基于粗糙集簡約方法的中小河流健康程度診斷及影響因子定量識別

苗雨池

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

中小河流的集水面積小于3000km2，主要分布在城市和農(nóng)村地區(qū)的河段，相比于大型河流，中小河流具有數(shù)目多、分布廣的特點(diǎn)，與農(nóng)村、城市生活關(guān)系十分密切[1]。城市、農(nóng)場生活也對中小河流生態(tài)環(huán)境狀況產(chǎn)生直接影響[2]。河流的健康包含自身河流的結(jié)構(gòu)功能、生態(tài)功能、社會功能三個(gè)方面[3-5]，河流健康是河流持續(xù)發(fā)展的重要保障[6]。當(dāng)前，對于河流健康的研究逐步得到國內(nèi)許多學(xué)者的關(guān)注[7-14]，但這些研究大都針對大型河流，而對于中小河流研究較少。近些年來，中小河流治理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)已成為鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。本文結(jié)合粗糙集簡約方法[15]，構(gòu)建中小河流健康診斷的指標(biāo)體系，以遼寧地區(qū)為研究實(shí)例，對其區(qū)域中小河流進(jìn)行河流健康診斷，并對其影響因子進(jìn)行定量識別。研究成果對于區(qū)域中小生態(tài)保護(hù)和治理措施制定具有重要的參考價(jià)值。

1 中小河流健康診斷方法

1.1 健康診斷指標(biāo)

結(jié)合中小河流的特點(diǎn)，綜合考慮其防洪、河流形態(tài)、河流生態(tài)三個(gè)方面功能選取9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行健康程度診斷，將中小河流劃分為5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，各標(biāo)準(zhǔn)賦分分別為理想狀態(tài)(0.8～1.0)、健康(0.5～0.8)、亞健康(0.3～0.5)、不健康(0.2～0.3)、病態(tài)(0～0.2)，并結(jié)合相關(guān)研究成果確定各指標(biāo)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，指標(biāo)及其標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 中小河流評價(jià)指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)

1.2 評估方法

結(jié)合粗糙集簡約方法對其健康度進(jìn)行綜合評估，該方法通過對各屬性指標(biāo)進(jìn)行隸屬函數(shù)離散分析，對其上、下集合進(jìn)行相似計(jì)算，計(jì)算方程分別為：

μpx(Fi)=inf max{1-μFi(x)，μX(x)}

(1)

(2)

式中，U—各評價(jià)指標(biāo)的求解域；Fi—模糊評價(jià)屬性結(jié)合；P—模型優(yōu)化屬性值。

對模糊集進(jìn)行正域計(jì)算，計(jì)算方程為：

μPOSp=sup min{μFi(x)，μPOSp(Fi)}

(3)

式中，Uposp—模糊集的正域?qū)傩灾担籙Fi(x)—評估方程的等價(jià)集合；UPOSp(Fi)—模糊正域?qū)傩灾怠?/p>

在模型正域?qū)傩杂?jì)算后，結(jié)合模糊梯度函數(shù)對變量隸屬度進(jìn)行分析，分析方程為：

μPOSp(x)=sup min{μFi(x)，μPOSp(Fi)}

(4)

式中，各變量含義同上述方程中變量含義。

對評價(jià)方程變量的依賴度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方程為：

(5)

式中，γP(Q)—變量依賴度屬性值。

在變量依賴度計(jì)算的基礎(chǔ)上，對評估方程決策屬性變量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方程為：

σPQ(P)=γP+{P}(Q)-γP(Q)

(6)

對式(6)進(jìn)行簡約化計(jì)算，轉(zhuǎn)換方程為：

(7)

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 遼寧省河流概況

遼寧省流域面積10km2以上，河流共計(jì)3536條，其中山區(qū)性河流3419條，平原河流117條。中小河流主要定義流域面積在1000km2以下的河流，遼寧省中小河流為2949條，其中遼河水系中小河流數(shù)最多，占總數(shù)47.7%，松花江水系分布最少，站總數(shù)0.54%。各水系分布見表1。

2.2 各評價(jià)區(qū)指標(biāo)權(quán)重的設(shè)置

對遼寧省典型中小河流進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，從其河流特性、防洪安全、生態(tài)保護(hù)三個(gè)層面9個(gè)評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行專家打分制方法對各區(qū)域不同指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定結(jié)果見表2。

