基于AHP-模糊數(shù)學(xué)模型和逐項(xiàng)評價(jià)法的鳳河健康評價(jià)研究

張澤洋，劉 強(qiáng)，王 剛，許子威

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271000)

河流是整個(gè)水循環(huán)的重要組成部分，發(fā)揮著不可替代的作用。首先，河流為生物的繁衍與棲息提供了必要支持，維持著生物多樣性和河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定；其次，河流是人類社會生產(chǎn)生活的重要保障。但隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，河流生態(tài)系統(tǒng)功能卻在逐漸衰退[1]。河長制在全國推行后，取得了豐碩的成果，創(chuàng)建幸福河是河長制的奮斗目標(biāo)，而保障河流健康就成了創(chuàng)建幸福河的重要前置條件[2]。為了更好、更全面、更高效地維護(hù)河流系統(tǒng)的健康與可持續(xù)發(fā)展，為今后的河流健康治理提供方向，在較為完善的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，迫切需要建立科學(xué)、合理、適合本地實(shí)際情況的河流健康評價(jià)方法[3]。

目前，在進(jìn)行河流健康評價(jià)時(shí)存在評價(jià)方法多樣，廣適性差，導(dǎo)致評價(jià)結(jié)論不一致，尤其是單一河流進(jìn)行評價(jià)過程中，評價(jià)指標(biāo)選取差異大，指標(biāo)關(guān)聯(lián)性不明顯，致使健康評價(jià)不具有整體代表性的問題尤為突出。至今中國進(jìn)行河流健康評價(jià)采用的主要方法有層次分析法[4]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[5]、P-IBI評價(jià)[6]、物元分析法、模糊邏輯等方法。比如李銀久等[7]建立了基于改進(jìn)層次分析法的模糊物元VIKOR模型對光洞河河流健康狀態(tài)進(jìn)行綜合評估。崔東文[8]以中小河流為例，基于RBF與GNRR神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法分別構(gòu)建了RBF與GRNN算法的河流健康評價(jià)模型。GUAN等[9]利用生物完整性指數(shù)對1960—2005年中國東部太湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行了綜合評價(jià)。方國華等[10]建立模糊物元評價(jià)模型，對江蘇省農(nóng)村河道生態(tài)狀況進(jìn)行綜合評價(jià)。鄧梁堃等[11]構(gòu)建了基于模糊邏輯的河流健康評價(jià)模型，并以敏感因子來識別受損狀況與原因。

河流健康是一個(gè)包含多層次、多標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，具有典型的分布復(fù)雜、評價(jià)結(jié)果受權(quán)重影響大、評價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)性不明顯、評價(jià)概況模糊等特點(diǎn)。逐項(xiàng)評價(jià)法是以《河湖健康評價(jià)指南(試行)》為基礎(chǔ)構(gòu)建的評價(jià)方法，其中評價(jià)指標(biāo)、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定與劃分都具有一定代表性。AHP法是一種系統(tǒng)性的分析方法，此法中每一層的權(quán)重設(shè)置最后都會直接或間接影響到結(jié)果，而且在每個(gè)層次中的每個(gè)因素對結(jié)果的影響程度都是量化的，非常清晰明確。這種方法適用于多目標(biāo)、多準(zhǔn)則的系統(tǒng)評價(jià)。模糊綜合評價(jià)法是將復(fù)雜無序的問題劃分為多層次進(jìn)行系統(tǒng)分析的方法，此法可以將復(fù)雜問題總和為幾個(gè)層次進(jìn)行研究，其中多層次主要是指目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層，根據(jù)相互關(guān)系逐層分級構(gòu)成樹狀結(jié)構(gòu)。最終形成由高層次主導(dǎo)次級層次，次級層次指標(biāo)反饋高層次結(jié)果的理想結(jié)構(gòu)。AHP-模糊數(shù)學(xué)模型評價(jià)法將層次分析法和模糊綜合評價(jià)法有機(jī)結(jié)合,提高了研究對象評價(jià)的客觀性,更直觀地展示出復(fù)雜問題的多種表現(xiàn)。本文根據(jù)鳳河區(qū)域?qū)嶋H情況構(gòu)建“盆”“水”、生物、社會服務(wù)功能4個(gè)準(zhǔn)則層，使用逐項(xiàng)評價(jià)法和AHP-模糊數(shù)學(xué)模型評價(jià)法對鳳河健康狀況進(jìn)行評價(jià)。

