现代水网建设的区域生态效应可变模糊评价

2018-11-13高峰齐真王好芳赵然杭王兴菊白珊

南水北调与水利科技 2018年3期

高峰齐真王好芳赵然杭王兴菊白珊

摘要：现代水网建设旨在解决区域水资源短缺、地下水超采以及生态恶化等问题，为了评估现代水网建设的生态功能，对现代水网建设产生的生态效应进行评价。以青州市为研究区域，以2013年为基准年，2020年和2025年为规划年，在50%、75%和95%保证率下，通过青州市现代水网进行水资源优化配置和调度，根据配置和调度结果，选取5个生态效应评价指标，构建生态效应评价指标体系，采用可变模糊评价法，对青州市现代水网建设产生的生态效应进行评价。结果表明，青州市现代水网建设后，生态状况等级比建设前提升了1～3级，生态环境明显改善。因此，区域现代水网建设和生态调度对生态环境改善有重要作用。

关键词：生态效应；可变模糊评价；现代水网建设；水资源；青州市

中图分类号：TV213.9文献标志码：A文章编号：16721683（2018）03010208

Variable fuzzy evaluation of regional ecological effects of modern water network construction

GAO Feng1，QI Zhen2，WANG Haofang2，ZHAO Ranhang2，WANG Xingju2，BAI Shan2

（1.Water Resources Research Institute of Shandong Province，Jinan 250013，China；

2.School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

Abstract：The modern water network construction is intended to solve the problems of water shortage，groundwater overdraft，and ecological deterioration.This paper evaluates the ecological effects of modern water network construction so as to assess the ecological function of modern water network construction.We took Qingzhou City as the research area，and took 2013 as the base year and 2020 and 2025 as the planning years.At 50%，75% and 95% assurance rates，we conducted optimal allocation and dispatching of water resources through Qingzhou modern water network.According to the allocation and dispatching results，we selected 5 evaluation indexes of ecological effects，and constructed an index system of ecological effects evaluation.Using variable fuzzy evaluation method，we evaluated the ecological effects of the construction of modern water network in Qingzhou.The results showed that the ecological level improved by 13 grades after the modern water network was constructed，and the ecological environment was obviously improved.Therefore，the regional modern water network construction and ecological dispatching play an important role in improving the ecological environment.

Key words：ecological effect；variable fuzzy evaluation；modern water network construction；water resources；Qingzhou City

生态效应是指人类活动引发的生态系统的变化和响应，按照性质可以分为正效应和负效应[1]。水利工程生态效应是指人类通过修建各类水利工程对生态系统造成的结构和功能的影响，包括生态破坏及生态修复两种效果[23]。针对缺水地区，进行区域水网建设是生态修复的有效途径。20世纪以来，美国、前苏联、澳大利亚及中国等国家，通过跨流域或区域调水，对水资源进行重新分配，以缓解区域水資源短缺等问题，促进社会经济的发展[4]。近年来，随着生态问题的日益严重，水网建设等调水工程产生的生态效应逐渐受到关注[5]。

生态效应具有一定的模糊性，一般是通过构建指标体系，采用相应评价方法进行评价。目前，常用的评价方法主要有模糊综合评价法[6]、模糊模式识别法[7]、可变模糊评价法[813]、集对评价法[14]等，其中，可变模糊评价法能够科学合理地确定各样本指标的相对隶属度和相对隶属函数，进而确定各样本的级别特征值。在水利行业，该方法广泛应用于河流健康评价、生态安全评价和风险评估等领域[1519]。因此，本文以青州市为研究区域，以2013年为基准年，2020年和2025年为规划年，在50%、75%和95%保证率下，通过研究区域现代水网的水资源优化配置和调度，应用可变模糊集理论[89]和陈守煜提出的可变模糊评价法[1013]对基于现代水网建设的配置和调度结果，进行区域生态效应评价，为区域水网的运行调度提供科学依据。

