基于云模型的生態(tài)河道建設(shè)評價

趙晨程，高玉琴，劉 鉞，吳 迪

(河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

水生態(tài)文明是生態(tài)文明的重要組成部分[1]，也是河長制實施的最終目標。準確定義生態(tài)河道，建立科學合理的評價指標體系具有重要的指導意義和研究價值。

目前，在生態(tài)河道建設(shè)評價指標體系與評價方法等方面已有諸多研究。陳平等[2]認為生態(tài)河道建設(shè)要重視整治后原有生物群落的恢復(fù)，構(gòu)建了5個指標群的生態(tài)河道評價指標體系；高曉琴等[3]指出生態(tài)河道治理經(jīng)歷了自然型河道階段和生態(tài)型河道階段，河流生態(tài)修復(fù)需要同時考慮河床水體和河岸帶生態(tài)恢復(fù)的作用，兼顧河道安全和生態(tài)健康，將城市生態(tài)系統(tǒng)影響納入生態(tài)河道建設(shè)；左倬等[4]根據(jù)中國城市河道生態(tài)建設(shè)特點，選取濱岸帶生境、濱岸帶生物群落、河床生態(tài)環(huán)境、河床生物群落和特征指標群5個一級指標以及23個二級指標，構(gòu)建城市河道生態(tài)符合指數(shù)的概念，定量描述城市河道生態(tài)水平；曹文彪等[5]使用基于層次分析法的模糊綜合評價模型對崇明島河流生態(tài)進行研究；Reheman等[6]以Landsat遙感影像和水文數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，對比分析水利工程建設(shè)前后區(qū)域植被覆蓋變化特征，表明水利工程建設(shè)對生態(tài)環(huán)境有修復(fù)作用，促進了水資源高效利用；熊坤楊[7]基于河道水質(zhì)、河道環(huán)境、河內(nèi)物種、生態(tài)需水量、水利功能、河道管理等6個指標建立了較為系統(tǒng)的生態(tài)河道評價體系。

云模型是基于傳統(tǒng)概率統(tǒng)計和模糊數(shù)據(jù)衍生而來的定量、定性轉(zhuǎn)換模型，其數(shù)字特征可有效表現(xiàn)定性概念的定量特性[8]，兼顧事物的模糊性和隨機性。云模型評價方法在水利領(lǐng)域已應(yīng)用于流域綜合評價[9]、水資源保護效果評價[10]、河長制考核評價[11]、低影響開發(fā)措施綜合效益評價[12]等方面，而采用云模型對生態(tài)河道建設(shè)進行評價的研究還不多見。本文以江蘇省宿遷市為例利用云模型對生態(tài)河道建設(shè)進行評價。

1 生態(tài)河道建設(shè)評價指標體系及評價標準

生態(tài)河道建設(shè)主要依靠自然作用，通過少量人為方式，在符合河道基本水利功能的前提下維持河道的生態(tài)平衡和生物多樣性[13]，建設(shè)城市生態(tài)河道的目的是維持河道水質(zhì)、水量以及生態(tài)的有機統(tǒng)一[14]。生態(tài)河道建設(shè)應(yīng)重視發(fā)揮生態(tài)服務(wù)功能和完善生態(tài)保育功能，維持河道正常運行的環(huán)境條件，為人類和自然提供生態(tài)服務(wù)；生態(tài)河道建設(shè)應(yīng)保證生態(tài)結(jié)構(gòu)完整性，當生態(tài)河道建設(shè)發(fā)展過程中出現(xiàn)干擾問題時，應(yīng)可及時恢復(fù)原生態(tài)結(jié)構(gòu)。

生態(tài)河道建設(shè)總體目標為：有效保障水安全、永續(xù)利用水資源、保持水環(huán)境整潔優(yōu)美、保持水生態(tài)系統(tǒng)健康、傳承弘揚水文化。我國應(yīng)從以下幾方面落實生態(tài)河道建設(shè)：建成防洪減災(zāi)體系，高效利用水資源，維護經(jīng)濟社會穩(wěn)定發(fā)展，落實水資源管理制度，保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展；優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，減少污染排放，降低環(huán)境自凈負荷，治理河湖亂占、亂建、亂排的“三亂”現(xiàn)象；消除黑臭水體，溝通水系，涵養(yǎng)水源，修復(fù)河湖生態(tài)；保護、挖掘、弘揚水文化，豐富水文化內(nèi)涵；實現(xiàn)河湖資源有序利用，完善河湖長效管護體制機制。

