基于層次分析法-模糊綜合評價(jià)的蘇北平原河流生態(tài)狀況評估

王鋮潔，方紅遠(yuǎn)，朱 曄，潘光毓

（1.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009；2.江蘇省水文水資源勘測局宿遷分局，江蘇宿遷 223800）

0 引 言

河流是自然界中淡水資源存蓄的主要形式之一，具有重要的資源功能與生態(tài)服務(wù)功能，對人類的生產(chǎn)生活至關(guān)重要。經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展的同時(shí)，河流面臨著水質(zhì)污染、水資源浪費(fèi)、河道淤積嚴(yán)重和水生態(tài)環(huán)境惡劣等一系列問題，河流的生態(tài)狀況不容樂觀［1］。建立合理的水生態(tài)評價(jià)系統(tǒng)對河流進(jìn)行有效的生態(tài)狀況評價(jià)，改善河流存在的問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展尤為重要。

20 世紀(jì)80年代，隨著“生態(tài)系統(tǒng)健康”的概念產(chǎn)生，國內(nèi)外學(xué)者對河流生態(tài)評價(jià)開展研究，提出了各有特色的評價(jià)指標(biāo)體系，如美國提出了生物完整性指數(shù)，用魚類物種豐富度、指示種類別等12 項(xiàng)指標(biāo)對河流的健康狀況進(jìn)行評價(jià)［2］；澳大利亞提出了溪流狀態(tài)指數(shù)，構(gòu)建了基于河流水文學(xué)、形態(tài)特征、河岸帶狀況、水質(zhì)及水生生物方面的指標(biāo)體系［3］；英國提出了河流無脊椎動物預(yù)測和分類計(jì)劃，將利用區(qū)域特征預(yù)測河流自然狀況下應(yīng)存在的大型無脊椎動物的預(yù)測值與實(shí)際監(jiān)測值相比較，從而評價(jià)河流健康狀況［4］。國內(nèi)也相繼開展了長江、黃河等大型河流的生態(tài)狀況評估，王龍等人運(yùn)用主成分分析法和聚類分析法，構(gòu)建了包括河岸穩(wěn)定性、河床穩(wěn)定性等22個指標(biāo)的健康長江評價(jià)指標(biāo)體系［5］，牛明香等人構(gòu)建了基于“壓力－狀態(tài)－響應(yīng)”模型的黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系［6］。但我國幅員廣闊，地形地貌差異大，尚未形成統(tǒng)一規(guī)范的河流生態(tài)狀況評價(jià)指標(biāo)體系。平原河網(wǎng)地區(qū)河流水動力較弱，流量較小，水文狀況復(fù)雜，不適用大江大河的生態(tài)評估方法。因此，結(jié)合平原河網(wǎng)地區(qū)的自然特點(diǎn)與河流生態(tài)系統(tǒng)的特征，研究分析合理的平原河流生態(tài)狀況評價(jià)體系具有現(xiàn)實(shí)意義。本文基于層次分析及模糊數(shù)學(xué)理論，即先通過層次分析法確定目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層和各指標(biāo)權(quán)重，再用多層次模糊綜合評價(jià)法對河流生態(tài)狀況進(jìn)行綜合評價(jià)。結(jié)合蘇北（宿遷）平原河流的實(shí)際情況，對平原河流生態(tài)狀況指標(biāo)體系與評估模型建立進(jìn)行了初步探討。

1 河流生態(tài)狀況評價(jià)模型

1.1 研究方法

河流的生態(tài)狀況評價(jià)是涉及多因素的綜合性評價(jià)問題，科學(xué)的指標(biāo)評價(jià)體系是正確評價(jià)河流生態(tài)狀況的基礎(chǔ)，合理的評價(jià)方法是有效評價(jià)河流生態(tài)的關(guān)鍵。本研究比對現(xiàn)有的不同地區(qū)的河流評價(jià)準(zhǔn)則，考慮區(qū)域性原則，建立合理的指標(biāo)體系，并將層次分析法［7，8］和模糊綜合評判方法［9］結(jié)合，構(gòu)建層次分析法-模糊綜合評價(jià)模型來對河流進(jìn)行生態(tài)狀況評估，減少因人主觀判定評價(jià)指標(biāo)影響程度而帶來的評價(jià)結(jié)果的主觀性和模糊性，提高準(zhǔn)確度。基本步驟如下：

第一，建立指標(biāo)體系。比對不同地區(qū)的河流生態(tài)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，確定評價(jià)指標(biāo)。即對河流評價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行層次分析，將河流生態(tài)狀況目標(biāo)分為n個準(zhǔn)則層，即A={B1，B2，…，Bn}，再分成m個指標(biāo)，即Bn={Cn1，Cn2，…，Cnm}。

