基于模糊綜合評價與灰色關聯分析的河流自然性評價

燕 琳，馬 嵐，潘成忠，張 棟，孫占薇，張金閣，劉京晶，黎俊佑

（1.北京林業大學 水土保持學院，北京 100083；2.北京師范大學 水科學研究院，北京 100875；3.黃河流域水土保持生態環境監測中心，陜西 西安 710021）

河流在水循環、能量循環、物質交換、氣候調控和生態發展等方面都發揮著極其重要的作用[1-2]。河流的自然性是指與相同類型的未受干擾的河流的相似程度[3]，尤其是結構穩定性和生態功能等；即整個河流生態系統是完整的、穩定的、可持續的，對外界不利因素具有抵抗力[4]。河流的自然性評價，就是對由自然因素和人為活動引起的河溪生態系統的破壞和退化程度進行診斷[5]，對河流現狀進行評價，為管理者、決策者提供目標依據，使之更好地利用和管理河流[6]，且對于河流生態系統的自然恢復和保護有著重要的指導作用[7]。目前，國內外的河流的自然性評價方法主要有生物監測法和綜合指標評價法2種[8]。前者由于指標單一、缺乏系統性，得出的評價結果科學性較差[9]；后者評價指標綜合，具有較好的解釋性和說明性，使得評價結果更科學[10]。模糊綜合評價法和灰色關聯分析法都屬于綜合指標評價法。其中，模糊綜合評價法以其模型簡單，適用性強，對復雜問題的評價效果好等優點得到廣泛的應用，但模糊綜合評價在計算過程中存在一定的經驗性、模糊性和不確定性，導致評價結果與客觀實際產生偏差[6]；灰色關聯分析法是一種定量化比較分析的方法，根據數列的可比性和相似性，分析系統內部因素間的相關程度[7]，計算思路明晰，對數據要求較低且工作量較少，但需要對各項指標最優值進行現行確認，主觀性強，同時部分指標最優值難以確認。本研究以永定河北京山峽段為研究對象，從生態、地貌和水文3方面入手，定性定量分析了河流的結構與功能，構建河流自然性評價指標體系，利用層次分析法與熵權法對評價指標進行主客觀組合賦權計算權重，再對各樣本分別進行模糊綜合評價與灰色關聯分析，利用模糊綜合評價法可以得出不同河段不同地貌、生態、水文類別之間的關系信息[11-12]，利用運用基于點到區間距離的灰色關聯分析[13-14]，提高評價結果的客觀性，二者結合，相互驗證，對永定河作更全面、合理的評價。最終，評價結果一方面可反映永定河水生態水環境狀況；另一方面為其他河流的自然性評價方法選擇，提供科學合理的參考。

1 研究區概況

永定河起源于山西省寧武縣管涔山，自官廳水庫下游流入北京市境內，流經門頭溝、石景山、豐臺、房山和大興共5個區，市境內主河道長約189 km，流域面積約3 200 km2。該流域屬于暖溫帶大陸性季風氣候，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季涼爽濕潤，冬季寒冷干燥，且地勢西北高東南低，降水量整體呈現東南向西北遞減分布趨勢，降水多集中在6-8月，多年平均降水量590 mm。調查河段為北京山峽段中的門頭溝青白口村至三家店水庫河段，全長約53 km。

2 研究方法

2.1 評價指標的獲取與體系的構建

在2018年7月進行野外調查，按照“每500 m布設1個調查點，如遇到生態條件突變地區，則加測1點”的原則[12]，從上游至下游共布設調查點105個。采用分河段評價的方法，以每5個點為基準并結合特殊情況，將河流的地貌、生態、水文特征，將相鄰、特征相似的調查點組成1個調查河段，研究區劃分成21個河段，使得評價結果更加精準。具體評價標準參考文獻[15]。