表1 遼寧省不同流域水系中小河流分布情況

表2 遼寧省各區(qū)域中小河流健康評價(jià)指標(biāo)設(shè)定權(quán)重值

從表2分析結(jié)果可看出，對于遼東地區(qū)而言，河岸穩(wěn)定性及魚類保有指數(shù)的權(quán)重值最高，這是因?yàn)檫|東地區(qū)主要為山區(qū)型河流，河流沖刷性能較強(qiáng)，因此河岸穩(wěn)定性要求較高，其魚類多樣性要求較高。遼寧南部河流特性和東部地區(qū)河流類型較為相似，因此其各指標(biāo)權(quán)重和遼寧東部地區(qū)具有一致性。從遼中地區(qū)的指標(biāo)權(quán)重分布可看出，對于遼寧中部而言，其區(qū)域河流大部分屬于平原型河流，其中河流植被覆蓋率及脈動指數(shù)權(quán)重值最大，主要因?yàn)閷τ谶|寧中部平原區(qū)而言，其植被覆蓋率相對較低，此外受平原地形影響，其河流脈動指數(shù)較低，因此這兩項(xiàng)指標(biāo)是影響區(qū)域中小河流健康程度的關(guān)鍵。遼西和遼北地形也較為相似，其指標(biāo)權(quán)重分布也較為一致，同樣河流植被覆蓋率及脈動指數(shù)權(quán)重值較大，特別是受到植被覆蓋影響程度較高。通過對各區(qū)域中小河流進(jìn)行實(shí)地調(diào)研結(jié)果表明各指標(biāo)權(quán)重設(shè)定值較為合理。

2.3 各區(qū)域指標(biāo)評價(jià)確定度分析結(jié)果

在指標(biāo)權(quán)重設(shè)定的基礎(chǔ)上，對遼寧各區(qū)域中小河流不同等級評價(jià)指標(biāo)的確定度進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表3—5。

表3 遼寧東南部地區(qū)典型中小河流指標(biāo)確定度分析結(jié)果

表4 遼寧中部地區(qū)典型中小河流指標(biāo)確定度分析結(jié)果

從遼寧東、南部地區(qū)指標(biāo)確定度分析結(jié)果可知，其和指標(biāo)的權(quán)重關(guān)聯(lián)度較高，指標(biāo)權(quán)重較大其相應(yīng)的確定度也較高。因此對于遼寧東、南部地區(qū)而言，其河岸穩(wěn)定性及魚類保有指數(shù)的確定度最大，且隨著健康等級的遞減，其指標(biāo)的確定度也逐步較大。這主要是因?yàn)殡S著健康等級的逐步遞減，其指標(biāo)影響度逐步增加，使得其確定度相應(yīng)加大。從遼寧中部的指標(biāo)確定度分析結(jié)果也可看出，和遼寧東南部較為相似，各指標(biāo)的確定度和其權(quán)重具有較大的相關(guān)性，因此遼寧中部地區(qū)中小河流各健康等級下的河流植被覆蓋率及脈動指數(shù)確定度最高。對于遼寧西部和北部地區(qū)而言，各指標(biāo)的確定度變化幅度小于其他地區(qū)，這主要是因?yàn)檫|西北部地區(qū)，中小河流健康影響因素較多，不同指標(biāo)的確定度變化范圍較小，因此其變幅較小。

2.4 各區(qū)域指標(biāo)評價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果

各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度是分析其區(qū)域中小河流健康影響因子識別的關(guān)鍵，為此對不同區(qū)域9個(gè)評價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表6—8。

表6 遼寧東南部地區(qū)典型中小河流健康評價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果

表7 遼寧中部地區(qū)典型中小河流健康評價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果

表8 遼寧西北部地區(qū)典型中小河流健康評價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果

表9 各區(qū)域典型中小河流健康診斷結(jié)果

從遼寧東南部區(qū)域9個(gè)評價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度可看出，各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度和區(qū)域河流特征具有較為明顯的關(guān)聯(lián)性。東南部地區(qū)河岸穩(wěn)定性和防洪指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度最高，而河流脈動指數(shù)和魚類保有指數(shù)關(guān)聯(lián)度最高，這主要是因?yàn)轸~類受到河流脈動影響較大。遼寧中部地區(qū)，河岸植被覆蓋率和灘地保留率關(guān)聯(lián)度最高，這主要是因?yàn)檫|寧中部地區(qū)大部分為平原河流，其灘地保留率較大，因此使得其河岸植被覆蓋率關(guān)聯(lián)度較大。遼寧西北部地區(qū)，由于區(qū)域水土保持治理措施力度的加大，區(qū)域山區(qū)型中小河流水質(zhì)指數(shù)和河流流暢性指數(shù)的關(guān)聯(lián)度最大。因此可綜合分析出，中小河流健康評價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度和區(qū)域中小河流特征相關(guān)度最高，影響程度也最大。

