基于层次分析法-模糊综合评价的苏北平原河流生态状况评估

2021-12-30王铖洁方红远潘光毓

中国农村水利水电 2021年12期

王铖洁，方红远，朱晔，潘光毓

（1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州 225009；2.江苏省水文水资源勘测局宿迁分局，江苏宿迁 223800）

0 引言

河流是自然界中淡水资源存蓄的主要形式之一，具有重要的资源功能与生态服务功能，对人类的生产生活至关重要。经济社会快速发展的同时，河流面临着水质污染、水资源浪费、河道淤积严重和水生态环境恶劣等一系列问题，河流的生态状况不容乐观［1］。建立合理的水生态评价系统对河流进行有效的生态状况评价，改善河流存在的问题，实现可持续发展尤为重要。

20 世纪80年代，随着“生态系统健康”的概念产生，国内外学者对河流生态评价开展研究，提出了各有特色的评价指标体系，如美国提出了生物完整性指数，用鱼类物种丰富度、指示种类别等12 项指标对河流的健康状况进行评价［2］；澳大利亚提出了溪流状态指数，构建了基于河流水文学、形态特征、河岸带状况、水质及水生生物方面的指标体系［3］；英国提出了河流无脊椎动物预测和分类计划，将利用区域特征预测河流自然状况下应存在的大型无脊椎动物的预测值与实际监测值相比较，从而评价河流健康状况［4］。国内也相继开展了长江、黄河等大型河流的生态状况评估，王龙等人运用主成分分析法和聚类分析法，构建了包括河岸稳定性、河床稳定性等22个指标的健康长江评价指标体系［5］，牛明香等人构建了基于“压力－状态－响应”模型的黄河河口区生态系统健康评价指标体系［6］。但我国幅员广阔，地形地貌差异大，尚未形成统一规范的河流生态状况评价指标体系。平原河网地区河流水动力较弱，流量较小，水文状况复杂，不适用大江大河的生态评估方法。因此，结合平原河网地区的自然特点与河流生态系统的特征，研究分析合理的平原河流生态状况评价体系具有现实意义。本文基于层次分析及模糊数学理论，即先通过层次分析法确定目标层、准则层、指标层和各指标权重，再用多层次模糊综合评价法对河流生态状况进行综合评价。结合苏北（宿迁）平原河流的实际情况，对平原河流生态状况指标体系与评估模型建立进行了初步探讨。

1 河流生态状况评价模型

1.1 研究方法

河流的生态状况评价是涉及多因素的综合性评价问题，科学的指标评价体系是正确评价河流生态状况的基础，合理的评价方法是有效评价河流生态的关键。本研究比对现有的不同地区的河流评价准则，考虑区域性原则，建立合理的指标体系，并将层次分析法［7，8］和模糊综合评判方法［9］结合，构建层次分析法-模糊综合评价模型来对河流进行生态状况评估，减少因人主观判定评价指标影响程度而带来的评价结果的主观性和模糊性，提高准确度。基本步骤如下：

第一，建立指标体系。比对不同地区的河流生态评价标准，确定评价指标。即对河流评价系统进行层次分析，将河流生态状况目标分为n个准则层，即A={B1，B2，…，Bn}，再分成m个指标，即Bn={Cn1，Cn2，…，Cnm}。

第二，确定权重和评价等级标准集合。利用层次分析法建立判断矩阵进行权重计算并做一致性检验，验证计算合理得到准则层WB和指标层的权重集WC，即WB=(wB1，wB2，…，wBn)，WC=(wCi1，wCi2，…，wCim)。通过查阅文献与标准确定各指标的等级标准V={v1，v2，…，vs}。

第三，建立隶属度矩阵。将各指标的实际值x与等级标准比较得到相应指标的隶属度r，并建立指标层的隶属度矩阵Ri，即Ri={ri1，ri2，…，ris}。

第四，对准则层与指标层进行两级模糊评价。将权重集与隶属度矩阵模糊乘可得到模糊矩阵Bi，将权重集WB与模糊矩阵B进行模糊乘计算得出归属矩阵S，最终根据最大隶属度原则得到河流生态状况评估结果。

1.2 评价模型构建

1.2.1 评价指标选取

生态状况优良的河流不但保持生态系统的完整性，具有稳定的、有弹性的自然生态系统结构，还应强调对社会服务功能的发挥，如满足较高标准的防洪、供水等社会服务功能需求［10］。因此，评价指标不仅要能全面完整反映河流的生态健康状况，同时也能独立反映河流的生态特征，还要考虑评价指标的可操作性，指标分析计算所需的数据易于获取等要求［11，12］。

本文以中国东部的平原河网地区江苏省、浙江省的河流生态状况评估规范为基础，通过对比山东省、辽宁省的评价规范［13-15］，并结合参照《河湖健康评价指南（试行）》［16］，分析各规范的共性指标与特性指标，再结合江苏平原河网地区河流的自然属性和社会服务功能与已有研究成果，综合考虑选取指标。河流生态状况评估指标分析见表1。