河流生態系統是一個多方位、多層次、多功能的自然生態經濟系統[16-17]，河流自然性評價系統要求每項指標都能從不同的方面反映河流生態系統的自然性程度。在科學性、目標性、系統性、獨立性、操作性等指標選取原則的基礎上[15,18-19]，從水文要素、河流形態、水體理化性質、河岸帶特征和社會生態價值方面篩選25個定性、定量指標，構建3個層次結構的綜合評價指標體系(表1)。

表1 永定河自然性評價指標體系與指標權重Table 1 Index system and index weight of naturalness evaluation of Yongding River

2.2 評價指標權重的確定

指標權重的確定關系到評價結果的客觀性和準確性。層次分析法(AHP)主要考慮專家的意見，具有一定的主觀隨意性。熵權法從客觀數據出發，不考慮指標本身的差異，可能導致得到的權重不符合實際指標的重要程度[20]。AHP與熵權法相結合得到的組合賦權法不僅能夠根據專家的知識和經驗對評價指標打分，又能夠充分挖掘原始數據本身蘊含的信息，具有較高的合理性[21-22]。

2.2.1 層次分析法 本研究采用統一的河流自然性評價各級指標對比打分表[15]，邀請從事河流生態保護研究、流域水沙過程研究等相關工作8 a以上的資深專家對河流自然性評價指標的相對重要程度進行對比打分。共發出打分表10份，收回8份；回收的有效反饋信息采用德爾菲法進行有效權衡[23]，給出判斷數值，構造河流自然性評價體系各層的判斷矩陣。① 確定判斷矩陣。設因素i與因素j進行比較判斷，則因素i與因素j的重要性之比為aij，建立各準則下的判斷矩陣A＝(aij)max(i＝1，2，3，···，n；j＝1，2，3，···，n)；其中aij的限制條件：aij＞0，aij＝1/aji，aii＝1；重要程度標度值及含義參照文獻[7]。② 權重計算：Ag=λmaxg。其中：Ag為權重；g為主重向量；λmax為最大特征值。③ 一致性檢驗：IC＝(λmax-n)/(n-1)。其中：n為判斷矩陣的階數；IC為一致性指標。為了嚴格定義一致性的評判標準，引入一致性比率RC與平均隨機一致性指標IR，IR的賦值參照文獻[16]。當RC＝IC/IR＜0.1時，認為構造的判斷矩陣具有滿意的一致性[24]，否則認為排序結果不合理，需要對aij重新調整。

2.3 自然性評價方法

2.3.1 模糊綜合評價 模糊綜合評價是以模糊數學為基礎，對受多種因素制約的不確定性問題進行定量化描述的一種方法，用不同的隸屬函數值使模糊評判因子明晰化，不同質的數據歸一化[25]，從而把定性與定量分析相結合。利用該方法進行河流自然性評價，關鍵在于建立準確的隸屬函數，從而計算評價指標對各評價等級的隸屬度。① 建立評價因子集U：U＝{u1，u2，···，um}，其中：ui(i＝1，2，···，n)為評價因素，n表示同一層次上單因素個數。② 建立權重集w：w＝{w1，w2，···，wn}，其中：ci(i＝1，2，···，n)為評價因素ui在評價因子集U的權重，。③ 建立評價集V：V＝{v1，v2，···，vm}，其中：vj(j=1，2，···，q)為評價的等級，q表示評價等級數。④ 建立模糊關系矩陣在U與V之間進行單因素評價，建立模糊關系矩陣，逐個對評價因子ui進行歸一化處理，進而得到模糊關系矩陣R[26]。

其中：rij是評價因子集U中的第i個因素ui對應的評價集V中第j個等級vj的隸屬度，0≤rij≤1。隸屬度rij的表達公式如下。

其中：Xmin是第i個指標的最小值；Xmax是第i個指標的最大值。⑤ 計算模糊評價結果將權向量c與模糊關系矩陣R合成運算得到模糊評價結果B[23]，即：B＝wR。