1.1 評價指標體系

本文根據(jù)中央、省、市關(guān)于生態(tài)文明建設(shè)的決策部署要求，參照《宿遷市生態(tài)河湖行動計劃(2018—2020年)》，選擇水安全保障、水資源保護、水污染防治、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)、水文化建設(shè)、水工程管護、水制度創(chuàng)新8個方面的30項指標，建立生態(tài)河道建設(shè)評價指標體系，如圖1所示，各指標通過定量數(shù)值來體現(xiàn)，除底泥污染程度按5分制計算外，其余各指標均以百分制計算。

圖1 生態(tài)河道建設(shè)評價指標體系

1.2 評價等級與標準

根據(jù)數(shù)值大小和相關(guān)評價文獻[2,5,9,11]將生態(tài)河道建設(shè)評價指標分為5個等級：不合格、合格、中等、良好和優(yōu)秀，評價指標各等級數(shù)值范圍見表1。

表1 生態(tài)河道建設(shè)評價指標的等級與標準

2 基于云模型的生態(tài)河道建設(shè)評價模型

2.1 云模型理論

云模型概念最初由李德毅院士提出[15]，按機制可分為正向云發(fā)生器(forward cloud generator, FCG)、逆向云發(fā)生器(backward cloud generator, BCG)和條件云發(fā)生器，按不同形式隸屬函數(shù)可分為不同類型的云模型。正態(tài)分布現(xiàn)象在自然界極為普遍，許多大樣本統(tǒng)計量近似服從正態(tài)分布，正態(tài)云模型能反映和描述其中的模糊性和不確定性[16]，因此得到廣泛應(yīng)用。

正態(tài)云模型采用期望Ex、熵En、超熵He作為特征值。期望即數(shù)學期望，反映所有云滴的平均值，熵反映云滴之間的離散程度，超熵反映熵的不確定程度。云模型通過云發(fā)生器完成特征與云滴的互相轉(zhuǎn)換，F(xiàn)CG是定性轉(zhuǎn)向定量的過程，通過云的數(shù)字特征生成大量云滴和對應(yīng)的隸屬度；BCG則相反，通過定量的樣本(x)和確定度(μ)計算出云模型的定性概念(Ex，En，He)；條件云發(fā)生器以特定的X條件或Y條件作為規(guī)則產(chǎn)生隸屬度。

2.2 云模型計算指標權(quán)重和指標等級

收集若干專家對指標賦予的權(quán)重，通過BCG求解每個項目的云數(shù)字特征(Ex，En，He)，通過FCG生成更多云滴，將確定度μ最大時對應(yīng)的x作為對應(yīng)指標Ci的權(quán)重計算值[17]，對指標的隸屬度進行歸一化處理[18]?？紤]到最大隸屬度準則可能造成評價結(jié)果信息損失，進而影響評價效果，本文采用級別特征值法進行評價等級判斷，即不合格、合格、中等、良好和優(yōu)秀分別為50、60、75、85和95，最后得到總體評分和評價等級。

2.3 云模型評價流程

將專家打分結(jié)果輸入云模型中，利用BCG生成相應(yīng)的云數(shù)字特征后，將獲取的云數(shù)字特征輸入FCG實現(xiàn)云滴的有效補充，依據(jù)生成的云數(shù)字特征評價生態(tài)河道建設(shè)情況?；谠颇Ｐ偷纳鷳B(tài)河道建設(shè)評價流程如圖2所示。

