基于云模型的生態(tài)影響評(píng)價(jià)
——以凌源市青龍河流為例

劉慧艷

(凌源市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院，遼寧 凌源 122500)

0 引 言

青龍河流域降雨量較大，支流縱橫交錯(cuò)，河道坡度大，洪水總量多，又無(wú)大流域調(diào)蓄，形成峰高量大的特點(diǎn)，其極具破壞性。大雨成大災(zāi)，小雨成小災(zāi)，歷年成災(zāi)，特別是近些年，氣候急劇變化，局部降雨頗多，成災(zāi)的機(jī)率增加，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的高效發(fā)展以及沿河居民財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)極大威脅。為合理開發(fā)青龍河水資源，減輕其支流星干河、五道梁河、都源河、湯道河、大北河以及下游的防洪負(fù)擔(dān)，解決超標(biāo)準(zhǔn)洪水威脅和流域洪澇災(zāi)害的問(wèn)題，先后在中上游修建了中小型水庫(kù)、分洪閘、攔河閘等水利樞紐，立項(xiàng)實(shí)施了筑堤加固和疏浚治理工程。

在城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉、流域防洪等方面水庫(kù)閘壩工程起著重要作用，同時(shí)也帶來(lái)了許多不利影響。近年來(lái)，隨著上游用水量增加河流接受的生產(chǎn)生活廢水量不斷增多，青龍河流域逐漸呈現(xiàn)生態(tài)環(huán)境惡化、斷流、干旱等問(wèn)題。河流閘壩控制工程大幅度削減了青龍河主河道水體自凈能力，其水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)已超過(guò)Ⅴ類地表水。河流的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受嚴(yán)重污染的河水已出現(xiàn)破壞，青龍河的生態(tài)功能不斷退化，嚴(yán)重威脅著地下水質(zhì)及當(dāng)?shù)鼐用竦娘嬎踩瑢?duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生明顯的制約。依據(jù)區(qū)域規(guī)劃，青龍河主要承擔(dān)著下游農(nóng)業(yè)灌溉、排除農(nóng)田與城區(qū)澇水、中下游景觀娛樂(lè)、安全下泄上游洪水等功能，故定量評(píng)價(jià)青龍河生態(tài)影響非常重要[1-5]。

國(guó)內(nèi)外研究評(píng)價(jià)河流生態(tài)影響的成果豐碩，如Karr、White等給出了河流生態(tài)健康狀況評(píng)價(jià)的生物完整性指數(shù)法和表征河流水文特征的參數(shù)指標(biāo)；Brierley等提出了河流形態(tài)結(jié)構(gòu)的框架及其評(píng)價(jià)控制流程。對(duì)于河流健康評(píng)價(jià)我國(guó)相關(guān)研究相對(duì)較晚，許多學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)河流生態(tài)健康借鑒國(guó)外理論與經(jīng)驗(yàn)開展創(chuàng)新性探究，形成了豐碩的研究理論和方法，如均方差法、專家調(diào)查法、層次分析法、主成分分析和熵值法等，并取得理想的實(shí)踐應(yīng)用效果。宋剛福等對(duì)河流生態(tài)健康利用改進(jìn)的方法實(shí)行全面、逐層的評(píng)價(jià)[6]。河流生態(tài)評(píng)價(jià)覆蓋范圍廣、涉及因素多，因素集通常存在屬性復(fù)雜性、模糊性、隨機(jī)性和多層次等特點(diǎn)，不同參評(píng)因素間具有復(fù)雜關(guān)系，甚至可能出現(xiàn)不相容的單因素評(píng)判結(jié)果。鑒于此，本研究對(duì)河流生態(tài)影響評(píng)價(jià)中引入定量與定性相互轉(zhuǎn)換的云理論，有機(jī)地結(jié)合評(píng)價(jià)等級(jí)的隨機(jī)性與模糊性，從而構(gòu)建生態(tài)評(píng)價(jià)云模型，以實(shí)現(xiàn)不確定性評(píng)價(jià)河流生態(tài)狀況。

1 云模型

1.1 云概念

定義1：設(shè)U、C是用精確數(shù)值表征的定量論域以及論域U上的定性概念，若C的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)為定量值x且x∈U，則有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)μ(x)∈[0,1]就是因素x對(duì)C的隸屬函數(shù)，其數(shù)學(xué)形式為：

μ(x)：U→[0，1]，?x∈U，x→μ(x)

(1)

論域U上x的分布以及每一個(gè)x稱為云和云滴，可見隸屬函數(shù)與任意因素x均存在一對(duì)多的轉(zhuǎn)化關(guān)系，兩者并非傳統(tǒng)的模糊隸屬關(guān)系。對(duì)此，云模型利用三個(gè)數(shù)字特征期望Ex、熵En、超熵He表征定量特性和定性概念，并記為(Ex，En，He)。

