AHP法模糊綜合模型在流域生態(tài)健康評價中的應(yīng)用研究

張 旭

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110094)

流域特征可體現(xiàn)為河流的生態(tài)系統(tǒng)健康，它是結(jié)合了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)自然、經(jīng)濟(jì)和社會等因素的綜合性生態(tài)系統(tǒng)，因此有必要將社會經(jīng)濟(jì)以及人類活動的作用因素考慮在生態(tài)系統(tǒng)之內(nèi)。生態(tài)環(huán)境以及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作為區(qū)域經(jīng)濟(jì)和人們生產(chǎn)發(fā)展的重要基礎(chǔ)具有明顯的服務(wù)性特征，其健康標(biāo)準(zhǔn)主要可表現(xiàn)出多層次、多變量的動態(tài)變化的特點[1]。各影響因素對綜合評價分析的貢獻(xiàn)率大小可利用基于層次分析法(AHP法)的模糊綜合評價模型進(jìn)行綜合分析，可對各影響因素對生態(tài)健康狀況的貢獻(xiàn)狀況進(jìn)行科學(xué)有效的表征，并對生態(tài)環(huán)境的決定性影響因素進(jìn)行判別和分析，進(jìn)而避免了評價方法僅考慮單因子的缺陷[2]。據(jù)此，研究以遼河流域為研究對象，對其進(jìn)行生態(tài)健康的定量評價，并依據(jù)評價結(jié)果針對流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境所存在的問題給出了一定建議，以期為提高流域生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展提供一定的理論依據(jù)和支持。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究概況

聯(lián)合國在2005年發(fā)布的全球性評估報告中指出人類社會福祉在生態(tài)系統(tǒng)非線性變化或生態(tài)系統(tǒng)改變時將受到嚴(yán)重的威脅。目前，流域生態(tài)研究的熱點和主要方向為對不同尺度標(biāo)準(zhǔn)及評價指標(biāo)的研究，并且流域空間尺度的選取可對系統(tǒng)健康評價產(chǎn)生顯著的影響，如對不同尺度的河流、湖泊、海洋、濕地以及生態(tài)景觀系統(tǒng)等進(jìn)行評價研究[3-5]。Haynes等以澳大利亞大堡礁為研究對象并指出關(guān)鍵響應(yīng)程度可作為不同尺度上生態(tài)系統(tǒng)健康的長期觀測指標(biāo)；Monica等對濕地及無脊椎動物受人為干擾的作用影響進(jìn)行了研究；Li Li等對河流生態(tài)系統(tǒng)評價體系引入了生物監(jiān)測指標(biāo)，并以此提高了評價的準(zhǔn)確性和客觀性；Ivor Growns等對自然狀態(tài)下澳大利亞部分河流的魚群數(shù)量利用獨立的物種分布預(yù)測模型進(jìn)行評價預(yù)測并對河流的健康狀態(tài)進(jìn)行評估分析；Pinto U等基于藻類、娛樂活動等評價指標(biāo)構(gòu)件了城市河流景觀的評價框架。

1.2 國內(nèi)研究概況

雖然我國對于相關(guān)研究的起步較晚，然而生態(tài)學(xué)者分別從多個領(lǐng)域和較多在近年來針對生態(tài)健康做了大量有關(guān)評價方法的研究并取得了一定的成果，如陸麗珍等基于RS和GIS技術(shù)以土地調(diào)查數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)為依據(jù)建立了系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系，并進(jìn)行了有關(guān)動態(tài)時空評價的分析研究；李文君等結(jié)合水體連通性、水質(zhì)、防洪標(biāo)準(zhǔn)、水量、水體生物等因素建立了評價等級標(biāo)準(zhǔn)和評價指標(biāo)體系，并提出一種新的理論和評價方法且表現(xiàn)出較強的適用性和可靠性；廖靜秋等選取了物種多樣性評價指標(biāo)進(jìn)行河流系統(tǒng)健康評價研究，結(jié)果表明該方法可行性較強，且能夠反映河流健康程度的實際狀況[6-8]。

