

其中,ε称为分辨率,提高关联系数的显著性,通常取0.5[8](见表2)。

石羊河流域生态系统健康评价关联系数矩阵为：ε0i(k)=(1.00,0.33,1.00,0.63,0.52,0.49,0.33,0.34,0.88,0.41,0.33)

3 层次分析模型确定指标权重

3.1 建立层次结构

将生态系统健康评价分解为三个层次,第一层为目标层,即石羊河流域生态系统健康程度;第二层为准则层,有经济社会功能、自然属性等;第三层为方案层,即各项评价标准。

3.2 构造判断矩阵

从层次结构模型的第二层开始,对于同一层次的n个指标,在确定影响某因素的诸因子在该因素中所占的比重时,对于属于上一层每个因素的同一层诸因素,用成对比较法和1～9尺度构造各层次判断矩阵(表4-表7)。

表2 指标数据处理及关联系数计算结果

3.3 计算权重系数并做一致性检验

2)一致性检验

表3 随机性指标数值

表4 目标层-准则层判断矩阵及权系数计算结果

表5 社会影响因素判断矩阵及权系数计算结果

表6 经济影响因素判断矩阵及权系数计算结果

表7 自然影响因素判断矩阵及权系数计算结果

表8 归一化权重结果

3.4 计算组合权向量并做一致性检验

假设矩阵共有S层,则第K层对第一层的组合权向量满足W(k)=W(k)W(k-1)，k=3，4，…，s，其中W(k)是以第K层对第k-1层的权向量为列向量组成的矩阵,于是最下层对最上层的组合权向量为W(s)=W(s)W(s-1)，…，W(3)W(2)(见表8)。

3.5 计算关联度

4 结语

通过对评价指标权重及关联度的分析,石羊河流域生态环境既受自然条件的影响,也受人类活动的影响,归结起来:(1)流域降水量少、水资源匮乏。(2)水土资源开发不协调,农业灌溉用水规模偏大,水资源开发利用程度很高。(3)水资源管理相对薄弱,难以有效控制流域内部分地区和行业的用水总量。(4)用水结构不合理、利用效率偏低,经济社会发展需水超过了流域水资源承载能力。

依据评价结果,提出以下建议:(1)加快节水型社会建设,加强用水总量及用水效率的控制与管理。(2)加快流域城镇化建设,调整产业结构,优化农业种植结构,大力发展农业高效节水灌溉,降低农业用水比例、减少农业用水总量,减轻水土资源的承载压力。(3)建立生态用水的政策保障及生态用水的价格补偿机制,农业用水季节浮动水价,引导农灌避开用水高峰期,缓解供需矛盾。(4)由于石羊河流域位于我国内陆地区,生态系统较脆弱,自身调节能力较差,应加强流域内水源涵养区的保护与修复。(5)建立权威、高效的流域管理和运行机制,加强地表水量调度及地下水管理,实现水资源的合理配置。

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1004-1184(2017)05-0099-03

2017-04-20

霍正文(1976-)，女，江苏南京人，高级工程师，主要从事水文水资源评价、水资源研究等工作。