基于改進層次分析法的航道生態性評價研究

陳 建，傅學誠，李 昕，張會杰，汪 越

(華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450000)

內河航道的建設是內河航運發展的前提和基礎，隨著“綠水青山就是金山銀山”的環保理念越來越深入人心，近些年航道的建設也正在朝著更加生態性的方向發展。在我國，生態航道的概念最早于2008年提出，針對我國內河航道生態建設與保護的理念開始形成，國內學者陸續對生態航道開展研究。

生態航道相關研究包括實際工程措施及理論體系研究，而在理論體系研究中，對航道生態性的評價一直是相關學者比較關注且對整個理論體系比較重要的部分。可應用于航道生態性評價的方法眾多，例如張志強等提出在生態航道系統中作出適配的生態足跡計算公式[1]、灰色關聯法[2]、層次分析法[3]等。本文選取在眾多領域均有實踐應用的層次分析法并加以改進，針對航道生態性評價的問題展開研究。

1 荊江航道整治工程概況

荊江位于長江中游上段，上起枝城下訖城陵磯，全長約347.2 km，以藕池口為界，分為上荊江和下荊江。上荊江為微彎分汊河型，下荊江為蜿蜒型河道。萬里長江，險在荊江。荊江由于其河道九曲回腸、灘多水淺，航道演變劇烈，成為長江中游通航條件最差河段，每年枯水季節經常礙航。近年來，隨著長江經濟帶建設上升為國家戰略，沿江經濟的快速發展和水運需求的持續旺盛，荊江通航能力不足問題進一步凸現。

為了解決這一問題，荊江航道整治工程于2013年啟動，2015年12月完工，總投資近43.3億元。荊江航道整治工程的范圍起于昌門溪止于熊家洲，工程重點對枝江至江口河段、太平口水道、斗湖堤水道、周天河段、藕池口水道、碾子灣水道、萊家鋪水道、窯監大河段、鐵鋪至熊家洲等9個灘段的13處淺灘或不穩定航槽實施整治。本工程的實施，可使荊江河段達到規劃確定的航道尺度3.5 m×150 m×1 000 m、通航保證率98%的Ⅰ級航道標準，滿足4艘3 000 t級駁船組成的萬噸級船隊和3 000 t級貨船雙向通航的要求。

2 評價體系選取

本文選擇的評價體系參考自李天宏等[6]研究構建的長江中游荊江河段生態航道評價體系。本評價體系分為目標層A、準則層B和指標層C，共選擇17個指標。荊江生態航道評價指標體系見圖1。

圖1 荊江航道生態性評價體系分層結構Fig.1 Hierarchical structure of Jingjiang waterway ecological evaluation system

3 評價計算原理及過程

3.1 指標得分確定

為了將各個指標量化，需要獲取每個指標的評分標準或者規則。各指標數據的評分標準及得分Yi見表1。為了體現出整治工程前后航道變化，選擇2011和2015兩個年份進行評價計算。評價區整治工程建設標準中的航道尺度為3.5 m×150 m×1 000 m（水深×航寬×彎曲半徑），保證率為98%；評價區國家重點保護脊椎動物中國家Ⅰ級重點保護野生動物共4種：東方白鸛、黑鸛、大鴇、麋鹿；國家Ⅱ級重點保護野生動物共6種：小天鵝、白額雁、鴛鴦、黑鳶、普通鵟、紅隼；評價區陸生生態環境中的林地生態系統、草地生態系統、濕地生態系統和農業生態系統，分別占評價區總面積的20.63%、23.91%、55.35%和0.05%；其余未列出的數據來源為《長江中游荊江河段航道整治工程環境影響評價報告書（簡本）》、《長江中游荊江河段航道整治工程（3.5 m）（長江中游荊江河段航道整治工程昌門溪至熊家洲段工程）竣工環境保護驗收調查報告》、相關統計資料、水資源公報等。

表1 評價體系指標的評分標準及分值Tab.1 Scoring standard and score of evaluation system index

3.2 指標權重計算

首先需要計算目標層A與準則層B之間的權重向量，并令其為ω'A。由于計算方法相同，準則層B與指標層C之間權重向量的計算不再贅述，只展示計算結果。計算步驟大致可分為以下6步：