表1 遼河流域生態(tài)健康評價指標(biāo)體系

2 流域概況

遼河流域位于我國東北部地區(qū)，主要支流包括太子河、大遼河、繞陽河、柴河等；流域總面積為21.9萬km2，流域內(nèi)地貌特征以平原和山地為主，并存在丘陵和沙丘等地貌；流域內(nèi)地勢結(jié)構(gòu)為東西兩側(cè)高中間地勢低、北部地勢高于南部，其中西部和東部高程分別為500～1500m和500～2000m，并在中下游區(qū)域形成遼河平原區(qū)，土壤侵蝕類型主要有風(fēng)力侵蝕和水力侵蝕。屬于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷漫長、夏季炎熱干燥，全年降雨量和流經(jīng)量分布不均勻，其中西部徑流面積較大，降雨量在太子河上游區(qū)域年均為900mm，而在撫順、本溪一帶受到長白山和千山山脈阻隔作用，降水量為800mm，在鐵嶺、沈陽等區(qū)域為700mm，至西遼河流域降水量降低至350mm左右；依據(jù)行政區(qū)劃和地理位置可將遼河流域劃分為4個二級水資源分區(qū)即Ⅰ區(qū)(遼寧)、Ⅱ區(qū)(吉林)、Ⅲ區(qū)(內(nèi)蒙古)、Ⅳ區(qū)(河北)，占地面積約為22.11萬km2，地下水資源總量約為139.57m3，水資源有效利用率51.8%，遼河流域長1345km，水資源開采利用潛力巨大[9-10]。

3 建立模糊綜合評價模型

3.1 構(gòu)建評價指標(biāo)體系和等級標(biāo)準(zhǔn)

生態(tài)系統(tǒng)提供給社會的質(zhì)量及發(fā)展規(guī)模、有利于經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能以及自然屬性等是決定流域系統(tǒng)健康的關(guān)鍵性因素。文章結(jié)合遼河流域生態(tài)系統(tǒng)實際狀況并依據(jù)評價指標(biāo)客觀性、可靠性和可獲取性原則，在充分考慮了流域內(nèi)水資源特點的基礎(chǔ)上構(gòu)建了評價指標(biāo)體系，見表1。

依據(jù)流域生態(tài)健康評價等級標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)資料和研究成果，并結(jié)合遼河流域?qū)嶋H狀況可將其健康狀況劃分為5個標(biāo)準(zhǔn)等級即瀕于崩潰、病態(tài)、亞健康、基本健康以及健康標(biāo)準(zhǔn)，與其相對應(yīng)的綜合評價指標(biāo)取值范圍為0.8～1.0、0.6～0.8、0.4～0.6、0.2～0.4、0.0～0.2。各評價指標(biāo)取值及健康狀況等級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 遼河流域生態(tài)健康評價指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)等級

3.2 建立模糊關(guān)系矩陣

建立評價指標(biāo)體系后可對評價對象的各個影響因素u進(jìn)行量化的計算分析，從而可建立模糊關(guān)系矩陣R，表達(dá)式如下：

(1)

式中，rij—在h評價等級模糊子集下待評價對象對應(yīng)于u評價指標(biāo)的隸屬度。

研究在考慮了專家意見以及相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上確定了各評價指標(biāo)的隸屬函數(shù)求解公式。

對于評價指標(biāo)值越大則流域生態(tài)健康程度越好的評價指標(biāo)，即越大越優(yōu)型指標(biāo)計算公式如下：

(2)

對于評價指標(biāo)值越小則流域生態(tài)監(jiān)測程度越低的評價指標(biāo)，即越小越優(yōu)型指標(biāo)計算公式如下：

(3)

對遼河流域生態(tài)監(jiān)測程度隸屬度利用上述計算公式進(jìn)行求解，可得到評價矩陣R：

(4)