1 研究區(qū)概況

鳳河作為永定河一級支流，位于北運(yùn)河與龍河之間，源于北京市南苑大紅門，流向東南經(jīng)大興區(qū)，在鳳河營出北京市進(jìn)入廊坊市廣陽區(qū)堤上營，過堤口、下莊頭村至乃自房東出廊坊境，進(jìn)入天津市武清區(qū)流向東南，是連通京津冀的一條重要水上通道(圖1)。鳳河河道全長45.3 km，流域面積424.5 km2,廊坊開發(fā)區(qū)段鳳河全長7.5 km，流域面積為24.75 km2。由于鳳河自身水量盈枯加上永定河的泛濫沖奪，造成鳳河河道彎曲，河流地勢平緩，同時(shí)植被覆蓋率，河水中基本化學(xué)指標(biāo)，魚類、水生植物群落數(shù)量變化較為頻繁。由于鳳河受城市發(fā)展的影響，河流承擔(dān)防洪、排澇、生態(tài)補(bǔ)(調(diào))水、人文景觀等功能，對鳳河開展河流健康評價(jià)研究有助于協(xié)調(diào)河流水生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)健康與城市發(fā)展的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展與高水平保護(hù)的雙目標(biāo)。

圖1 鳳河流域

本文健康評價(jià)研究選取廊坊開發(fā)區(qū)河段，所采用的水文、物理結(jié)構(gòu)、水生物化學(xué)指標(biāo)、社會功能調(diào)查等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均來自《廊坊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)鳳河健康評價(jià)報(bào)告》[12]。

2 研究方法

本文以鳳河水環(huán)境條件為基礎(chǔ)，以《河湖健康評價(jià)指南(試行)》[13]中河流評價(jià)指標(biāo)體系為依據(jù)，充分考慮評價(jià)指標(biāo)的普適性與差異性，根據(jù)鳳河實(shí)際情況構(gòu)建了涵蓋“盆”“水”、生物、社會服務(wù)功能4個(gè)準(zhǔn)則層及對應(yīng)下屬12個(gè)指標(biāo)層的評價(jià)體系，使用了評價(jià)指標(biāo)、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定與劃分都具有一定代表性的逐項(xiàng)評價(jià)法和結(jié)合了層次分析法與模糊綜合評價(jià)優(yōu)勢的AHP-模糊數(shù)學(xué)模型對鳳河健康狀況進(jìn)行了評價(jià)。

2.1 逐項(xiàng)評價(jià)法

逐項(xiàng)評價(jià)法是以《水利部河長辦關(guān)于印發(fā)〈河湖健康評價(jià)指南(試行)〉》為基礎(chǔ)，將鳳河健康評價(jià)準(zhǔn)則定為“盆”“水”、生物、社會服務(wù)功能 4 個(gè)準(zhǔn)則層及對應(yīng)下屬12個(gè)指標(biāo)層。根據(jù)評判標(biāo)準(zhǔn)對鳳河各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行逐項(xiàng)計(jì)算與評價(jià)打分，得出各項(xiàng)分?jǐn)?shù)與評價(jià)結(jié)果，最后根據(jù)計(jì)算分值，得出鳳河屬于一類河流(非常健康)、二類河流(健康)、三類河流(亞健康)、四類河流(不健康)、五類河流(劣態(tài))中某一類的結(jié)論。

2.1.1構(gòu)建健康評價(jià)指標(biāo)

參考《水利部河長辦關(guān)于印發(fā)〈河湖健康評價(jià)指南(試行)〉》指標(biāo)體系，結(jié)合鳳河實(shí)際情況，構(gòu)建了“盆”“水”、生物、社會服務(wù)功能4個(gè)準(zhǔn)則層。

在4個(gè)準(zhǔn)則層的基礎(chǔ)上，又創(chuàng)建了對應(yīng)下屬12個(gè)指標(biāo)層?！芭琛睖?zhǔn)則層包括河流縱向聯(lián)通指數(shù)、岸線自然狀況、河岸帶寬指數(shù)、違規(guī)開發(fā)利用水域岸線4項(xiàng)指標(biāo)層，其中違規(guī)開發(fā)利用水域岸線指標(biāo)包括入河排污口規(guī)范化建設(shè)率、入河排污口布局合理程度和河流“四亂”狀況3項(xiàng)；“水”準(zhǔn)則層包括生態(tài)流量滿足程度、水質(zhì)優(yōu)劣程度、溶解氧濃度3項(xiàng)指標(biāo)層，其中水質(zhì)優(yōu)劣程度包括底泥污染狀況、水體自凈能力2項(xiàng)[14]；生物準(zhǔn)則層包括魚類保有指數(shù)、水生植物群落狀況2項(xiàng)指標(biāo)層；社會服務(wù)功能準(zhǔn)則層包括防洪達(dá)標(biāo)率、岸線利用管理指數(shù)、公眾滿意度3項(xiàng)指標(biāo)層。具體各項(xiàng)指標(biāo)見表1。

