改進集對模型在遼河流域生態健康評價中的應用研究

曹 虎

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

流域生態健康評價是由生態健康基本理論和內涵發展而來的，其概念是指由自然、經濟和社會組成的復合生態系統并具有顯著的空間差異性和復雜行[1]。其健康等級標準和影響因素在評價流域健康程度時同樣表現出多層次的動態特性。基于組合熵權的改進集對模型可對生態系統的各影響因素貢獻率進行綜合分析，并通過提取數據資料所包含的有效信息可準確反應各影響因素對流域健康狀態影響大小；對樣本與評價等級的接近程度可利用聯系度的可展性從優、劣兩個方面進行準確描述，據此可對指標所屬評價等級進行準確表征并得到更加合理的評價結果[2]。將流域生態環境按照評價結果進行分析并針對有關問題給出合理化建議和指導，對于生態環境建設以及可持續發展管理具有重要意義[3]。

1 生態健康評價研究現狀

在20世紀80年代初生態系統健康概念被首次提出，之后河流生態系統恢復逐漸成為河流管理的重點和主要方向。生態系統健康內涵是由Rapport于1989年首次提出的，并對人類可持續發展與生態環境之間的關系做了相關論述和研究[4]；Ladson于1999年通過對溪流狀態指數進行分析建立了指標體系，并對參照項羽各評價指標進行了對比評價[5]。PeterRose于2008年對干旱區河流的健康程度利用底棲動物群落特征進行了評價分析[6]；PintoH于2014年基于景觀程度和娛樂活動等指標提出了城市景觀河流評價方法[7]；Oeding于2015年對亞熱帶生態河流中的硅藻進行分析，并認為硅藻為該流域的主要評價指標[8]。

我國主要是對流域水質狀態進行評價，而對流域生態健康的研究相對較少并處于初步階段。近年來，我國眾多學者分別對生態系統評價指標和理論方法進行了研究和分析，并取得了一定成果形成了相應的理論方法，如吳阿娜等[9]通過選取和暗袋、水文特征、理化參數等指標評價了河流生態健康；張晶等[1]基于集水面積、區域特征、河源距離等空間因子提出了兩級水生態區劃判定方法并建立了一級分區評價指標體系；鄧曉軍等[11]以漓江市區段河流為例在建立了評價指標和標準的基礎上采用模糊綜合評價模型評價了該河流生態健康；封光寅等[12]以漢江中下游為例對其流量影響因素和變異過程進行了詳細分析，定量的分析了該區域河流健康與流量過程變異之間的相互關系。

2 流域概況

遼河流域位于我國東北地區西南部，屬于溫帶、寒溫帶大陸性季風氣候，冬冷干燥漫長，夏季多雨炎熱，流經量在空間分布上極不均衡，其中西部徑流面積較大約占總徑流量的75%。流域內工業發展充分、畜牧業和農林業發展迅速，不僅是我國東北地區糧食生產基地而且位于工業發展中心的核心位置。流域面積約21.9萬km2，主要支流有老哈河、大遼河、渾河、太子河等，小河流支流眾多且多以蜿蜒曲折狀分布；冰雪融水以及大氣降水為徑流主要補給來源，年平均氣溫8.6℃且晝夜溫差較大，多年平均降水量約為620mm，主要集中在6—8月。年際蒸發量較大且在不同區域存在較大差異，東部區域蒸發量較大且降雨徑流量較低，而西部區域降水徑流量大且蒸發量相對較低，該區域水資源開采潛力較大。

3 改進集對分析模型

3.1 評價指標體系和評價標準的構建

遼河流域各支流縱橫交錯且區域特征存在較大差異，河流健康評價標準體系和指標缺乏可靠的依據和指導理論，然而各指標的選取應符合可持續性、定量性、可操作性以及主導性等基本原則，其中水資源的開發和利用應以生態健康內涵為依據實現可持續性科學開發；評價指標具有較強的可對比性和易獲取性，各指標的分析計算應盡可能的簡便；指標的選取應滿足綜合性強和有效信息量大的特征；各指標在遵循上述基本原則的基礎上還應參考相似流域的研究成果并借鑒有關專家的經驗、知識等進行選取。本文通過借鑒內陸河以及長江、黃河等流域相關研究成果，在實地考察的基礎上結合指標選取基本原則篩選出了典型的評價指標，并構建了評價指標體系。結合相關文獻資料以及生態健康評價等級有關研究成果將遼河流域生態健康評價等級劃分為瀕于崩潰、病態、亞健康、基本健康和健康5個等級。評價指標體系和各等級標準見表1。

