基于模糊數(shù)學綜合評判法對囊謙縣三江源白扎自然保護區(qū)進行生態(tài)環(huán)境評價

劉暢 邵治濤 李少陽

摘要：三江源自然保護區(qū)是我國重要的生態(tài)環(huán)境地區(qū)，對其進行生態(tài)環(huán)境評價，評估當前環(huán)境狀態(tài)十分重要。本文選擇囊謙縣三江源白扎保護區(qū)為評價對象，基于遙感影像對其提取評價因子，為了使評價結(jié)果客觀準確，有效解決評價因子模糊性的問題，采用層次分析法計算權(quán)重集，通過模糊數(shù)學與層次分析相結(jié)合的綜合評判法，得出隸屬度關(guān)系，進而得到生態(tài)環(huán)境評價結(jié)果。

關(guān)鍵詞：生態(tài)環(huán)境評價;層次分析法;模糊數(shù)學法

中圖分類號：X826 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）09-000-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.09.004

Assessment of eco-environmental based on fuzzy mathematics comprehensive evaluation method about Baizha Reserve of the Natural Preserved Zone of Sanjiangyuan in Nangqian County

Liu Chang1，2，Shao Zhitao3，Li Shaoyang4

（1.Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China;2.China university of geosciences（Beijing），Beijing 100083，China;3.China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Natural Resource，Beijing 100083，China;4.China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China）

Abstract：The Natural Preserved Zone of Sanjiangyuanis an important ecological environment in China.On the ecological environment evaluation and assess the current environment status are very important.This paper chooses Baizha Reserve of the Natural Preserved Zone of Sanjiangyuan in Nangqian County as evaluation object， based on remote sensing image to extract evaluation factors. In order to make the evaluation result objective and accurate， and solve the fuzzy problem of factor problem， it adoptes the Analytic Hierarchy Process to calculate the weight set， and obtains affiliation through the combination of Fuzzy Mathematics and Analytic Hierarchy Process ， and ecological environment evaluation result is obtained.

Key words：Assessment of eco-environmental;Analytic hierarchy process;Fuzzy mathematics

被譽為“中華水塔”的青海三江源國家級自然保護區(qū)于2003年1月24日建立，總面積為15.23萬km?，位于青藏高原腹地、青海省南部，是我國長江、黃河、瀾滄江三大河流的發(fā)源地，是我國海拔最高、面積最大、動物資源豐富且多樣的超大型國家級自然保護區(qū)，由相對完整的6個區(qū)域組建成自然保護區(qū)網(wǎng)絡(luò)，被劃分為白扎保護分區(qū)、通天河沿保護分區(qū)等多個保護分區(qū)管理，涉及了青海省、海西蒙古族藏族自治州等地區(qū)內(nèi)的17個縣市[1][2]。

然而在隨著自然條件變化以及人類生產(chǎn)活動加劇的雙重影響下，有可能導致三江源自然保護區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降，為了避免破壞人與自然的和諧性、可持續(xù)性的共存環(huán)境，本文以囊謙縣內(nèi)的三江源保護分區(qū)——白扎保護區(qū)為樣本進行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價。

本文利用RS/GIS技術(shù)，數(shù)據(jù)來源分別為2017年P(guān)LB遙感數(shù)據(jù)、2018年P(guān)LB、GF1、RE遙感數(shù)據(jù)，對白扎保護分區(qū)內(nèi)的影像提取因子，進行客觀解譯，由于常規(guī)評價法存在人為主觀因素影響等弊端，且對因子間互相關(guān)聯(lián)、互相制約等問題考慮甚少，故采用層次分析法與模糊數(shù)學綜合評判法對解譯數(shù)據(jù)進行處理，科學有效的對保護區(qū)作出生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價，掌握其變化趨勢，及時提出應對措施。

1 研究區(qū)域概況

囊謙縣（圖1）位于青海省最南端，地處95°21′58″～ 97°07′0″E， 31°32′20″～32°43′46″N，總面積約12741 km?，其內(nèi)的三江源白扎保護分區(qū)位于囊謙縣的西南部，面積逾8400 km?，約占囊謙縣的66%，占整個三江源自然保護區(qū)的5.5%，大小鄉(xiāng)鎮(zhèn)80余座，建筑房屋占地面積總和不足3 km?，河流發(fā)育充分，河水充沛期保護區(qū)內(nèi)河流累計總長近600km，平均寬度0.25km，礦產(chǎn)資源種類多樣，草場、林地覆蓋面積廣闊，野生動物資源豐富，因其資源寶貴和生態(tài)脆弱，具有極其重要的保護價值。