第16卷总第96期·南水北调与水利科技·2018年6月高峰等·现代水网建设的区域生态效应可变模糊评价1研究方法与研究区域

1.1研究方法

设U为论域，u为U中的任意元素。设区间[a，b]为实轴上模糊可变集合V的吸引域区间，相对差异度DA（u）∈（0，1]；区间[c，d]为实轴上包含[a，b]的V的范围域区间，相对差异度DA（u）∈[-1，1]；设M为[a，b]中相对差异度DA（u）=1的点值；设x为[c，d]中的任意点值，如图1所示[10]。

建立评价指标特征值矩阵X=（xij）、指标标准值矩阵Y=（yih）以及点值Mih的矩阵。其中，i为指标；j为样本；h为级别，h=1，2，…，k，k为级别数。

根据标准值矩阵Y，建立吸引域矩阵Iab和范围域矩阵Icd，判断样本特征值xij的位置。根据式（1）计算相对差异度矩阵[DA（xij）h]，根据式（2）计算相对隶属度矩阵[μA（xij）h]。

DA（u）=x-aM-aβ；x∈[a，M]

DA（u）=-x-ac-aβ；x∈[c，a]

DA（u）=x-bM-bβ；x∈[M，b]

DA（u）=-x-bd-aβ；x∈[b，d]

DA（u）=-1；x

瘙綋（c，d）（1）

μA（u）=（1+DA（u））/2（2）

式中：β为非负指数，通常可取β=1。

根据指标重要性排序一致性定理[11]，确定评价指标的权向量ωi。

应用公式

ju′h=11+∑mi=1[ωi（1-μA（xij）h）]p∑mi=1（ωiμA（xij）h）pαp（3）

式中：ju′h为非归一化的综合相对隶属度；ωi为指标权重；α为模型优化准则参数，取1或2；m为识别指标数；p为距离参数，取1或2，其中，p=1为海明距离，p=2为欧氏距离。

在α和p的不同组合情况下，分别求得样本的相对隶属度，并通过归一化公式

juh=ju′h∑ch=1ju′h（4）

得到样本级别特征值矩阵[jUh]。式中，juh为归一化的综合相对隶属度。

应用公式

H=（1，2，…，k）·U（5）

计算样本级别特征值H。

1.2研究区域概况

青州市地处山东半岛中部，水资源短缺，人均水资源量仅为全国平均水平的1/6。受气候和地理位置影响，青州市河川径流量分布不均。西南部河川径流量占全市的85.4%；东北北部平原区仅占全市的14.6%。而青州市东北部又是工业区，水资源短缺严重，出现了工农业用水大量挤占生态环境用水，造成了东北部地下水严重超采，形成了漏斗区，对青州市的生态环境造成了严重影响[20]。

为此，青州市于2012年开始进行了现代水网建设，见图2，以青州市“五库”（即仁河水库、黑虎山水库、七一水库、坝沟子水库和赵家庄水库）和“六河”（即淄河、仁河、大石河、南阳河、弥河和北阳河）为骨架，使库河联通、库库联通以及河河联通，实现青州市水系贯通，丰枯互补。通过水资源合理配置和调度，将西南部丰富的水资源输送到东北部平原区，以解决青州市东北部缺水及地下水漏斗区问题[2122]。

2可变模糊评价

本文以2013年为基准年，2020年和2025年为规划年，在50%、75%和95%保证率下，通过青州市现代水网建设的水资源优化配置和调度方案，对青州市现代水网建设产生的生态效应进行评价。

2.1水资源优化调度方案

基于青州市现代水网建设，以2013年为基准年，2020年和2025年为规划年，确定50%、75%和95%保证率下的各水源可供水量及各用水户需水量，以社会、经济和生态综合效益最大的为目标，建立多目标的水资源优化配置模型，见式（6）和式（7）。

目标函数：minf1=∑Kk=1（Dk-Qk）

maxf2=∑Kk=1（bkQk-ckQk）

minf3=（De-QeDe2（6）

约束条件：Qkmin≤Qk≤Dk

∑Kk=1Qk≤Q

Qk≥0（7）

式中：f1为社会效益；Dk为第k个用户的需水量（万m3）；Qk为第k个用水户的供水量（万m3）；K为用水户数量；f2为经济效益；bk为第k个用水户的供水效益系数（元/ m3），ck为第k个用水户的供水费用系数（元/ m3）；f3为生态效益；De生态需水量；Qe为生态供水量（万m3）；Qkmin为第k个用水户的供水下限，Q为可供水量。

