基于模糊物元法的农村河道生态状况评价

方国华，叶晓晶，姚怀柱，廖 涛，宋子奇

（1.河海大学水利水电学院，南京210098；2.江苏省水利厅农村水利科技发展中心，南京210029；3.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏扬州225127）

0 引言

河道是水资源的重要载体，是生态系统的重要组成部分，与人类生产、生活息息相关。20世纪70年代起，我国开始河道治理工作，但由于过度强调防洪排涝等功能，河道过度硬化、裁弯取直，导致河道生态受到破坏。直到党的十七大首次提出建设生态文明，我国河道治理工作重点才逐渐转向恢复河道生态和河道系统功能，治理工作进入新阶段［1］。2019年，习近平总书记首次提出了“幸福河”，对河道治理工作提出了新要求。幸福河是在维持自身健康的同时，支撑流域经济社会高质量发展，让流域内人民具有安全感、获得感与满意度的河流。农村河道主要指流经或分布在广大农村地区，直接为农村生产、生活服务的河流、小型湖泊和沟塘，与城市河道相比，具有河道结构多样、功能多样与污染源复杂等特点［2］。关于农村河道生态治理的相关研究相对较少，目前，农村河道普遍存在河道侵占严重、河道坍塌、水体污染、淤塞严重、治理滞后等问题［3］，多数河流未能达到幸福河的标准。要处理好农村河道的种种问题，首先需要对农村河道生态状况做出合理评价，为科学制定农村河道生态治理措施、建设幸福河奠定基础。

河道生态状况评价方法［4-6］可分为预测模型法与多指标评价法。近年来，我国学者多以多指标评价法开展相关研究。2007年，陈平等［7］从河道水利功能、河道稳定、生物、水质与水量、管理五个方面初步构建了生态河道评价指标体系。2010年，韩黎［8］从水利功能、生态需水量、水质、河道生境、水生生物和管理能力方面对旅顺凤河进行生态评价。2013年，董哲仁等［9］基于生物质量、水文、物理化学和河流地貌要素，选取10 个指标，明确各指标的赋值及分级标准，建立了河道生态状况分级系统。2018年，张伟超［10］从水文、水质、河流地貌和水生动植物四个方面选取指标，对汉江汉中平川段河道进行生态评价。2021年，胡威等［11］利用遗传算法优化BP 神经网络算法，对指标赋权进行优化，构建基于GA-BP的河道生态状况评价模型。

目前常用的评价方法有模糊综合评价［12］、云模型法［13］、物元分析法［14］等。模糊物元分析法将模糊综合评价法与物元分析法结合起来，分析事物的模糊性和多因素之间的不相容性，从而进行对事物的评价，得到单指标发展状况与事物综合评价结果，使结果更加客观、科学［15］。农村河道生态状况评价涉及水文、水生态、水资源、水管理等领域，影响因素繁杂，指标众多，各指标评价结果之间不相容，各指标级别划分也具有模糊性，因此选用模糊物元分析法具有明显的合理性。本文将构建农村河道生态状况评价指标体系，运用序关系分析和熵权法分别确定指标主客观权重，通过线性组合求得组合权重，采用模糊物元分析法构建模型，对选取的江苏省6 条农村河道生态状况进行评价。

1 农村河道生态状况评价指标体系及评价标准

农村河道生态状况主要指河道及河岸带的各种生态环境相关特征，包括功能特征、形态特征、水环境特征、生态特征、人为干扰情况等。

1.1 评价指标体系构建

幸福河可定义为河流安全、水流顺畅、水资源充沛、河流生态系统健康，在维持河流生态系统结构与功能稳定的基础上，持续满足人类社会合理需求，人与河流和谐相处的河流［16］。幸福河的建设多从水安澜、水资源、水环境、水生态以及水文化五个维度推进。幸福河是新时代河湖生态治理的目标与方向，进行农村河道生态状况评价是进行农村河道生态治理、建设农村幸福河的基础与前提。

查阅相关文献［17，18］，考虑幸福河的定义与内涵，参考《江苏省生态河湖状况评价规范》（DB/Z 3674-2019），根据农村河道实际情况及特点，剔除难以获得的指标，拟定从河道功能、河道形态、河道环境、河道生态与景观、河道管护与综合评判6 个方面构建评价指标体系，构建农村河道生态状况评价指标体系。具体见表1。

表1 农村河道生态状况评价指标体系Tab.1 Indicators of evaluation on rural river ecological conditions

考虑某些指标量化计算繁琐、方法不一的问题，本文对该指标计算进行简化和说明。水系结构连通性指数反映河道与其他河、湖、库水系的连通情况，本文以河道与其他河道水体交汇流通的点的数量作为水系结构连通性指数。纵向连通性指数表示河道内人工闸站、坝梗等对河流水文物质输送过程的干扰程度，本文以河道上已建闸站、坝埂及其他阻水建筑物数量与河道长度之比作为纵向连通性指数。

