基于層次分析法-模糊綜合評價的蘇北平原河流生態狀況評估

王鋮潔，方紅遠，朱 曄，潘光毓

（1.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇揚州 225009；2.江蘇省水文水資源勘測局宿遷分局，江蘇宿遷 223800）

0 引 言

河流是自然界中淡水資源存蓄的主要形式之一，具有重要的資源功能與生態服務功能，對人類的生產生活至關重要。經濟社會快速發展的同時，河流面臨著水質污染、水資源浪費、河道淤積嚴重和水生態環境惡劣等一系列問題，河流的生態狀況不容樂觀［1］。建立合理的水生態評價系統對河流進行有效的生態狀況評價，改善河流存在的問題，實現可持續發展尤為重要。

20 世紀80年代，隨著“生態系統健康”的概念產生，國內外學者對河流生態評價開展研究，提出了各有特色的評價指標體系，如美國提出了生物完整性指數，用魚類物種豐富度、指示種類別等12 項指標對河流的健康狀況進行評價［2］；澳大利亞提出了溪流狀態指數，構建了基于河流水文學、形態特征、河岸帶狀況、水質及水生生物方面的指標體系［3］；英國提出了河流無脊椎動物預測和分類計劃，將利用區域特征預測河流自然狀況下應存在的大型無脊椎動物的預測值與實際監測值相比較，從而評價河流健康狀況［4］。國內也相繼開展了長江、黃河等大型河流的生態狀況評估，王龍等人運用主成分分析法和聚類分析法，構建了包括河岸穩定性、河床穩定性等22個指標的健康長江評價指標體系［5］，牛明香等人構建了基于“壓力－狀態－響應”模型的黃河河口區生態系統健康評價指標體系［6］。但我國幅員廣闊，地形地貌差異大，尚未形成統一規范的河流生態狀況評價指標體系。平原河網地區河流水動力較弱，流量較小，水文狀況復雜，不適用大江大河的生態評估方法。因此，結合平原河網地區的自然特點與河流生態系統的特征，研究分析合理的平原河流生態狀況評價體系具有現實意義。本文基于層次分析及模糊數學理論，即先通過層次分析法確定目標層、準則層、指標層和各指標權重，再用多層次模糊綜合評價法對河流生態狀況進行綜合評價。結合蘇北（宿遷）平原河流的實際情況，對平原河流生態狀況指標體系與評估模型建立進行了初步探討。

1 河流生態狀況評價模型

1.1 研究方法

河流的生態狀況評價是涉及多因素的綜合性評價問題，科學的指標評價體系是正確評價河流生態狀況的基礎，合理的評價方法是有效評價河流生態的關鍵。本研究比對現有的不同地區的河流評價準則，考慮區域性原則，建立合理的指標體系，并將層次分析法［7，8］和模糊綜合評判方法［9］結合，構建層次分析法-模糊綜合評價模型來對河流進行生態狀況評估，減少因人主觀判定評價指標影響程度而帶來的評價結果的主觀性和模糊性，提高準確度。基本步驟如下：

第一，建立指標體系。比對不同地區的河流生態評價標準，確定評價指標。即對河流評價系統進行層次分析，將河流生態狀況目標分為n個準則層，即A={B1，B2，…，Bn}，再分成m個指標，即Bn={Cn1，Cn2，…，Cnm}。

第二，確定權重和評價等級標準集合。利用層次分析法建立判斷矩陣進行權重計算并做一致性檢驗，驗證計算合理得到準則層WB和指標層的權重集WC，即WB=(wB1，wB2，…，wBn)，WC=(wCi1，wCi2，…，wCim)。通過查閱文獻與標準確定各指標的等級標準V={v1，v2，…，vs}。

第三，建立隸屬度矩陣。將各指標的實際值x與等級標準比較得到相應指標的隸屬度r，并建立指標層的隸屬度矩陣Ri，即Ri={ri1，ri2，…，ris}。

第四，對準則層與指標層進行兩級模糊評價。將權重集與隸屬度矩陣模糊乘可得到模糊矩陣Bi，將權重集WB與模糊矩陣B進行模糊乘計算得出歸屬矩陣S，最終根據最大隸屬度原則得到河流生態狀況評估結果。

