基于模糊物元法的農(nóng)村河道生態(tài)狀況評價(jià)

方國華，葉曉晶，姚懷柱，廖 濤，宋子奇

（1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京210098；2.江蘇省水利廳農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，南京210029；3.江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇揚(yáng)州225127）

0 引言

河道是水資源的重要載體，是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，與人類生產(chǎn)、生活息息相關(guān)。20世紀(jì)70年代起，我國開始河道治理工作，但由于過度強(qiáng)調(diào)防洪排澇等功能，河道過度硬化、裁彎取直，導(dǎo)致河道生態(tài)受到破壞。直到黨的十七大首次提出建設(shè)生態(tài)文明，我國河道治理工作重點(diǎn)才逐漸轉(zhuǎn)向恢復(fù)河道生態(tài)和河道系統(tǒng)功能，治理工作進(jìn)入新階段［1］。2019年，習(xí)近平總書記首次提出了“幸福河”，對河道治理工作提出了新要求。幸福河是在維持自身健康的同時，支撐流域經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展，讓流域內(nèi)人民具有安全感、獲得感與滿意度的河流。農(nóng)村河道主要指流經(jīng)或分布在廣大農(nóng)村地區(qū)，直接為農(nóng)村生產(chǎn)、生活服務(wù)的河流、小型湖泊和溝塘，與城市河道相比，具有河道結(jié)構(gòu)多樣、功能多樣與污染源復(fù)雜等特點(diǎn)［2］。關(guān)于農(nóng)村河道生態(tài)治理的相關(guān)研究相對較少，目前，農(nóng)村河道普遍存在河道侵占嚴(yán)重、河道坍塌、水體污染、淤塞嚴(yán)重、治理滯后等問題［3］，多數(shù)河流未能達(dá)到幸福河的標(biāo)準(zhǔn)。要處理好農(nóng)村河道的種種問題，首先需要對農(nóng)村河道生態(tài)狀況做出合理評價(jià)，為科學(xué)制定農(nóng)村河道生態(tài)治理措施、建設(shè)幸福河奠定基礎(chǔ)。

河道生態(tài)狀況評價(jià)方法［4-6］可分為預(yù)測模型法與多指標(biāo)評價(jià)法。近年來，我國學(xué)者多以多指標(biāo)評價(jià)法開展相關(guān)研究。2007年，陳平等［7］從河道水利功能、河道穩(wěn)定、生物、水質(zhì)與水量、管理五個方面初步構(gòu)建了生態(tài)河道評價(jià)指標(biāo)體系。2010年，韓黎［8］從水利功能、生態(tài)需水量、水質(zhì)、河道生境、水生生物和管理能力方面對旅順鳳河進(jìn)行生態(tài)評價(jià)。2013年，董哲仁等［9］基于生物質(zhì)量、水文、物理化學(xué)和河流地貌要素，選取10 個指標(biāo)，明確各指標(biāo)的賦值及分級標(biāo)準(zhǔn)，建立了河道生態(tài)狀況分級系統(tǒng)。2018年，張偉超［10］從水文、水質(zhì)、河流地貌和水生動植物四個方面選取指標(biāo)，對漢江漢中平川段河道進(jìn)行生態(tài)評價(jià)。2021年，胡威等［11］利用遺傳算法優(yōu)化BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對指標(biāo)賦權(quán)進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建基于GA-BP的河道生態(tài)狀況評價(jià)模型。

目前常用的評價(jià)方法有模糊綜合評價(jià)［12］、云模型法［13］、物元分析法［14］等。模糊物元分析法將模糊綜合評價(jià)法與物元分析法結(jié)合起來，分析事物的模糊性和多因素之間的不相容性，從而進(jìn)行對事物的評價(jià)，得到單指標(biāo)發(fā)展?fàn)顩r與事物綜合評價(jià)結(jié)果，使結(jié)果更加客觀、科學(xué)［15］。農(nóng)村河道生態(tài)狀況評價(jià)涉及水文、水生態(tài)、水資源、水管理等領(lǐng)域，影響因素繁雜，指標(biāo)眾多，各指標(biāo)評價(jià)結(jié)果之間不相容，各指標(biāo)級別劃分也具有模糊性，因此選用模糊物元分析法具有明顯的合理性。本文將構(gòu)建農(nóng)村河道生態(tài)狀況評價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用序關(guān)系分析和熵權(quán)法分別確定指標(biāo)主客觀權(quán)重，通過線性組合求得組合權(quán)重，采用模糊物元分析法構(gòu)建模型，對選取的江蘇省6 條農(nóng)村河道生態(tài)狀況進(jìn)行評價(jià)。