利用理想点法求解该模型，得到青州市水资源优化配置方案，然后，在近水近用、优水优用等原则下，既考虑水网工程的供水能力和用水实际需求，制定青州市水资源优化调度方案，其中，青州市水资源优化调度方案中生态部分详见表1和表2。

2.2指标体系构建

为了有效地评价现代水网建设产生的生态效应，根据实地考察發现，青州市生态系统脆弱或恶化是由于水资源短缺，可供水量不能有效地满足生态用水需求造成的。因此，本文结合青州市生态状况，以科学性、代表性、简明和可操作性的原则，重点从水量方面考虑河道内和河道外生态用水状况，选取生态效应指标，构建生态效应评价指标体系，以评价青州市现代水网建设对青州市东北部生态状况的改善情况。各指标选取如下。

（1）生态水资源满足程度（%）。

生态水资源满足程度指河道内外总的生态供水量与需水量的比值（以百分比表示）。该指标反映青州市东北部平原区生态用水的整体满足程度。

（2）地下水开采率（%）。

地下水开采率是指地下水开采量与可开采量的比值（以百分比表示）。可开采量指每年的地下水补给量。当地下水开采量大于补给量时，就会造成地下水超采，超采严重时会导致地下漏斗区的产生。因此，地下水开采率能够反映青州市东北部平原区地下水开采对地下水漏斗区恶化或缓解程度。

（3）河道内生态水资源满足程度（%）。

河道内生态水资源满足程度是指河道内生态供水流量与生态需水流量的比值（以百分比表示）。青州市东北部平原区最主要的两条河流为北阳河和南阳河。因此，河道内生态水资源满足程度主要是指北阳河和南阳河河道内的生态用水满足情况，反映北阳河和南阳河河道内的生态状况。

（4）河道外生态水资源满足程度（%）。

河道外生态水资源满足程度是指河道外生态供水量与需水量的比值（以百分比表示）。主要指青州市东北部绿化用水、浇洒路面用水等满足情况。

（5）生态供水保证率（%）。

生态供水保证率是指在用来供水的河道内，流量大于基本生态流量的天数比例。弥河是青州市最大的过境河流，水资源较为丰富，是重要的客水资源，从弥河调水可有效缓解青州市东北部的缺水状态，对地下漏斗区的修复具有重要作用。但从弥河调水时应首先要保证弥河河道内的基本生态用水，因此，选用该指标来度量弥河可向青州市东北部调度水资源的能力。

根据青州市2013年水资源开发利用情况、现代水网建设的水资源优化调度方案（表1和表2）以及各水平年弥河水资源状况，得到各评价指标特征值，详见表3。

评价等级划分

评价等级划分是依据研究区的实际生态状况，结合水资源规划等相关资料，统计各指标的标准差、平均值、中位数、最大值和最小值等统计参数特征值，并参考相关文献[2325]，将青州市各评价指标分为5个等级，等级1情况属优，等级2情况属良，等级3情况属中等，等级4情况属较差，等级5情况属很差。各评价指标划分标准详见表4。

根据表1和表2建立青州市评价指标特征值矩阵X=（xij）与指标标准值矩阵Y=（yih）。

X=312416

127199338

20125

656050

758350=（xij）

90～10080～9060～8030～600～30

0～5050～7575～100100～200200～500

90～10080～9060～8030～600～30

95～10085～9570～8550～700～50=（yih）

其中，i=1，2，…，5为指标号；j=1，2，3为水平年号；h=1，2，…，5为级别编号。

参照指标标准值矩阵Y，建立青州市生态状况评价指标可变集合的吸引域矩阵Iab与范围域矩阵Icd以及点值Mih的矩阵。Iab=[90，100][80，90][60，80][30，60][0，30]

[0，50][50，75][75，100][100，200][200，500]

[90，100][80，90][60，80][30，60][0，30]