表1 鳳河河流健康評價(jià)指標(biāo)

2.1.2河流健康評價(jià)分類

將鳳河健康評價(jià)分為了一類河流(非常健康)、二類河流(健康)、三類河流(亞健康)、四類河流(不健康)、五類河流(劣態(tài))5種標(biāo)準(zhǔn)。賦值范圍及情況說明見表2。

表2 鳳河健康評價(jià)分類標(biāo)準(zhǔn)說明

2.1.3河流健康評價(jià)過程

河流健康評價(jià)過程中按照4個(gè)準(zhǔn)則層下屬的12個(gè)指標(biāo)層不同計(jì)算方法與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行逐項(xiàng)計(jì)算并賦分，后根據(jù)指標(biāo)層得分依次給出4個(gè)準(zhǔn)則層得分及目標(biāo)層得分。

a)“盆”準(zhǔn)則層?！芭琛睖?zhǔn)則層中河流縱向聯(lián)通指數(shù)以影響河流連通性的建筑物或設(shè)施數(shù)量作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn);岸線自然狀況主要調(diào)查植被覆蓋度、河岸基質(zhì)、岸坡傾角等情況;河岸帶寬指數(shù)主要考察滿足河岸帶寬要求的河岸長度;違規(guī)開發(fā)利用水域岸線程度則考察了排污口建設(shè)的數(shù)量、位置以及評價(jià)河段是否有河湖“四亂”狀況。

b)“水”準(zhǔn)則層。“水”準(zhǔn)則層中生態(tài)流量滿足程度分別計(jì)算 4—9 月及 10月至次年3 月最小日均流量占相應(yīng)時(shí)段多年平均流量的百分比；溶解氧濃度為計(jì)算水中DO值含量；水質(zhì)優(yōu)劣程度則考察水中總磷 TP、總氮 TN等化學(xué)物質(zhì)含量以及低泥中污染物含量。

c)生物準(zhǔn)則層。生物準(zhǔn)則層中魚類保有指數(shù)以河湖現(xiàn)有魚類水量與1980年以前魚類數(shù)量進(jìn)行對比；水生植物群落狀況在評價(jià)河道每 5～10 km 選取1個(gè)評價(jià)斷面，對斷面區(qū)域水生植物種類、數(shù)量、外來物種入侵狀況進(jìn)行調(diào)查。

d)社會服務(wù)功能準(zhǔn)則層。社會服務(wù)功能準(zhǔn)則層中防洪達(dá)標(biāo)率分別考察河流堤防達(dá)標(biāo)長度、河流堤防交叉建筑物達(dá)標(biāo)個(gè)數(shù)占堤防總長度和堤防交叉建筑物之比；岸線利用管理指數(shù)則考察已開發(fā)利用岸線長度、岸線總長度、已利用岸線經(jīng)保護(hù)完好的長度等數(shù)據(jù)；公眾滿意度評價(jià)公眾對河湖環(huán)境、水質(zhì)水量、涉水景觀等的滿意程度，采用公眾調(diào)查表方法評價(jià)。

2.2 AHP-模糊數(shù)學(xué)模型

在對鳳河進(jìn)行健康評價(jià)中將AHP(層次分析法)與模糊綜合評價(jià)法相結(jié)合，構(gòu)建AHP-模糊數(shù)學(xué)模型。模型首先通過AHP(層次分析法)構(gòu)建評價(jià)體系與判斷矩陣，計(jì)算得出指標(biāo)層權(quán)重，然后運(yùn)用模糊綜合評價(jià)法確定評價(jià)等級(非常健康、健康、亞健康、不健康、劣態(tài))隸屬度后進(jìn)行結(jié)果分析[16]。

2.2.1AHP確定指標(biāo)權(quán)重

a)準(zhǔn)則層與指標(biāo)層判斷矩陣的建立。根據(jù)鳳河實(shí)際情況與實(shí)測數(shù)據(jù)分別建立了“盆”“水”、生物、社會服務(wù)功能 4 個(gè)準(zhǔn)則層判斷矩陣和其下屬的12個(gè)指標(biāo)層判斷矩陣(表3)。

