基于Topsis模型的黄河流域（沁蟒河段）土壤环境质量评价研究

于 超

（中化地质矿山总局河南地质局，河南郑州 450002）

随着科学技术的快速发展以及社会经济的迅猛增长，使得人类面临的社会问题及生态环境问题日益突出，经济发展与生态环境保护的矛盾逐渐凸显在人们面前。因此，坚持生态可持续发展是世界各国共同面临的严峻挑战[1]。沁蟒河流域位于河南省南太行山水林田湖草生态区西南部，地处河南省黄河高质量发展规划区，沁蟒河流域可持续发展的根本在于生态环境的保护，该流域土壤环境质量是沁蟒河流域健康可持续的重要构成部分，是沁蟒河流域综合发展与发展前景的重要影响因素。鉴于此，本文拟建立沁蟒河流域土壤环境质量体系，进一步评价该区域的土壤环境问题，为社会经济发展政策的制定提供了重要依据，有益于保证流域土壤环境系统的正常社会服务功能，一定程度上促进了流域社会经济环境整体协调可持续发展。

1 土壤环境质量评价理论

1.1 基本概念

土壤主要指的是地球陆地上能够生长植物的疏松表层，是固相、气相和液相三种相态组成的自然体，如土壤矿物、土壤有机物、土壤生物、土壤空气和土壤水等。土壤生态系统就是三种相态之间的转换，也是土壤生物与非生物之间的能量转换和物质循环。土壤环境质量就是土壤生态系统中的主要组成物、结构以及功能等所处的状态，能够反映出土壤的容纳、吸收和降解物质的能力[2]。因此，土壤环境质量主要取决于土壤在形成过程中内部各种特征的相互作用和土地的利用方式。土壤环境质量评价主要指的是根据目的和要求，按照一定的原则和方法对一定范围内的土壤环境质量进行综合分级，做出半定量和定量评价，如污染程度等。

1.2 评价指标权重的确定方法

指标权重方法是一种最为常见的评价方法，该方法中的权重大小对评价结果的影响程度存在差异，将这种影响程度差异的计算过程称为赋权。即将不同的评价指标按照一定的计算过程赋权，通过一定的计算方案获得最终各个评价因子的权重，进而对所获得各个评价因子的权重进行汇总，得出该评价方案各个因子的权重总和。指标权重方法是一种常用的评价方法，权重的赋值方法也较多，根据赋值方法的差异大致可分为客观赋权法、主观赋权法和组合赋权法三种类型。不同的赋权方法所使用的场合存在一定的差异，多以根据赋权数据来源为主，如主观赋权法一般与赋权人的专业知识储备以及主观经验密切相关，客观赋权法一般主要依据客观的数据，前者的主观性比较大，一般由行业领域的专家、抽调问卷等方式实现；后者以客观数据为主，但需要的数据量较为庞大。无论是主观赋权法还是客观赋权法，其赋权难度均较大，为便于本次研究，本文选择较为常用的熵权法和变异系数法，二者均属于客观赋权法中的一种类型。

1.3 熵权法

熵权法主要依靠指标变异程度来赋予客观权重。通常而言，信息熵越小说明指标值的变异程度越大，权重更大，所反映的信息量更丰富，对实际工作的指导性越强。反之如果指标信息熵较大，则说明指标值的变异程度较小，所反映的信息量就更少，权重也更小。根据现阶段已有的各种信息论的原理等，比较普遍的认识是有效信息量与信息熵之间存在正相关关系，按照现阶段已有的各种信息论中的基本原理，认为评价指标所包含的有效信息量和信息熵的大小之间存在正相关关系，如果评价指标的信息熵的值越大，则表明该指标所对应的评估对象的差异性就越明显，同时也反映了该评价指标对评价结果的贡献率也就越大，其所代表的权重值也相应的越高；反之，若所选择的评价指标的信息熵越小，则说明该评价指标所代表的权重值也就越低，即该评价指标对评价对象的敏感性也就越差[3]。根据前人大量的研究资料表明，熵权法能够有效地消除评价过程中的人为因素，即该方法更能够直观地反映出评价对象的真实现状。为得到科学、严谨、合理的权重系数，故采用熵权法确定权重系数。

1.4 “时间度”权重确定法

土壤环境的变化是处于动态变化中的，故以时间为基本评价指标才能更加有效地评价土壤环境的动态变化规律。因此，“时间度”权重在土壤环境动态评价中至关重要。“时间度”权重主要指的是在不同时间段内土壤环境质量的各个静态结果。因此，当“时间度”接近0时，说明评价指标过程中时间的变化更加重要，也就是评价者对近期所获得数据更加重视；当“时间度”接近于1时，说明评价者更加重视距离评价时间更远的数据；当“时间度”权值为0.5 时，说明评价者对各个时间段的数据同样重视[2]。

