基于粗糙集簡約方法的中小河流健康程度診斷及影響因子定量識別

苗雨池

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

中小河流的集水面積小于3000km2，主要分布在城市和農村地區的河段，相比于大型河流，中小河流具有數目多、分布廣的特點，與農村、城市生活關系十分密切[1]。城市、農場生活也對中小河流生態環境狀況產生直接影響[2]。河流的健康包含自身河流的結構功能、生態功能、社會功能三個方面[3-5]，河流健康是河流持續發展的重要保障[6]。當前，對于河流健康的研究逐步得到國內許多學者的關注[7-14]，但這些研究大都針對大型河流，而對于中小河流研究較少。近些年來，中小河流治理和生態環境保護已成為鄉村振興戰略的重要內容。本文結合粗糙集簡約方法[15]，構建中小河流健康診斷的指標體系，以遼寧地區為研究實例，對其區域中小河流進行河流健康診斷，并對其影響因子進行定量識別。研究成果對于區域中小生態保護和治理措施制定具有重要的參考價值。

1 中小河流健康診斷方法

1.1 健康診斷指標

結合中小河流的特點，綜合考慮其防洪、河流形態、河流生態三個方面功能選取9個指標進行健康程度診斷，將中小河流劃分為5個標準，各標準賦分分別為理想狀態(0.8～1.0)、健康(0.5～0.8)、亞健康(0.3～0.5)、不健康(0.2～0.3)、病態(0～0.2)，并結合相關研究成果確定各指標的評價標準，指標及其標準見表1。

表1 中小河流評價指標賦分標準

1.2 評估方法

結合粗糙集簡約方法對其健康度進行綜合評估，該方法通過對各屬性指標進行隸屬函數離散分析，對其上、下集合進行相似計算，計算方程分別為：

μpx(Fi)=inf max{1-μFi(x)，μX(x)}

(1)

(2)

式中，U—各評價指標的求解域；Fi—模糊評價屬性結合；P—模型優化屬性值。

對模糊集進行正域計算，計算方程為：

μPOSp=sup min{μFi(x)，μPOSp(Fi)}

(3)

式中，Uposp—模糊集的正域屬性值；UFi(x)—評估方程的等價集合；UPOSp(Fi)—模糊正域屬性值。

在模型正域屬性計算后，結合模糊梯度函數對變量隸屬度進行分析，分析方程為：

μPOSp(x)=sup min{μFi(x)，μPOSp(Fi)}

(4)

式中，各變量含義同上述方程中變量含義。

對評價方程變量的依賴度進行計算，計算方程為：

(5)

式中，γP(Q)—變量依賴度屬性值。

在變量依賴度計算的基礎上，對評估方程決策屬性變量進行計算，計算方程為：

σPQ(P)=γP+{P}(Q)-γP(Q)

(6)

對式(6)進行簡約化計算，轉換方程為：

(7)

2 實例應用

2.1 遼寧省河流概況

遼寧省流域面積10km2以上，河流共計3536條，其中山區性河流3419條，平原河流117條。中小河流主要定義流域面積在1000km2以下的河流，遼寧省中小河流為2949條，其中遼河水系中小河流數最多，占總數47.7%，松花江水系分布最少，站總數0.54%。各水系分布見表1。

2.2 各評價區指標權重的設置

對遼寧省典型中小河流進行實地調研，從其河流特性、防洪安全、生態保護三個層面9個評價指標，進行專家打分制方法對各區域不同指標的權重進行設定，設定結果見表2。

表1 遼寧省不同流域水系中小河流分布情況

表2 遼寧省各區域中小河流健康評價指標設定權重值

從表2分析結果可看出，對于遼東地區而言，河岸穩定性及魚類保有指數的權重值最高，這是因為遼東地區主要為山區型河流，河流沖刷性能較強，因此河岸穩定性要求較高，其魚類多樣性要求較高。遼寧南部河流特性和東部地區河流類型較為相似，因此其各指標權重和遼寧東部地區具有一致性。從遼中地區的指標權重分布可看出，對于遼寧中部而言，其區域河流大部分屬于平原型河流，其中河流植被覆蓋率及脈動指數權重值最大，主要因為對于遼寧中部平原區而言，其植被覆蓋率相對較低，此外受平原地形影響，其河流脈動指數較低，因此這兩項指標是影響區域中小河流健康程度的關鍵。遼西和遼北地形也較為相似，其指標權重分布也較為一致，同樣河流植被覆蓋率及脈動指數權重值較大，特別是受到植被覆蓋影響程度較高。通過對各區域中小河流進行實地調研結果表明各指標權重設定值較為合理。