第二，確定權(quán)重和評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)集合。利用層次分析法建立判斷矩陣進(jìn)行權(quán)重計(jì)算并做一致性檢驗(yàn)，驗(yàn)證計(jì)算合理得到準(zhǔn)則層WB和指標(biāo)層的權(quán)重集WC，即WB=(wB1，wB2，…，wBn)，WC=(wCi1，wCi2，…，wCim)。通過查閱文獻(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)確定各指標(biāo)的等級標(biāo)準(zhǔn)V={v1，v2，…，vs}。

第三，建立隸屬度矩陣。將各指標(biāo)的實(shí)際值x與等級標(biāo)準(zhǔn)比較得到相應(yīng)指標(biāo)的隸屬度r，并建立指標(biāo)層的隸屬度矩陣Ri，即Ri={ri1，ri2，…，ris}。

第四，對準(zhǔn)則層與指標(biāo)層進(jìn)行兩級模糊評價(jià)。將權(quán)重集與隸屬度矩陣模糊乘可得到模糊矩陣Bi，將權(quán)重集WB與模糊矩陣B進(jìn)行模糊乘計(jì)算得出歸屬矩陣S，最終根據(jù)最大隸屬度原則得到河流生態(tài)狀況評估結(jié)果。

1.2 評價(jià)模型構(gòu)建

1.2.1 評價(jià)指標(biāo)選取

生態(tài)狀況優(yōu)良的河流不但保持生態(tài)系統(tǒng)的完整性，具有穩(wěn)定的、有彈性的自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還應(yīng)強(qiáng)調(diào)對社會服務(wù)功能的發(fā)揮，如滿足較高標(biāo)準(zhǔn)的防洪、供水等社會服務(wù)功能需求［10］。因此，評價(jià)指標(biāo)不僅要能全面完整反映河流的生態(tài)健康狀況，同時(shí)也能獨(dú)立反映河流的生態(tài)特征，還要考慮評價(jià)指標(biāo)的可操作性，指標(biāo)分析計(jì)算所需的數(shù)據(jù)易于獲取等要求［11，12］。

本文以中國東部的平原河網(wǎng)地區(qū)江蘇省、浙江省的河流生態(tài)狀況評估規(guī)范為基礎(chǔ)，通過對比山東省、遼寧省的評價(jià)規(guī)范［13-15］，并結(jié)合參照《河湖健康評價(jià)指南（試行）》［16］，分析各規(guī)范的共性指標(biāo)與特性指標(biāo)，再結(jié)合江蘇平原河網(wǎng)地區(qū)河流的自然屬性和社會服務(wù)功能與已有研究成果，綜合考慮選取指標(biāo)。河流生態(tài)狀況評估指標(biāo)分析見表1。

江蘇省《生態(tài)河湖狀況評價(jià)規(guī)范》所推薦選擇的評價(jià)指標(biāo)具有普適性和可操作性，內(nèi)涵明確且計(jì)算方便，本文在綜合比較分析其他相關(guān)省的評價(jià)規(guī)范基礎(chǔ)上建立的評價(jià)體系主要針對蘇北平原河網(wǎng)地區(qū)河流生態(tài)狀況評價(jià)。蘇北平原河網(wǎng)河流水動力相對較弱，水位和流量變化小，持續(xù)時(shí)間長，多處于平衡或準(zhǔn)平衡狀態(tài)，一般情況下無顯著單向變形，且河道上閘、壩較多，人為干預(yù)較強(qiáng)［17］。因此本次研究在江蘇省規(guī)范的評價(jià)體系基礎(chǔ)上添加了底棲動物多樣性指標(biāo)，增強(qiáng)河流水生物評價(jià)的客觀針對性；結(jié)合平原河流流速流量小的特點(diǎn)增加了河流流動性指標(biāo)；考慮到平原河流上閘、壩多這一特點(diǎn)補(bǔ)充了河流連通性指標(biāo)，最終建立了包含水生物、水生境、水空間、水安全和公眾滿意度5 類共16 項(xiàng)指標(biāo)的河流生態(tài)狀況評價(jià)指標(biāo)體系，對平原河流開展更有針對性的河流生態(tài)狀況評估。指標(biāo)具體見表2。