1.2 正態(tài)云模型

定義2：依據(jù)以上定義，若存在條件x-N(Ex,En'2)，且En'-N(En,He2)，則利用下式計(jì)算C的確定度：

(2)

則論域U上x的分布稱為正態(tài)云，正態(tài)云能夠客觀地反映各指標(biāo)的特征以及各類數(shù)據(jù)分布情況，所以其普適性較強(qiáng)。

定性概念的產(chǎn)生利用正態(tài)云發(fā)生器實(shí)現(xiàn)，其相關(guān)運(yùn)算有：①以(Eni'2)與He2為方差、以Ex與En為期望值，生成隨機(jī)數(shù)xi=NORM(Ex，Eni'2)和Eni'2=NORM(En，He2)，其中NORM( )為正態(tài)分布函數(shù)；②然后借助Matlab軟件和公式μi=e-[(xi-Ex)2/2(Eni')2]生成正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)。

通過(guò)運(yùn)算可以在各評(píng)價(jià)等級(jí)邊界內(nèi)生成一個(gè)云滴(xi，μi)，重復(fù)以上步驟直至達(dá)到預(yù)先設(shè)定的n次要求，從而生成擁有n個(gè)云滴數(shù)的云，并實(shí)現(xiàn)定性概念的表征。

1.3 云評(píng)價(jià)模型

步驟1：設(shè)U={u1,u2,…,un}、V={v1,v2,…,vm}、W={w1,w2,…,wn}為生態(tài)影響評(píng)價(jià)的有限因素集、評(píng)語(yǔ)集和權(quán)重集，m、n為等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)與參評(píng)因子數(shù)。定性概念的數(shù)字特征利用云模型及確定的單因素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)反映，記為(Ex，En，He)。設(shè)U={u1，u2，…，un}、V={v1,v2,…,vm}、W={w1,w2,…,wn}為生態(tài)影響參評(píng)因素i對(duì)應(yīng)等級(jí)j的上、下邊界值，則可以用云模型表征等級(jí)j下因素i的定性概念，即：

Exi,j=(xi,j1+xi,j2)/2

(3)

兩個(gè)相鄰等級(jí)的界限值通常為邊界值，該條件下隸屬于兩種級(jí)別，對(duì)此可視為隸屬于兩個(gè)相鄰級(jí)別的程度相等，即：

(4)

超熵Hei,j代表云滴的凝聚程度，其數(shù)值越大則正態(tài)云越厚，熵的不確定性越高，結(jié)合試驗(yàn)或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)綜合確定Eni,j的大小。

步驟2：根據(jù)每個(gè)等級(jí)下各參評(píng)因子的云數(shù)字特征(Exi,j,Eni,j,Hei,j)，采用所有待評(píng)樣本的特征值和正向云發(fā)生器生成相應(yīng)的隸屬度矩陣，其表達(dá)式為：

(5)

隨機(jī)隸屬矩陣R反映了評(píng)語(yǔ)集V與因素集U之間的關(guān)系，因素集U所對(duì)應(yīng)的權(quán)重模糊子集為W，并利用模糊數(shù)學(xué)法轉(zhuǎn)換處理隸屬度矩陣R與權(quán)重集W生成模糊子集B，其表達(dá)式為：

B=W?R

(6)

式中：⊕為論域V的一種運(yùn)算方式；B=(b1，b2，…，bm)，代表參評(píng)樣本隸屬于某等級(jí)的程度。

步驟3：依據(jù)模糊子集B與最大隸屬準(zhǔn)則決策過(guò)程中，考慮到隸屬度準(zhǔn)則在隸屬等級(jí)相等情況下可能發(fā)生失效的問(wèn)題，為保證評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性與準(zhǔn)確性，將評(píng)價(jià)等級(jí)利用模糊可辨識(shí)別模型確定，其數(shù)學(xué)公式為：

(7)

(8)

2 青龍河生態(tài)影響評(píng)價(jià)

2.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

文章結(jié)合青龍河流域?qū)嶋H情況以及河流生態(tài)健康相關(guān)研究成果，遵循動(dòng)態(tài)性與連續(xù)性、靈活性與可比性、可操作性與可行性、層次性與系統(tǒng)性等原則，綜合利用專家咨詢法、理論分析法和頻度統(tǒng)計(jì)法，從反映河流生態(tài)變化趨勢(shì)、生態(tài)影響現(xiàn)狀、生物狀況、棲息地質(zhì)量、水環(huán)境情況、水文條件等角度合理選擇參評(píng)因子，并構(gòu)建梯階層次評(píng)價(jià)體系，如表1所示。

表1 青龍河生態(tài)影響評(píng)價(jià)體系及其現(xiàn)狀值

采用百分制的專家調(diào)研打分法量化評(píng)價(jià)體系中的定性指標(biāo)，如水生生物存活狀況、水域濕地狀況、垂向透水性、橫向連通性、河岸與河床穩(wěn)定性指標(biāo)；然后利用下述量化公式計(jì)算其它定量指標(biāo)：