2.5 各區(qū)域典型河流健康診斷結(jié)果

在各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度和確定度分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合粗糙集簡約方法對其健康度進(jìn)行綜合評估，評估結(jié)果見表9。

從分析結(jié)果可看出，遼東、南地區(qū)中小河流健康度在0.43～0.75，屬于亞健康～健康狀態(tài)，遼西、北部地區(qū)健康度在0.24～0.47，屬于不健康～亞健康狀態(tài)，遼寧中部地區(qū)決策屬性值在0.21～0.46之間，屬于不健康～亞健康狀態(tài)。遼寧東南部區(qū)域由于中小河流覆蓋度較好，且水量較為充沛，因此其健康狀態(tài)總體好于遼寧中部以及西北部，遼寧中部主要為平原型河流，受到平原河流脈動影響較為強(qiáng)烈，因此其河流健康狀態(tài)較為平穩(wěn)。遼寧西、北部地區(qū)中小河流植被覆蓋度低于東南部以及中部地區(qū)，且水量較少，因此這一區(qū)域中小河流健康狀態(tài)總體處于亞健康狀態(tài)。通過對9條典型河流進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，各河流健康評估結(jié)果和實(shí)際情況吻合度較高，因此構(gòu)建的評估方法和評價(jià)指標(biāo)體系適用于遼寧地區(qū)中小河流健康評價(jià)。

2.6 各區(qū)域典型河流健康影響因子識別

在區(qū)域中小河流健康診斷的基礎(chǔ)上，通過定量分解方法結(jié)合各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，對遼寧各區(qū)域中小河流健康影響因子進(jìn)行定量識別，識別結(jié)果見表10。

表10 各區(qū)域典型中小河流健康影響因子定量識別結(jié)果 單位：%

結(jié)合各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度及影響因子分離方法對各區(qū)域中小河流健康影響因子進(jìn)行了識別，從定量識別結(jié)果可看出，遼寧東部地區(qū)河岸穩(wěn)定性以及魚類保有指數(shù)影響程度超過30%，這兩個(gè)指標(biāo)權(quán)重值也最大，而遼寧南部地區(qū)同樣這兩個(gè)指標(biāo)的影響度最大，可見對于遼寧東南部地區(qū)，要提高區(qū)域中小河流健康度，需要加大河岸穩(wěn)定性的治理以及增加魚類的保有種類。遼寧、西北部地區(qū)影響度超過35%的分別為河岸植被覆蓋率以及河流脈動指數(shù)，因此要加大遼寧西北部地區(qū)中小河流健康保護(hù)度，則需要加大河岸植被覆蓋率以及脈動指數(shù)的治理。而對于遼寧中部地區(qū)而言，防洪指標(biāo)和灘地保留率影響度較大，其中灘地保留率的影響度達(dá)到29.0%，則主要是因?yàn)閷τ谶|寧中部的平原型河流而言，灘地保留率的降低將對區(qū)域中小河流健康保護(hù)起到至關(guān)作用。

3 應(yīng)用結(jié)論

(1)本文提出了適合于中小河流特點(diǎn)的9種河流健康評價(jià)指標(biāo)，對于較為復(fù)雜及資料極為稀缺的中小河流，建議保留防洪指標(biāo)、水質(zhì)指數(shù)、魚類保有指數(shù)、以及河岸植被覆蓋率4種可以通過實(shí)地調(diào)查得到的指標(biāo)。

(2)從指標(biāo)關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果可看出，灘地保留率與河岸植被覆蓋率具有較為明顯的關(guān)聯(lián)度，河岸植被覆蓋率可以通過遙感數(shù)據(jù)獲得，建議在具體評價(jià)過程中可通過建立兩種指標(biāo)的相關(guān)方程，進(jìn)行灘地保留率指標(biāo)的定量獲取。

(3)本文的指標(biāo)權(quán)重主要采用專家打分法及實(shí)地調(diào)研得到，存在一定的主觀性，在以后的研究中還需要對權(quán)重進(jìn)行客觀計(jì)算分析。