1 農(nóng)村河道生態(tài)狀況評價(jià)指標(biāo)體系及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

農(nóng)村河道生態(tài)狀況主要指河道及河岸帶的各種生態(tài)環(huán)境相關(guān)特征，包括功能特征、形態(tài)特征、水環(huán)境特征、生態(tài)特征、人為干擾情況等。

1.1 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

幸福河可定義為河流安全、水流順暢、水資源充沛、河流生態(tài)系統(tǒng)健康，在維持河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，持續(xù)滿足人類社會合理需求，人與河流和諧相處的河流［16］。幸福河的建設(shè)多從水安瀾、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)以及水文化五個維度推進(jìn)。幸福河是新時代河湖生態(tài)治理的目標(biāo)與方向，進(jìn)行農(nóng)村河道生態(tài)狀況評價(jià)是進(jìn)行農(nóng)村河道生態(tài)治理、建設(shè)農(nóng)村幸福河的基礎(chǔ)與前提。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)［17，18］，考慮幸福河的定義與內(nèi)涵，參考《江蘇省生態(tài)河湖狀況評價(jià)規(guī)范》（DB/Z 3674-2019），根據(jù)農(nóng)村河道實(shí)際情況及特點(diǎn)，剔除難以獲得的指標(biāo)，擬定從河道功能、河道形態(tài)、河道環(huán)境、河道生態(tài)與景觀、河道管護(hù)與綜合評判6 個方面構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建農(nóng)村河道生態(tài)狀況評價(jià)指標(biāo)體系。具體見表1。

表1 農(nóng)村河道生態(tài)狀況評價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Indicators of evaluation on rural river ecological conditions

考慮某些指標(biāo)量化計(jì)算繁瑣、方法不一的問題，本文對該指標(biāo)計(jì)算進(jìn)行簡化和說明。水系結(jié)構(gòu)連通性指數(shù)反映河道與其他河、湖、庫水系的連通情況，本文以河道與其他河道水體交匯流通的點(diǎn)的數(shù)量作為水系結(jié)構(gòu)連通性指數(shù)?？v向連通性指數(shù)表示河道內(nèi)人工閘站、壩梗等對河流水文物質(zhì)輸送過程的干擾程度，本文以河道上已建閘站、壩埂及其他阻水建筑物數(shù)量與河道長度之比作為縱向連通性指數(shù)。

1.2 評價(jià)等級與標(biāo)準(zhǔn)確定

考慮將農(nóng)村河道生態(tài)狀況分為優(yōu)、良、中、差4個等級?！皟?yōu)”等級說明河道生態(tài)狀況很好，河道功能完備、形態(tài)蜿蜒多樣、環(huán)境適宜、生態(tài)系統(tǒng)完整多樣、景觀優(yōu)美、管護(hù)到位、公眾滿意。“良”等級說明河道生態(tài)狀況較好，河道功能滿足沿線要求，但河道形態(tài)、河道環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)完整性、景觀綠化及長效管護(hù)方面存在少量問題，公眾基本滿意?！爸小钡燃壵f明河道生態(tài)狀況一般，河道功能基本滿足沿線要求，但河道形態(tài)、河道環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)完整性、景觀綠化及長效管護(hù)方面存在一定問題，公眾滿意度不高。“差”等級說明河道狀態(tài)狀況較差，河道功能不全、形態(tài)單一平直、環(huán)境較差、生態(tài)系統(tǒng)不完整、管護(hù)缺失、公眾滿意度極低。通過參考《江蘇省生態(tài)河湖狀況評價(jià)規(guī)范》（DB/Z 3674-2019）、《遼寧省河湖（庫）健康評價(jià)導(dǎo)則》（DB21/T 2724-2017）等國內(nèi)外已有的相關(guān)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、查閱相關(guān)文獻(xiàn)［8，19］、實(shí)地調(diào)研、咨詢專家等方式，確定優(yōu)、良、中、差每個等級各指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 農(nóng)村河道生態(tài)狀況評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Grading standards for evaluation indicators of rural river ecological conditions