2.2 生態(tài)影響評(píng)價(jià)計(jì)算

將青龍河流域按照防洪規(guī)劃和歷史資料劃分為上游、中游、下游段，并利用專家賦分法和定量因子計(jì)算公式，確定各河段生態(tài)健康參評(píng)因子值，如表1。設(shè)定流域處于基本自然狀態(tài)的基點(diǎn)為流域開發(fā)程度低于5%，并以分值閾0.8-1.0、0.6-0.8、0.4-0.6、0.2-0.4、0.0-0.2代表健康、基本健康、亞健康、病態(tài)、瀕于崩潰5個(gè)級(jí)別，所對(duì)應(yīng)的生態(tài)影響程度依次為很小(Ⅰ級(jí))、一般(Ⅱ級(jí))、較嚴(yán)重(Ⅲ級(jí))、嚴(yán)重(Ⅳ級(jí))、非常嚴(yán)重(Ⅴ級(jí))，各等級(jí)的生態(tài)學(xué)意義如表2所示。

表2 生態(tài)影響評(píng)價(jià)等級(jí)

根據(jù)國(guó)家適用標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)有研究成果和青龍河相關(guān)歷史資料，通過(guò)邀請(qǐng)領(lǐng)域內(nèi)的專家參與評(píng)判以及綜合對(duì)比分析多個(gè)區(qū)域，經(jīng)適當(dāng)調(diào)整明確不同等級(jí)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)所有參評(píng)因子權(quán)重按照文獻(xiàn)中的層次分析法及其流程確定，如表3所示。

表3 不同等級(jí)的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值

2.3 結(jié)果與分析

根據(jù)各參評(píng)指標(biāo)的現(xiàn)狀值、權(quán)重值和標(biāo)準(zhǔn)特征值，對(duì)青龍河流域上、中、下游段的生態(tài)影響狀況利用云模型評(píng)價(jià)，如表4所示。為進(jìn)一步驗(yàn)證云模型的可行性與合理性，對(duì)比分析了改進(jìn)拉開檔次法、拉開檔次法和層次分析法的評(píng)價(jià)結(jié)果。

表4 青龍河生態(tài)影響評(píng)價(jià)值

對(duì)青龍河流域上、中、下游的生態(tài)影響狀況利用云模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，其綜合指數(shù)為0.546、0.531、0.560，依據(jù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)青龍河總體處于亞健康狀態(tài)，人類活動(dòng)對(duì)河流系統(tǒng)已產(chǎn)生顯著干擾，水生生物的繁衍和生存受到較大影響。其中，生態(tài)狀況最差段為中游，而下游段較好，其原因?yàn)橹猩嫌斡盟^(guò)度導(dǎo)致下游河段經(jīng)常出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，下游徑流量年內(nèi)存在較大變化。由各子系統(tǒng)權(quán)值可知，河流生態(tài)系統(tǒng)受水環(huán)境狀況的影響最大，青龍河整體上達(dá)到中污染程度，部分河段處于嚴(yán)重污染現(xiàn)狀。2015-2018年實(shí)測(cè)資料顯示，青龍河水質(zhì)狀況除汛期外均達(dá)到劣Ⅴ類；此外，從河岸帶狀況和河流形態(tài)結(jié)構(gòu)上，青龍河流域也面臨著嚴(yán)峻形勢(shì)，由于不合理的開發(fā)和濱河濕地侵占等，現(xiàn)階段亟待加強(qiáng)生態(tài)治理及環(huán)境保護(hù)。評(píng)價(jià)結(jié)果能夠客觀、真實(shí)的反映青龍河實(shí)際情況，可見對(duì)于河流生態(tài)影響評(píng)價(jià)云模型具有較強(qiáng)的適用性、可靠性。

3 結(jié) 論

文章以青龍河流域?yàn)槔瑢?duì)其上、中、下游的生態(tài)影響狀況利用能夠?qū)崿F(xiàn)定量與定性轉(zhuǎn)化的云模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究表明，青龍河流域總體達(dá)到亞健康狀態(tài)，其中生態(tài)狀況最差段為中游，而下游段較好，為恢復(fù)自然水文情勢(shì)有必要實(shí)施閘壩生態(tài)調(diào)度，通過(guò)非工程與工程措施實(shí)現(xiàn)生態(tài)補(bǔ)水和修復(fù)。

云模型具有考慮評(píng)判的隨機(jī)性與參評(píng)因素概念模糊性的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比改進(jìn)拉開檔次法、拉開檔次法和層次分析法評(píng)價(jià)結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了云模型的實(shí)用性、可靠性，對(duì)于多因素復(fù)雜問(wèn)題的評(píng)價(jià)該模型具有較高的適用性。