表3 鳳河準(zhǔn)則層和指標(biāo)層權(quán)重

b)判斷矩陣計(jì)算。分別將準(zhǔn)則層判斷矩陣和指標(biāo)層判斷矩陣運(yùn)用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到準(zhǔn)則層與指標(biāo)層對應(yīng)權(quán)重[17]。

2.2.2模糊綜合評價(jià)分析

2.2.2.1隸屬度函數(shù)建立

根據(jù)鳳河實(shí)際情況與實(shí)測數(shù)據(jù)將建立的4個(gè)準(zhǔn)則層及其下屬的12個(gè)指標(biāo)層劃分為Ⅰ級(非常健康)、Ⅱ級(健康)、Ⅲ級(亞健康)、Ⅳ級(不健康)、Ⅴ(劣汰)5個(gè)級別，分別進(jìn)行指標(biāo)的隸屬度計(jì)算[14](表4)。

表4 鳳河隸屬度計(jì)算各等級標(biāo)準(zhǔn)

a)偏大型分布。當(dāng)評價(jià)指標(biāo)數(shù)值以大為優(yōu)時(shí)采用式(1):

(1)

b)偏小型分布。當(dāng)評價(jià)指標(biāo)數(shù)值以小為優(yōu)時(shí)采用式(2)：

(2)

c)中間型分布。當(dāng)評價(jià)指標(biāo)為其他時(shí)采用式(3)：

(3)

式中x——指標(biāo)數(shù)據(jù)；a——x所屬段的最大值；b——x所屬段的最小值；c、d——相對應(yīng)的中間值。

2.2.2.2模糊合成運(yùn)算

采用加權(quán)平均算子對準(zhǔn)則層指標(biāo)進(jìn)行模糊合成運(yùn)算，并用Matlab處理數(shù)據(jù)結(jié)果[18-19]。

W1=[0.27 0.55 0.09 0.09]

W2=[0.50 0.25 0.25]

W3=[0.50 0.50]

W4=[0.50 0.25 0.25]

W=[0.42 0.23 0.23 0.12]

評價(jià)矩陣S計(jì)算：

S1=W1×R1

(4)

S2=W2×R2

(5)

S3=W3×R3

(6)

S4=W4×R4

(7)

(8)

經(jīng)過Matlab程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到：

最后，將權(quán)重向量W與模糊綜合評價(jià)矩陣R相結(jié)合，采用式(16)計(jì)算得到模糊綜合評價(jià)結(jié)果向量S，結(jié)果見表5。

表5 鳳河隸屬度評價(jià)結(jié)果

S=W×R

(9)

S=(0.4110 0.3438 0.2239 0.0213 0.0000)

3 評價(jià)結(jié)果與討論

3.1 評價(jià)結(jié)果

3.1.1“盆”準(zhǔn)則層

在逐項(xiàng)評價(jià)法中“盆” 準(zhǔn)則層得分為70.40 分，評價(jià)結(jié)果為Ⅱ類，評價(jià)等級為健康。在AHP-模糊數(shù)學(xué)模型評價(jià)中， “盆”準(zhǔn)則層健康等級隸屬度為0.372。目前鳳河評價(jià)河段滿足河岸帶寬長度占總長比重較小，但評價(jià)河段植被覆蓋情況、排污口建設(shè)數(shù)量、等方面狀況良好。

3.1.2“水”準(zhǔn)則層

在逐項(xiàng)評價(jià)法中 “盆” 準(zhǔn)則層得分54.02分，評價(jià)結(jié)果為Ⅲ類，評價(jià)等級為亞健康。在AHP-模糊數(shù)學(xué)模型評價(jià)中， “水” 準(zhǔn)則層亞健康等級隸屬度為0.365。目前鳳河評價(jià)河段河底淤泥污染物含量、溶解氧濃度與水化學(xué)質(zhì)量方面存在不小問題。

3.1.3生物準(zhǔn)則層

在逐項(xiàng)評價(jià)法中鳳河生物準(zhǔn)則層得分87.50 分，評價(jià)結(jié)果為Ⅰ類，評價(jià)等級為非常健康。在AHP-模糊數(shù)學(xué)模型評價(jià)中，生物準(zhǔn)則層非常健康等級隸屬度為0.875。目前鳳河評價(jià)河段魚類數(shù)量與歷年相比沒有發(fā)生變化，水生植物種類較多且數(shù)量穩(wěn)定。