江苏省《生态河湖状况评价规范》所推荐选择的评价指标具有普适性和可操作性，内涵明确且计算方便，本文在综合比较分析其他相关省的评价规范基础上建立的评价体系主要针对苏北平原河网地区河流生态状况评价。苏北平原河网河流水动力相对较弱，水位和流量变化小，持续时间长，多处于平衡或准平衡状态，一般情况下无显著单向变形，且河道上闸、坝较多，人为干预较强［17］。因此本次研究在江苏省规范的评价体系基础上添加了底栖动物多样性指标，增强河流水生物评价的客观针对性；结合平原河流流速流量小的特点增加了河流流动性指标；考虑到平原河流上闸、坝多这一特点补充了河流连通性指标，最终建立了包含水生物、水生境、水空间、水安全和公众满意度5 类共16 项指标的河流生态状况评价指标体系，对平原河流开展更有针对性的河流生态状况评估。指标具体见表2。

1.2.2 权重计算与指标分级

河流生态状况评价指标体系中的各指标重要程度不同，为确切反映指标对河流生态状况评估的重要性，需要定量描述指标重要性。层次分析法是将指标分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法，在决策、研究中被广泛使用［18］。本研究使用层次分析法进行权重计算，即分别构建准则层和指标层的两两比较的判断矩阵，标度计算并进行重要性排序，同时检验判断矩阵的一致性。构建判断矩阵主要参考各地评价规范中的相应指标重要性排序与专家分析，尽可能减少主观因素对评价的影响。

参考重要性排序与河流的社会服务功能，河流生态评价设2个否决项，分别为“水质优劣程度”和“公众满意度”，即当河流水质为劣Ⅴ类或公众满意度在60分以下时，河流生态状况结果评估为“差”。参考《生态河湖状况评价规范》的评估方法，准则层中公众满意度不进行计算评分。考虑到平原河网地区河流部分数据获取不易，对于有指标缺失项的河流，将缺失指标的权重平均分给该指标所在指标类型的其他指标。具体计算结果见表2。

表2 河流生态评价指标体系及权重Tab.2 Index system and weight of river ecological evaluation

各指标的等级标准划分采用标准法，各指标的等级划分参考江苏、浙江、辽宁省与《河湖健康评价指南（试行）》等规范中的等级划分，并结合其他研究成果［11，17］来确定具体指标的健康程度，分为优良中差4 个等级，其客观性较强，划分等级结果见表3。

表3 河流生态评价指标体系等级标准Tab.3 Grade standard of river ecological evaluation index system

1.2.3 隶属度矩阵的确定

（1）正向指标。正向指标指当指标值越大时，河流生态状况越好，如河流着生藻类多样性、生态用水满足程度等指标。

当指标xim的值大于等级标准“优”时，该指标对应的隶属度为1，其他等级的隶属度为0，即xim＞Vim1时：

当指标xim的值介于等级标准Vimj和Vim（j+1）时，第（j+1）级隶属度为：

对第j级的隶属度为：

其他级别隶属度为0。

当指标xim的值小于等级标准“差”时，该指标对应的隶属度为1，其他等级的隶属度为0，即xim＜Vim4时：

（2）逆向指标。逆向指标指当指标值越大时，河流生态状况越差，如河流连通程度、综合治理程度等指标。

当指标xim的值小于等级标准“优”时，该指标对应的隶属度为1，其他等级的隶属度为0，即xim＜Vim1时：

当指标xim的值介于等级标准vimj和Vim（j+1）时，第（j+1）级隶属度为：

对第j级的隶属度为：

其他级别隶属度为0。

当指标xim的值大于等级标准“差”时，该指标对应的隶属度为1，其他等级的隶属度为0，即xim＞Vim4时：

式（1）～（8）中：xim是第i个准测层中第m个指标的实测值；rimn是第i个准测层中第m个指标第n级的隶属度；vimj是第j级等级标准。

1.2.4 综合模糊评价

模糊评价分为对指标层和准则层的一级模糊评价和准则层和目标层的二级模糊评价。一级模糊评价采用公式为：

式中：Bi是第i层准则层的模糊评价；Wci是指标层中对应的第i层准则层的权重集；Ri是第i层准则层隶属度矩阵；wcim是第i个准测层中第m个指标对于该准则层的权重；rimn是第i个准测层中第m个指标的第n级隶属度；Bin是第i层准则层的第n级隶属度，◦为模糊算子，采用M(·，+ )计算。

二级模糊评价采用公式：

式中：S是目标的模糊评价；WB是准则层对于目标层的权重集；B为一级模糊评价；wBi是第i层准则层的权重；Wci是指标对应的第i层准则层的权重集；Ri是第i层准则层隶属度矩阵；Sn是目标的第n级隶属度；◦为模糊算子，采用M(·，+ )计算。

