改进集对模型在辽河流域生态健康评价中的应用研究

曹 虎

(辽宁省铁岭水文局，辽宁 铁岭 112000)

流域生态健康评价是由生态健康基本理论和内涵发展而来的，其概念是指由自然、经济和社会组成的复合生态系统并具有显著的空间差异性和复杂行[1]。其健康等级标准和影响因素在评价流域健康程度时同样表现出多层次的动态特性。基于组合熵权的改进集对模型可对生态系统的各影响因素贡献率进行综合分析，并通过提取数据资料所包含的有效信息可准确反应各影响因素对流域健康状态影响大小；对样本与评价等级的接近程度可利用联系度的可展性从优、劣两个方面进行准确描述，据此可对指标所属评价等级进行准确表征并得到更加合理的评价结果[2]。将流域生态环境按照评价结果进行分析并针对有关问题给出合理化建议和指导，对于生态环境建设以及可持续发展管理具有重要意义[3]。

1 生态健康评价研究现状

在20世纪80年代初生态系统健康概念被首次提出，之后河流生态系统恢复逐渐成为河流管理的重点和主要方向。生态系统健康内涵是由Rapport于1989年首次提出的，并对人类可持续发展与生态环境之间的关系做了相关论述和研究[4]；Ladson于1999年通过对溪流状态指数进行分析建立了指标体系，并对参照项羽各评价指标进行了对比评价[5]。PeterRose于2008年对干旱区河流的健康程度利用底栖动物群落特征进行了评价分析[6]；PintoH于2014年基于景观程度和娱乐活动等指标提出了城市景观河流评价方法[7]；Oeding于2015年对亚热带生态河流中的硅藻进行分析，并认为硅藻为该流域的主要评价指标[8]。

我国主要是对流域水质状态进行评价，而对流域生态健康的研究相对较少并处于初步阶段。近年来，我国众多学者分别对生态系统评价指标和理论方法进行了研究和分析，并取得了一定成果形成了相应的理论方法，如吴阿娜等[9]通过选取和暗袋、水文特征、理化参数等指标评价了河流生态健康；张晶等[1]基于集水面积、区域特征、河源距离等空间因子提出了两级水生态区划判定方法并建立了一级分区评价指标体系；邓晓军等[11]以漓江市区段河流为例在建立了评价指标和标准的基础上采用模糊综合评价模型评价了该河流生态健康；封光寅等[12]以汉江中下游为例对其流量影响因素和变异过程进行了详细分析，定量的分析了该区域河流健康与流量过程变异之间的相互关系。

2 流域概况

辽河流域位于我国东北地区西南部，属于温带、寒温带大陆性季风气候，冬冷干燥漫长，夏季多雨炎热，流经量在空间分布上极不均衡，其中西部径流面积较大约占总径流量的75%。流域内工业发展充分、畜牧业和农林业发展迅速，不仅是我国东北地区粮食生产基地而且位于工业发展中心的核心位置。流域面积约21.9万km2，主要支流有老哈河、大辽河、浑河、太子河等，小河流支流众多且多以蜿蜒曲折状分布；冰雪融水以及大气降水为径流主要补给来源，年平均气温8.6℃且昼夜温差较大，多年平均降水量约为620mm，主要集中在6—8月。年际蒸发量较大且在不同区域存在较大差异，东部区域蒸发量较大且降雨径流量较低，而西部区域降水径流量大且蒸发量相对较低，该区域水资源开采潜力较大。

3 改进集对分析模型

3.1 评价指标体系和评价标准的构建

辽河流域各支流纵横交错且区域特征存在较大差异，河流健康评价标准体系和指标缺乏可靠的依据和指导理论，然而各指标的选取应符合可持续性、定量性、可操作性以及主导性等基本原则，其中水资源的开发和利用应以生态健康内涵为依据实现可持续性科学开发；评价指标具有较强的可对比性和易获取性，各指标的分析计算应尽可能的简便；指标的选取应满足综合性强和有效信息量大的特征；各指标在遵循上述基本原则的基础上还应参考相似流域的研究成果并借鉴有关专家的经验、知识等进行选取。本文通过借鉴内陆河以及长江、黄河等流域相关研究成果，在实地考察的基础上结合指标选取基本原则筛选出了典型的评价指标，并构建了评价指标体系。结合相关文献资料以及生态健康评价等级有关研究成果将辽河流域生态健康评价等级划分为濒于崩溃、病态、亚健康、基本健康和健康5个等级。评价指标体系和各等级标准见表1。