2 農(nóng)村河道生態(tài)狀況評價(jià)模型建立

2.1 序關(guān)系分析-熵權(quán)集成賦權(quán)法

權(quán)重計(jì)算是綜合評價(jià)的重要環(huán)節(jié)，對評價(jià)結(jié)果的有效性及可靠性至關(guān)重要。權(quán)重計(jì)算方法可分為主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法與組合賦權(quán)法。主觀賦權(quán)法可體現(xiàn)決策者的需求與工作經(jīng)驗(yàn)，但易受決策者認(rèn)知偏差影響?？陀^賦權(quán)法可避免決策者認(rèn)知偏差造成的影響，但對數(shù)據(jù)精度要求高，且有時會出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況大相徑庭的現(xiàn)象。為避免單一賦權(quán)法的缺點(diǎn)，本文采用組合賦權(quán)法。序關(guān)系分析法（G1）是通過對指標(biāo)進(jìn)行重要性排序，從而構(gòu)造具有一致性的判斷矩陣，無需檢驗(yàn)一致性，較層次分析法更簡便，實(shí)用性強(qiáng)［20，21］。熵權(quán)法通過指標(biāo)原始數(shù)據(jù)表達(dá)的信息度差異，計(jì)算指標(biāo)的客觀權(quán)重，具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)理論支撐，廣泛用于管理決策、項(xiàng)目評價(jià)等領(lǐng)域［22］。因此，本文采用基于序關(guān)系分析-熵權(quán)的集成賦權(quán)法確定權(quán)重，計(jì)算步驟如下：

（1）Wj是第j個評價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重，與分別表示基于序關(guān)系分析法得到的主觀權(quán)重與基于熵權(quán)法得到的客觀權(quán)重，則Wj可表示為：

式中：α為主觀權(quán)重偏好占組合權(quán)重的比例。

（2）以集成權(quán)重分別與主、客觀權(quán)重之間的偏差平方和最小為目標(biāo)函數(shù)，即：

（3）將式（1）帶入式（2）得：

（4）針對式（3），關(guān)于α求一階導(dǎo)數(shù)，并使其為零，得到α=0.5，將其帶入式（3）得：

2.2 模糊物元分析法

模糊物元分析法常用于解決模糊不相容問題，通過計(jì)算單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，進(jìn)而得到多指標(biāo)的綜合評價(jià)結(jié)果。將模糊物元理論用于農(nóng)村河道生態(tài)狀況評價(jià)，可以得到單指標(biāo)評價(jià)與綜合評價(jià)的結(jié)果，具有明顯的合理性。

2.2.1 構(gòu)建模糊物元

物元分析中所描述的對象T、指標(biāo)C及指標(biāo)量值X構(gòu)成了農(nóng)村河道生態(tài)物元R=(T，C，X)。若指標(biāo)量值X具有模糊性，則為模糊物元矩陣。若有m個對象，各對象有n個指標(biāo)，則m個n維物元構(gòu)成了n維復(fù)合物元Rmn：

式中：Ci為第i個指標(biāo)；Mj為第j個事物；xij為第j個事物的第i個指標(biāo)實(shí)測值。

2.2.2 確定經(jīng)典域及節(jié)域

農(nóng)村河道生態(tài)評價(jià)的經(jīng)典域物元矩陣可表示為：

式中：Roij為經(jīng)典域物元；Toj為農(nóng)村河道生態(tài)狀況的第j個評價(jià)等級；Ci為第i個指標(biāo)；Xoij為i指標(biāo)對應(yīng)等級j的量值范圍。

經(jīng)典域復(fù)合物元模型可表示為：

農(nóng)村河道生態(tài)評價(jià)的節(jié)域物元矩陣為：

式中：Rp為節(jié)域物元；Xpi是節(jié)域物元關(guān)于指標(biāo)Ci的量值范圍，即(api，bpi)。

2.2.3 確定關(guān)聯(lián)函數(shù)及關(guān)聯(lián)度

式中：K(Ci)j是第i項(xiàng)指標(biāo)對應(yīng)第j級的關(guān)聯(lián)度。

式中：ρij(xi，Xoij)為點(diǎn)xi與對應(yīng)指標(biāo)區(qū)間Xoij=[aoij，boij]的距離；ρpi(xi，Xoij)為點(diǎn)xi與對應(yīng)指標(biāo)節(jié)域Xpi=[api，bpi]的距離。