2.3.2 灰色關聯分析 灰色關聯分析法通過計算評價因子的實測值與各級評價指標標準的關聯度來確定河段近自然等級[27]。該方法應用點到區間距離法計算關聯系數，避免了傳統的點到點計算方法的不足[13]，同時又能反映處于不同等級的河段間的評價指標的顯著差異和同一等級的河段內的評價指標的優劣，評價結果較為直觀、合理和可行。計算步驟如下：① 確定比較數列和參考數列。設以評價指標的實測值為參考數列 {X′i(k)，(i=1，2，3，···，m；k=1，2，3，···，n)}，其中i為調查點編號，k為評價指標。設以河流自然性評價標準為比較數列。

其中：h為某一評價標準的編號，則分別表示評價標準的上下限。② 計算關聯系數[7]。

其中：Di,oh為點到區間的距離。

其中：ε為關聯系數；Dmin為點到區間距離的最小值，Dmax為點到區間距離的最大值，ρ為分辨系數，介于0與1之間，一般取0.5。③ 計算灰色關聯度：采用加權處理，即

其中：k＝1，2，3，···，n；ri為灰色關聯度，wk為第k項評價指標的權重。

3 結果與分析

3.1 評價結果

根據模糊綜合評價和灰色關聯分析，各河段不同自然性等級的模糊評價結果最大值對應的級別與關聯度最大值對應的級別即為該河段所處的自然性等級狀態。由表2可知：永定河北京山峽段總體上處于“退化狀態”，但各個河段的自然性狀況卻不盡相同。模糊綜合評價法中，第11、12、13河段為“自然狀態”，第3、4、6、8、19、20河段為“近自然狀態”，第2、5、7、9、14、15、16、17、18、21河段為“退化狀態”，第1、10河段為“人工狀態”；灰色關聯分析法中，第11、12、13河段為“自然狀態”，第4、6、8、17、19、20河段為“近自然狀態”，第2、3、5、7、9、14、15、16、18、21河段為“退化狀態”，第1、10河段為“人工狀態”。

評價結果顯示：研究河段處于自然狀態的河段長7.5 km，約占全長的14.29%；處于近自然狀態的河段長15.0 km，約占全長的28.57%；處于退化狀態的河段長25.0 km，約占全長的47.62%；處于人工狀態的河段長5.0 km，約占全長的9.52%。

表2 模糊綜合評價法與灰色關聯分析法對永定河各調查河段不同自然性等級的評價結果Table 2 Evaluation of different naturalness classes for different reaches of Yongding River by fuzzy comprehensive evaluation and grey correlation analysis

3.2 不同河段的自然性等級分析

結合河流實地調查來看，第11、12、13河段處于自然狀態，第4、6、8、19、20河段為近自然狀態。處于自然與近自然狀態的調查河段遠離村莊，人為干擾少，靠近山體水環境良好，河流水體清澈且濁度為0.99～2.20，緩沖帶植被多樣性大于1.00，高于平均值(表3)。河道基本維持自然形態且具有充足的水量，水生物種生長狀況較好，兩岸喬灌草植被層次結構分明，植被覆蓋度較高。針對自然狀態與近自然狀態的河段，應加大河流的管理力度，維護河流現狀，防止河流自然性退化。

表3 永定河北京山峽段主要定量指標數據Table 3 Data of main quantitative indexes in Beijing Gorge Section of Yongding River

第3河段與第17河段處于近自然狀態與退化狀態的過渡帶。第3河段受灌溉引水、雍水壩、發電廠、攔水壩等工程的干擾較大，河流渠道化工程使得河流平面形態為直線，斷面形態為梯形，岸坡坡度44.20°，兩岸土地多被道路和建筑利用；水域生態系統的結構和功能受到影響，河流兩岸生物的多樣性降低，魚類、底棲類生物的生存環境受到威脅。根據河溪近自然評價標準，本河段定量評價指標中41.67%處于近自然狀態，58.33%處于退化狀態。第17河段靠近村莊，受當地農家樂旅游發展影響，沿河景觀較多，景觀多樣性指數81.18%，水的濁度為2.48，大于平均值。該河段定量評價指標中66.67%處于近自然狀態，33.33%處于退化狀態。根據評價結果，結合實地調查情況與河流自然性評價標準，最終確定第3河段與第17河段處于退化狀態。應盡量改雍水壩和攔水壩為生態措施，增加魚類回游產卵通道，保護水生動物多樣性和改善底棲生物生境條件，加強對農家樂旅游的政府監管，加大綠色可持續發展理念的宣傳。