圖2 云模型生態(tài)河道建設(shè)評價流程

3 實例評價

3.1 江蘇省宿遷市生態(tài)河道基本情況

宿遷市位于江蘇省北部，地處淮、沂沭泗水系下游，有2區(qū)3縣，總面積8 555 km2。全市共有2 045條縣鄉(xiāng)以上河道、5 655條村級河道，近 8 000名河長、警長。至今已完成10條生態(tài)示范河道建設(shè)，整治骨干河道20余條，啟動西南片區(qū)水環(huán)境規(guī)劃方案編制，開展水環(huán)境治理。2018年全市年用水量控制在29.3億m3以內(nèi)，萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值用水量為101.3 m3。2018年完成重點水利工程投資4.44億元，區(qū)域防洪除澇能力得到進一步增強。近年來大力推進生態(tài)河道建設(shè)，提出“一核、兩湖、三片、四廊、多點”的概念[19]，市河長制辦公室先后開展5輪月督查、18輪河湖“三亂”專項督查，解決了一批歷史積累的問題，為宿遷市水生態(tài)文明建設(shè)、經(jīng)濟發(fā)展和民生改善提供了有力保障。

3.2 云模型指標權(quán)重計算

邀請10名專家對生態(tài)河道建設(shè)評價指標打分，得到各一級指標初始權(quán)重，通過云模型BCG計算每個樣本的特征值，通過FCG補充云滴，模擬1 000位專家的指標權(quán)重，將均值作為最終權(quán)重結(jié)果，如表2所示，各一級指標的云數(shù)字特征如表3所示。重復(fù)以上過程分別求出云模型各指標在子體系中的權(quán)重以及在評價指標體系中的權(quán)重，如表4所示，各指標體系權(quán)重云模型如圖3所示。

表2 一級指標權(quán)重專家評估值及云模型計算值

表3 一級指標云數(shù)字特征

表4 子體系各指標云數(shù)字特征及權(quán)重

(a) 生態(tài)河道建設(shè)體系

3.3 云模型評價等級計算

根據(jù)宿遷市生態(tài)河道建設(shè)情況，通過條件云發(fā)生器計算出各評價指標不同等級的隸屬度(表5)，最后通過級別特征值法[20]求出各評價指標綜合評價值，如表5所示。

表5 評價指標等級隸屬度和指標評價值

3.4 評價結(jié)果分析

由云模型指標權(quán)重(表4)和指標評價值(表5)進行加權(quán)計算可得2018年宿遷市生態(tài)河道建設(shè)綜合評價值為89.52，屬于良好水平，各子指標體系B1～B8的綜合評價值分別為94.32、80.36、86.98、92.04、87.67、89.38、91.90、94.92，其中水資源保護子體系評價值較低，為80.36，其余在85～95之間。主要原因是宿遷市地表與地下水資源量較少，主要依賴上游來水，水資源開發(fā)利用程度過高，遠高于國際公認的40%警戒線。此外，為改善生態(tài)河道狀況，還應(yīng)加強農(nóng)村面源污染治理和船舶污染防治，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，從源頭減少污染物的排放，提升水生態(tài)承載力。

4 結(jié) 語

生態(tài)河道建設(shè)評價指標體系需要結(jié)合水資源、水質(zhì)、社會、經(jīng)濟、生態(tài)、環(huán)境等因素，指標多、涉及面廣，且不同河道間存在類型、結(jié)構(gòu)、功能上的差異，需要選擇易于理解、便于監(jiān)測、可操作性強的關(guān)鍵指標來表征河道生態(tài)健康的總體狀況。本文將云模型應(yīng)用于宿遷市生態(tài)河道建設(shè)評價，在建立評價指標體系的基礎(chǔ)上，計算各指標權(quán)重和評價等級，用級別特征值法計算最終評價值，驗證了結(jié)果的合理性。正態(tài)云模型的適用性較廣泛，可以很好地處理等級邊界隸屬度問題，通過計算每個指標在不同評價等級的隸屬度，綜合判定最終指標等級，使得指標等級隸屬度模糊化，邊界過渡自然，具有一定的實用價值。運用云模型計算權(quán)重時，初始權(quán)重具有較強的主觀性，需要專家對實際情況有較深的理解，提高初始權(quán)重的客觀性，避免主觀意愿對結(jié)果造成較大影響。