基于綜合集成賦權物元模型的健康綜合評價

呂錄娜，馬 俊，王攀科

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 45003)

隨著城市化步伐的加快，人類活動對河流造成多種負面影響，使城市河流的健康遭到破壞。因此，國內外紛紛開展河流生態修復工程，但是河流現狀健康狀況、城市河流修復措施對于河流健康的作用，尚未有統一的評價體系。

探討城市河流有效的生態系統評價指標體系以及評價方法，是正確進行城市河流生態系統功能現狀的診斷評價及其未來的預測和管理的需要[1]。

本文基于綜合集成賦權和物元理論構建了城市河流健康綜合評價模型，并對許昌市飲馬河綜合治理前后河流健康進行了定量評價。

1 研究區概況

許昌的城區水系可用“五湖四海畔三川，兩環一水潤連城”來概括，飲馬河就是“三川”之一，但由于各種原因，治理前河道景觀單一、水質較差、河流生態功能受損、部分河段常年無水、水系不連通。2013年許昌市被列入全國45個水生態文明建設試點城市之一。根據許昌市總體規劃，飲馬河在許昌市整體景觀結構中具有重要地位。為實現“河暢、湖清、水凈、岸綠、景美”的建設目標，許昌市對飲馬河進行了綜合治理。綜合治理工程從清潩河關莊閘引水處至省道S220，治理長度8.577km。

本文構建城市河流健康評價模型，分別對飲馬河治理前后進行河流健康綜合評價和分析。

2 構建飲馬河健康評價模型

2.1 健康評價指標體系

城市河流多指發源于城區或流經城區的河流或河流段[2]，是一個由河流自然生態子系統、社會經濟子系統和景觀環境子系統組成的復雜系統[3]。

河流處于生態健康狀態，指河流生態系統不僅能保持化學、生物及物理上的完整性，而且能維持其對人類社會提供的各種服務功能，健康的河流其社會功能與自然功能是平衡的[4]。

為科學全面建立飲馬河健康評價指標體系，通過頻率統計法統計大量相關研究結果，并結合城市河流的獨有特點，用Delphi法增加城市河流的特有指標，最后采用層次分析法(AHP)分層，最終構建城市河流健康綜合評價指標體系，該指標體系包括防洪排澇、生態、景觀、社會服務、管理五大功能一級指標，并細化為18項二級指標。結合飲馬河的現實情況，最終采用其中15項指標作為飲馬河河流健康評價指標體系，見表1。

2.2 綜合集成賦權確定指標權重

為能同時兼顧主觀、客觀信息的重要性，采用綜合集成賦權法計算權重，基于“功能驅動”原理的主觀賦權法選用序關系法(G1法)[5- 6]，基于“差異驅動”原理的賦權法客觀賦權法則選則熵值法[7- 8]，最后用“加法”集成將這兩大類賦權法結合起來。

表1 飲馬河河流健康評價指標體系框架

式中，k1,k2—待定常數(k1>0,k2>0;k1+k2=1)。考慮到飲馬河健康評價主、客觀因素重要性相同，取k1=k2。

2.3 健康評價物元評價模型

物元理論主要研究由事物、特征及特征值構成的三元素模型，該模型可以直接反映質量與數量之間的關系，并且可以把定性指標轉化為定量指標。以有序三元R=(N，C，V)作為描述事物的基本元，簡稱物元，其中事物的名稱(N)，特征(C)和關于特征的量值(V)為物元三要素。

物元模型按以下步驟建立[9- 10]：

2.3.1確定各指標經典域和節域

(1)經典域。設有m評價等級N1,N2,…，Nm，建立相應的物元：

式中，Xij=(j=1,2,…,n)—是評價等級Ni(i=1,2,…,m)關于評價參數cj(j=1,2,…,n)的量值域，即各評價指標關于各等級所取得的數值范圍，稱為經典域。

(2)節域。記P表示待評價事物特征量值的全體，對于經典域，構造其節域：建立物元RP，取RP?Ri，且：

式中，Xpi=(i=1,2,…,n)；Np—關于cj(j=1,2,…,n)量值范圍，即節域。顯然有Xij?Xpi(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。

2.3.2確定待評物元

對于待評價的對象P，待評物元為R0：

2.3.3確定關聯函數

關聯函數表示物元的量值取值為實軸上的一點時，物元符合要求的范圍程度，是用來刻畫各指標關于各評價等級的歸屬程度。根據可拓集合論和具體條件，建立關聯函數：

式中，Ki(xj)—各評價因子關于評價級別的關聯度；ρ(xj,Xij)—點xj與有限區間Xij=的距離；ρ(xj,XPj)—點xj與有限區間XPj=的距離。其中xj為評價因子的實際數值，Xij=為經典域，XPj=為節域。