[95，100][85，95][70，85][50，70][0，50]

Icd=[80，100][60，100][30，90][0，80][0，60]

[0，75][0，100][50，200][75，500][100，500]

[80，100][60，100][30，90][0，80][0，60]

[85，100][70，100][50，95][0，85][0，70]

M=1008570450

06590150500

1008570450

1009080600

根据公式（1）计算相对差异度矩阵[DA（xij）h]。

[DA（xi1）h]=-1.00-1.00-0.970.07-0.03

-1.00-1.00-0.270.54-0.73

-1.00-1.00-1.000.330.33

-1.00-0.75-0.500.25-1.00

-1.00-0.67-0.500.33-1.00

[DA（xi2）h]=-1.00-1.00-0.11-0.200.20

-1.00-1.00-0.990.02-0.01

-1.00-1.00-1.00-0.600.60

-1.00-1.000.000.00-1.00

-1.00-0.130.40-0.87-1.00

[DA（xi3）h]=-1.00-1.00-1.00-0.470.47

-1.00-1.00-1.00-0.460.46

-1.00-1.00-1.00-0.830.83

-1.00-1.00-0.330.67-0.67

-1.00-1.00-1.000.000.00

根據公式（2）计算指标j对h级的相对隶属度矩阵[μA（xij）h]。

[μA（xi1）h]=0.000.000.020.540.49

0.000.000.370.770.14

0.000.000.000.340.67

0.000.130.750.380.00

0.000.170.750.340.00

[μA（xi2）h]=0.000.000.000.400.60

0.000.000.010.510.50

0.000.000.000.200.80

0.000.000.500.500.00

0.000.440.700.070.00

[μA（xi3）h]=0.000.000.000.270.74

0.000.000.000.270.73

0.000.000.000.090.92

0.000.000.340.840.17

0.000.000.000.500.50

根据指标重要性排序一致性定理[11]，得到指标重要性排序一致性标度矩阵F。

排序

F=0.51111

00.5111

000.511

0000.51

00000.5①

②

③

④

⑤

按矩阵F关于重要性的排序，以排序为①的指标x1逐一地与排序为②、③、④、⑤的指标，进行二元比较。指标x1与指标x2相比，处于“略为”；指标x1与指标x3相比，处于“明显”；指标x1与指标x3相比，处于“十分”；指标x1与指标x5相比，处于“非常”，根据表5得到非归一化的评价指标权向量为

ω′1=（1.000，0.667，0.429，0.250，0.176）

分析与讨论

表4和表5结果表明，不同权重下，各样本评价等级一致，可作为最终结果；青州市现代水网建设后，相较于2013年，2020年生态状况在50%、75%和95%保证率下分别由4级、4～5级和5级提高到2级、2级和3～4级，2025年生态状况分别提高到1～2级、1～2级和4级。

其他的评价方法通常选择一套权重以及建立一套评价模型，往往不能保证结果的可靠性和准确性。本文采用可变模糊评价法，选取两套权重，并在基本模型的基础上通过变换参数来变化模型（通过变换参数α和p，将模型变化为线性和非线性），将稳定结果作为最终结果，对青州市现代水网建设的生态效应进行评价，提高了结果的可靠性和可信度。

3结论

以青州市为研究区域，进行现代水网建设的区域生态效应评价。结果表明，青州市现代水网建设后，在不同保证率下，生态状况评价等级均有所提高，生态环境得到明显改善，生态效应显著。可变模糊评价法能够客观确定现代水网建设前后的生态状况等级，结果较为可靠准确，为定量评价生态效应提供了参考依据，对区域水生态文明建设具有积极意义。

随着水网建成，在实际运行管理中，建议增加水质和生物多样性等资料，使该指标体系更加完善，评价结果更加科学合理。

参考文献（References）：

[1]马铁民，曾容，徐菲.辽河流域典型水库生态效应评价[J].东北水利水电，2008（10）：3740.（MA T M，ZENG R，XU F.Ecological effect evaluation of typical reservoir in Liao river basin[J].Water Resources & Hydropower of Northeast，2008（10）：3740.（in Chinese）） DOI：10.3969/j.issn.10020624.2008.10.015.