1.2 评价等级与标准确定

考虑将农村河道生态状况分为优、良、中、差4个等级。“优”等级说明河道生态状况很好，河道功能完备、形态蜿蜒多样、环境适宜、生态系统完整多样、景观优美、管护到位、公众满意。“良”等级说明河道生态状况较好，河道功能满足沿线要求，但河道形态、河道环境、生态系统完整性、景观绿化及长效管护方面存在少量问题，公众基本满意。“中”等级说明河道生态状况一般，河道功能基本满足沿线要求，但河道形态、河道环境、生态系统完整性、景观绿化及长效管护方面存在一定问题，公众满意度不高。“差”等级说明河道状态状况较差，河道功能不全、形态单一平直、环境较差、生态系统不完整、管护缺失、公众满意度极低。通过参考《江苏省生态河湖状况评价规范》（DB/Z 3674-2019）、《辽宁省河湖（库）健康评价导则》（DB21/T 2724-2017）等国内外已有的相关评价标准、查阅相关文献［8，19］、实地调研、咨询专家等方式，确定优、良、中、差每个等级各指标的分级标准，见表2。

表2 农村河道生态状况评价指标分级标准Tab.2 Grading standards for evaluation indicators of rural river ecological conditions

2 农村河道生态状况评价模型建立

2.1 序关系分析-熵权集成赋权法

权重计算是综合评价的重要环节，对评价结果的有效性及可靠性至关重要。权重计算方法可分为主观赋权法、客观赋权法与组合赋权法。主观赋权法可体现决策者的需求与工作经验，但易受决策者认知偏差影响。客观赋权法可避免决策者认知偏差造成的影响，但对数据精度要求高，且有时会出现计算结果与实际情况大相径庭的现象。为避免单一赋权法的缺点，本文采用组合赋权法。序关系分析法（G1）是通过对指标进行重要性排序，从而构造具有一致性的判断矩阵，无需检验一致性，较层次分析法更简便，实用性强［20，21］。熵权法通过指标原始数据表达的信息度差异，计算指标的客观权重，具有强大的数学理论支撑，广泛用于管理决策、项目评价等领域［22］。因此，本文采用基于序关系分析-熵权的集成赋权法确定权重，计算步骤如下：

（1）Wj是第j个评价指标的综合权重，与分别表示基于序关系分析法得到的主观权重与基于熵权法得到的客观权重，则Wj可表示为：

式中：α为主观权重偏好占组合权重的比例。

（2）以集成权重分别与主、客观权重之间的偏差平方和最小为目标函数，即：

（3）将式（1）带入式（2）得：

（4）针对式（3），关于α求一阶导数，并使其为零，得到α=0.5，将其带入式（3）得：

2.2 模糊物元分析法

模糊物元分析法常用于解决模糊不相容问题，通过计算单指标关联度，进而得到多指标的综合评价结果。将模糊物元理论用于农村河道生态状况评价，可以得到单指标评价与综合评价的结果，具有明显的合理性。

2.2.1 构建模糊物元

物元分析中所描述的对象T、指标C及指标量值X构成了农村河道生态物元R=(T，C，X)。若指标量值X具有模糊性，则为模糊物元矩阵。若有m个对象，各对象有n个指标，则m个n维物元构成了n维复合物元Rmn：

式中：Ci为第i个指标；Mj为第j个事物；xij为第j个事物的第i个指标实测值。

2.2.2 确定经典域及节域

农村河道生态评价的经典域物元矩阵可表示为：

式中：Roij为经典域物元；Toj为农村河道生态状况的第j个评价等级；Ci为第i个指标；Xoij为i指标对应等级j的量值范围。

经典域复合物元模型可表示为：

农村河道生态评价的节域物元矩阵为：

式中：Rp为节域物元；Xpi是节域物元关于指标Ci的量值范围，即(api，bpi)。

2.2.3 确定关联函数及关联度

式中：K(Ci)j是第i项指标对应第j级的关联度。

式中：ρij(xi，Xoij)为点xi与对应指标区间Xoij=[aoij，boij]的距离；ρpi(xi，Xoij)为点xi与对应指标节域Xpi=[api，bpi]的距离。

2.2.4 计算综合关联度并确定评价等级

待评价对象Tq(q= 1，2，...，m)关于等级j的综合关联度为

式中：wi为各评价指标权重。

取Kjq= max[Kj(Tq)]，则待评价对象Tq属于第j等级。K值较大表明该评价对象在相应的等级中较稳定。K值较小说明该评价对象有向仅次于该等级K值的等级转化趋势。若K值在所有等级中均为负值，则表明评价对象等级在设定标准等级之外，并向最大K值对应等级转化。

