基于灰色多層次模型的河流綜合功能評價

郭 寧,林澤昕,方國華,嚴春華

(1.江蘇省水利廳工程管理處,江蘇 南京 210029; 2河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

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基于灰色多層次模型的河流綜合功能評價

郭 寧1,林澤昕2,方國華2,嚴春華2

(1.江蘇省水利廳工程管理處,江蘇 南京 210029; 2河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

在分析河流功能內(nèi)涵及分類的基礎(chǔ)上,從河流自然功能、生態(tài)功能、社會功能和災害性能四方面構(gòu)建河流綜合功能評價指標體系。以河流綜合功能評價指標體系為基礎(chǔ),采用層次分析法、改進的熵權(quán)法分別確定各個指標主、客觀權(quán)重并經(jīng)線性組合后確定綜合權(quán)重,建立改進的灰色多層次評價模型。將河流綜合功能評價指標體系和改進的灰色多層次評價模型應用于柏條河綜合功能評價中,評價結(jié)果表明柏條河綜合功能優(yōu)良,與實際情況相符。由此論證了改進的灰色多層次評價模型能夠綜合主、客觀賦權(quán)的優(yōu)劣,并充分考慮各指標之間關(guān)系不明確等信息,具有較強的可靠性和實用性。

河流功能;指標體系;層次分析法;熵權(quán)法;灰色多層次模型

河流自身隨時空不斷演化以及人類對河流功能需求的不斷變換,形成河流功能的多樣性和復雜性。河流綜合功能涉及自然、生態(tài)、社會等多方面,面廣且綜合性強,所以目前對河流生態(tài)功能[1-2]、自然功能[3-4]等單一方面進行評價或研究較多,而對河流綜合功能評價或研究較少,且評價方法僅有打分法[5-6]和可變模糊評價法[7]等。打分法受人為主觀因素影響較大,評價結(jié)果不夠客觀;可變模糊評價法權(quán)重大多是人為確定的,存在一定的主觀隨意性。針對上述問題,本文從河流綜合功能角度出發(fā),在河流功能類別劃分的基礎(chǔ)上,構(gòu)建河流綜合功能評價指標體系,并建立改進的灰色多層次評價模型,克服了權(quán)重確定方法較主觀的弊端,能夠更好地發(fā)揮評價模型的效用。

1 河流功能理論及評價指標體系

1.1 河流功能概念及分類

關(guān)于河流功能,不同學者有不同的定義[1,8-11]。總結(jié)已有成果,本文認為河流功能是指河流系統(tǒng)在自然和人類活動雙重影響下對人類的生存和發(fā)展所發(fā)揮的作用,是以對人類的效用為根本出發(fā)點。根據(jù)已有的河流功能分類體系,比較全面科學的劃分是將河流功能分為自然功能、生態(tài)環(huán)境功能、社會服務功能和災害性能[10-11],也就是說河流功能是資源性和災害性的統(tǒng)一。說明良好的河流綜合功能不僅是資源性功能的充分利用,也是災害性能的及時規(guī)避和合理控制。

根據(jù)河流功能內(nèi)涵,在河流自然功能、生態(tài)環(huán)境功能、社會服務功能、災害性能四項一級功能的基礎(chǔ)上,進一步將一級功能細分為13項二級功能,建立河流功能分類體系,見圖1。自然功能中,水文功能主要體現(xiàn)在水循環(huán)之中,可以用徑流量變化情況表示,而河型穩(wěn)定是地質(zhì)功能發(fā)揮的重要保障;生態(tài)環(huán)境功能中各項二級功能的發(fā)揮很大程度上受河岸寬度和河道連通性的影響,除此之外生物多樣性是河流生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,水質(zhì)水量是河流生態(tài)環(huán)境健康的基礎(chǔ);在社會服務功能中,各項二級功能發(fā)揮的效用應在合理開發(fā)水資源的基礎(chǔ)上由其相應的保證程度分別予以確定;災害性能中,洪澇災害發(fā)生情況與河道容納洪水量、防洪體系完善程度息息相關(guān),泥沙災害與來沙的水沙關(guān)系、輸沙、河道沖淤關(guān)系密切。

