基于綜合集成賦權(quán)物元模型的健康綜合評價

呂錄娜，馬 俊，王攀科

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 45003)

隨著城市化步伐的加快，人類活動對河流造成多種負(fù)面影響，使城市河流的健康遭到破壞。因此，國內(nèi)外紛紛開展河流生態(tài)修復(fù)工程，但是河流現(xiàn)狀健康狀況、城市河流修復(fù)措施對于河流健康的作用，尚未有統(tǒng)一的評價體系。

探討城市河流有效的生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)體系以及評價方法，是正確進行城市河流生態(tài)系統(tǒng)功能現(xiàn)狀的診斷評價及其未來的預(yù)測和管理的需要[1]。

本文基于綜合集成賦權(quán)和物元理論構(gòu)建了城市河流健康綜合評價模型，并對許昌市飲馬河綜合治理前后河流健康進行了定量評價。

1 研究區(qū)概況

許昌的城區(qū)水系可用“五湖四海畔三川，兩環(huán)一水潤連城”來概括，飲馬河就是“三川”之一，但由于各種原因，治理前河道景觀單一、水質(zhì)較差、河流生態(tài)功能受損、部分河段常年無水、水系不連通。2013年許昌市被列入全國45個水生態(tài)文明建設(shè)試點城市之一。根據(jù)許昌市總體規(guī)劃，飲馬河在許昌市整體景觀結(jié)構(gòu)中具有重要地位。為實現(xiàn)“河暢、湖清、水凈、岸綠、景美”的建設(shè)目標(biāo)，許昌市對飲馬河進行了綜合治理。綜合治理工程從清潩河關(guān)莊閘引水處至省道S220，治理長度8.577km。

本文構(gòu)建城市河流健康評價模型，分別對飲馬河治理前后進行河流健康綜合評價和分析。

2 構(gòu)建飲馬河健康評價模型

2.1 健康評價指標(biāo)體系

城市河流多指發(fā)源于城區(qū)或流經(jīng)城區(qū)的河流或河流段[2]，是一個由河流自然生態(tài)子系統(tǒng)、社會經(jīng)濟子系統(tǒng)和景觀環(huán)境子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)[3]。

河流處于生態(tài)健康狀態(tài)，指河流生態(tài)系統(tǒng)不僅能保持化學(xué)、生物及物理上的完整性，而且能維持其對人類社會提供的各種服務(wù)功能，健康的河流其社會功能與自然功能是平衡的[4]。

為科學(xué)全面建立飲馬河健康評價指標(biāo)體系，通過頻率統(tǒng)計法統(tǒng)計大量相關(guān)研究結(jié)果，并結(jié)合城市河流的獨有特點，用Delphi法增加城市河流的特有指標(biāo)，最后采用層次分析法(AHP)分層，最終構(gòu)建城市河流健康綜合評價指標(biāo)體系，該指標(biāo)體系包括防洪排澇、生態(tài)、景觀、社會服務(wù)、管理五大功能一級指標(biāo)，并細(xì)化為18項二級指標(biāo)。結(jié)合飲馬河的現(xiàn)實情況，最終采用其中15項指標(biāo)作為飲馬河河流健康評價指標(biāo)體系，見表1。

2.2 綜合集成賦權(quán)確定指標(biāo)權(quán)重

為能同時兼顧主觀、客觀信息的重要性，采用綜合集成賦權(quán)法計算權(quán)重，基于“功能驅(qū)動”原理的主觀賦權(quán)法選用序關(guān)系法(G1法)[5- 6]，基于“差異驅(qū)動”原理的賦權(quán)法客觀賦權(quán)法則選則熵值法[7- 8]，最后用“加法”集成將這兩大類賦權(quán)法結(jié)合起來。

表1 飲馬河河流健康評價指標(biāo)體系框架

式中，k1,k2—待定常數(shù)(k1>0,k2>0;k1+k2=1)?？紤]到飲馬河健康評價主、客觀因素重要性相同，取k1=k2。

2.3 健康評價物元評價模型

物元理論主要研究由事物、特征及特征值構(gòu)成的三元素模型，該模型可以直接反映質(zhì)量與數(shù)量之間的關(guān)系，并且可以把定性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)。以有序三元R=(N，C，V)作為描述事物的基本元，簡稱物元，其中事物的名稱(N)，特征(C)和關(guān)于特征的量值(V)為物元三要素。

