基于云模型的生態(tài)河道建設評價

趙晨程，高玉琴，劉 鉞，吳 迪

(河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

水生態(tài)文明是生態(tài)文明的重要組成部分[1]，也是河長制實施的最終目標。準確定義生態(tài)河道，建立科學合理的評價指標體系具有重要的指導意義和研究價值。

目前，在生態(tài)河道建設評價指標體系與評價方法等方面已有諸多研究。陳平等[2]認為生態(tài)河道建設要重視整治后原有生物群落的恢復，構建了5個指標群的生態(tài)河道評價指標體系；高曉琴等[3]指出生態(tài)河道治理經(jīng)歷了自然型河道階段和生態(tài)型河道階段，河流生態(tài)修復需要同時考慮河床水體和河岸帶生態(tài)恢復的作用，兼顧河道安全和生態(tài)健康，將城市生態(tài)系統(tǒng)影響納入生態(tài)河道建設；左倬等[4]根據(jù)中國城市河道生態(tài)建設特點，選取濱岸帶生境、濱岸帶生物群落、河床生態(tài)環(huán)境、河床生物群落和特征指標群5個一級指標以及23個二級指標，構建城市河道生態(tài)符合指數(shù)的概念，定量描述城市河道生態(tài)水平；曹文彪等[5]使用基于層次分析法的模糊綜合評價模型對崇明島河流生態(tài)進行研究；Reheman等[6]以Landsat遙感影像和水文數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，對比分析水利工程建設前后區(qū)域植被覆蓋變化特征，表明水利工程建設對生態(tài)環(huán)境有修復作用，促進了水資源高效利用；熊坤楊[7]基于河道水質、河道環(huán)境、河內物種、生態(tài)需水量、水利功能、河道管理等6個指標建立了較為系統(tǒng)的生態(tài)河道評價體系。

云模型是基于傳統(tǒng)概率統(tǒng)計和模糊數(shù)據(jù)衍生而來的定量、定性轉換模型，其數(shù)字特征可有效表現(xiàn)定性概念的定量特性[8]，兼顧事物的模糊性和隨機性。云模型評價方法在水利領域已應用于流域綜合評價[9]、水資源保護效果評價[10]、河長制考核評價[11]、低影響開發(fā)措施綜合效益評價[12]等方面，而采用云模型對生態(tài)河道建設進行評價的研究還不多見。本文以江蘇省宿遷市為例利用云模型對生態(tài)河道建設進行評價。

1 生態(tài)河道建設評價指標體系及評價標準

生態(tài)河道建設主要依靠自然作用，通過少量人為方式，在符合河道基本水利功能的前提下維持河道的生態(tài)平衡和生物多樣性[13]，建設城市生態(tài)河道的目的是維持河道水質、水量以及生態(tài)的有機統(tǒng)一[14]。生態(tài)河道建設應重視發(fā)揮生態(tài)服務功能和完善生態(tài)保育功能，維持河道正常運行的環(huán)境條件，為人類和自然提供生態(tài)服務；生態(tài)河道建設應保證生態(tài)結構完整性，當生態(tài)河道建設發(fā)展過程中出現(xiàn)干擾問題時，應可及時恢復原生態(tài)結構。

生態(tài)河道建設總體目標為：有效保障水安全、永續(xù)利用水資源、保持水環(huán)境整潔優(yōu)美、保持水生態(tài)系統(tǒng)健康、傳承弘揚水文化。我國應從以下幾方面落實生態(tài)河道建設：建成防洪減災體系，高效利用水資源，維護經(jīng)濟社會穩(wěn)定發(fā)展，落實水資源管理制度，保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展；優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，減少污染排放，降低環(huán)境自凈負荷，治理河湖亂占、亂建、亂排的“三亂”現(xiàn)象；消除黑臭水體，溝通水系，涵養(yǎng)水源，修復河湖生態(tài)；保護、挖掘、弘揚水文化，豐富水文化內涵；實現(xiàn)河湖資源有序利用，完善河湖長效管護體制機制。

1.1 評價指標體系

本文根據(jù)中央、省、市關于生態(tài)文明建設的決策部署要求，參照《宿遷市生態(tài)河湖行動計劃(2018—2020年)》，選擇水安全保障、水資源保護、水污染防治、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復、水文化建設、水工程管護、水制度創(chuàng)新8個方面的30項指標，建立生態(tài)河道建設評價指標體系，如圖1所示，各指標通過定量數(shù)值來體現(xiàn)，除底泥污染程度按5分制計算外，其余各指標均以百分制計算。

圖1 生態(tài)河道建設評價指標體系

1.2 評價等級與標準

根據(jù)數(shù)值大小和相關評價文獻[2,5,9,11]將生態(tài)河道建設評價指標分為5個等級：不合格、合格、中等、良好和優(yōu)秀，評價指標各等級數(shù)值范圍見表1。

表1 生態(tài)河道建設評價指標的等級與標準

2 基于云模型的生態(tài)河道建設評價模型

2.1 云模型理論

云模型概念最初由李德毅院士提出[15]，按機制可分為正向云發(fā)生器(forward cloud generator, FCG)、逆向云發(fā)生器(backward cloud generator, BCG)和條件云發(fā)生器，按不同形式隸屬函數(shù)可分為不同類型的云模型。正態(tài)分布現(xiàn)象在自然界極為普遍，許多大樣本統(tǒng)計量近似服從正態(tài)分布，正態(tài)云模型能反映和描述其中的模糊性和不確定性[16]，因此得到廣泛應用。