表1 辽河流域生态健康评价指标体系及等级标准

3.2 建立改进集对分析模型

将μT:X的表达式利用联系度延展性进行拓展，其表达式可转化为：

μT:X=a+bI+cJ=a+(b1i1+b2i2)

+(c1j1+c2j2)

(1)

a+b1+b2+c1+c2=1

式中，b1、b2—差异度分量；c1、c2—对立度分量。

评价模型一级联系度计算公式如下：

(2)

本文以辽河流域为例，为了保证各评价指标评价结果一致性规律特征可将越大越优型指标进行倒数转换并形成越小越优型指标，利用上述相关公式可得到各指标联系度系数和辽河流域上、中、下游联系度矩阵μ1、μ2、μ3计算。

4 指标权重的确定

本研究采用熵值法和层次分析法对评价指标权重进行组合权重计算，即对指标主观权重利用层次分析法进行确定并做一致性检验；对指标客观权重利用熵值法进行计算确定并得到两种赋权法权重系数，取二者的几何平均值即作为各评价指标的最终权重。

4.1 层次分析法确定主观权重

结合辽河流域生态健康实际状况可将评价系统划分为指标层、准则层和目标层3个层次等级。根据专家意见并采用1～9比较尺度法构造判断矩阵并进行体系中各元素相对于上一层元素的对比判断，以目标层与准则层元素之间的对比判断为例构建A～B判断矩阵，见表2。

表2 A～B判断矩阵

以A～B矩阵为例对各指标权重系数利用求和法进行计算，具体过程如下：

利用上述计算结果和方法可对B～C矩阵的最大特征根以及特征向量进行求解，各指标权重计算结果见表3。

表3 辽河流域生态健康评价指标权重计算值

表4 判断矩阵随机一致性检验结果

4.2 熵值法确定客观权重

4.3 主客观组合权重

5 改进集对分析模糊综合评价

利用组合权重W和联系度μ计算结果可对辽河流域上游综合联系度矩阵A进行计算。引入shi(A)=a/c作为集对势，若集对势值大于1则代表集合存在同一趋势；集对势值小于于1则代表集对反势；若值为若1则代表集合对均势；若a>c>b则代表集合为强同势；若a>b>c则代表集合为弱同势；若b>a>c则代表集合为微同势；若b值为0则代表集合为准同势。对辽河流域上游生态

表5 辽河流域生态健康各评价指标权重及熵值计算结果

健康评价等级5个集对势分别计算，u1～u5结果分别为4.416、10.881、8.325、4.162、2.517，经归一化处理可知，辽河流域生态由生态健康到濒于崩溃的概率分布为14.58%、35.91%、27.47%、13.74%、8.31%，据此可判定为该流域上游生态处于基本健康标准等级，同理可对其中、下游区域的生态健康进行评价，结果见表6。由表6可知，该流域上、中、下游生态健康分别基本健康、亚健康和病态等级水平。

表6 辽河流域生态健康评价结果

结合上述评价分析结果和人类活动、自然条件等因素对辽河流域生态环境的作用影响，该流域生态处于较脆弱水平，其原因主要和该流域水资源紧缺、蒸散发量大以及降雨量少等因素相关，并且该区域对水资源的开发利用程度较高且用水结构较低，水效率系数处于较低水平；中下游区域的水质较差，工业发展以及农业灌溉发展等。

6 结语

本文在详细分析了层次分析和组合熵权法理论的基础上以辽河流域为例进行生态健康综合评价，该方法具有评价结果可靠准确、方法原理简单等特征。对同、异、反特征利用集对分析中联系度的可展性进行改进并建立评价模型。将熵值法与层次分析法利用组合赋权理论进行有效结合并以此避免了单一权重法的片面行，据此不仅充分体现了数据资料所包含的有效信息而且能够最大限度地反映评价者的主观判断，进而提高了评价结果与实际状况的贴近程度。实例研究表明：辽河流域上、中、下游生态健康分别基本健康、亚健康和病态等级水平；原因主要和该流域水资源紧缺、蒸散发量大以及降雨量少等因素相关，并且该区域对水资源的开发利用程度较高且用水结构较低，水效率系数处于较低水平；中下游区域的水质较差，工业发展以及农业灌溉发展等。