2 实例应用分析

2.1 研究区概况

苏北平原宿迁部位处淮河、沂、沭、泗流域的下游，南临洪泽湖，北接骆马湖，总六塘河是苏北平原河网地区的一条典型的平原河流。总六塘河位于宿迁市，起于骆马湖洋河滩闸，穿淮沭河后与南北六塘河等河道汇入灌河，流入黄海，是沂南地区区域排涝骨干河道之一，主要承担排涝及灌溉任务。河道全长76 km，流域面积691 km2。总六塘河地理位置见图1。

总六塘河河道两岸多为自然岸坡，自然植被分布较为完整，岸坡整体稳定性较好，河道两岸违规占用岸线情况较少，但河道流动性较差，流量小，水流流速缓慢。根据洋河滩闸、复隆和项庄水文站的监测数据，仅在汛期可检测到一定的流量，非汛期流量几乎为零。总六塘河汇入支流多，沿线有东河、东民便河、世纪河、泰山河、马河等22 条支流，但河上建有较多闸、坝，如洋河滩闸、六塘河闸、泗塘河挡洪闸、雍水闸、六塘河旱闸橡胶坝、世纪河闸，以及项庄水文站和复隆水文站等水利水文设施，监测并控制着引水、排涝、拦蓄回归水灌溉等。

总六塘河水功能区划为保留区，上游段与骆马湖相通，水质较好，城区段因其排涝功能，河流水质受沿线支流污水河道的影响，城区支流汇入段水质较恶劣。河流的流动性、自净能力差，河道内水生生物状况较差，水草、鱼类等生物多样性减少。近年随着区域水利现代化建设、骨干河道疏浚整治以及河长制的建立与完善，总六塘河总体水生态环境状况已呈现出日益改善趋势。

2.2 总六塘河生态状况评估

根据所构建的平原河流生态状况评价指标体系与确定的权重与评价标准，结合总六塘河实际生态状况及其评估资料可获得性，本文取2015年作为河道生态状况评估现状水平年，从水生物、水生境、水空间、水安全和公众满意度五个大方面对总六塘河进行河流生态状况评估。其中河流水质、水生物、水功能区达标率等定量评价指标信息主要来源于水利部门发布的《2015年宿迁市水资源公报》、《2015 宿迁河流健康评估技术报告》、《宿迁市水功能区达标整治方案》、《2015年重点水功能区水质通报》等技术资料以及当年实时监测资料，而半定量定性指标信息则通过调查分析和主观打分给出。

2015年总六塘河的河流公众满意度问卷调查显示总六塘河公众满意度为65.67 分，2015年总六塘河总体水质状况为Ⅳ类，均比两个否决项的否决标准好，可继续进行河流生态评估。总六塘河上没有集中式饮用水水源地，故将该指标权重平均分配给水安全准则层下的其他指标［9］。根据2015年总六塘河清高桥实测断面数据，河道内平均流速为0.038 m/s；总六塘河调查样点共定量检出浮游植物6 门20 属29 种，底栖动物9 种，着生硅藻中心纲和羽纹纲2 纲5 目20 属44 种。结合卫片数据统计以及当年现场调查踏勘结果，总六塘河河道两岸多为自然岸坡，自然植被分布较为完整，植被覆盖率较高，但河堤岸内开垦占用（林下）现象较多，岸坡整体稳定性好，但有50 m 长度左右侵蚀及塌岸现象和有40 km 河段两岸堤防未满足防洪设计标准，防洪达标率差；根据《2015年宿迁市水资源公报》，总六塘河总体水质状况为Ⅳ类，水功能区达标率为41.7%。

根据2015年各项指标的实际值，应用公式（1）～（8），计算得到各个指标的隶属度。总六塘河生态状况评估指标数据见表4。

表4 总六塘河生态状况评价指标权重及隶属度Tab.4 Evaluation index weight and membership of Zongliutang River Ecological Condition

最后，应用模糊评价公式（9）和（10），得到总六塘河的评价结果，见表5。

表5 总六塘河模糊评价结果Tab.5 Fuzzy evaluation results of zongliutang River

从准则层的一级模糊评价结果可以看出总六塘河水生生物的评价两极分化比较严重，因为着生藻类和浮游植物的多样性相差较大；水生态环境评价等级为“中”，水质的优劣与河流的流动程度对结果影响较大，水空间评价等级为“优”，总六塘河的岸线管理保护较好，水安全的评价等级为“中”，根据一级模糊评价结果可针对河流存在的具体问题采取相应措施，改善河流生态环境。

最终得到总六塘河评价集合D=［0.169 3，0.145 1，0.450 5，0.235 0］，根据最大隶属度原则，总六塘河生态状况为“中”，与水利部门等综合检查对总六塘河现状水平年的生态状况评估结果相近，说明该评价体系较为客观地反映了河流当年的实际状况。