物元模型按以下步驟建立[9- 10]：

2.3.1確定各指標(biāo)經(jīng)典域和節(jié)域

(1)經(jīng)典域。設(shè)有m評價等級N1,N2,…，Nm，建立相應(yīng)的物元：

式中，Xij=(j=1,2,…,n)—是評價等級Ni(i=1,2,…,m)關(guān)于評價參數(shù)cj(j=1,2,…,n)的量值域，即各評價指標(biāo)關(guān)于各等級所取得的數(shù)值范圍，稱為經(jīng)典域。

(2)節(jié)域。記P表示待評價事物特征量值的全體，對于經(jīng)典域，構(gòu)造其節(jié)域：建立物元RP，取RP?Ri，且：

式中，Xpi=(i=1,2,…,n)；Np—關(guān)于cj(j=1,2,…,n)量值范圍，即節(jié)域。顯然有Xij?Xpi(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。

2.3.2確定待評物元

對于待評價的對象P，待評物元為R0：

2.3.3確定關(guān)聯(lián)函數(shù)

關(guān)聯(lián)函數(shù)表示物元的量值取值為實軸上的一點時，物元符合要求的范圍程度，是用來刻畫各指標(biāo)關(guān)于各評價等級的歸屬程度。根據(jù)可拓集合論和具體條件，建立關(guān)聯(lián)函數(shù)：

式中，Ki(xj)—各評價因子關(guān)于評價級別的關(guān)聯(lián)度；ρ(xj,Xij)—點xj與有限區(qū)間Xij=的距離；ρ(xj,XPj)—點xj與有限區(qū)間XPj=的距離。其中xj為評價因子的實際數(shù)值，Xij=為經(jīng)典域，XPj=為節(jié)域。

其中，

xij=|aij-bij|

i=1,2,…,m,j=1,2,…,n

2.3.4等級評定

令

稱Kj(P)為待評價對象P關(guān)于等級j的關(guān)聯(lián)度。此處，wi(i=1,2,…，n)為各個指標(biāo)的權(quán)重，用3.2節(jié)方法確定。

關(guān)聯(lián)函數(shù)K(x)的數(shù)值表示被評對象隸屬于城市河流健康水平某一標(biāo)準(zhǔn)級別的程度。

當(dāng)K(x)≤-1.0時，被評價對象不符合標(biāo)準(zhǔn)對象要求，且不具備轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)對象的條件；

當(dāng)-1.0≤K(x)≤0時，表示被評價對象不符合標(biāo)準(zhǔn)對象要求，但具備轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)對象的條件，數(shù)值越大，越容易轉(zhuǎn)化；

當(dāng)0≤K(x)≤1.0時，表示被評對象符合標(biāo)準(zhǔn)對象要求，數(shù)值越大，越接近標(biāo)準(zhǔn)上限；

當(dāng)K(x)≥1.0時，表示被評價對象超過標(biāo)準(zhǔn)對象上限，數(shù)值越大，發(fā)展?jié)摿υ酱蟆?/p>

若Kj1=max{Kj(P)}，j∈{1，2，…，m}，則評定P屬于等級1，記作j0=1。

通過各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)函數(shù)和綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)即可得到各評價指標(biāo)的健康等級及綜合評價等級。

3 飲馬河健康評價

3.1 基于物元模型的健康評價

依據(jù)飲馬河健康的可拓性，將飲馬河健康等級劃分為5個，設(shè)P={病?！p度病態(tài)→亞健康→健康→特別健康}，N1={病危}，N2={輕度病態(tài)}，N3={亞健康}，N4={健康}，N5={特別健康}，則N1,N2,N3,N4,N5∈P。采用德爾菲法，確定飲馬河健康評價的經(jīng)典域和節(jié)域，見表2，表中定量指標(biāo)的單位同表1。

將待評物元的指標(biāo)值輸入物元模型，其中，待評物元值即各指標(biāo)值見表1，可計算得各指標(biāo)與各不同評價等級的關(guān)聯(lián)度。再采用綜合集成賦權(quán)法計算各指標(biāo)權(quán)重，可得到綜合關(guān)聯(lián)度。飲馬河治理前健康綜合評價等級屬于等級N1(病危)，各單項指標(biāo)的評價等級詳見表3。同理可得飲馬河治理后健康評價等級屬于等級N5(特別健康)，過程不再贅述。