2.2.4 計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度并確定評價(jià)等級

待評價(jià)對象Tq(q= 1，2，...，m)關(guān)于等級j的綜合關(guān)聯(lián)度為

式中：wi為各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重。

取Kjq= max[Kj(Tq)]，則待評價(jià)對象Tq屬于第j等級。K值較大表明該評價(jià)對象在相應(yīng)的等級中較穩(wěn)定。K值較小說明該評價(jià)對象有向僅次于該等級K值的等級轉(zhuǎn)化趨勢。若K值在所有等級中均為負(fù)值，則表明評價(jià)對象等級在設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)等級之外，并向最大K值對應(yīng)等級轉(zhuǎn)化。

3 實(shí)例分析

3.1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

江蘇省位于我國大陸東部沿海地區(qū)，地勢西北高東南低，地貌主要由平原、水域、低山丘陵構(gòu)成，是我國平均海拔最低的省份?！督K省農(nóng)村河道管護(hù)辦法》將農(nóng)村河道定義為縣級河道和鄉(xiāng)鎮(zhèn)級河道，其中，縣級河道指縣域范圍內(nèi)跨鄉(xiāng)鎮(zhèn)的骨干河道，鄉(xiāng)鎮(zhèn)級河道指鎮(zhèn)域范圍內(nèi)的跨村河道。江蘇省農(nóng)村河道以平原河道、平原河網(wǎng)為主，具有河床比降小、水面平緩等特點(diǎn)。為全面評價(jià)江蘇省農(nóng)村河道生態(tài)狀況，本文從蘇南、蘇中、蘇北地區(qū)各選取兩條農(nóng)村河道進(jìn)行評價(jià)，分別為蘇南的長溝河、三橋埂溝，蘇中的茅雉河、高路河，蘇北的龍須港和沿六河。

本文數(shù)據(jù)主要來源于實(shí)地調(diào)研以及各市水利局的農(nóng)村河道生態(tài)狀況調(diào)查資料（以2019年為基準(zhǔn)年）。六條河流各定量指標(biāo)根據(jù)公式計(jì)算，定性指標(biāo)根據(jù)實(shí)地調(diào)研情況及專家意見進(jìn)行量化，評價(jià)指標(biāo)取值見表3。

表3 江蘇省農(nóng)村河道生態(tài)狀況各評價(jià)指標(biāo)值Tab.3 The evaluation index values of the ecological status of rural rivers in Jiangsu Province

3.2 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

運(yùn)用序關(guān)系法、熵權(quán)法分別計(jì)算各指標(biāo)的主、客觀權(quán)重，線性組合求得組合權(quán)重，各指標(biāo)權(quán)重見表4。

表4 江蘇省農(nóng)村河道生態(tài)狀況評價(jià)指標(biāo)權(quán)重Tab.4 Evaluation indicator weights of ecological conditions of rural rivers in Jiangsu Province

3.3 模糊物元分析

將六條河流的各個指標(biāo)值代入計(jì)算公式，利用MATLAB 求出各河道生態(tài)狀況等級。以長溝河C7 指標(biāo)為例，指標(biāo)值為0.65，計(jì)算該指標(biāo)對各等級的關(guān)聯(lián)度分別為-0.222、0.4、-0.3、-0.533，等級為良。各河流河道生態(tài)狀況評價(jià)見表5。

根據(jù)表5可知，蘇南地區(qū)長溝河、三橋埂溝河道生態(tài)狀況評價(jià)等級分別為優(yōu)、良；蘇中地區(qū)茅雉河、高路河河道生態(tài)狀況評價(jià)等級為優(yōu)、中；蘇北地區(qū)龍須港、沿六河河道生態(tài)狀況評價(jià)等級為優(yōu)、差。評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況一致，表明本文構(gòu)建的農(nóng)村河道生態(tài)狀況評價(jià)指標(biāo)體系及評價(jià)模型具有一定的可靠性。

表5 江蘇省農(nóng)村河道生態(tài)狀況綜合評價(jià)等級Tab.5 Comprehensive evaluation grades of ecological status of rural rivers in Jiangsu Province

