河道生態(tài)健康評(píng)價(jià)的模型研究

李 德

(河北省承德水文水資源勘測(cè)局，河北 承德 067000)

1 研究背景

隨著對(duì)生態(tài)環(huán)境認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步加強(qiáng)，人們對(duì)河流的管理已經(jīng)從單一功能的管理發(fā)展為多功能的管理，特別是對(duì)河道生態(tài)健康的管理給予了更大的關(guān)注。河道生態(tài)健康評(píng)價(jià)作為一種管理手段，能夠給出在自然和人類兩種因素影響下的河道健康程度，能夠?qū)恿鞯墓芾頉Q策提供參考，因此對(duì)河道生態(tài)健康評(píng)價(jià)的研究具有一定的科學(xué)意義[1]。

目前，對(duì)河道健康評(píng)價(jià)的方法一種是預(yù)測(cè)法[2-3]，該方法主要是對(duì)河流中一些關(guān)鍵指標(biāo)值(如生物量)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與假設(shè)處于原始狀態(tài)的河流指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果確定河道的健康程度。但是該方法目標(biāo)是假設(shè)河道處于原始狀態(tài)，這顯然要求太高；同時(shí)該方法只是檢測(cè)一種指標(biāo)，并不能對(duì)河流的各個(gè)方面進(jìn)行檢測(cè)。另一種河道健康評(píng)價(jià)的方法為多指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，該方法根據(jù)河流的各個(gè)方面選取指標(biāo)值，并使用評(píng)價(jià)模型根據(jù)指標(biāo)值對(duì)河道健康進(jìn)行評(píng)價(jià)。該方法能夠較為全面地反映河流的健康狀態(tài)，是目前河流健康評(píng)價(jià)研究的主要趨勢(shì)之一[4]。作為多指標(biāo)評(píng)價(jià)方法的一種主要代表，灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢(shì)提供了量化的度量，非常適合動(dòng)態(tài)歷程分析。而河道也處于動(dòng)態(tài)演變的過程[5]，因此灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)于河道的健康評(píng)價(jià)具有一定適用性。

鑒于此，本文提出加權(quán)的灰色關(guān)聯(lián)法的河道健康評(píng)價(jià)模型。首先采用綜合權(quán)重法對(duì)河段的生態(tài)健康指標(biāo)值進(jìn)行賦值，結(jié)合求取的權(quán)重與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各個(gè)河道的生態(tài)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后在選定的研究區(qū)內(nèi)，將本文的方法分別與可變模糊集對(duì)分析法、集對(duì)分析法、模糊綜合評(píng)判法進(jìn)行比較，以驗(yàn)證模型的合理性。通過本文的研究，以期能夠?yàn)槲覈暮拥郎鷳B(tài)健康評(píng)價(jià)提供參考與借鑒。

2 研究方法

2.1 熵權(quán)法計(jì)算過程

熵用于衡量系統(tǒng)的有序程度，而熵權(quán)法的賦權(quán)原理為當(dāng)一個(gè)指標(biāo)對(duì)于不同評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值差異越大，該指標(biāo)的權(quán)重也會(huì)越大[6]。

針對(duì)本次研究有n個(gè)待評(píng)價(jià)的河段，m個(gè)指標(biāo)，xij表示第i個(gè)河段的第j個(gè)指標(biāo)值，則可以得到標(biāo)準(zhǔn)化樣本矩陣X：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Hij為xij的歸一化值；ej為指標(biāo)j的熵值；wj為指標(biāo)j的權(quán)重。

2.2 專家打分法計(jì)算過程

專家打分法主要是通過專家已有知識(shí)和主觀經(jīng)驗(yàn)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，該方法的具體過程可以參考文獻(xiàn)[7]。專家打分法是一種主觀賦權(quán)法，可以與客觀賦權(quán)法(熵權(quán)法)形成互補(bǔ)。最后分別取主客觀權(quán)重的一半作為最終權(quán)重。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)法計(jì)算過程

灰色關(guān)聯(lián)法可以衡量兩個(gè)序列之間的密切程度[8]，是一種較為優(yōu)秀的評(píng)價(jià)方法。公式如下：

(5)

其中：kij為方案i的第j個(gè)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)序列相應(yīng)指標(biāo)的的關(guān)聯(lián)度；c為分辨系數(shù)。而方案i與標(biāo)準(zhǔn)序列的關(guān)聯(lián)度ki可以通過下式求得：

(6)