（1）構建比較矩陣。第一步為構造比較矩陣，令其為矩陣A：

矩陣A反映的是評價體系同一層內各個元素相對于其他元素的重要程度。本評價體系將傳統層次分析法的“九標度法”簡化為“三標度法”。使用“三標度法”時矩陣A各元素取值規則如下：因素aj比ai明顯重要，取aij=0，兩因素同樣重要，取aij=1，因素ai比aj明顯重要，取aij=2。

早產兒住院期間需要進行全程監護，病情穩定的患兒可以母嬰同室，這時媽媽可以及時將乳汁用吸奶器吸出喂寶寶。但是，這樣就容易增加母乳的感染機會，需要特別注意奶具的消毒處理。早產兒在重癥監護室住院期間，一般是不允許吃吸出的母乳，因為不能保證母乳的新鮮度和衛生情況，尤其是在夏季。同時，有時媽媽送來的母乳可能正好趕上寶寶剛吃完配方奶粉，暫時不需要，用經過儲存后的母乳喂養容易引起寶寶消化不良及腹瀉。但是對于極低出生體重兒以及配方奶粉喂養不耐受的早產兒，可以在醫護人員的幫助下給予母乳喂養。

根據“三標度法”，將準則層B中的6個功能記為B1～B6，并將B1～B6兩兩進行對比，判斷其綜合重要性程度。由此可得出的比較矩陣A為：

將比較矩陣A中各行元素相加得到重要性排序指數ri，見表2。

表2 比較矩陣A中各元素及重要性指數riTab.2 Comparison matrix elements and importance index ri

由重要性指數排序計算結果可得，max（ri）=11，min（ri）=2，令K=max(ri)/min(ri)，則K=11/2=5.5。

（2）構造判斷矩陣。令判斷矩陣為B。矩陣B中的元素bij遵循的公式如下：

（3）構造傳遞矩陣。構造傳遞矩陣令其為C。矩陣C中的各元素cij遵循如下公式：

（4）構造最優傳遞矩陣。令最優傳遞矩陣為D。轉化的計算公式如下：

（5）求解矩陣B的擬優一致矩陣。矩陣B的擬優一致矩陣令其為B'，矩陣B'中的元素遵循的公式如下：

（6）求解擬優一致矩陣B'的特征向量。求得擬優矩陣B'后，需要求解矩陣B'的特征向量，求解方法如下：首先將擬優一致矩陣B'的每一列正規化，將列正規化的矩陣按照行方向相加，再將相加后得到的向量內每個元素除以n，得到擬優一致矩陣B'的特征向量，即所求的權重向量。

使用Matlab軟件對上述步驟中矩陣運算求解，求得B對A的權重向量。

令C對B的各權重向量為，若準則層和指標層元素個數相同，則權重向量為1，即。由以上計算過程同理可得，指標層各權重向量計算結果如下：；。

經過準則層權重向量與指標層各權重向量組合計算，最終得出17個指標的絕對權重如表3所示。

表3 評價體系17個指標絕對權重Tab.3 Absolute weight table of 17 indexes of evaluation system

3.3 航道健康評價

航道生態性評價體系最終目標層得分（即航道健康指數）的計算公式如下：

式中：ICH為航道健康指數，其取值區間為ICH∈[1,5]，規定ICH在 [5,4)取值范圍內的健康程度為優秀，在[4,3)取值范圍內的為良好，在 [3,2)取值范圍內的為一般，在 [2,1]取值范圍內的為差；Yi為指標層每個指標的得分，ωci為Yi相對應的指標層權重。荊江航道健康指數ICH計算結果見表4。

表4 荊江生態航道健康指數計算結果Tab.4 Calculation results of Jingjiang ecological channel health index

4 計算方法與結果分析

4.1 計算方法分析

本文采用的評價方法，是由層次分析法改進而來。首先，本方法改進了構造比較矩陣步驟中用到的判斷標準，將原先的元素X比元素Y“同等重要”“略重要”“較重要”等9個標度改進為元素X比元素Y“明顯重要”“同等重要”和“明顯不重要”3個標度，降低了判斷同一層元素之間重要性的難度；其次，將原先計算中的一致性檢驗步驟改進為構造一致性矩陣，省略了一致性檢驗可能造成的繁瑣計算；最后，改進層次分析法從方法上看仍屬于主觀賦權法，沒有消除計算結果中的主觀因素。