2 Topsis模型

Topsis 模型最初是由K.Yoon 和C.L.Hwang 于1981年提出的一种优劣比较方法，也是现代最为常用的综合评价方法之一。Topsis 模型中确定正理想解和负理想解的两个概念。其中，正理想解主要反映的是评估对象能够达到的最好的状态值，即评价指标的各个状态均达到了最优值；反之，负理想解主要指的是评估对象能够达到的最劣的状态值，即评价指标的各个状态均达到了最劣值。综上所述，Topsis模型在综合评价过程中将评估对象按照最优理想解和最劣理想解进行对比分析，进而按照欧氏距离、相对贴近度等数据进行数据评估。其中，相对贴近度主要指的是评价方案与正理想解和负理想解之间的贴近度，若某一评价方案与最优正理想解更加贴近，则表明该方案与负理想解距离越远，也说明该评价方案是最好的方案。同时，欧氏距离测量评价与相对贴近度基本一致，即通过距离进行各个评价方案的排序，若欧氏距离距离正理想解越近，则说明该评价方案更优，反之则为最劣方案。

熵权-Topsis 模型是结合了熵权赋值与Topsis 模型的一种综合评价方法，该方法在土壤环境质量综合评价中取得了良好的应用效果，主要表现在以下几方面：①熵权赋值方法是一种典型的客观赋权法，该方法具有计算方法简便、计算结果可靠的优势；②Topsis 模型中的正理想解和负理想解赋值，与欧氏距离、相对贴近度等相比，更加直观地表达了评价方案的优劣；③Topsis模型在不同领域的实用性较强，该模型对评价体系、目标以及整体或者局部等没有明显的限制，具有较广的使用环境；④Topsis 模型可实现多个层次体系的评价，也可以有效解决单层次评价方案的评价过程。

在现阶段常用的Topsis 模型中，一般是计算出评价指标正理想解和负理想解的欧氏距离，进而根据上述两个理想解的欧式距离值对比分析。若某一个评价指标的欧式距离更加接近正理想解时，则说明该方案是最优的；反之，若该评价指标的欧式距离更接近负理想解而远离正理想解时，则说明该评价方案是最劣方案。为客观评价黄河流域（沁蟒河段）土壤环境质量，本文采用Topsis 模型，计算出正理想解和负理想解，进而评价其方案的优劣。

在Topsis 模型中，比较评价对象与正理想解、负理想解的欧式距离，如果评价对象最远离负理想解，最接近正理想解则是最优方案，反之，若最接近负理想解，最远离正理想解，则是最劣方案。Topsis 模型使用正、负理想解作为中介，实现各个评价指标的相互比较。

3 基于Topsis模型的黄河流域（沁蟒河段）土壤环境质量评价应用

3.1 熵值法确定权重

本文选取了研究区内2010～2021 年的土壤数据为样本，对研究区内的土壤环境质量进行研究分析。为了使得研究数据更加可靠，本文所使用的数据均采用来自《中国环境统计年鉴》、中国土壤数据库、EPS数据平台以及河南省的统计年鉴中公布的数据。同时，为了便于权重等赋值，将所获取的数据均进行了无量纲化处理。此外，由于本文所收集到的数据以2015 年最为齐全，且更加靠近评价阶段年份，故本文采用2015年的数据进行权重计算并赋值。土壤环境质量综合评价指标体系的权重确定如表1所示。

表1 土壤环境质量指标体系

3.2 土壤环境质量动态评价的权重确定

土壤环境质量是动态变化的，故对土壤环境质量进行动态评价是有必要的。但是，考虑到研究区不同年份的数据对评价结果的影响程度存在差异，故本文采用“时间度”的赋值方法处理本次收集到的各个年份的数据，即按照时间的变化规律对时间因子进行赋权。一般来说，对于“时间度”赋值来说，越接近评价时间点的数据的权重越高，对评价结果的影响也越明显；反之，越是远离评价时间节点的数据，所代表的的权重也就越低，即对评价结果的影响也就越小。通过计算β=（0.1,0.3,0.5），其中β=0.3 时结果最为理想，此时，2010～2021年的时间权重确定如表2所示。

表2 2010～2021年的时间权重

3.3 土壤环境质量的理想解

理想解分为正理想解与负理想解，正理想解为各个指标中可能出现的最优情形，负理想解为可能出现的最坏情形。在本次在土壤环境质量的综合评价中，正、负理想解确定如表3所示。