3 实例分析

3.1 研究区域概况及数据来源

江苏省位于我国大陆东部沿海地区，地势西北高东南低，地貌主要由平原、水域、低山丘陵构成，是我国平均海拔最低的省份。《江苏省农村河道管护办法》将农村河道定义为县级河道和乡镇级河道，其中，县级河道指县域范围内跨乡镇的骨干河道，乡镇级河道指镇域范围内的跨村河道。江苏省农村河道以平原河道、平原河网为主，具有河床比降小、水面平缓等特点。为全面评价江苏省农村河道生态状况，本文从苏南、苏中、苏北地区各选取两条农村河道进行评价，分别为苏南的长沟河、三桥埂沟，苏中的茅雉河、高路河，苏北的龙须港和沿六河。

本文数据主要来源于实地调研以及各市水利局的农村河道生态状况调查资料（以2019年为基准年）。六条河流各定量指标根据公式计算，定性指标根据实地调研情况及专家意见进行量化，评价指标取值见表3。

表3 江苏省农村河道生态状况各评价指标值Tab.3 The evaluation index values of the ecological status of rural rivers in Jiangsu Province

3.2 计算指标权重

运用序关系法、熵权法分别计算各指标的主、客观权重，线性组合求得组合权重，各指标权重见表4。

表4 江苏省农村河道生态状况评价指标权重Tab.4 Evaluation indicator weights of ecological conditions of rural rivers in Jiangsu Province

3.3 模糊物元分析

将六条河流的各个指标值代入计算公式，利用MATLAB 求出各河道生态状况等级。以长沟河C7 指标为例，指标值为0.65，计算该指标对各等级的关联度分别为-0.222、0.4、-0.3、-0.533，等级为良。各河流河道生态状况评价见表5。

根据表5可知，苏南地区长沟河、三桥埂沟河道生态状况评价等级分别为优、良；苏中地区茅雉河、高路河河道生态状况评价等级为优、中；苏北地区龙须港、沿六河河道生态状况评价等级为优、差。评价结果与实际情况一致，表明本文构建的农村河道生态状况评价指标体系及评价模型具有一定的可靠性。

表5 江苏省农村河道生态状况综合评价等级Tab.5 Comprehensive evaluation grades of ecological status of rural rivers in Jiangsu Province

总体来看，江苏省农村河道生态状况良好，但仍有部分农村河道生态状况不乐观，需要进行生态治理。江苏省农村河道普遍存在水质不佳的问题，六条河道水质指标值为3～6，等级较低，目前，农村河道水质污染主要来源于生活污水与畜禽养殖业污水。从区域差异性来看，苏南地区农村河道生态状况较苏中、苏北地区良好。苏南地区经济繁荣，地方财政充裕，因此在河道生态治理方面投入资金较多。根据各地水利局的农村河道生态状况调查表，苏南各地农村河道已基本实现截污纳管，而苏中、苏北地区农村河道依旧存在较多工业企业及养殖业污水直排的现象。

从单条河流角度来看，长沟河、茅雉河及龙须港均在2019年前进行过生态治理，因此河道生态状况较好。三桥埂沟河道功能及管护方面指标得分较高，但纵向连通性指数指标为6.52，说明河道平均每公里有超过6 个阻水建筑物，水流受干扰严重，对河道改善生态及发挥功能有不利影响。高路河河道环境及河道管护方面指标，等级大多为差，应及时采取截污纳管、生态拦截、建立专业管护队伍等措施，改善河道环境及管护水平。此外，高路河水体流动性指标值仅0.3，在实地调研过程中，发现高路河有5、6处小涵洞，水流不畅且淤积严重。沿六河属于黑臭河，多数指标等级为差，河道环境方面，指标均为差，水体透明度仅10 cm，亟需采取污染控制及生态恢复措施；河道生态方面，水生动物多样性指标值为0.1，可适当投放鱼苗；河道管护方面，岸坡整洁情况、河面清洁情况、河道侵占整治指数均为差，当地水行政主管部门应健全河道管护体系，建立专业的管护团队，保证有足够的管护资金投入。

4 结语

本文通过构建农村河道生态状况评价指标体系、建立综合评价模型，对江苏省农村河道生态状况进行评价，得到以下结论。

（1）总结已有的研究成果，结合农村河道的特点，构建由河道功能、河道形态、河道环境、河道生态与景观、河道管护和综合评判组成的农村河道生态状况评价指标体系，该体系共有25个二级指标。

（2）建立基于集成赋权的模糊物元评价模型，运用序关系分析法和熵权法分别确定各指标主客观权重，采用模糊物元法对江苏省农村河道生态状况进行评价。结果表明，江苏省农村河道生态状况总体良好，但部分农村河道生态状况较差，亟需进行河道生态治理；江苏省农村河道生态状况南北差异较明显，苏南地区明显优于苏中、苏北地区。

（3）本文建立的模糊物元评价模型，应用于江苏省农村河道生态状况评价，其评价结果与实际情况一致，表明评价模型具有一定的合理性和普适性。且模型评价过程较为简便，因此，该评价模型也可用于其他地区的农村河道生态状况评价，为农村河道的生态治理提供理论依据。□