基于模糊層次分析法的河流景觀需水量評價指標(biāo)體系的建立

欒 麗，楊玖賢，譚 平，張玉杉，李 雪

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072)

1 研究背景及進展

1.1 研究背景及研究意義

河流是人類文明的發(fā)祥地，為人類活動提供了豐富的飲用水、工業(yè)用水和灌溉用水水源，同時也是大量動植物、微生物的棲息生境和遷徙走廊。河流生態(tài)系統(tǒng)是地球上具有獨特魅力的。隨著社會的進步，人類精神文化需求的不斷發(fā)展，河流作為一項重要的景觀資源也越來越為人們所重視，同時又是受人類活動干擾最強烈的。而河流要保持其美學(xué)特征，必須在河道中存有足夠的水量。引水式電站修建后，河道流量大幅下降，對河流景觀特征改變較大。

引水式電站修建后河道將形成減、脫水河段，原河流水文情勢和水域形態(tài)將發(fā)生根本性的改變，研究引水式電站的景觀需水量對維護河流正常的生態(tài)功能至關(guān)重要。景觀生態(tài)環(huán)境需水量是維持河流與其水文周邊景觀生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的完整性不受破壞所需的水量。它包括了兩層含義：一是維持河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)完整性的需水量；二是維持河道和周邊環(huán)境組成的景觀優(yōu)美的需水量。它屬于生態(tài)環(huán)境需水概念范疇，但又有別于一般意義上的生態(tài)環(huán)境需水。與生態(tài)環(huán)境需水一樣，景觀生態(tài)環(huán)境需水具有生態(tài)、環(huán)境和自然屬性，如時空特征的動態(tài)變量，與水資源及分布特性、人類文明進步和生態(tài)環(huán)境保護的目標(biāo)有關(guān)。在開發(fā)利用河流水能資源的同時，必須兼顧考慮河流的景觀資源利用，達到一個和諧的平衡。

由于目前對河流景觀與河流流量之間的關(guān)系還缺乏定量的研究，本研究借鑒自然風(fēng)景評價的思路，從河流景觀的自身美學(xué)質(zhì)量和景觀敏感度兩方面來進行研究，建立了各自的評價指標(biāo)。河流自身的美學(xué)質(zhì)量評價指標(biāo)中采用了大量的河流水文參數(shù)，以使河流景觀質(zhì)量和河流流量建立起聯(lián)系。

1.2 國內(nèi)外研究進展

生態(tài)需水量計算方法的研究取得了一定的進展,但生態(tài)需水量研究還缺乏統(tǒng)一的概念和理論,對計算方法的研究也不夠深入和完善,基本停留在定性分析與宏觀定量階段。另外，由于水和生態(tài)的關(guān)系非常復(fù)雜,生態(tài)需水研究尚處在初級階段,理論研究處在探索之中,計算方法還不能全面真實地反映實際情況,計算結(jié)果可能存在較大風(fēng)險，加之生態(tài)需水與氣候、水文、地理、地質(zhì)、社會經(jīng)濟等密切相關(guān),因此一些源自國外的生態(tài)需水量計算方法不一定適合中國的情況。在使用這些方法時,一是要弄清它的適用條件,二是要研究出適合我國的計算方法,三是要拓展生態(tài)需水量的應(yīng)用性研究。從目前已有的計算方法來看,還沒有一種比較通用的能量化所有參數(shù)并反映各參數(shù)之間相互影響的估算生態(tài)需水量的方法。筆者認為:在生態(tài)水利工程建設(shè)與河流生態(tài)修復(fù)的前提下,以生態(tài)流速和生態(tài)水力半徑等概念為基礎(chǔ)提出的生態(tài)水力半徑法,能為保持河流生態(tài)系統(tǒng)的正常功能提供理論支持。本方法的創(chuàng)新之處在于,針對河流生態(tài)需水特點及其參數(shù)要求,提出了一種同時考慮河道本身信息(水力半徑)和生態(tài)所需的流速(生態(tài)流速)來估算生態(tài)需水量的方法。

2 模糊層次法的基本原理

2.1 模糊層次分析法(FAHP)簡介

層次分析法(AHP)是美國在20世紀70年代出現(xiàn)的一種定性分析和定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法，其特點是將人的主觀判斷過程數(shù)學(xué)化、思維化，以便使決策依據(jù)易于被人接受，因此，更能適合復(fù)雜的社會科學(xué)領(lǐng)域的情況。模糊層次分析法的基本思想和步驟與AHP的步驟基本一致，但仍有以下兩方面的不同點[1]：(1)建立的判斷矩陣不同；(2)求矩陣中各元素的相對重要性的權(quán)重的方法不同。

2.2 模糊一致矩陣相關(guān)理論

模糊層次分析法的關(guān)鍵是建立起模糊一致矩陣。模糊一致矩陣相關(guān)的幾個基本概念和相關(guān)定理如下[2]：

基本概念：

定義1：設(shè)矩陣R=(rij)n×n，若滿足: 0≤rij≤1，(i=1，2 ，…，n；j=1,2,…,n) ， 則稱R是模糊矩陣。

定義2：若模糊矩陣R=(rij)n×n滿足：rij+rji=1, (i=1,2 ，…，n;j=1，2 ,…，n) ，則稱模糊矩陣R是模糊互補矩陣。

定義3：若模糊互補矩陣R=(rij)n×n滿足：Vi，j,k,rij=rik-rjk+0.5，則稱模糊矩陣R是模糊一致矩陣。

相關(guān)定理：

2.3 模糊層次分析法進行決策的一般步驟

(1)建立決策問題的層次遞階結(jié)構(gòu)模型。第一層為目標(biāo)層，第二層為準(zhǔn)則層，是評價的主指標(biāo)體系；第三層為子指標(biāo)層，是對第二層指標(biāo)的細化；第四層為方案層。