1.2 評價模型構建

1.2.1 評價指標選取

生態狀況優良的河流不但保持生態系統的完整性，具有穩定的、有彈性的自然生態系統結構，還應強調對社會服務功能的發揮，如滿足較高標準的防洪、供水等社會服務功能需求［10］。因此，評價指標不僅要能全面完整反映河流的生態健康狀況，同時也能獨立反映河流的生態特征，還要考慮評價指標的可操作性，指標分析計算所需的數據易于獲取等要求［11，12］。

本文以中國東部的平原河網地區江蘇省、浙江省的河流生態狀況評估規范為基礎，通過對比山東省、遼寧省的評價規范［13-15］，并結合參照《河湖健康評價指南（試行）》［16］，分析各規范的共性指標與特性指標，再結合江蘇平原河網地區河流的自然屬性和社會服務功能與已有研究成果，綜合考慮選取指標。河流生態狀況評估指標分析見表1。

江蘇省《生態河湖狀況評價規范》所推薦選擇的評價指標具有普適性和可操作性，內涵明確且計算方便，本文在綜合比較分析其他相關省的評價規范基礎上建立的評價體系主要針對蘇北平原河網地區河流生態狀況評價。蘇北平原河網河流水動力相對較弱，水位和流量變化小，持續時間長，多處于平衡或準平衡狀態，一般情況下無顯著單向變形，且河道上閘、壩較多，人為干預較強［17］。因此本次研究在江蘇省規范的評價體系基礎上添加了底棲動物多樣性指標，增強河流水生物評價的客觀針對性；結合平原河流流速流量小的特點增加了河流流動性指標；考慮到平原河流上閘、壩多這一特點補充了河流連通性指標，最終建立了包含水生物、水生境、水空間、水安全和公眾滿意度5 類共16 項指標的河流生態狀況評價指標體系，對平原河流開展更有針對性的河流生態狀況評估。指標具體見表2。

1.2.2 權重計算與指標分級

河流生態狀況評價指標體系中的各指標重要程度不同，為確切反映指標對河流生態狀況評估的重要性，需要定量描述指標重要性。層次分析法是將指標分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行定性和定量分析的決策方法，在決策、研究中被廣泛使用［18］。本研究使用層次分析法進行權重計算，即分別構建準則層和指標層的兩兩比較的判斷矩陣，標度計算并進行重要性排序，同時檢驗判斷矩陣的一致性。構建判斷矩陣主要參考各地評價規范中的相應指標重要性排序與專家分析，盡可能減少主觀因素對評價的影響。

參考重要性排序與河流的社會服務功能，河流生態評價設2個否決項，分別為“水質優劣程度”和“公眾滿意度”，即當河流水質為劣Ⅴ類或公眾滿意度在60分以下時，河流生態狀況結果評估為“差”。參考《生態河湖狀況評價規范》的評估方法，準則層中公眾滿意度不進行計算評分。考慮到平原河網地區河流部分數據獲取不易，對于有指標缺失項的河流，將缺失指標的權重平均分給該指標所在指標類型的其他指標。具體計算結果見表2。

表2 河流生態評價指標體系及權重Tab.2 Index system and weight of river ecological evaluation

各指標的等級標準劃分采用標準法，各指標的等級劃分參考江蘇、浙江、遼寧省與《河湖健康評價指南（試行）》等規范中的等級劃分，并結合其他研究成果［11，17］來確定具體指標的健康程度，分為優良中差4 個等級，其客觀性較強，劃分等級結果見表3。

表3 河流生態評價指標體系等級標準Tab.3 Grade standard of river ecological evaluation index system