[2]常本春，耿雷华，刘翠善，等.水利水电工程的生态效应评价指标体系[J].水利水电科技进展，2006（6）：1115.（CHANG B C，GENG L H，LIU C S，et al.Index system for ecological effect evaluation of hydropower projects[J].Advances in Science and Technology of Water Resources，2006（6）：1115.（in Chinese）） DOI：10.3880/j.issn.10067647.2006.06.003.

[3]孙宗凤，董增川.水利工程的生态效应分析[J].水利水电技术，2004，35（4）：58.（SUN Z F，DONG Z C.Analysis on ecological effect of water conservancy project[J].Water Resources and Hydropower Engineering，2004，35（4）：58.（in Chinese）） DOI：10.3969/j.issn.10000860.2004.04.002.

[4]楊立信，刘国纬.国外调水工程[M].北京：中国水利水电出版社，2003.（YANG L X，LIU G W.Foreign water transfer project[M].Beijing：China Water & Power Press，2003.（in Chinese））.

[5]吕学研，吴时强，张咏，等.调水引流工程生态与环境效应研究进展[J].水资源与水工程学报，2015，26（4）：3845.（LV X Y，WU S Q，ZHANG Y，et al.Progress of ecology and environment effect of water diversion project[J].Journal of Water Resources & Water Engineering，2015，26（4）：3845.（in Chinese）） DOI：10.11705/j.issn.1672643X.2015.04.08.

[6]钱挹清.应用模糊综合评判法进行东莞市水资源规划宏观经济社会效益评价[J].珠江现代建设，2006，12（6）：13，8.（QIAN Y Q.Evaluation of macroeconomy and social benefit of water resources planning in Dongguan City by Fuzzy Comprehensive Evaluation Method[J].Modern Construction of Zhujiang River，2006，12（6）：13，8.（in Chinese））.

[7]陈守煜.区域水资源可持续利用评价理论模型与方法[J].中国工程科学，2001，3（2）：3338.（CHEN S Y.Theoretical model and method of evaluation of regional water resources sustainable utilization[J].Engineering Sciences，2001，3（2）：3338.（in Chinese）） DOI：10.3969/j.issn.10091742.2001.02.008.

[8]ZADEH L A.Fuzzy Sets[J].Information and Control，1965，8（3）：338353.

[9]陈守煜.工程可变模糊集理论与模型模糊水文水资源学数学基础[J].大连理工大学学报，2005，45，（2）：308312.（CHEN S Y.The theory and model of engineering variable fuzzy set[J].Journal of Dalian University of Technology，2005，45，（2）：308312.（in Chinese）） DOI：10.3321/j.issn：10008608.2005.02.031.

[10]陈守煜，胡吉敏.可变模糊评价法及在水资源承载能力评价中的应用[J].水利学报，2006，37（3）：264 271.（CHEN S Y，HU J M.Variable fuzzy assessment method and its application in assessing water resources carrying capacity[J].Journal of Hydraulic Engineering，2006，37（3）：264 271.（in Chinese）） DOI：10.3321/j.issn：05599350.2006.03.003.

[11]陈守煜.工程模糊集理论与应用[M].北京：国防工业出版社，1998.（CHEN S Y.Theory and application of engineering fuzzy sets[M].Beijing：National Defense Industry Press，1998.（in Chinese））

[12]陈守煜.开放的复杂水资源巨系统概念及决策技术[J].大连理工大学学报，1993，33（5）：591597.（CHEN S Y.Open complex water resources giant system concept and decision technology[J].Journal of Dalian University of Technology，1993，33（5）：591597.（in Chinese））

[13]陈守煜.水资源与防洪系统可变模糊集理论与方法[M].大连：大连理工大学出版社，2005.（CHEN S Y.The theory and method of variable fuzzy set for water resources and flood control system[M].Dalian：Dalian University of Technology Press，2005.（in Chinese））

[14]王文圣，金菊良，丁晶，等.水资源系统评价新方法集对评价法[J].中国科学E辑：技术科学，2009，39（9）：15291534.（WANG W S，JIN J L，DING J，et al.New method of water resources system evaluation set pair evaluation method[J].Science in China（Series E）：Technical Science，2009，39（9）：15291534.（in Chinese））

[15]田林鋼，靳聪聪.水景观建设对城市河流生态健康的影响[J].水力发电，2014，40（4）：48.（TIAN L G，JIN C C.Influence of the construction of water landscape on urban river ecology health[J].Water Power，2014，40（4）：48.（in Chinese）） DOI：10.3969/j.issn.05599342.2014.04.002.