4 指標(biāo)權(quán)重向量的確定

4.1 建立判斷矩陣

根據(jù)表1指標(biāo)體系的不同層次和準(zhǔn)則，依據(jù)專家意見和相關(guān)資料，利用1～9比較尺度和成對對比法可建立評價指標(biāo)判斷矩陣并包含體系的各個層次。研究建立了目標(biāo)層與準(zhǔn)則層之間的判斷矩陣，見表3。

表3 準(zhǔn)則層對目標(biāo)層判斷矩陣

4.2 權(quán)重向量及一致性檢驗

采用根值法或求和法對體系中上層元素的權(quán)重向量進(jìn)行求解，即對該層次指標(biāo)針對上層次指標(biāo)的相對重要性權(quán)重進(jìn)行計算求解[11]。文章對各評價指標(biāo)的權(quán)重向量利用根值法進(jìn)行求解，其基本過程為：對判別矩陣各列數(shù)值即評價指標(biāo)初始值進(jìn)行歸一化標(biāo)準(zhǔn)處理，并對處理后的各列進(jìn)行求和與開次方計算，然后對方根向量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理并求得各評價指標(biāo)的權(quán)重向量，計算結(jié)果見表4。

表4 評價指標(biāo)的隨機性數(shù)值

所以研究所建立的判斷矩陣總共包含三個層次，第一、二、三層次分別代表目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層即指標(biāo)層。其中準(zhǔn)則層對目標(biāo)、方案層對準(zhǔn)則層的權(quán)重向量可分別表示為：

表5 評價指標(biāo)體系不同層次組合權(quán)重向量計算結(jié)果

4.3 組合權(quán)重向量及綜合評判

利用歸一化處理的權(quán)重向量w3以及矩陣R計算結(jié)果可利用的B=w3gR對評價結(jié)果進(jìn)行模糊轉(zhuǎn)化進(jìn)而可求得遼河流域生態(tài)健康程度評價結(jié)果，見表6。遼河流域生態(tài)系統(tǒng)健康依據(jù)最大隸屬度原則處于亞健康水平。

表6 遼河流域生態(tài)健康評價結(jié)果

5 結(jié)論及建議

結(jié)合遼河流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價結(jié)果可知，該流域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境比較脆弱并處于亞健康狀態(tài)，主要因素有：流域內(nèi)蒸散發(fā)量大且降水量較低并造成水資源儲蓄量相對匱乏；水資源的開采利用不均衡，局部地區(qū)出現(xiàn)超采現(xiàn)象并造成流域生態(tài)濕地減少、草場及生物多樣性減少，土地沙漠化嚴(yán)重，水源涵養(yǎng)功能減低；流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水不合理且用水效率低，農(nóng)藥化肥等造成水環(huán)境污染現(xiàn)象嚴(yán)重。結(jié)合以上因素，研究給出了有利于水資源開采利用的相關(guān)建議。

(1)加快農(nóng)田水利節(jié)水工程建設(shè)，加強水資源開采利用管理并提高用水效率。

(2)優(yōu)化土地利用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)機構(gòu)，降低社會及經(jīng)濟(jì)發(fā)展對生態(tài)環(huán)境的壓力。優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)并制定合理的牧、林、農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)比例，鼓勵農(nóng)民從事牧業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)并降低高耗水農(nóng)作物的種植面積。

(3)大力發(fā)展高效節(jié)水灌溉水利工程，結(jié)合區(qū)域特征和農(nóng)作物類型制定特定的節(jié)水灌溉技術(shù)。

(4)建立水資源用水管理體制機制，嚴(yán)格控制廢污水的處理排放，避免因水體污染造成的水資源供應(yīng)緊缺的問題。

(5)加強濕地修復(fù)與水源涵養(yǎng)功能保護(hù)；對保護(hù)區(qū)進(jìn)行及時有效的保護(hù)，禁止對河流、湖泊以及森林濕地等的占用、開墾等現(xiàn)象。