第2、5、7、9、14、15、16、18、21河段為退化狀態。調查發現：這些河段建有大量度假村和農家樂，景觀多樣性指數和觀賞游憩價值較高，但對生態系統干擾較大，負面影響較大。如第5河段的妙峰山旅游景區、第16河段的京西十八潭景區和第21河段的青白口旅游度假村，景觀多樣性指數分別為81.34%、89.62%和81.98%；因魚塘、燒烤店和農家樂等產生的生活垃圾亂堆亂放現象嚴重，環境污染較大，河流水質惡化，河流底棲生物生境遭到破壞。第2河段沿途農家樂餐廳、便利店、漁具店等產生的大量生活垃圾，使得河流兩岸緩沖帶植被多樣性指數(0.86)低于調查河段的平均值，河水濁度與氨氮質量濃度較大。針對具有景觀功能的河段對河流造成的破壞，應加強垃圾處理，規范民俗旅游管理，督促經營過程中產生的污染物達標排放；重點監管河流周邊化肥使用量，以減少水體污染。

第1、10河段處于人工狀態。灰色關聯分析結果發現：第1河段關聯度是0.789，大于其他3個狀態，相關程度最密切。該河段緊鄰三家店水庫，防洪功能突出但生態功能弱化；河道兩岸均為漿砌石護岸，河濱濕地和緩沖帶消失，河流兩岸的植被遭到大量破壞。第10河段自然性等級最大值為0.759，屬于人工狀態。該河段周圍村莊眾多，土地利用類型多為居住和建設用地；河流岸坡結構多為干砌石結構，彎曲度接近于1；水利工程較多，河岸緩沖帶受到擠占幾乎消失，多用于農業生產，不利于行洪。針對防洪功能的漿砌石干砌石河岸，改善河段的自然性等級難度較大；應在該處河段上、下游做好防洪安全，保護河堤, 并且在有條件的河岸創造多樣化生境，以提高生物多樣性。

4 結論與討論

河流自然性評價系統是一個典型的、具有模糊性的灰色系統。模糊綜合評價和灰色關聯分析法的結果基本相同，且與河流的實際情況相符合，因此利用這2種方法對永定河北京山峽段河流自然性評價是可行的。2種方法對第3與第17河段評價結果不同，主要原因是模糊綜合評價中隸屬度矩陣是主觀賦值，一定條件下會引起同樣的指標體系由于主觀意志的不同造成權重不同，最終影響評價結果。在今后的研究中，應根據河流的實際情況和評價目的慎重確定。

本研究較全面地考慮了調查河段的特性，建立了自然性評價指標體系，在評價其自然性的基礎上，調查了永定河北京山峽段河流的河床動態變化、岸坡結構、緩沖帶植被多樣性等25個指標，并確定了其權重系數，這樣能科學、合理地控制評價方向，反映出不同河道的保護利用方式下河流自然性受到的影響，達到調查河段的評價狀態能盡量客觀地反映實際河流狀況，但各個河段評價結果與人為對各項指標賦予不同權重或其他因素(氣候、土壤等)有關，可能引起結果略有偏差，還有待進一步深入研究。

本研究運用的評價體系是以永定河北京山峽段為背景，在一定程度上擴寬了河流自然性評價研究的思路和方法，但仍有不足。如沒有考慮河流評價指標受時間動態的影響；評價指標選取主觀性太強，受條件和資料的限制未考慮浮游動植物等。因此，對于不同空間尺度和地域差異的河流來說，河流自然性評價指標、體系構建應根據河流的實際情況進一步篩選、判斷。