1.2.3 隸屬度矩陣的確定

（1）正向指標。正向指標指當指標值越大時，河流生態狀況越好，如河流著生藻類多樣性、生態用水滿足程度等指標。

當指標xim的值大于等級標準“優”時，該指標對應的隸屬度為1，其他等級的隸屬度為0，即xim＞Vim1時：

當指標xim的值介于等級標準Vimj和Vim（j+1）時，第（j+1）級隸屬度為：

對第j級的隸屬度為：

其他級別隸屬度為0。

當指標xim的值小于等級標準“差”時，該指標對應的隸屬度為1，其他等級的隸屬度為0，即xim＜Vim4時：

（2）逆向指標。逆向指標指當指標值越大時，河流生態狀況越差，如河流連通程度、綜合治理程度等指標。

當指標xim的值小于等級標準“優”時，該指標對應的隸屬度為1，其他等級的隸屬度為0，即xim＜Vim1時：

當指標xim的值介于等級標準vimj和Vim（j+1）時，第（j+1）級隸屬度為：

對第j級的隸屬度為：

其他級別隸屬度為0。

當指標xim的值大于等級標準“差”時，該指標對應的隸屬度為1，其他等級的隸屬度為0，即xim＞Vim4時：

式（1）～（8）中：xim是第i個準測層中第m個指標的實測值；rimn是第i個準測層中第m個指標第n級的隸屬度；vimj是第j級等級標準。

1.2.4 綜合模糊評價

模糊評價分為對指標層和準則層的一級模糊評價和準則層和目標層的二級模糊評價。一級模糊評價采用公式為：

式中：Bi是第i層準則層的模糊評價；Wci是指標層中對應的第i層準則層的權重集；Ri是第i層準則層隸屬度矩陣；wcim是第i個準測層中第m個指標對于該準則層的權重；rimn是第i個準測層中第m個指標的第n級隸屬度；Bin是第i層準則層的第n級隸屬度，?為模糊算子，采用M(·，+ )計算。

二級模糊評價采用公式：

式中：S是目標的模糊評價；WB是準則層對于目標層的權重集；B為一級模糊評價；wBi是第i層準則層的權重；Wci是指標對應的第i層準則層的權重集；Ri是第i層準則層隸屬度矩陣；Sn是目標的第n級隸屬度；?為模糊算子，采用M(·，+ )計算。

2 實例應用分析

2.1 研究區概況

蘇北平原宿遷部位處淮河、沂、沭、泗流域的下游，南臨洪澤湖，北接駱馬湖，總六塘河是蘇北平原河網地區的一條典型的平原河流。總六塘河位于宿遷市，起于駱馬湖洋河灘閘，穿淮沭河后與南北六塘河等河道匯入灌河，流入黃海，是沂南地區區域排澇骨干河道之一，主要承擔排澇及灌溉任務。河道全長76 km，流域面積691 km2。總六塘河地理位置見圖1。

總六塘河河道兩岸多為自然岸坡，自然植被分布較為完整，岸坡整體穩定性較好，河道兩岸違規占用岸線情況較少，但河道流動性較差，流量小，水流流速緩慢。根據洋河灘閘、復隆和項莊水文站的監測數據，僅在汛期可檢測到一定的流量，非汛期流量幾乎為零。總六塘河匯入支流多，沿線有東河、東民便河、世紀河、泰山河、馬河等22 條支流，但河上建有較多閘、壩，如洋河灘閘、六塘河閘、泗塘河擋洪閘、雍水閘、六塘河旱閘橡膠壩、世紀河閘，以及項莊水文站和復隆水文站等水利水文設施，監測并控制著引水、排澇、攔蓄回歸水灌溉等。

總六塘河水功能區劃為保留區，上游段與駱馬湖相通，水質較好，城區段因其排澇功能，河流水質受沿線支流污水河道的影響，城區支流匯入段水質較惡劣。河流的流動性、自凈能力差，河道內水生生物狀況較差，水草、魚類等生物多樣性減少。近年隨著區域水利現代化建設、骨干河道疏浚整治以及河長制的建立與完善，總六塘河總體水生態環境狀況已呈現出日益改善趨勢。