1.2.2 權(quán)重計(jì)算與指標(biāo)分級

河流生態(tài)狀況評價(jià)指標(biāo)體系中的各指標(biāo)重要程度不同，為確切反映指標(biāo)對河流生態(tài)狀況評估的重要性，需要定量描述指標(biāo)重要性。層次分析法是將指標(biāo)分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法，在決策、研究中被廣泛使用［18］。本研究使用層次分析法進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，即分別構(gòu)建準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的兩兩比較的判斷矩陣，標(biāo)度計(jì)算并進(jìn)行重要性排序，同時(shí)檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性。構(gòu)建判斷矩陣主要參考各地評價(jià)規(guī)范中的相應(yīng)指標(biāo)重要性排序與專家分析，盡可能減少主觀因素對評價(jià)的影響。

參考重要性排序與河流的社會服務(wù)功能，河流生態(tài)評價(jià)設(shè)2個否決項(xiàng)，分別為“水質(zhì)優(yōu)劣程度”和“公眾滿意度”，即當(dāng)河流水質(zhì)為劣Ⅴ類或公眾滿意度在60分以下時(shí)，河流生態(tài)狀況結(jié)果評估為“差”。參考《生態(tài)河湖狀況評價(jià)規(guī)范》的評估方法，準(zhǔn)則層中公眾滿意度不進(jìn)行計(jì)算評分。考慮到平原河網(wǎng)地區(qū)河流部分?jǐn)?shù)據(jù)獲取不易，對于有指標(biāo)缺失項(xiàng)的河流，將缺失指標(biāo)的權(quán)重平均分給該指標(biāo)所在指標(biāo)類型的其他指標(biāo)。具體計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 河流生態(tài)評價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重Tab.2 Index system and weight of river ecological evaluation

各指標(biāo)的等級標(biāo)準(zhǔn)劃分采用標(biāo)準(zhǔn)法，各指標(biāo)的等級劃分參考江蘇、浙江、遼寧省與《河湖健康評價(jià)指南（試行）》等規(guī)范中的等級劃分，并結(jié)合其他研究成果［11，17］來確定具體指標(biāo)的健康程度，分為優(yōu)良中差4 個等級，其客觀性較強(qiáng)，劃分等級結(jié)果見表3。

表3 河流生態(tài)評價(jià)指標(biāo)體系等級標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Grade standard of river ecological evaluation index system

1.2.3 隸屬度矩陣的確定

（1）正向指標(biāo)。正向指標(biāo)指當(dāng)指標(biāo)值越大時(shí)，河流生態(tài)狀況越好，如河流著生藻類多樣性、生態(tài)用水滿足程度等指標(biāo)。

當(dāng)指標(biāo)xim的值大于等級標(biāo)準(zhǔn)“優(yōu)”時(shí)，該指標(biāo)對應(yīng)的隸屬度為1，其他等級的隸屬度為0，即xim＞Vim1時(shí)：

當(dāng)指標(biāo)xim的值介于等級標(biāo)準(zhǔn)Vimj和Vim（j+1）時(shí)，第（j+1）級隸屬度為：

對第j級的隸屬度為：

其他級別隸屬度為0。

當(dāng)指標(biāo)xim的值小于等級標(biāo)準(zhǔn)“差”時(shí)，該指標(biāo)對應(yīng)的隸屬度為1，其他等級的隸屬度為0，即xim＜Vim4時(shí)：

（2）逆向指標(biāo)。逆向指標(biāo)指當(dāng)指標(biāo)值越大時(shí)，河流生態(tài)狀況越差，如河流連通程度、綜合治理程度等指標(biāo)。

當(dāng)指標(biāo)xim的值小于等級標(biāo)準(zhǔn)“優(yōu)”時(shí)，該指標(biāo)對應(yīng)的隸屬度為1，其他等級的隸屬度為0，即xim＜Vim1時(shí)：

當(dāng)指標(biāo)xim的值介于等級標(biāo)準(zhǔn)vimj和Vim（j+1）時(shí)，第（j+1）級隸屬度為：

對第j級的隸屬度為：

其他級別隸屬度為0。

當(dāng)指標(biāo)xim的值大于等級標(biāo)準(zhǔn)“差”時(shí)，該指標(biāo)對應(yīng)的隸屬度為1，其他等級的隸屬度為0，即xim＞Vim4時(shí)：

式（1）～（8）中：xim是第i個準(zhǔn)測層中第m個指標(biāo)的實(shí)測值；rimn是第i個準(zhǔn)測層中第m個指標(biāo)第n級的隸屬度；vimj是第j級等級標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.4 綜合模糊評價(jià)

模糊評價(jià)分為對指標(biāo)層和準(zhǔn)則層的一級模糊評價(jià)和準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的二級模糊評價(jià)。一級模糊評價(jià)采用公式為：