其中，

xij=|aij-bij|

i=1,2,…,m,j=1,2,…,n

2.3.4等級評定

令

稱Kj(P)為待評價對象P關于等級j的關聯度。此處，wi(i=1,2,…，n)為各個指標的權重，用3.2節方法確定。

關聯函數K(x)的數值表示被評對象隸屬于城市河流健康水平某一標準級別的程度。

當K(x)≤-1.0時，被評價對象不符合標準對象要求，且不具備轉化為標準對象的條件；

當-1.0≤K(x)≤0時，表示被評價對象不符合標準對象要求，但具備轉化為標準對象的條件，數值越大，越容易轉化；

當0≤K(x)≤1.0時，表示被評對象符合標準對象要求，數值越大，越接近標準上限；

當K(x)≥1.0時，表示被評價對象超過標準對象上限，數值越大，發展潛力越大。

若Kj1=max{Kj(P)}，j∈{1，2，…，m}，則評定P屬于等級1，記作j0=1。

通過各指標的關聯函數和綜合關聯函數即可得到各評價指標的健康等級及綜合評價等級。

3 飲馬河健康評價

3.1 基于物元模型的健康評價

依據飲馬河健康的可拓性，將飲馬河健康等級劃分為5個，設P={病危→輕度病態→亞健康→健康→特別健康}，N1={病危}，N2={輕度病態}，N3={亞健康}，N4={健康}，N5={特別健康}，則N1,N2,N3,N4,N5∈P。采用德爾菲法，確定飲馬河健康評價的經典域和節域，見表2，表中定量指標的單位同表1。

將待評物元的指標值輸入物元模型，其中，待評物元值即各指標值見表1，可計算得各指標與各不同評價等級的關聯度。再采用綜合集成賦權法計算各指標權重，可得到綜合關聯度。飲馬河治理前健康綜合評價等級屬于等級N1(病危)，各單項指標的評價等級詳見表3。同理可得飲馬河治理后健康評價等級屬于等級N5(特別健康)，過程不再贅述。

表2 各指標經典域和節域

表3 飲馬河治理前關聯度和評價結果

3.2 結果及分析

3.2.1治理前評價結果及分析

(1)飲馬河治理前健康綜合評價綜合關聯度為0.007，屬于等級N1(病危)，亟需治理。

(2)以河岸景觀多樣性指數(C8)為例，分析飲馬河治理前各單項指標健康程度的水平。由表3可知:該指標對應各評價等級的關聯度分別為K8(C81)=0.250，K8(C82)=-0.250，K8(C83)=-0.500，K8(C84)=-0.625，K8(C85)=-0.700，由K(C8)=max{K8(C8j)}(j=1，2，…，5)=0.250，判定該指標屬于N1，即健康等級為病危，表明河岸景觀多樣性指數單指標的健康程度為病危。治理前狀況是河流景觀過于單一，多樣性很差，需要在治理時提升。同理可分析其他各指標。

(3)除了河岸植被覆蓋率C7、河岸植物多樣性指數C9、灌溉有效利用系數C11、娛樂設施指數C12四項指標，處于亞健康狀態，其余指標健康等級都處于病危狀態，飲馬河生態治理時應該有針對性的采取措施。

(4)根據權重判斷出對綜合評價等級影響較大的指標為排澇達標率C1、水生生物完整性指數C4、水質優良度C5、河岸植被覆蓋率C7等幾項指標，因此，飲馬河生態治理時應該重點考慮這些因素。

3.2.2治理后評價結果及分析

飲馬河治理后健康評價綜合評價綜合關聯度為0.034，屬于等級N5(特別健康)，治理效果顯著。飲馬河治理后健康評價綜合評價等級N5(特別健康)，但是河流縱向連通性指數C2、水生生物完整性指數C4、河岸景觀多樣性指數C8、河岸植物多樣性指數C9、管理制度C14、水質優良度C5六項指標健康等級為N4(健康)，未達到N5(特別健康)的標準。分析其可能原因：

(1)因工程尚未完全移交投資方與管理方，所以管理制度中的河道管理細則和實施辦法，并未正式發布和使用，建議后續逐漸完善管理制度，不只”“治”好，還要“管”好。

(2)水質雖然得到明顯改善，但未全部達到Ⅳ類以上水質標準，建議加強上游水源管理，確保從污水廠處理后的中水全部達到設計標準。另外，多方排查未達標原因，判斷是否是污染源增加還是其他原因造成的。

(3)治理前破壞嚴重的水生生物完整性指數需要較長時間恢復完善。建議再過一個運行年度，對此指標進行健康再評價，總結水生生物完整性修復規律。

(4)飲馬河生態治理后景觀和植物多樣性整體較好，但是還有提升的空間，建議其他河流治理時，避免景觀和植物單一，提高多樣性。

4 結語

(1)基于綜合集成賦權物元模型，計算了各指標的關聯度和綜合關聯度，對各指標健康度和河流綜合健康程度做出了評價。

(2)對治理前后健康評價結果進行對比分析，肯定了評價結果的指導意義，也驗證了構建的綜合評價模型的科學性和可行性，研究結果具有重要的理論和現實意義。