總體來看，江蘇省農(nóng)村河道生態(tài)狀況良好，但仍有部分農(nóng)村河道生態(tài)狀況不樂觀，需要進(jìn)行生態(tài)治理。江蘇省農(nóng)村河道普遍存在水質(zhì)不佳的問題，六條河道水質(zhì)指標(biāo)值為3～6，等級較低，目前，農(nóng)村河道水質(zhì)污染主要來源于生活污水與畜禽養(yǎng)殖業(yè)污水。從區(qū)域差異性來看，蘇南地區(qū)農(nóng)村河道生態(tài)狀況較蘇中、蘇北地區(qū)良好。蘇南地區(qū)經(jīng)濟(jì)繁榮，地方財(cái)政充裕，因此在河道生態(tài)治理方面投入資金較多。根據(jù)各地水利局的農(nóng)村河道生態(tài)狀況調(diào)查表，蘇南各地農(nóng)村河道已基本實(shí)現(xiàn)截污納管，而蘇中、蘇北地區(qū)農(nóng)村河道依舊存在較多工業(yè)企業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)污水直排的現(xiàn)象。

從單條河流角度來看，長溝河、茅雉河及龍須港均在2019年前進(jìn)行過生態(tài)治理，因此河道生態(tài)狀況較好。三橋埂溝河道功能及管護(hù)方面指標(biāo)得分較高，但縱向連通性指數(shù)指標(biāo)為6.52，說明河道平均每公里有超過6 個阻水建筑物，水流受干擾嚴(yán)重，對河道改善生態(tài)及發(fā)揮功能有不利影響。高路河河道環(huán)境及河道管護(hù)方面指標(biāo)，等級大多為差，應(yīng)及時采取截污納管、生態(tài)攔截、建立專業(yè)管護(hù)隊(duì)伍等措施，改善河道環(huán)境及管護(hù)水平。此外，高路河水體流動性指標(biāo)值僅0.3，在實(shí)地調(diào)研過程中，發(fā)現(xiàn)高路河有5、6處小涵洞，水流不暢且淤積嚴(yán)重。沿六河屬于黑臭河，多數(shù)指標(biāo)等級為差，河道環(huán)境方面，指標(biāo)均為差，水體透明度僅10 cm，亟需采取污染控制及生態(tài)恢復(fù)措施；河道生態(tài)方面，水生動物多樣性指標(biāo)值為0.1，可適當(dāng)投放魚苗；河道管護(hù)方面，岸坡整潔情況、河面清潔情況、河道侵占整治指數(shù)均為差，當(dāng)?shù)厮姓鞴懿块T應(yīng)健全河道管護(hù)體系，建立專業(yè)的管護(hù)團(tuán)隊(duì)，保證有足夠的管護(hù)資金投入。

4 結(jié)語

本文通過構(gòu)建農(nóng)村河道生態(tài)狀況評價(jià)指標(biāo)體系、建立綜合評價(jià)模型，對江蘇省農(nóng)村河道生態(tài)狀況進(jìn)行評價(jià)，得到以下結(jié)論。

（1）總結(jié)已有的研究成果，結(jié)合農(nóng)村河道的特點(diǎn)，構(gòu)建由河道功能、河道形態(tài)、河道環(huán)境、河道生態(tài)與景觀、河道管護(hù)和綜合評判組成的農(nóng)村河道生態(tài)狀況評價(jià)指標(biāo)體系，該體系共有25個二級指標(biāo)。

（2）建立基于集成賦權(quán)的模糊物元評價(jià)模型，運(yùn)用序關(guān)系分析法和熵權(quán)法分別確定各指標(biāo)主客觀權(quán)重，采用模糊物元法對江蘇省農(nóng)村河道生態(tài)狀況進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明，江蘇省農(nóng)村河道生態(tài)狀況總體良好，但部分農(nóng)村河道生態(tài)狀況較差，亟需進(jìn)行河道生態(tài)治理；江蘇省農(nóng)村河道生態(tài)狀況南北差異較明顯，蘇南地區(qū)明顯優(yōu)于蘇中、蘇北地區(qū)。

（3）本文建立的模糊物元評價(jià)模型，應(yīng)用于江蘇省農(nóng)村河道生態(tài)狀況評價(jià)，其評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況一致，表明評價(jià)模型具有一定的合理性和普適性。且模型評價(jià)過程較為簡便，因此，該評價(jià)模型也可用于其他地區(qū)的農(nóng)村河道生態(tài)狀況評價(jià)，為農(nóng)村河道的生態(tài)治理提供理論依據(jù)。□