(2)構(gòu)造決策問題的模糊一致判斷矩陣。假設(shè)某一層的元素A同下層次中的元素B1，B2，…，Bn有聯(lián)系，則根據(jù)它們兩兩比較重要程度構(gòu)造模糊一致判斷矩陣。

(4)層次總排序。在層次單排序的基礎(chǔ)上，求出各方案的優(yōu)劣程度系數(shù)，得出各方案的優(yōu)劣評價數(shù)，選擇優(yōu)化方案。

3 利用FAHP進行河流景觀總體評定的步驟

3.1 河流景觀評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

3.1.1 河流景觀評價指標(biāo)體系構(gòu)建原則

為了使所建立的評價指標(biāo)體系能夠綜合反映河流景觀評價的各個方面, 在評價指標(biāo)體系構(gòu)建過程中就需要遵循一定的基本原則。一般而言, 河流景觀評價指標(biāo)體系構(gòu)建時必須遵循以下基本原則:

(1)科學(xué)性原則。指標(biāo)體系建立在科學(xué)基礎(chǔ)上, 指標(biāo)概念明確, 并且有一定的科學(xué)內(nèi)涵, 能夠反映河流景觀評價的內(nèi)容。

(2)系統(tǒng)性原則。將河流景觀作為一個獨立的整體, 置身于周圍的自然景觀或人工景觀系統(tǒng)之中, 并從這個大系統(tǒng)中研究河流景觀評價問題。不能孤立地研究河流景觀的指標(biāo), 而應(yīng)通過所設(shè)計的指標(biāo)體系, 系統(tǒng)地反映現(xiàn)象中的內(nèi)在本質(zhì)。

(3)動態(tài)性原則。河流景觀與自然景觀和人工景觀的協(xié)調(diào)、適應(yīng),既是一個目標(biāo), 又是一個過程, 在一定時期應(yīng)保持相對的穩(wěn)定性, 這就決定了指標(biāo)體系應(yīng)具有動態(tài)性。

(4)定性指標(biāo)與定量指標(biāo)相結(jié)合的原則。河流景觀評價指標(biāo)體系應(yīng)盡可能量化, 但對于一些意義重大卻又難于量化的指標(biāo), 也可用定性指標(biāo)來描述。

3.1.2 河流景觀評價指標(biāo)體系構(gòu)建框架

河流的視覺景觀形象、河岸的環(huán)境生態(tài)綠化、河流功能行使上的大眾行為心理構(gòu)成了河流景觀的三元, 是進行河流景觀分析評價的依據(jù)。河流的視覺景觀形象與美學(xué)有關(guān), 環(huán)境生態(tài)綠化與環(huán)境有關(guān), 大眾行為心理與功能有關(guān)。因此, 對于河流景觀評價指標(biāo)體系的研究可以從環(huán)境、功能、美學(xué)三方面入手。

3.1.2.1 河流景觀環(huán)境分析評價指標(biāo)體系

河流景觀環(huán)境分析評價應(yīng)以自然和生態(tài)原則為基本依據(jù), 將電站建設(shè)項目本身及影響區(qū)內(nèi)自然的、生態(tài)的、人文的、社會的綜合體作為特定結(jié)構(gòu)功能和動態(tài)特征的宏觀系統(tǒng)來研究。這種環(huán)境分析評價可從電站建設(shè)對地形、地貌的影響，對生態(tài)環(huán)境的影響和對自然景觀的影響三方面來考慮, 具體評價指標(biāo)見圖1。

3.1.2.2 河流景觀功能分析評價指標(biāo)體系

河流景觀功能分析評價可從河流景觀綠化功能和河流景觀服務(wù)功能二方面來進行, 具體評價指標(biāo)見圖2。

3.1.2.3 河流景觀美學(xué)分析評價指標(biāo)體系

河流景觀美學(xué)分析評價可從公路與沿線景觀的協(xié)調(diào)、公路綠化視覺效果、沿線附屬工程的視覺效果三方面來進行, 具體評價指標(biāo)見圖3。

圖1 河流景觀環(huán)境分析評價指標(biāo)體系

圖2 河流景觀功能分析評價指標(biāo)體系

圖3 河流景觀美學(xué)分析評價指標(biāo)體系

3.2 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

在上文分析的基礎(chǔ)上，建立了河流景觀評價的遞階層次模型(見圖4)。該階梯層次由4層組成：最高層(總目標(biāo)層)為河流景觀評價體系A(chǔ)；準(zhǔn)則層1(分目標(biāo)層)由河流景觀環(huán)境評價B1、河流景觀功能評價B2和河流景觀美學(xué)評價B3三大類組成；子準(zhǔn)則層2(評價內(nèi)容)包括8項評價內(nèi)容；指標(biāo)層(評價指標(biāo))包括30個具體指標(biāo)。4個層次分別用A、B、C、D表示，各層次內(nèi)組成因素分別用B1～B3、C1～C8、D1～D30表示。

圖4 河流景觀評價的遞階層次模型

4 結(jié) 語

本文以景觀三元論為基礎(chǔ)，結(jié)合引水式電站自身的特點，從環(huán)境、功能、美學(xué)三方面選取了河流的景觀評價指標(biāo)體系，并選用了基于AHP的多級模糊綜合評價方法建立了河流景觀需水量評價和計算的指標(biāo)體系，為合理確定電站下泄生態(tài)流量奠定了基礎(chǔ)。同時，該模型可以推廣到其他河流景觀需水量的研究上。

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