2.3 各區域指標評價確定度分析結果

在指標權重設定的基礎上，對遼寧各區域中小河流不同等級評價指標的確定度進行分析，分析結果見表3—5。

表3 遼寧東南部地區典型中小河流指標確定度分析結果

表4 遼寧中部地區典型中小河流指標確定度分析結果

從遼寧東、南部地區指標確定度分析結果可知，其和指標的權重關聯度較高，指標權重較大其相應的確定度也較高。因此對于遼寧東、南部地區而言，其河岸穩定性及魚類保有指數的確定度最大，且隨著健康等級的遞減，其指標的確定度也逐步較大。這主要是因為隨著健康等級的逐步遞減，其指標影響度逐步增加，使得其確定度相應加大。從遼寧中部的指標確定度分析結果也可看出，和遼寧東南部較為相似，各指標的確定度和其權重具有較大的相關性，因此遼寧中部地區中小河流各健康等級下的河流植被覆蓋率及脈動指數確定度最高。對于遼寧西部和北部地區而言，各指標的確定度變化幅度小于其他地區，這主要是因為遼西北部地區，中小河流健康影響因素較多，不同指標的確定度變化范圍較小，因此其變幅較小。

2.4 各區域指標評價指標關聯度分析結果

各指標關聯度是分析其區域中小河流健康影響因子識別的關鍵，為此對不同區域9個評價指標的關聯度進行分析，分析結果見表6—8。

表6 遼寧東南部地區典型中小河流健康評價指標關聯度分析結果

表7 遼寧中部地區典型中小河流健康評價指標關聯度分析結果

表8 遼寧西北部地區典型中小河流健康評價指標關聯度分析結果

表9 各區域典型中小河流健康診斷結果

從遼寧東南部區域9個評價指標的關聯度可看出，各指標關聯度和區域河流特征具有較為明顯的關聯性。東南部地區河岸穩定性和防洪指標的關聯度最高，而河流脈動指數和魚類保有指數關聯度最高，這主要是因為魚類受到河流脈動影響較大。遼寧中部地區，河岸植被覆蓋率和灘地保留率關聯度最高，這主要是因為遼寧中部地區大部分為平原河流，其灘地保留率較大，因此使得其河岸植被覆蓋率關聯度較大。遼寧西北部地區，由于區域水土保持治理措施力度的加大，區域山區型中小河流水質指數和河流流暢性指數的關聯度最大。因此可綜合分析出，中小河流健康評價指標的關聯度和區域中小河流特征相關度最高，影響程度也最大。

2.5 各區域典型河流健康診斷結果

在各指標關聯度和確定度分析的基礎上，結合粗糙集簡約方法對其健康度進行綜合評估，評估結果見表9。

從分析結果可看出，遼東、南地區中小河流健康度在0.43～0.75，屬于亞健康～健康狀態，遼西、北部地區健康度在0.24～0.47，屬于不健康～亞健康狀態，遼寧中部地區決策屬性值在0.21～0.46之間，屬于不健康～亞健康狀態。遼寧東南部區域由于中小河流覆蓋度較好，且水量較為充沛，因此其健康狀態總體好于遼寧中部以及西北部，遼寧中部主要為平原型河流，受到平原河流脈動影響較為強烈，因此其河流健康狀態較為平穩。遼寧西、北部地區中小河流植被覆蓋度低于東南部以及中部地區，且水量較少，因此這一區域中小河流健康狀態總體處于亞健康狀態。通過對9條典型河流進行實地調研，各河流健康評估結果和實際情況吻合度較高，因此構建的評估方法和評價指標體系適用于遼寧地區中小河流健康評價。

2.6 各區域典型河流健康影響因子識別

在區域中小河流健康診斷的基礎上，通過定量分解方法結合各指標的關聯度，對遼寧各區域中小河流健康影響因子進行定量識別，識別結果見表10。

表10 各區域典型中小河流健康影響因子定量識別結果 單位：%

結合各指標關聯度及影響因子分離方法對各區域中小河流健康影響因子進行了識別，從定量識別結果可看出，遼寧東部地區河岸穩定性以及魚類保有指數影響程度超過30%，這兩個指標權重值也最大，而遼寧南部地區同樣這兩個指標的影響度最大，可見對于遼寧東南部地區，要提高區域中小河流健康度，需要加大河岸穩定性的治理以及增加魚類的保有種類。遼寧、西北部地區影響度超過35%的分別為河岸植被覆蓋率以及河流脈動指數，因此要加大遼寧西北部地區中小河流健康保護度，則需要加大河岸植被覆蓋率以及脈動指數的治理。而對于遼寧中部地區而言，防洪指標和灘地保留率影響度較大，其中灘地保留率的影響度達到29.0%，則主要是因為對于遼寧中部的平原型河流而言，灘地保留率的降低將對區域中小河流健康保護起到至關作用。

3 應用結論

(1)本文提出了適合于中小河流特點的9種河流健康評價指標，對于較為復雜及資料極為稀缺的中小河流，建議保留防洪指標、水質指數、魚類保有指數、以及河岸植被覆蓋率4種可以通過實地調查得到的指標。

(2)從指標關聯度分析結果可看出，灘地保留率與河岸植被覆蓋率具有較為明顯的關聯度，河岸植被覆蓋率可以通過遙感數據獲得，建議在具體評價過程中可通過建立兩種指標的相關方程，進行灘地保留率指標的定量獲取。

(3)本文的指標權重主要采用專家打分法及實地調研得到，存在一定的主觀性，在以后的研究中還需要對權重進行客觀計算分析。