基于Topsis模型的黃河流域（沁蟒河段）土壤環境質量評價研究

于 超

（中化地質礦山總局河南地質局，河南鄭州 450002）

隨著科學技術的快速發展以及社會經濟的迅猛增長，使得人類面臨的社會問題及生態環境問題日益突出，經濟發展與生態環境保護的矛盾逐漸凸顯在人們面前。因此，堅持生態可持續發展是世界各國共同面臨的嚴峻挑戰[1]。沁蟒河流域位于河南省南太行山水林田湖草生態區西南部，地處河南省黃河高質量發展規劃區，沁蟒河流域可持續發展的根本在于生態環境的保護，該流域土壤環境質量是沁蟒河流域健康可持續的重要構成部分，是沁蟒河流域綜合發展與發展前景的重要影響因素。鑒于此，本文擬建立沁蟒河流域土壤環境質量體系，進一步評價該區域的土壤環境問題，為社會經濟發展政策的制定提供了重要依據，有益于保證流域土壤環境系統的正常社會服務功能，一定程度上促進了流域社會經濟環境整體協調可持續發展。

1 土壤環境質量評價理論

1.1 基本概念

土壤主要指的是地球陸地上能夠生長植物的疏松表層，是固相、氣相和液相三種相態組成的自然體，如土壤礦物、土壤有機物、土壤生物、土壤空氣和土壤水等。土壤生態系統就是三種相態之間的轉換，也是土壤生物與非生物之間的能量轉換和物質循環。土壤環境質量就是土壤生態系統中的主要組成物、結構以及功能等所處的狀態，能夠反映出土壤的容納、吸收和降解物質的能力[2]。因此，土壤環境質量主要取決于土壤在形成過程中內部各種特征的相互作用和土地的利用方式。土壤環境質量評價主要指的是根據目的和要求，按照一定的原則和方法對一定范圍內的土壤環境質量進行綜合分級，做出半定量和定量評價，如污染程度等。

1.2 評價指標權重的確定方法

指標權重方法是一種最為常見的評價方法，該方法中的權重大小對評價結果的影響程度存在差異，將這種影響程度差異的計算過程稱為賦權。即將不同的評價指標按照一定的計算過程賦權，通過一定的計算方案獲得最終各個評價因子的權重，進而對所獲得各個評價因子的權重進行匯總，得出該評價方案各個因子的權重總和。指標權重方法是一種常用的評價方法，權重的賦值方法也較多，根據賦值方法的差異大致可分為客觀賦權法、主觀賦權法和組合賦權法三種類型。不同的賦權方法所使用的場合存在一定的差異，多以根據賦權數據來源為主，如主觀賦權法一般與賦權人的專業知識儲備以及主觀經驗密切相關，客觀賦權法一般主要依據客觀的數據，前者的主觀性比較大，一般由行業領域的專家、抽調問卷等方式實現；后者以客觀數據為主，但需要的數據量較為龐大。無論是主觀賦權法還是客觀賦權法，其賦權難度均較大，為便于本次研究，本文選擇較為常用的熵權法和變異系數法，二者均屬于客觀賦權法中的一種類型。

1.3 熵權法

熵權法主要依靠指標變異程度來賦予客觀權重。通常而言，信息熵越小說明指標值的變異程度越大，權重更大，所反映的信息量更豐富，對實際工作的指導性越強。反之如果指標信息熵較大，則說明指標值的變異程度較小，所反映的信息量就更少，權重也更小。根據現階段已有的各種信息論的原理等，比較普遍的認識是有效信息量與信息熵之間存在正相關關系，按照現階段已有的各種信息論中的基本原理，認為評價指標所包含的有效信息量和信息熵的大小之間存在正相關關系，如果評價指標的信息熵的值越大，則表明該指標所對應的評估對象的差異性就越明顯，同時也反映了該評價指標對評價結果的貢獻率也就越大，其所代表的權重值也相應的越高；反之，若所選擇的評價指標的信息熵越小，則說明該評價指標所代表的權重值也就越低，即該評價指標對評價對象的敏感性也就越差[3]。根據前人大量的研究資料表明，熵權法能夠有效地消除評價過程中的人為因素，即該方法更能夠直觀地反映出評價對象的真實現狀。為得到科學、嚴謹、合理的權重系數，故采用熵權法確定權重系數。

1.4 “時間度”權重確定法

土壤環境的變化是處于動態變化中的，故以時間為基本評價指標才能更加有效地評價土壤環境的動態變化規律。因此，“時間度”權重在土壤環境動態評價中至關重要。“時間度”權重主要指的是在不同時間段內土壤環境質量的各個靜態結果。因此，當“時間度”接近0時，說明評價指標過程中時間的變化更加重要，也就是評價者對近期所獲得數據更加重視；當“時間度”接近于1時，說明評價者更加重視距離評價時間更遠的數據；當“時間度”權值為0.5 時，說明評價者對各個時間段的數據同樣重視[2]。