式中：Bi是第i層準(zhǔn)則層的模糊評價(jià)；Wci是指標(biāo)層中對應(yīng)的第i層準(zhǔn)則層的權(quán)重集；Ri是第i層準(zhǔn)則層隸屬度矩陣；wcim是第i個準(zhǔn)測層中第m個指標(biāo)對于該準(zhǔn)則層的權(quán)重；rimn是第i個準(zhǔn)測層中第m個指標(biāo)的第n級隸屬度；Bin是第i層準(zhǔn)則層的第n級隸屬度，?為模糊算子，采用M(·，+ )計(jì)算。

二級模糊評價(jià)采用公式：

式中：S是目標(biāo)的模糊評價(jià)；WB是準(zhǔn)則層對于目標(biāo)層的權(quán)重集；B為一級模糊評價(jià)；wBi是第i層準(zhǔn)則層的權(quán)重；Wci是指標(biāo)對應(yīng)的第i層準(zhǔn)則層的權(quán)重集；Ri是第i層準(zhǔn)則層隸屬度矩陣；Sn是目標(biāo)的第n級隸屬度；?為模糊算子，采用M(·，+ )計(jì)算。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

2.1 研究區(qū)概況

蘇北平原宿遷部位處淮河、沂、沭、泗流域的下游，南臨洪澤湖，北接駱馬湖，總六塘河是蘇北平原河網(wǎng)地區(qū)的一條典型的平原河流。總六塘河位于宿遷市，起于駱馬湖洋河灘閘，穿淮沭河后與南北六塘河等河道匯入灌河，流入黃海，是沂南地區(qū)區(qū)域排澇骨干河道之一，主要承擔(dān)排澇及灌溉任務(wù)。河道全長76 km，流域面積691 km2。總六塘河地理位置見圖1。

總六塘河河道兩岸多為自然岸坡，自然植被分布較為完整，岸坡整體穩(wěn)定性較好，河道兩岸違規(guī)占用岸線情況較少，但河道流動性較差，流量小，水流流速緩慢。根據(jù)洋河灘閘、復(fù)隆和項(xiàng)莊水文站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，僅在汛期可檢測到一定的流量，非汛期流量幾乎為零?？偭梁訁R入支流多，沿線有東河、東民便河、世紀(jì)河、泰山河、馬河等22 條支流，但河上建有較多閘、壩，如洋河灘閘、六塘河閘、泗塘河擋洪閘、雍水閘、六塘河旱閘橡膠壩、世紀(jì)河閘，以及項(xiàng)莊水文站和復(fù)隆水文站等水利水文設(shè)施，監(jiān)測并控制著引水、排澇、攔蓄回歸水灌溉等。

總六塘河水功能區(qū)劃為保留區(qū)，上游段與駱馬湖相通，水質(zhì)較好，城區(qū)段因其排澇功能，河流水質(zhì)受沿線支流污水河道的影響，城區(qū)支流匯入段水質(zhì)較惡劣。河流的流動性、自凈能力差，河道內(nèi)水生生物狀況較差，水草、魚類等生物多樣性減少。近年隨著區(qū)域水利現(xiàn)代化建設(shè)、骨干河道疏浚整治以及河長制的建立與完善，總六塘河總體水生態(tài)環(huán)境狀況已呈現(xiàn)出日益改善趨勢。

2.2 總六塘河生態(tài)狀況評估

根據(jù)所構(gòu)建的平原河流生態(tài)狀況評價(jià)指標(biāo)體系與確定的權(quán)重與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合總六塘河實(shí)際生態(tài)狀況及其評估資料可獲得性，本文取2015年作為河道生態(tài)狀況評估現(xiàn)狀水平年，從水生物、水生境、水空間、水安全和公眾滿意度五個大方面對總六塘河進(jìn)行河流生態(tài)狀況評估。其中河流水質(zhì)、水生物、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率等定量評價(jià)指標(biāo)信息主要來源于水利部門發(fā)布的《2015年宿遷市水資源公報(bào)》、《2015 宿遷河流健康評估技術(shù)報(bào)告》、《宿遷市水功能區(qū)達(dá)標(biāo)整治方案》、《2015年重點(diǎn)水功能區(qū)水質(zhì)通報(bào)》等技術(shù)資料以及當(dāng)年實(shí)時(shí)監(jiān)測資料，而半定量定性指標(biāo)信息則通過調(diào)查分析和主觀打分給出。