圖1 河流功能分類體系

1.2 指標體系的建立

為進一步量化河流功能,需建立河流功能評價指標表征河流功能所處的狀態(tài)。在河流功能分類體系的基礎(chǔ)上,參考相關(guān)文獻[5-8]并根據(jù)評價對象各組成部分之間的相互關(guān)系,利用層次分析法構(gòu)建多層次評價指標體系,將河流功能評價指標體系分為目標層、準則層、指標層3個層次。目標層主要用于反映河流綜合功能狀況;準則層由河流各項一級功能組成;指標層由表征河流各二級功能關(guān)鍵要素的指標構(gòu)成,可直接度量得出。最終構(gòu)建了1個目標層、4個準則層、22個指標層的河流綜合功能評價指標體系。部分指標含義解釋如下。

a. 流量偏離率:指天然條件下的月徑流量與實際月徑流量間的變異關(guān)系,采用溪流狀態(tài)指數(shù)SCI中的流量偏離率[12]表示。

b. 河型穩(wěn)定性指數(shù):對河流穩(wěn)定性起決定作用的是縱向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性,采用張紅武等[13]提出的河流綜合穩(wěn)定性指數(shù)表示。

c. 河流連通率:主要指河流功能連通性,即徑流從源區(qū)—干流—流域網(wǎng)絡(luò)—出流移動的效率或水循環(huán)各要素間以水為介質(zhì)的有機物、能量轉(zhuǎn)移速率,采用孟慧芳等[14]提出的河流連通率來確定。

d. 河道泥沙輸移率:指某河道的輸出泥沙量與進入該河道泥沙總量的比值,表征河道輸送泥沙的能力,采用地貌學上的河道泥沙輸移率[6]表示。

e. 水沙搭配指數(shù):是來沙系數(shù)的函數(shù),借來沙系數(shù)對河道淤積的影響來判定水沙搭配指數(shù),當實際來沙系數(shù)為不淤時的臨界來沙系數(shù)時,水沙搭配指數(shù)為1[15]。

f. 景觀娛樂滿足程度:指人們對水體、水上跨越結(jié)構(gòu)、山體樹木、水生動植物等在人們眼中形成的視覺效果的滿意程度,屬于定性指標。

g. 美學文化價值指數(shù):指河流水體和沿岸陸地景觀成為人類重要的文化精神源泉和科學技術(shù)及宗教藝術(shù)發(fā)展的動力,屬于定性指標,根據(jù)河流自身的文化價值進行評判。

1.3 評價標準的確定

河流功能評價指標標準的界定直接影響最終評價結(jié)果的準確性,目前學術(shù)界尚無統(tǒng)一的標準[5]。結(jié)合經(jīng)濟社會水平和現(xiàn)階段的開發(fā)利用程度等情況將河流功能狀態(tài)分為優(yōu)、良、中、差4個級別,對于不同屬性的指標其相應等級標準值的確定方法不同。對于定性指標,采用專家打分法與公眾參與調(diào)查法確定白化權(quán)值[16],因此不需設(shè)置等級標準值。對于定量指標,需要結(jié)合等級標準值(根據(jù)經(jīng)濟社會狀況及現(xiàn)有資料)綜合確定計算白化權(quán)值。資料來源一般為:①國家、行業(yè)和地方規(guī)定的標準,如SL395—2007《地表水資源質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》;②國際上的先進標準,如澳大利亞ISC標準;③相關(guān)科研成果[5-6,17]。由此建立河流綜合功能評價指標體系及評價標準,見表1。

表1 河流功能指標體系和評價標準

2 改進的灰色多層次評價模型

2.1 綜合權(quán)重的確定

灰色多層次評價模型采用層次分析法確定指標權(quán)重,有較強的主觀性,影響評價方法的效用。本文采用主、客觀權(quán)重線性組合的方法確定綜合權(quán)重,建立改進的灰色多層次評價模型。

層次分析法和德爾菲法是兩種主觀確定權(quán)重的方法,指標數(shù)n≤2時,權(quán)重采用德爾菲法確定,n>2時,采用層次分析法確定,記主觀權(quán)重為w(1);熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)的方法,記客觀權(quán)重為w(2)。綜合權(quán)重w通過將主觀權(quán)重與客觀權(quán)重線性組合綜合確定:

(1)

式中:α為偏好系數(shù),根據(jù)實際情況取值,一般取α=0.5。

層次分析法是一種將定性指標與定量指標相結(jié)合的多目標決策分析方法,通過比較同一層次各指標的相對重要性來綜合計算指標的權(quán)重,步驟如下:①采用Saaty的9位標度法構(gòu)造判斷矩陣A;②求A的最大特征值λmax及相應的特征向量,對特征向量進行歸一化,得出w(1);③采用一致性比率CR對判斷矩陣進行一致性檢驗,CR<0.1時即認為具有完全一致性,其中