2 Topsis模型

Topsis 模型最初是由K.Yoon 和C.L.Hwang 于1981年提出的一種優劣比較方法，也是現代最為常用的綜合評價方法之一。Topsis 模型中確定正理想解和負理想解的兩個概念。其中，正理想解主要反映的是評估對象能夠達到的最好的狀態值，即評價指標的各個狀態均達到了最優值；反之，負理想解主要指的是評估對象能夠達到的最劣的狀態值，即評價指標的各個狀態均達到了最劣值。綜上所述，Topsis模型在綜合評價過程中將評估對象按照最優理想解和最劣理想解進行對比分析，進而按照歐氏距離、相對貼近度等數據進行數據評估。其中，相對貼近度主要指的是評價方案與正理想解和負理想解之間的貼近度，若某一評價方案與最優正理想解更加貼近，則表明該方案與負理想解距離越遠，也說明該評價方案是最好的方案。同時，歐氏距離測量評價與相對貼近度基本一致，即通過距離進行各個評價方案的排序，若歐氏距離距離正理想解越近，則說明該評價方案更優，反之則為最劣方案。

熵權-Topsis 模型是結合了熵權賦值與Topsis 模型的一種綜合評價方法，該方法在土壤環境質量綜合評價中取得了良好的應用效果，主要表現在以下幾方面：①熵權賦值方法是一種典型的客觀賦權法，該方法具有計算方法簡便、計算結果可靠的優勢；②Topsis 模型中的正理想解和負理想解賦值，與歐氏距離、相對貼近度等相比，更加直觀地表達了評價方案的優劣；③Topsis模型在不同領域的實用性較強，該模型對評價體系、目標以及整體或者局部等沒有明顯的限制，具有較廣的使用環境；④Topsis 模型可實現多個層次體系的評價，也可以有效解決單層次評價方案的評價過程。

在現階段常用的Topsis 模型中，一般是計算出評價指標正理想解和負理想解的歐氏距離，進而根據上述兩個理想解的歐式距離值對比分析。若某一個評價指標的歐式距離更加接近正理想解時，則說明該方案是最優的；反之，若該評價指標的歐式距離更接近負理想解而遠離正理想解時，則說明該評價方案是最劣方案。為客觀評價黃河流域（沁蟒河段）土壤環境質量，本文采用Topsis 模型，計算出正理想解和負理想解，進而評價其方案的優劣。

在Topsis 模型中，比較評價對象與正理想解、負理想解的歐式距離，如果評價對象最遠離負理想解，最接近正理想解則是最優方案，反之，若最接近負理想解，最遠離正理想解，則是最劣方案。Topsis 模型使用正、負理想解作為中介，實現各個評價指標的相互比較。

3 基于Topsis模型的黃河流域（沁蟒河段）土壤環境質量評價應用

3.1 熵值法確定權重

本文選取了研究區內2010～2021 年的土壤數據為樣本，對研究區內的土壤環境質量進行研究分析。為了使得研究數據更加可靠，本文所使用的數據均采用來自《中國環境統計年鑒》、中國土壤數據庫、EPS數據平臺以及河南省的統計年鑒中公布的數據。同時，為了便于權重等賦值，將所獲取的數據均進行了無量綱化處理。此外，由于本文所收集到的數據以2015 年最為齊全，且更加靠近評價階段年份，故本文采用2015年的數據進行權重計算并賦值。土壤環境質量綜合評價指標體系的權重確定如表1所示。

表1 土壤環境質量指標體系

3.2 土壤環境質量動態評價的權重確定

土壤環境質量是動態變化的，故對土壤環境質量進行動態評價是有必要的。但是，考慮到研究區不同年份的數據對評價結果的影響程度存在差異，故本文采用“時間度”的賦值方法處理本次收集到的各個年份的數據，即按照時間的變化規律對時間因子進行賦權。一般來說，對于“時間度”賦值來說，越接近評價時間點的數據的權重越高，對評價結果的影響也越明顯；反之，越是遠離評價時間節點的數據，所代表的的權重也就越低，即對評價結果的影響也就越小。通過計算β=（0.1,0.3,0.5），其中β=0.3 時結果最為理想，此時，2010～2021年的時間權重確定如表2所示。

表2 2010～2021年的時間權重

3.3 土壤環境質量的理想解

理想解分為正理想解與負理想解，正理想解為各個指標中可能出現的最優情形，負理想解為可能出現的最壞情形。在本次在土壤環境質量的綜合評價中，正、負理想解確定如表3所示。