表2 各指標(biāo)經(jīng)典域和節(jié)域

表3 飲馬河治理前關(guān)聯(lián)度和評價結(jié)果

3.2 結(jié)果及分析

3.2.1治理前評價結(jié)果及分析

(1)飲馬河治理前健康綜合評價綜合關(guān)聯(lián)度為0.007，屬于等級N1(病危)，亟需治理。

(2)以河岸景觀多樣性指數(shù)(C8)為例，分析飲馬河治理前各單項指標(biāo)健康程度的水平。由表3可知:該指標(biāo)對應(yīng)各評價等級的關(guān)聯(lián)度分別為K8(C81)=0.250，K8(C82)=-0.250，K8(C83)=-0.500，K8(C84)=-0.625，K8(C85)=-0.700，由K(C8)=max{K8(C8j)}(j=1，2，…，5)=0.250，判定該指標(biāo)屬于N1，即健康等級為病危，表明河岸景觀多樣性指數(shù)單指標(biāo)的健康程度為病危。治理前狀況是河流景觀過于單一，多樣性很差，需要在治理時提升。同理可分析其他各指標(biāo)。

(3)除了河岸植被覆蓋率C7、河岸植物多樣性指數(shù)C9、灌溉有效利用系數(shù)C11、娛樂設(shè)施指數(shù)C12四項指標(biāo)，處于亞健康狀態(tài)，其余指標(biāo)健康等級都處于病危狀態(tài)，飲馬河生態(tài)治理時應(yīng)該有針對性的采取措施。

(4)根據(jù)權(quán)重判斷出對綜合評價等級影響較大的指標(biāo)為排澇達標(biāo)率C1、水生生物完整性指數(shù)C4、水質(zhì)優(yōu)良度C5、河岸植被覆蓋率C7等幾項指標(biāo)，因此，飲馬河生態(tài)治理時應(yīng)該重點考慮這些因素。

3.2.2治理后評價結(jié)果及分析

飲馬河治理后健康評價綜合評價綜合關(guān)聯(lián)度為0.034，屬于等級N5(特別健康)，治理效果顯著。飲馬河治理后健康評價綜合評價等級N5(特別健康)，但是河流縱向連通性指數(shù)C2、水生生物完整性指數(shù)C4、河岸景觀多樣性指數(shù)C8、河岸植物多樣性指數(shù)C9、管理制度C14、水質(zhì)優(yōu)良度C5六項指標(biāo)健康等級為N4(健康)，未達到N5(特別健康)的標(biāo)準(zhǔn)。分析其可能原因：

(1)因工程尚未完全移交投資方與管理方，所以管理制度中的河道管理細(xì)則和實施辦法，并未正式發(fā)布和使用，建議后續(xù)逐漸完善管理制度，不只”“治”好，還要“管”好。

(2)水質(zhì)雖然得到明顯改善，但未全部達到Ⅳ類以上水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，建議加強上游水源管理，確保從污水廠處理后的中水全部達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。另外，多方排查未達標(biāo)原因，判斷是否是污染源增加還是其他原因造成的。

(3)治理前破壞嚴(yán)重的水生生物完整性指數(shù)需要較長時間恢復(fù)完善。建議再過一個運行年度，對此指標(biāo)進行健康再評價，總結(jié)水生生物完整性修復(fù)規(guī)律。

(4)飲馬河生態(tài)治理后景觀和植物多樣性整體較好，但是還有提升的空間，建議其他河流治理時，避免景觀和植物單一，提高多樣性。

4 結(jié)語

(1)基于綜合集成賦權(quán)物元模型，計算了各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度和綜合關(guān)聯(lián)度，對各指標(biāo)健康度和河流綜合健康程度做出了評價。

(2)對治理前后健康評價結(jié)果進行對比分析，肯定了評價結(jié)果的指導(dǎo)意義，也驗證了構(gòu)建的綜合評價模型的科學(xué)性和可行性，研究結(jié)果具有重要的理論和現(xiàn)實意義。