(2)

(3)

式中：CI為一致性指標；RI為平均隨機一致性指標，可查表得出。

熵的定義來自于熱力學,后被引入信息論中廣泛應用于方案優(yōu)選、多目標決策及各種評價。熵權(quán)法是依據(jù)熵的概念和性質(zhì)以及各指標相對重要程度的不確定性來分析各指標的權(quán)重,是一種根據(jù)指標反映信息可靠性程度客觀賦權(quán)的方法。

熵權(quán)法確定權(quán)重步驟如下:①計算評價指標的熵值:

(4)

式中:rij為第i個指標對應第j等級的白化權(quán)值,若rij=0,則rijlnrij=0;m為等級數(shù)；②確定各指標熵權(quán):

(5)

記熵權(quán)向量為w(2)。

2.2 評價步驟

河流功能評價指標體系是一個多層次、多準則綜合評價系統(tǒng),既涉及定量因素,又涉及定性因素,各因素相互影響、相互聯(lián)系,之間關(guān)系具有不確定性,是一種灰色系統(tǒng)。因此,針對河流功能評價指標體系灰色性的特點,為了使描述各灰類程度的評價信息都發(fā)揮作用,選取改進的灰色多層次評價模型對河流綜合功能狀況進行評估,步驟如下。

a. 劃分k個灰類,確定rij?；翌惏谆瘷?quán)值本質(zhì)上為隸屬度[18],因此采用模糊數(shù)學中的計算方法確定指標的白化權(quán)值[16]:①定量指標白化權(quán)值的確定。對于效益型指標(即越大越優(yōu)型指標),當?shù)趇項指標xi的值大于其對應的第1級標準值(優(yōu))時,它對優(yōu)等級的白化權(quán)值為1,而對其他級別的白化權(quán)值為0,即

(6)

當xi的值介于其對應的第j級和第j+1級標準值Vi,j,Vi,j+1之間時,它對第j+1級和第j級的白化權(quán)值分別為

(7)

而對其他級別的白化權(quán)值均為0;當xi的值小于其對應的第k級標準值時,它對“差”的白化權(quán)值為1,而對其他級別的白化權(quán)值為0,即

(8)

b. 計算指標權(quán)重w。通過層次分析法或德爾菲法得到主觀權(quán)重w(1),通過改進的熵權(quán)法得到客觀權(quán)重w(2),利用式(1)得出綜合權(quán)重w。

c. 確定河流功能評價指標參考序列R0。在各方案中選取最優(yōu),構(gòu)成最理想方案作為參考序列,顯然優(yōu)等級對應的方案為最理想的方案,結(jié)合白化權(quán)值的確定方法得出R0=(1,1,…,1)

d. 計算灰關(guān)聯(lián)系數(shù)εij。先計算各灰類指標白化權(quán)值與參考序列之間的離差Δij:

(9)

則

(10)

式中:Δmax、Δmin分別為Δij的最大值和最小值;ρ為分辨系數(shù),0≤ρ≤1,一般取ρ=0.5。

e. 計算綜合關(guān)聯(lián)度γ。采用加權(quán)算術(shù)平均公式計算:

(11)

f. 灰類識別。采用最大關(guān)聯(lián)原則對灰類進行識別。

3 實例應用

柏條河是岷江內(nèi)江水系四大河渠之一,起于寶瓶口以下的蒲柏閘,止于郫縣石堤堰,全長44.76 km,流域面積258 km2,進水口年平均流量41.5 m3/s,年徑流量11.76億m3。柏條河兼具灌溉和供水功能,是成都市兩大供水大動脈之一。根據(jù)柏條河開發(fā)利用現(xiàn)狀,選取17項指標對其進行評價。

3.1 指標體系權(quán)重的確定

首先,根據(jù)指標的相對重要性分別對一級指標(即準則層)兩兩比較,構(gòu)造判斷矩陣A:

利用層次分析法得到4個一級指標的權(quán)重向量Z=(0.2 0.3 0.266 7 0.233 3),由式(2)、式(3)得CR=0<0.1,滿足一致性要求。同理,對生態(tài)環(huán)境功能、社會服務功能的指標層分別進行計算,得出其權(quán)重為(0.181 6,0.105 5,0.170 9,0.181 6,0.155 3,0.205 2)、(0.178 4,0.196 9,0.122 0,0.159 9,0.119 9,0.121 4,0.101 4)并進行一致性檢驗。由于自然功能和防災減災指標數(shù)小于等于2,因此采用德爾菲法確定權(quán)重,分別為(0.5 0.5)、(0.4 0.6)。將準則層和指標層的權(quán)重分別相乘得到絕對權(quán)重：w(1)=(0.100 0 0.100 0 0.047 4 0.031 6 0.063 2 0.047 4 0.031 6 0.079 0 0.049 4 0.059 3 0.039 5 0.039 5 0.029 6 0.029 6 0.019 8 0.093 3 0.140 0)