表3 土壤环境质量的正理想解和负理想解

3.4 计算欧式距离与相对贴近度

2015 年的土壤环境质量指标与正、负理想解的欧式距离、相对贴近度如表4所示（由于该表数据较多，故文章中仅表达2015年土壤环境质量数据的欧式距离与相对贴近度）。

3.5 土壤环境质量静态评价结果

本文中主要考察2010～2021 年研究区内的土壤环境质量情况，Topsis 模型下，2010～2021 年的土壤环境质量的相对贴近度。根据表5的静态综合评价，得出分析结果：在2010～2021 年期间，研究区土壤环境质量排名保持了一定的稳定性，这表明研究区内的土壤环境质量发展具有相对一致性。

表5 2010～2021年土壤环境质量相对贴近度

如果不考虑时间权重的影响，济源市中东部在“时间度”范围内的土壤环境质量综合排名具有优势，其次为沁阳市，武陟县垫底。考虑到时间权重的影响（时间距离越远，影响程度越小），虽然济源市中东部的土壤环境质量在2010～2021 年表现最优。但是综合计算后研究区的历年土壤环境质量排序依次是沁阳市、济源市中东部、温县、孟州、武陟县北部。

3.6 土壤环境质量的静态结果分析

2010～2021 年是我国经济高速发展的12 年，我国社会、经济各个方面经历了翻天覆地的变化，土壤是社会、经济发展的沃土，在此期间，研究区内的土壤环境质量也同样处于发展、变化中。研究区域内整体土壤环境质量贴近度变化不大，整体上看沁阳市、温县呈上升趋势，济源市中东部、孟州市、武陟县北部呈下降趋势。沁阳市、温县相对研究区内其他地区来说，气候更加稳定，土壤资源更加丰富，耕地资源的总量大，潜力大，随着我国的高标准农田及“蓝天、绿水、净土”政策的实施，土地资源得到了进一步开发利用，因此其土壤质量呈现上升趋势。对济源市中东部、孟州、武陟县北部，首先是这些区域内人口密度大，环境所承受的压力相对较大，其次该区域工业化程度较高，受政策影响也较大，自然环境是一个相互影响的整体，因此，这也导致了土壤质量呈现下降趋势。

3.7 土壤环境质量的动态评价

在确定时间权重向量时，在以往文献中，绝大多数都认为，近期数据重要程度要高于远期的数据，本文采用2010～2021 年这12 年的数据，通过对β=（0.1,0.3,0.5）所得到的评价结果可知，当β=0.3 时，所得结果最为合理。此时，2010～2021 年的时间权重分别为：λ=（0.0053，0.0071，0.0116，0.0151，0.0202，0.0347，0.0406，0.1013，0.1142，0.1721，0.2104，0.2674）。2010～2021 年研究区内土壤环境质量动态评价结果见表6。

表6 土壤环境质量动态贴近度

通过上述动态分析结果可知：研究区2010～2021年土壤质量环境总体上较好，且以济源市中东部、沁阳市的综合得分最高，说明上述两个地方的土壤环境质量更优；武陟县北部的得分最低，说明该地区的土壤环境质量更劣。结合各个评价区域其它因素，济源市中东部、沁阳市具有良好的自然环境条件，也是研究区周边最为发达的地区，尤其以农业机械化最为发达，故土地的产出率指标也较为突出，故济源市中东部、沁阳市的排名更加靠前。此外，孟州市、温县的土壤较济源市中东部、沁阳市肥沃，该区域的农业资源也较丰富，但机械化相对落后，故排名也相对较前。

4 结论

（1）根据本文的研究成果可知，土壤环境质量评价中土体环境因子是至关重要的，权重值也较高，可达0.89；自然环境因子的权重次之，为0.0574。同时，根据本文的研究成果可知，土壤中全钾含量与全氮含量高的数据，所占有的权重也就越高，这与土壤质量与钾、氮含量相关的结论相吻合，说明本文所采用评价因子的权重是合理的。

（2）在Topsis 模型下，研究区内土壤环境质量排名依次为沁阳市、济源市中东部、孟州、温县、武陟县北部。

（3）在研究区内土壤环境质量评价分析中，可以发现2001～2021 年期间，研究区内的土壤环境质量基本没有大幅变动，这表明研究区内的土壤环境质量变化较弱。同时，在研究期间土壤环境质量的各指数呈现出上升的趋势，表明在研究区经济快速发展的同时，土壤环境质量也有显著的提高。