表1 遼河流域生態健康評價指標體系及等級標準

3.2 建立改進集對分析模型

將μT:X的表達式利用聯系度延展性進行拓展，其表達式可轉化為：

μT:X=a+bI+cJ=a+(b1i1+b2i2)

+(c1j1+c2j2)

(1)

a+b1+b2+c1+c2=1

式中，b1、b2—差異度分量；c1、c2—對立度分量。

評價模型一級聯系度計算公式如下：

(2)

本文以遼河流域為例，為了保證各評價指標評價結果一致性規律特征可將越大越優型指標進行倒數轉換并形成越小越優型指標，利用上述相關公式可得到各指標聯系度系數和遼河流域上、中、下游聯系度矩陣μ1、μ2、μ3計算。

4 指標權重的確定

本研究采用熵值法和層次分析法對評價指標權重進行組合權重計算，即對指標主觀權重利用層次分析法進行確定并做一致性檢驗；對指標客觀權重利用熵值法進行計算確定并得到兩種賦權法權重系數，取二者的幾何平均值即作為各評價指標的最終權重。

4.1 層次分析法確定主觀權重

結合遼河流域生態健康實際狀況可將評價系統劃分為指標層、準則層和目標層3個層次等級。根據專家意見并采用1～9比較尺度法構造判斷矩陣并進行體系中各元素相對于上一層元素的對比判斷，以目標層與準則層元素之間的對比判斷為例構建A～B判斷矩陣，見表2。

表2 A～B判斷矩陣

以A～B矩陣為例對各指標權重系數利用求和法進行計算，具體過程如下：

利用上述計算結果和方法可對B～C矩陣的最大特征根以及特征向量進行求解，各指標權重計算結果見表3。

表3 遼河流域生態健康評價指標權重計算值

表4 判斷矩陣隨機一致性檢驗結果

4.2 熵值法確定客觀權重

4.3 主客觀組合權重

5 改進集對分析模糊綜合評價

利用組合權重W和聯系度μ計算結果可對遼河流域上游綜合聯系度矩陣A進行計算。引入shi(A)=a/c作為集對勢，若集對勢值大于1則代表集合存在同一趨勢；集對勢值小于于1則代表集對反勢；若值為若1則代表集合對均勢；若a>c>b則代表集合為強同勢；若a>b>c則代表集合為弱同勢；若b>a>c則代表集合為微同勢；若b值為0則代表集合為準同勢。對遼河流域上游生態

表5 遼河流域生態健康各評價指標權重及熵值計算結果

健康評價等級5個集對勢分別計算，u1～u5結果分別為4.416、10.881、8.325、4.162、2.517，經歸一化處理可知，遼河流域生態由生態健康到瀕于崩潰的概率分布為14.58%、35.91%、27.47%、13.74%、8.31%，據此可判定為該流域上游生態處于基本健康標準等級，同理可對其中、下游區域的生態健康進行評價，結果見表6。由表6可知，該流域上、中、下游生態健康分別基本健康、亞健康和病態等級水平。

表6 遼河流域生態健康評價結果

結合上述評價分析結果和人類活動、自然條件等因素對遼河流域生態環境的作用影響，該流域生態處于較脆弱水平，其原因主要和該流域水資源緊缺、蒸散發量大以及降雨量少等因素相關，并且該區域對水資源的開發利用程度較高且用水結構較低，水效率系數處于較低水平；中下游區域的水質較差，工業發展以及農業灌溉發展等。

6 結語

本文在詳細分析了層次分析和組合熵權法理論的基礎上以遼河流域為例進行生態健康綜合評價，該方法具有評價結果可靠準確、方法原理簡單等特征。對同、異、反特征利用集對分析中聯系度的可展性進行改進并建立評價模型。將熵值法與層次分析法利用組合賦權理論進行有效結合并以此避免了單一權重法的片面行，據此不僅充分體現了數據資料所包含的有效信息而且能夠最大限度地反映評價者的主觀判斷，進而提高了評價結果與實際狀況的貼近程度。實例研究表明：遼河流域上、中、下游生態健康分別基本健康、亞健康和病態等級水平；原因主要和該流域水資源緊缺、蒸散發量大以及降雨量少等因素相關，并且該區域對水資源的開發利用程度較高且用水結構較低，水效率系數處于較低水平；中下游區域的水質較差，工業發展以及農業灌溉發展等。