2 評價方法

目前關(guān)于環(huán)境的評價方法眾多，主要有灰色關(guān)聯(lián)度法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、層次分析法以及模糊數(shù)學評判法等等。考慮到方法的可操作性與精確性，結(jié)合研究區(qū)域的實際情況，層次分析法（AHP法）是一種成熟實用，使評價因子之間相對重要性得到合理體現(xiàn)、所得結(jié)果相對科學合理的方法[3]。由于從研究區(qū)域中所提取的評價因子普遍具有模糊性，難以量化，為了使結(jié)果更為清晰準確，在使用層次分析法確定權(quán)重的基礎(chǔ)上，采用與模糊數(shù)學評判法相結(jié)合的綜合評判法，依據(jù)各類評價因子的特征，給出評價值與評價因子的隸屬關(guān)系。

層次分析法與模糊數(shù)學評判法在環(huán)境評價中均可獨立運用建立相應的評估模型。層次分析法定性與定量相結(jié)合，具有系統(tǒng)性、靈活性等特點，然而存在專家打分的機制，難以避免人為主觀影響等弊端。模糊數(shù)學法使用方便，適合解決非確定性問題，權(quán)重集的獲取存在偏差。故為了解決單一評價方法所得評價結(jié)果片面主觀，本文以層次分析法確定評價因子的權(quán)重，以模糊數(shù)學法開展綜合評判，基于遙感技術(shù)對囊謙縣內(nèi)的三江源白扎保護分區(qū)進行環(huán)境評價，充分發(fā)揮兩種數(shù)學方法的優(yōu)點，保證評價結(jié)果相對客觀準確。

本次自然保護區(qū)環(huán)境綜合評價通過遙感影像解譯分析，采用人機交互方式對研究區(qū)環(huán)境信息進行提取，根據(jù)針對性、簡明性、普適性、代表性等原則選取評價因子。根據(jù)保護區(qū)內(nèi)的環(huán)境特征，最終選取了植被覆蓋率（圖2）、河流發(fā)育、年降水量、工礦開發(fā)占地、工礦恢復治理、人口密度、地質(zhì)災害7個指標作為評價因子。

3 層次分析法

3.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

應用層次分析法時，需要建立目標層、準則層、方案層[4]。目標層是需要解決的問題，即自然保護區(qū)內(nèi)的環(huán)境評價;準則層是需要考慮的因素、判斷準則，即評價因子;方案層反應了決策的方案，即評價因子對環(huán)境的影響。

建立好層次結(jié)構(gòu)模型后即可確定判斷矩陣。在確定各評價因子之間權(quán)重時，如果只是將評價因子與目標層相比較，所得結(jié)果片面不易接受，因此提出層次分析法的美國運籌學家薩迪教授提出了一致矩陣法，即將評價因子之間兩兩相互比較，對比時采用相對尺度（表1） ，根據(jù)其重要性，構(gòu)建判斷矩陣（表2）。

3.2 求解權(quán)重值

根據(jù)已得出的判斷矩陣，用和積法計算求解特征向量與最大特征值。首先對判斷矩陣按（1）式進行歸一化處理，進而得到歸一化矩陣（表3）。

對歸一化矩陣按（2）式求和計算得到向量W。

得W=[0.726513，1.039342，2.285499，0.286639，1.851355，0.333638，0.477014]T

對向量W進行歸一化，按式（3）計算得特征向量。

=[0.10379，0.14848，0.32650，0.04095，0.26448，0.04766，0.06814]T，特征向量為評價因子對上一層次的相對重要性，即權(quán)重。

3.3 驗證權(quán)重的合理性

由于客觀事物的多變性復雜性，以及人們主觀意識的多樣性，無法要求判斷矩陣具有完全的一致性，但判斷矩陣應該具有大體上的一致性[5]，即因子A比B重要，B比C重要，則需要A比C更為重要，因此為了保證判別的一致性與評價結(jié)果的可靠性，需要對已構(gòu)造好的判斷矩陣進行一致性檢驗，見下式（4-6）。