表3 土壤環境質量的正理想解和負理想解

3.4 計算歐式距離與相對貼近度

2015 年的土壤環境質量指標與正、負理想解的歐式距離、相對貼近度如表4所示（由于該表數據較多，故文章中僅表達2015年土壤環境質量數據的歐式距離與相對貼近度）。

3.5 土壤環境質量靜態評價結果

本文中主要考察2010～2021 年研究區內的土壤環境質量情況，Topsis 模型下，2010～2021 年的土壤環境質量的相對貼近度。根據表5的靜態綜合評價，得出分析結果：在2010～2021 年期間，研究區土壤環境質量排名保持了一定的穩定性，這表明研究區內的土壤環境質量發展具有相對一致性。

表5 2010～2021年土壤環境質量相對貼近度

如果不考慮時間權重的影響，濟源市中東部在“時間度”范圍內的土壤環境質量綜合排名具有優勢，其次為沁陽市，武陟縣墊底。考慮到時間權重的影響（時間距離越遠，影響程度越小），雖然濟源市中東部的土壤環境質量在2010～2021 年表現最優。但是綜合計算后研究區的歷年土壤環境質量排序依次是沁陽市、濟源市中東部、溫縣、孟州、武陟縣北部。

3.6 土壤環境質量的靜態結果分析

2010～2021 年是我國經濟高速發展的12 年，我國社會、經濟各個方面經歷了翻天覆地的變化，土壤是社會、經濟發展的沃土，在此期間，研究區內的土壤環境質量也同樣處于發展、變化中。研究區域內整體土壤環境質量貼近度變化不大，整體上看沁陽市、溫縣呈上升趨勢，濟源市中東部、孟州市、武陟縣北部呈下降趨勢。沁陽市、溫縣相對研究區內其他地區來說，氣候更加穩定，土壤資源更加豐富，耕地資源的總量大，潛力大，隨著我國的高標準農田及“藍天、綠水、凈土”政策的實施，土地資源得到了進一步開發利用，因此其土壤質量呈現上升趨勢。對濟源市中東部、孟州、武陟縣北部，首先是這些區域內人口密度大，環境所承受的壓力相對較大，其次該區域工業化程度較高，受政策影響也較大，自然環境是一個相互影響的整體，因此，這也導致了土壤質量呈現下降趨勢。

3.7 土壤環境質量的動態評價

在確定時間權重向量時，在以往文獻中，絕大多數都認為，近期數據重要程度要高于遠期的數據，本文采用2010～2021 年這12 年的數據，通過對β=（0.1,0.3,0.5）所得到的評價結果可知，當β=0.3 時，所得結果最為合理。此時，2010～2021 年的時間權重分別為：λ=（0.0053，0.0071，0.0116，0.0151，0.0202，0.0347，0.0406，0.1013，0.1142，0.1721，0.2104，0.2674）。2010～2021 年研究區內土壤環境質量動態評價結果見表6。

表6 土壤環境質量動態貼近度

通過上述動態分析結果可知：研究區2010～2021年土壤質量環境總體上較好，且以濟源市中東部、沁陽市的綜合得分最高，說明上述兩個地方的土壤環境質量更優；武陟縣北部的得分最低，說明該地區的土壤環境質量更劣。結合各個評價區域其它因素，濟源市中東部、沁陽市具有良好的自然環境條件，也是研究區周邊最為發達的地區，尤其以農業機械化最為發達，故土地的產出率指標也較為突出，故濟源市中東部、沁陽市的排名更加靠前。此外，孟州市、溫縣的土壤較濟源市中東部、沁陽市肥沃，該區域的農業資源也較豐富，但機械化相對落后，故排名也相對較前。

4 結論

（1）根據本文的研究成果可知，土壤環境質量評價中土體環境因子是至關重要的，權重值也較高，可達0.89；自然環境因子的權重次之，為0.0574。同時，根據本文的研究成果可知，土壤中全鉀含量與全氮含量高的數據，所占有的權重也就越高，這與土壤質量與鉀、氮含量相關的結論相吻合，說明本文所采用評價因子的權重是合理的。

（2）在Topsis 模型下，研究區內土壤環境質量排名依次為沁陽市、濟源市中東部、孟州、溫縣、武陟縣北部。

（3）在研究區內土壤環境質量評價分析中，可以發現2001～2021 年期間，研究區內的土壤環境質量基本沒有大幅變動，這表明研究區內的土壤環境質量變化較弱。同時，在研究期間土壤環境質量的各指數呈現出上升的趨勢，表明在研究區經濟快速發展的同時，土壤環境質量也有顯著的提高。