[16]陆志强，李吉鹏，章耕耘，等.基于可变模糊评价模型的东山湾生态系统健康评价[J].生态学报，2015，35（14）：49074919.（LU Z Q，LI J P，ZHANG G Y，et al.Ecosystem health assessment based on variable fuzzy evaluation model in Dongshan Bay，Fujian，China[J].Acta Ecologica Sinica，2015，35（14）：49074919.（in Chinese）） DOI：10.5846/stxb201312052899.

[17]许雪青，刘忠波，张晋，等.基于可变模糊评价法的渤海海洋生态环境综合评价[J].海洋湖沼通报，2014，（3）：5157.（XU X Q，LIU Z B，ZHANG J，et al.Assessment of the marine ecological environment in Bohai Sea based on a variable fuzzy sets method[J].Transaction of Oceanology and Limnology，2014，（3）：5157.（in Chinese））

[18]曹永强，朱明明，张亮亮，等.基于可变模糊评价法的大连市水资源承载力分析[J].水利水运工程学报，2016（4）：4046.（CAO Y Q，ZHU M M，ZHANG L L，et al.Analysis of carrying capacity of water resources in Dalian based on variable fuzzy assessment method[J].HydroScience and Engineering，2016（4）：4046.（in Chinese）） DOI：10.16198/j.cnki.1009640X.2016.04.006.

[19]刘玉玉，许士国.可变模糊评价方法在浑河上游河段健康评价中的应用[J].水利水电科技进展，2013，33（3）：6467，88.（LIU Y Y，XU S G.River health assessment in the upper Hun River based on variable fuzzy model[J].Advances in Science and Technology of Water Resources，2013，33（3）：6467，88.（in Chinese）） DOI：10.3880/j.issn.10067647.2013.03.014.

[20]赵敏敏，张兴珏，闫永銮，等.山东省青州市利用亚行贷款地下水漏斗区域综合治理示范工程可行性研究报告[R].2015.（ZHAO M M，ZHANG X Y，YAN Y L，et al.The report on the feasibility of demonstration project of comprehensive management of groundwater funnel in Qingzhou City，Shandong Province by ADB Loan[R].2015（in Chinese））

[21]郑良勇，齐春三，宋炜.潍坊市现代水网构建研究[J]水利规划与设计，2005（11）：35，47.（ZHENG L Y，QI C S，SONG W.Study on modern water network construction in Weifang City[J].Water Resources Planning and Design，2005（11）：35，47.（in Chinese）） DOI：10.3969/j.issn.16722469.2015.11.002.

[22]李莉，彭慧，王传荣，等.山东省青州市现代水网建设规划[R].2012.（LI L，PENG H，WANG C R，et al.Planning of modern water network in Qingzhou City，Shandong Province[R].2012.（in Chinese））

[23]董哲仁.河流生態系统研究的理论框架[J].水利学报，2009，2（2）：129137.（DONG Z R.The theoretical framework of rivers ecosystem research[J].Journal of Hydraulic Engineering，2009，2（2）：129137.（in Chinese）） DOI：10.3321/j.issn：05599350.2009.02.001.

[24]山东省水资源综合利用中长期规划[Z].2016.（Medium and long term plan for comprehensive utilization of water resources in Shandong Province[Z].2006.（in Chinese））

[25]青州统计年鉴2013[Z].山东省青州市统计局，2013.（Qingzhou statistical yearbook in 2013[Z].Statistics Bureau of Qingzhou City，Shandong Province，2013.（in Chinese））