4.2 計算結果分析

4.2.1 荊江航道評價結果 將準則層的6個功能量化，得到2011年的結果為：3.263、2.892、2.847、4.153、3.500和4.000，2015年的結果為：4.709、3.302、3.742、4.363、4.500和5.000。從得分值前后變化程度上看，航運功能的得分值前后差距最大，分差為1.446分；而供水和生態功能的得分值前后差距較小，分差分別為0.210和0.410分。

航運功能得分變化最大的原因是：整治工程前通航主要會受到航道水深的限制，當水深不夠的時候，船只也會容易發生擱淺、觸礁事故，通過整治工程，通航水深、航標設備和航道安全的情況比較容易改善，在得分上的表現即為分值提高較大。因此雖然航運功能在準則層中所占權重較小，但經過整治帶來的提升效果是比較明顯的，得分的提升也最明顯。供水功能變化較小的原因是：在整治工程實施的過程中，由于施工帶來的水體污染導致荊江河段沿線取水口水質變差，部分水質監測指數超標，但隨著施工接近尾聲，水質得以恢復正常。生態功能得分變化較小的原因是：荊江整治工程中的生態措施主要針對的是水生生物，包括魚類、白鰭豚和江豚等，在整治的過程中，施工難免會對生境造成一定程度的破壞，為了避免傷害江中魚類，施工過程中會采取驅趕或者攔截等措施；且整治工程采取的生態措施并不會很快產生較好的效果，具有一定的滯后性。預測從長遠期來看，整治工程中的生態措施能夠有效提升荊江航道的生態性。

4.2.2 計算結果對比 使用傳統層次分析法得出的ICH值計算結果為3.40（2011年）和4.17（2015年），改進層次分析法計算值較傳統層次分析法大 0.032（2011年）和 0.017（2015年），相對偏差為 0.94%（2011年）和0.40%（2015年）。兩種計算方法得出的結果存在偏差的原因是：由“九標度法”改為“三標度法”，得出的比較矩陣存在差異，由此造成后續計算過程的數據也會存在差異；但最終兩種計算方法得出結果的偏差很小的原因是：通過“九標度法”和“三標度法”得出的比較矩陣在本質上是相同的，且構造一致性矩陣是一致性檢驗步驟的另一種便捷形式。在實際數據計算中，運用本文改進的層次分析法能在保證計算結果精確性和客觀性的前提下，降低運算量。

5 結 語

采用改進層次分析法，將傳統層次分析法計算步驟中的“九標度法”改進為“三標度法”，把傳統層次分析法中的一致性檢驗步驟轉化為構造一致性矩陣，簡化了計算量的同時使結果具有準確性和客觀性。將改進的層次分析法應用于長江中游荊江河段的生態性評價中，根據構建的評價體系將評價對象量化，對整治工程前后的生態效果進行對比，結果顯示荊江航道的健康指數由2011年的“良好”（ICH=3.432）上升為2015年的“優秀”（ICH=4.187），和使用傳統層次分析法計算得出的結果基本保持一致。

整治工程直接改善了荊江河段的航運、景觀娛樂功能，對荊江航道健康指數的提高起到了非常直觀的效果，屬于直接正向因素；而整治工程中運用的許多生態結構、措施和技術，其對生態性改善的作用并不會很快顯現，在施工過程中甚至對生態性有負面作用，因此航道健康指數也不會在短期內顯著提高，但卻為航道生境的改善提供了必要條件，在后期緩慢間接地提高航道健康指數，因此屬于間接正向因素；輸水泄洪功能和自凈功能下的指標較少，一共只有3個，而且輸水泄洪功能層下的最大排蓄洪水能力是由于人為的聯合調度使得防洪標準從百年一遇提升至千年一遇，與整治工程沒有太大關聯，但是確實提升了荊江河段的輸水泄洪能力，因此這兩者屬于模糊正向因素；供水功能在整治工程實施的過程中可能會由于施工、生活污水的排放而下降，但隨著施工的結束和補救措施的實行，此功能會恢復正常且將長期處于一個相對穩定的水平，因此屬于趨于穩定因素。