根據(jù)式(6)～(8)及定性指標白化權(quán)值確定方法得出各指標白化權(quán)向量,由式(4)、式(5)計算各指標熵權(quán)：w(2)=(0.046 9 0.056 2 0.073 4 0.037 8 0.046 9

0.073 4 0.073 4 0.052 7 0.073 4 0.073 4

0.041 1 0.073 4 0.055 1 0.056 4 0.055 1 0.073 4 0.037 8)

最后根據(jù)式(1)計算(α=0.5)得出綜合權(quán)重：

w=(0.073 5 0.078 1 0.060 4 0.034 7 0.055 0

0.060 4 0.052 5 0.065 8 0.061 4 0.066 3

0.040 3 0.056 5 0.042 4 0.043 0 0.037 4

0.083 4 0.088 9)

3.2 柏條河綜合功能定量評價

根據(jù)2013年相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù),并結(jié)合河流功能各評價指標的計算方法確定柏條河指標現(xiàn)狀值,見表3。①根據(jù)河流功能灰類劃分及不同屬性指標白化權(quán)值的確定方法,分別計算不同灰類下各指標的白化權(quán)值;②采用式(9)、式(10)計算相應的絕對離差Δij及εij，取Δmax=1，Δmin=0，ρ=0.5；③利用式(11)計算綜合關(guān)聯(lián)度：

γ=(0.67 0.49 0.33 0.33)

根據(jù)關(guān)聯(lián)度最大原則，有

maxγ=0.67

表3 柏條河功能評價指標現(xiàn)狀值及權(quán)重

對照河流功能灰類劃分,可判定柏條河綜合功能處于優(yōu)狀態(tài)。根據(jù)調(diào)查資料顯示,柏條河上除跨河橋梁、局部河段的卵石漿砌堤岸和幾個城鎮(zhèn)的臨河建筑外基本沒有其他人工構(gòu)筑物,總體上保持著生態(tài)河流的特性,沿岸林木蔥郁,是水源保護的天然生態(tài)屏障。柏條河年平均灌溉面積3 800多hm2,保證了農(nóng)產(chǎn)品的增產(chǎn)增收。另外作為成都市中心城區(qū)的主水源,與備用水源的徐堰河共同提供給成都市90%以上的飲用水,日最高取水量55萬m3,年均取水量17 155萬m3,有效保證了中心城區(qū)400多萬人的用水安全?？梢钥闯?柏條河綜合功能發(fā)揮良好,評價結(jié)果與現(xiàn)狀相符。河流綜合功能的優(yōu)良發(fā)揮,不僅有助于營造良好的自然生態(tài)環(huán)境,更能保障經(jīng)濟和社會的良好發(fā)展。

4 結(jié) 論

本文從河流資源效益和災害性能兩方面出發(fā),根據(jù)河流功能內(nèi)涵和分類,構(gòu)建河流綜合功能評價指標體系,并針對河流功能指標多層次結(jié)構(gòu)體系及指標體系內(nèi)部信息不明確性等問題,建立改進的灰色多層次評價模型。該模型綜合主、客觀賦權(quán)的優(yōu)劣,在運用灰色關(guān)聯(lián)分析的基礎(chǔ)上,充分考慮各指標之間關(guān)系不明確等信息,對河流功能進行綜合評價,具有較好的可靠性和實用性。

河流功能評價是涉及多學科的復雜系統(tǒng),也是基于不同階段、不同區(qū)域的動態(tài)過程。在今后的研究中可根據(jù)不同階段和區(qū)域動態(tài)調(diào)整和選取河流綜合功能評價指標體系,真正做到“因河而異,因時而異”。

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江蘇省水利科技創(chuàng)新計劃(2015009);江蘇省普通高校專業(yè)學位研究生創(chuàng)新計劃(SJZZ15_0059)

郭寧(1963—),女,江蘇南京人,高級工程師,主要從事水利工程管理研究。E-mail:guon@jswater.gov.cn

10.3880/j.issn.1003-9511.2016.06.010

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A

1003-9511(2016)06-0038-05

2016-06-30 編輯：胡新宇)