2.2 總六塘河生態狀況評估

根據所構建的平原河流生態狀況評價指標體系與確定的權重與評價標準，結合總六塘河實際生態狀況及其評估資料可獲得性，本文取2015年作為河道生態狀況評估現狀水平年，從水生物、水生境、水空間、水安全和公眾滿意度五個大方面對總六塘河進行河流生態狀況評估。其中河流水質、水生物、水功能區達標率等定量評價指標信息主要來源于水利部門發布的《2015年宿遷市水資源公報》、《2015 宿遷河流健康評估技術報告》、《宿遷市水功能區達標整治方案》、《2015年重點水功能區水質通報》等技術資料以及當年實時監測資料，而半定量定性指標信息則通過調查分析和主觀打分給出。

2015年總六塘河的河流公眾滿意度問卷調查顯示總六塘河公眾滿意度為65.67 分，2015年總六塘河總體水質狀況為Ⅳ類，均比兩個否決項的否決標準好，可繼續進行河流生態評估。總六塘河上沒有集中式飲用水水源地，故將該指標權重平均分配給水安全準則層下的其他指標［9］。根據2015年總六塘河清高橋實測斷面數據，河道內平均流速為0.038 m/s；總六塘河調查樣點共定量檢出浮游植物6 門20 屬29 種，底棲動物9 種，著生硅藻中心綱和羽紋綱2 綱5 目20 屬44 種。結合衛片數據統計以及當年現場調查踏勘結果，總六塘河河道兩岸多為自然岸坡，自然植被分布較為完整，植被覆蓋率較高，但河堤岸內開墾占用（林下）現象較多，岸坡整體穩定性好，但有50 m 長度左右侵蝕及塌岸現象和有40 km 河段兩岸堤防未滿足防洪設計標準，防洪達標率差；根據《2015年宿遷市水資源公報》，總六塘河總體水質狀況為Ⅳ類，水功能區達標率為41.7%。

根據2015年各項指標的實際值，應用公式（1）～（8），計算得到各個指標的隸屬度。總六塘河生態狀況評估指標數據見表4。

表4 總六塘河生態狀況評價指標權重及隸屬度Tab.4 Evaluation index weight and membership of Zongliutang River Ecological Condition

最后，應用模糊評價公式（9）和（10），得到總六塘河的評價結果，見表5。

表5 總六塘河模糊評價結果Tab.5 Fuzzy evaluation results of zongliutang River

從準則層的一級模糊評價結果可以看出總六塘河水生生物的評價兩極分化比較嚴重，因為著生藻類和浮游植物的多樣性相差較大；水生態環境評價等級為“中”，水質的優劣與河流的流動程度對結果影響較大，水空間評價等級為“優”，總六塘河的岸線管理保護較好，水安全的評價等級為“中”，根據一級模糊評價結果可針對河流存在的具體問題采取相應措施，改善河流生態環境。

最終得到總六塘河評價集合D=［0.169 3，0.145 1，0.450 5，0.235 0］，根據最大隸屬度原則，總六塘河生態狀況為“中”，與水利部門等綜合檢查對總六塘河現狀水平年的生態狀況評估結果相近，說明該評價體系較為客觀地反映了河流當年的實際狀況。

3 結 論

（1）基于平原河網地區的河流特性，對比不同省份的河流生態狀況評估規范，并結合參照《河湖健康評價指南（試行）》，嘗試性地建立一套適用于平原河網地區的河流生態評價指標體系，包括水生生物、水生態環境、水空間、水安全和公眾滿意度5個大類共16個指標。

（2）將層次分析法與模糊綜合評價相結合，構建了基于層次分析法-模糊綜合評價模型的平原河流水生態狀況評價體系。模型運用層次分析法確定各指標權重，根據等級標準計算相應的隸屬度函數，并進行兩次模糊評價，按最大隸屬度原則確定河流的生態狀況。

（3）應用建立的平原河流生態評價模型，選取蘇北地區的宿遷市總六塘河這一典型的平原河流進行實例分析，評估結果較為客觀、全面地反映了2015年總六塘河的河流生態狀況，且與該河流現狀水平年的多部門社會綜合檢查評價結果接近，表明該指標體系與評價模型可較好地應用于平原河流生態評價中，有一定的實際應用價值。□