通過將每一個(gè)河段的指標(biāo)序列與各個(gè)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)序列進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，關(guān)聯(lián)度最大對(duì)應(yīng)的等級(jí)為相應(yīng)河段生態(tài)健康程度，其中標(biāo)準(zhǔn)序列為相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的中值序列。

3 實(shí)例計(jì)算與應(yīng)用

在選定的研究區(qū)內(nèi)，將河流生態(tài)健康等級(jí)分為瀕臨崩潰、病態(tài)、亞健康、基本健康、健康5個(gè)等級(jí)，指標(biāo)選取水量指標(biāo)、水質(zhì)指數(shù)、生物指數(shù)、連通性指數(shù)、防洪標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)5個(gè)指標(biāo)，具體標(biāo)準(zhǔn)見表1[1]。

表1 河道生態(tài)健康等級(jí)

同時(shí)選擇4段河道(北關(guān)閘-牛牧屯、牛牧屯-土門樓、土門樓-筐兒港、筐兒港-屈家店)作為研究對(duì)象，具體指標(biāo)見表2[1]。

表2 各個(gè)河段生態(tài)健康指標(biāo)值

從表2可以看出，從上到下，河段的生態(tài)健康程度在逐漸變好。同時(shí)從指標(biāo)的角度看，4條河道的水量指標(biāo)、水質(zhì)指數(shù)、生物指數(shù)這3個(gè)指標(biāo)全部處于健康狀態(tài)，而4條河道的連通性指數(shù)、防洪標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)這兩個(gè)指標(biāo)處于瀕臨崩潰的等級(jí)，可以看出4條河道的連通性和防洪標(biāo)準(zhǔn)比較差。但是河道的生態(tài)健康程度需要綜合各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)。通過本文綜合權(quán)重-灰色關(guān)聯(lián)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，即采用專家打分法與熵權(quán)法求得綜合權(quán)重，根據(jù)式(5)-式(6)來計(jì)算最終結(jié)果，評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

表3 河道生態(tài)健康評(píng)價(jià)結(jié)果

從表3可以看出由于受到連通性指數(shù)、防洪標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)這兩個(gè)指標(biāo)的影響，河道的整體評(píng)價(jià)結(jié)果并沒有達(dá)到健康這一等級(jí)，而是處于稍微低一級(jí)的亞健康等級(jí)。

為了檢驗(yàn)本文模型的評(píng)價(jià)性能，將本文模型的評(píng)價(jià)結(jié)果分別與可變模糊集對(duì)分析、集對(duì)分析、模糊綜合評(píng)判法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。

表4 各個(gè)模型評(píng)價(jià)結(jié)果表

從表4可以看出，4個(gè)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。特別是本文模型與可變模糊集對(duì)分析、集對(duì)分析3個(gè)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果完全一致，而本文模型與模糊綜合評(píng)判法在北關(guān)閘-牛牧屯與牛牧屯-土門樓這兩個(gè)河段的評(píng)價(jià)結(jié)果不一致。從表1與表2可以看出，北關(guān)閘-牛牧屯與牛牧屯-土門樓這兩個(gè)河段的大部分指標(biāo)都處于健康等級(jí)，但是考慮連通性指數(shù)、防洪標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)這兩個(gè)指標(biāo)的影響，因此河流整體生態(tài)健康程度可向下降低一個(gè)等級(jí)，降為亞健康狀態(tài)是比較合理的；而模糊綜合評(píng)判法將北關(guān)閘-牛牧屯與牛牧屯-土門樓這兩個(gè)河段定為病態(tài)則不太合適[1]。

4 結(jié) 論

本文以專家打分法計(jì)算主觀權(quán)重，以熵權(quán)法計(jì)算客觀權(quán)重，并結(jié)合兩者的權(quán)重，求主客觀結(jié)合的綜合權(quán)重，以該權(quán)重結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)法，提出加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)研究區(qū)4條河道(北關(guān)閘-牛牧屯、牛牧屯-土門樓、土門樓-筐兒港、筐兒港-屈家店)的生態(tài)健康程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后得出4條河道的生態(tài)健康等級(jí)都為亞健康。同時(shí)本文的評(píng)價(jià)結(jié)果與可變模糊集對(duì)分析、集對(duì)分析3個(gè)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果完全一致，說明本文提出的評(píng)價(jià)方法具有一定實(shí)用性，可以為我國河道生態(tài)健康評(píng)價(jià)的研究提供一定的參考依據(jù)。