CI為一致性指標，CI越大，表明判斷矩陣越偏離完全一致性，判斷矩陣階數(shù)n越大，表明人為因素造成的偏離完全一致性指標CI的 值越大。

RI為平均隨機一致性指標，見下表。

CR為一致性比率，當CR<0.10時，判定該矩陣具有可以接受的一致性，否則需要重新調(diào)整判斷矩陣。本文CR為0.07139<0.10，判斷矩陣具有較好的一致性。

4 模糊數(shù)學法綜合評價

由于評價因子難以量化，模糊數(shù)學綜合評判法是用模糊集合的方式表示相關(guān)的模糊概念，從多個指標角度評判事物隸屬度等級的一種方法，對事物變化的區(qū)間進行劃分，使問題的分析更加客觀具體。其基本步驟是因素集的建立、評判集的建立、確定隸屬度、建立模糊矩陣、確定權(quán)重集、按最大隸屬度原則對結(jié)果進行分析得到最終的評價結(jié)果[6]。

本文中的因素集為U={植被覆蓋率、河流發(fā)育、年降水量、工礦開發(fā)占地、工礦恢復治理、人口密度、地質(zhì)災害}，評價集為自然保護區(qū)的環(huán)境評價結(jié)果，即V={優(yōu)、良、中等}。對于隸屬函數(shù)的確定，根據(jù)環(huán)境評價指標分級表確定函數(shù)關(guān)系式如下：

按照評價指標分級表進行計算最終得到模糊矩陣為：

將層次分析法獲得的權(quán)重集與模糊矩陣得到的模糊集按下式相結(jié)合：

得到B=[0.436333，0.335431，0.226130]，根據(jù)最大隸屬度原則，該保護區(qū)環(huán)境模糊評價為 “優(yōu)”。從所得結(jié)果來看，該保護區(qū)大部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境優(yōu)秀，整體環(huán)境良好，有著較好的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，人類破壞范圍小，降水充足，植被覆蓋率高。但是部分區(qū)域存在工礦開發(fā)情況，并且降雨過于集中且強度較大，導致部分區(qū)域發(fā)生泥石流等災害，因而小部分區(qū)域環(huán)境一般。

5 結(jié)論

（1）本文對囊謙縣內(nèi)的三江源白扎保護區(qū)進行了生態(tài)環(huán)境評價，提取評價因子：植被覆蓋率、河流發(fā)育、年降水量、工礦開發(fā)占地、工礦恢復治理、人口密度、地質(zhì)災害。根據(jù)評價結(jié)果，結(jié)合工作區(qū)實際情況，該保護區(qū)內(nèi)降水量充足，河流發(fā)育較好，有著較高的植被覆蓋度，因而有效的防止了水土流失，保持水分，促使保護區(qū)內(nèi)形成良好的生態(tài)循環(huán)。由于地形地勢和強降雨的關(guān)系，在降水高峰期降水量高達30mm，小部分區(qū)域發(fā)生泥石流、洪澇等災害，生態(tài)環(huán)境遭到破壞。囊謙縣行政中心位于囊謙縣東北部，人口較為密集，城鎮(zhèn)建設(shè)較多，未包含在保護區(qū)內(nèi)，故保護區(qū)內(nèi)人口密度稀疏，人類活動少，破壞范圍小。然而該保護區(qū)內(nèi)存在部分工礦開發(fā)占地，位于囊謙縣的西北部與東南部，因其遠離行政中心，疏于管制，對保護區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境造成威脅，且對已開發(fā)過的土地缺少恢復治理措施，造成小部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境一般。總體來看，評價結(jié)果與實際情況相結(jié)合，白扎保護區(qū)生態(tài)環(huán)境良好，但仍需加強管制和治理措施。

（2）本文基于遙感技術(shù)，利用Arcgis、ENVI等軟件對影像進行解譯處理獲取數(shù)據(jù)，對所得數(shù)據(jù)用層次分析法進行權(quán)重集的計算，再通過模糊數(shù)學的綜合評判法，得出該保護區(qū)環(huán)境評價為 “優(yōu)”，整體環(huán)境偏好。兩種數(shù)學方法相結(jié)合，更為清晰準確的展示出評價因子與評價對象的邏輯關(guān)系，且有效解決了評價因子的模糊性，降低人為主觀性，盡可能的客觀描述了評價對象，使所得結(jié)果符合客觀實際。

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收稿日期：2019-07-09

作者簡介：劉暢（1995-），男，漢族，碩士在讀，中國地質(zhì)科學院與中國地質(zhì)大學（北京）聯(lián)合培養(yǎng)研究生，地質(zhì)工程專業(yè)。