正態(tài)云模型采用期望Ex、熵En、超熵He作為特征值。期望即數(shù)學期望，反映所有云滴的平均值，熵反映云滴之間的離散程度，超熵反映熵的不確定程度。云模型通過云發(fā)生器完成特征與云滴的互相轉換，F(xiàn)CG是定性轉向定量的過程，通過云的數(shù)字特征生成大量云滴和對應的隸屬度；BCG則相反，通過定量的樣本(x)和確定度(μ)計算出云模型的定性概念(Ex，En，He)；條件云發(fā)生器以特定的X條件或Y條件作為規(guī)則產(chǎn)生隸屬度。

2.2 云模型計算指標權重和指標等級

收集若干專家對指標賦予的權重，通過BCG求解每個項目的云數(shù)字特征(Ex，En，He)，通過FCG生成更多云滴，將確定度μ最大時對應的x作為對應指標Ci的權重計算值[17]，對指標的隸屬度進行歸一化處理[18]。考慮到最大隸屬度準則可能造成評價結果信息損失，進而影響評價效果，本文采用級別特征值法進行評價等級判斷，即不合格、合格、中等、良好和優(yōu)秀分別為50、60、75、85和95，最后得到總體評分和評價等級。

2.3 云模型評價流程

將專家打分結果輸入云模型中，利用BCG生成相應的云數(shù)字特征后，將獲取的云數(shù)字特征輸入FCG實現(xiàn)云滴的有效補充，依據(jù)生成的云數(shù)字特征評價生態(tài)河道建設情況。基于云模型的生態(tài)河道建設評價流程如圖2所示。

圖2 云模型生態(tài)河道建設評價流程

3 實例評價

3.1 江蘇省宿遷市生態(tài)河道基本情況

宿遷市位于江蘇省北部，地處淮、沂沭泗水系下游，有2區(qū)3縣，總面積8 555 km2。全市共有2 045條縣鄉(xiāng)以上河道、5 655條村級河道，近 8 000名河長、警長。至今已完成10條生態(tài)示范河道建設，整治骨干河道20余條，啟動西南片區(qū)水環(huán)境規(guī)劃方案編制，開展水環(huán)境治理。2018年全市年用水量控制在29.3億m3以內，萬元國內生產(chǎn)總值用水量為101.3 m3。2018年完成重點水利工程投資4.44億元，區(qū)域防洪除澇能力得到進一步增強。近年來大力推進生態(tài)河道建設，提出“一核、兩湖、三片、四廊、多點”的概念[19]，市河長制辦公室先后開展5輪月督查、18輪河湖“三亂”專項督查，解決了一批歷史積累的問題，為宿遷市水生態(tài)文明建設、經(jīng)濟發(fā)展和民生改善提供了有力保障。

3.2 云模型指標權重計算

邀請10名專家對生態(tài)河道建設評價指標打分，得到各一級指標初始權重，通過云模型BCG計算每個樣本的特征值，通過FCG補充云滴，模擬1 000位專家的指標權重，將均值作為最終權重結果，如表2所示，各一級指標的云數(shù)字特征如表3所示。重復以上過程分別求出云模型各指標在子體系中的權重以及在評價指標體系中的權重，如表4所示，各指標體系權重云模型如圖3所示。

表2 一級指標權重專家評估值及云模型計算值

表3 一級指標云數(shù)字特征

表4 子體系各指標云數(shù)字特征及權重

(a) 生態(tài)河道建設體系

3.3 云模型評價等級計算

根據(jù)宿遷市生態(tài)河道建設情況，通過條件云發(fā)生器計算出各評價指標不同等級的隸屬度(表5)，最后通過級別特征值法[20]求出各評價指標綜合評價值，如表5所示。

表5 評價指標等級隸屬度和指標評價值

3.4 評價結果分析

由云模型指標權重(表4)和指標評價值(表5)進行加權計算可得2018年宿遷市生態(tài)河道建設綜合評價值為89.52，屬于良好水平，各子指標體系B1～B8的綜合評價值分別為94.32、80.36、86.98、92.04、87.67、89.38、91.90、94.92，其中水資源保護子體系評價值較低，為80.36，其余在85～95之間。主要原因是宿遷市地表與地下水資源量較少，主要依賴上游來水，水資源開發(fā)利用程度過高，遠高于國際公認的40%警戒線。此外，為改善生態(tài)河道狀況，還應加強農(nóng)村面源污染治理和船舶污染防治，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，從源頭減少污染物的排放，提升水生態(tài)承載力。

4 結 語

生態(tài)河道建設評價指標體系需要結合水資源、水質、社會、經(jīng)濟、生態(tài)、環(huán)境等因素，指標多、涉及面廣，且不同河道間存在類型、結構、功能上的差異，需要選擇易于理解、便于監(jiān)測、可操作性強的關鍵指標來表征河道生態(tài)健康的總體狀況。本文將云模型應用于宿遷市生態(tài)河道建設評價，在建立評價指標體系的基礎上，計算各指標權重和評價等級，用級別特征值法計算最終評價值，驗證了結果的合理性。正態(tài)云模型的適用性較廣泛，可以很好地處理等級邊界隸屬度問題，通過計算每個指標在不同評價等級的隸屬度，綜合判定最終指標等級，使得指標等級隸屬度模糊化，邊界過渡自然，具有一定的實用價值。運用云模型計算權重時，初始權重具有較強的主觀性，需要專家對實際情況有較深的理解，提高初始權重的客觀性，避免主觀意愿對結果造成較大影響。