2015年總六塘河的河流公眾滿意度問卷調(diào)查顯示總六塘河公眾滿意度為65.67 分，2015年總六塘河總體水質(zhì)狀況為Ⅳ類，均比兩個否決項(xiàng)的否決標(biāo)準(zhǔn)好，可繼續(xù)進(jìn)行河流生態(tài)評估?？偭梁由蠜]有集中式飲用水水源地，故將該指標(biāo)權(quán)重平均分配給水安全準(zhǔn)則層下的其他指標(biāo)［9］。根據(jù)2015年總六塘河清高橋?qū)崪y斷面數(shù)據(jù)，河道內(nèi)平均流速為0.038 m/s；總六塘河調(diào)查樣點(diǎn)共定量檢出浮游植物6 門20 屬29 種，底棲動物9 種，著生硅藻中心綱和羽紋綱2 綱5 目20 屬44 種。結(jié)合衛(wèi)片數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及當(dāng)年現(xiàn)場調(diào)查踏勘結(jié)果，總六塘河河道兩岸多為自然岸坡，自然植被分布較為完整，植被覆蓋率較高，但河堤岸內(nèi)開墾占用（林下）現(xiàn)象較多，岸坡整體穩(wěn)定性好，但有50 m 長度左右侵蝕及塌岸現(xiàn)象和有40 km 河段兩岸堤防未滿足防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，防洪達(dá)標(biāo)率差；根據(jù)《2015年宿遷市水資源公報(bào)》，總六塘河總體水質(zhì)狀況為Ⅳ類，水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率為41.7%。

根據(jù)2015年各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)際值，應(yīng)用公式（1）～（8），計(jì)算得到各個指標(biāo)的隸屬度?？偭梁由鷳B(tài)狀況評估指標(biāo)數(shù)據(jù)見表4。

表4 總六塘河生態(tài)狀況評價(jià)指標(biāo)權(quán)重及隸屬度Tab.4 Evaluation index weight and membership of Zongliutang River Ecological Condition

最后，應(yīng)用模糊評價(jià)公式（9）和（10），得到總六塘河的評價(jià)結(jié)果，見表5。

表5 總六塘河模糊評價(jià)結(jié)果Tab.5 Fuzzy evaluation results of zongliutang River

從準(zhǔn)則層的一級模糊評價(jià)結(jié)果可以看出總六塘河水生生物的評價(jià)兩極分化比較嚴(yán)重，因?yàn)橹孱惡透∮沃参锏亩鄻有韵嗖钶^大；水生態(tài)環(huán)境評價(jià)等級為“中”，水質(zhì)的優(yōu)劣與河流的流動程度對結(jié)果影響較大，水空間評價(jià)等級為“優(yōu)”，總六塘河的岸線管理保護(hù)較好，水安全的評價(jià)等級為“中”，根據(jù)一級模糊評價(jià)結(jié)果可針對河流存在的具體問題采取相應(yīng)措施，改善河流生態(tài)環(huán)境。

最終得到總六塘河評價(jià)集合D=［0.169 3，0.145 1，0.450 5，0.235 0］，根據(jù)最大隸屬度原則，總六塘河生態(tài)狀況為“中”，與水利部門等綜合檢查對總六塘河現(xiàn)狀水平年的生態(tài)狀況評估結(jié)果相近，說明該評價(jià)體系較為客觀地反映了河流當(dāng)年的實(shí)際狀況。

3 結(jié) 論

（1）基于平原河網(wǎng)地區(qū)的河流特性，對比不同省份的河流生態(tài)狀況評估規(guī)范，并結(jié)合參照《河湖健康評價(jià)指南（試行）》，嘗試性地建立一套適用于平原河網(wǎng)地區(qū)的河流生態(tài)評價(jià)指標(biāo)體系，包括水生生物、水生態(tài)環(huán)境、水空間、水安全和公眾滿意度5個大類共16個指標(biāo)。

（2）將層次分析法與模糊綜合評價(jià)相結(jié)合，構(gòu)建了基于層次分析法-模糊綜合評價(jià)模型的平原河流水生態(tài)狀況評價(jià)體系。模型運(yùn)用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)等級標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算相應(yīng)的隸屬度函數(shù)，并進(jìn)行兩次模糊評價(jià)，按最大隸屬度原則確定河流的生態(tài)狀況。

（3）應(yīng)用建立的平原河流生態(tài)評價(jià)模型，選取蘇北地區(qū)的宿遷市總六塘河這一典型的平原河流進(jìn)行實(shí)例分析，評估結(jié)果較為客觀、全面地反映了2015年總六塘河的河流生態(tài)狀況，且與該河流現(xiàn)狀水平年的多部門社會綜合檢查評價(jià)結(jié)果接近，表明該指標(biāo)體系與評價(jià)模型可較好地應(yīng)用于平原河流生態(tài)評價(jià)中，有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值?！?/p>