3.1.4社會服務(wù)功能準(zhǔn)則層

在逐項(xiàng)評價(jià)法中鳳河社會服務(wù)功能準(zhǔn)則層得分為86.02 分，評價(jià)結(jié)果為Ⅰ類，評價(jià)等級為非常健康。在AHP-模糊數(shù)學(xué)模型評價(jià)中，社會服務(wù)功能準(zhǔn)則層非常健康等級隸屬度為0.875。目前鳳河評價(jià)河段防洪排澇能力達(dá)標(biāo)，岸線利用管理較為合理，且公眾滿意度較高(圖2—4，表6)。

圖2 逐項(xiàng)評價(jià)法準(zhǔn)則層賦分

圖3 逐項(xiàng)評價(jià)法指標(biāo)層賦分

圖4 鳳河健康評價(jià)隸屬度分布

表6 逐項(xiàng)評價(jià)法得分

3.2 評價(jià)結(jié)果討論

3.2.1結(jié)果對比及保護(hù)對策

逐項(xiàng)評價(jià)法鳳河指標(biāo)層中，河岸帶寬度指數(shù)分值僅5.16分，底泥污染狀況分值為0分，溶解氧濃度分值為56.83分，水體自凈能力分值 63.34分，這些指標(biāo)都不同程度地影響了鳳河的健康。而在AHP-模糊數(shù)學(xué)模型評價(jià)中，河岸帶寬指數(shù)指標(biāo)隸屬于“不健康”這一評價(jià)等級的測度為0.4；水質(zhì)優(yōu)劣程度指標(biāo)標(biāo)隸屬于“亞健康”這一評價(jià)等級的測度為0.89；溶解氧濃度指標(biāo)標(biāo)隸屬于“亞健康”這一評價(jià)等級的測度為0.57。證明鳳河在河岸帶寬、底泥污染物、水質(zhì)方面都需要進(jìn)一步治理改善。與同為永定河支流的龍河健康狀況相比[15]，兩河在水生物指標(biāo)方面得分均較高，而兩河在水化學(xué)指標(biāo)方面又同時(shí)存在不同程度的問題。由于鳳河上游徑流多來自北京排水，水質(zhì)相對較差。因此結(jié)合鳳河現(xiàn)狀現(xiàn)，以及面對的水生態(tài)環(huán)境問題，在對鳳河進(jìn)行治理時(shí)提出以下幾點(diǎn)保護(hù)對策。

a)提升補(bǔ)水能力，改善水資源條件。鳳河為排瀝河道，主要承接上游污瀝水，鳳河基本常年有流量，但水位較低，可以通過水系連通工程，提升鳳河補(bǔ)水能力，提高鳳河水位，改善鳳河水資源條件。

b)改善水生態(tài)環(huán)境。根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查及指標(biāo)評價(jià)結(jié)果顯示，鳳河指標(biāo)層中的底泥污染狀況、水體自凈能力、水生植物群落狀況等分值較低，綜合分析顯示，鳳河河道內(nèi)存在生物多樣性受到一定程度破壞、水生及陸生植物較難生存、水生動(dòng)物資源量減少等現(xiàn)象?？梢砸?guī)劃河道綠廊、生態(tài)護(hù)岸、濕地、增殖放流、生物棲息地營造等工程措施進(jìn)而修復(fù)水生態(tài)環(huán)境。

c)鳳河河道清淤與疏浚。根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查及指標(biāo)評價(jià)結(jié)果顯示，鳳河指標(biāo)層中的底泥污染狀況為 0 分，底泥污染較嚴(yán)重，建議增加底泥監(jiān)測斷面，有針對性對鳳河河道清淤，減少底泥污染狀況。

3.2.2適用范圍和推廣應(yīng)用前景

受城市發(fā)展影響的河流可采用本文中提出的逐項(xiàng)評價(jià)和AHP-模糊數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的評價(jià)方法對其健康狀況進(jìn)行評價(jià)。該方法可以有效提高評價(jià)結(jié)果的客觀性,更直觀地展示出城市發(fā)展對河流健康產(chǎn)生的影響，為此類河流開展健康評價(jià)工作，提供更加適用的方法。

4 結(jié)論

逐項(xiàng)評價(jià)法研究表明，鳳河健康綜合賦分為73.59 分，得出鳳河為二類河流，健康狀態(tài)為健康。AHP-模糊數(shù)學(xué)模型評價(jià)研究表明鳳河隸屬于“非常健康”這一評價(jià)等級的測度為0.411 0，隸屬于“健康”這一評價(jià)等級的測度為0.343 8，隸屬于“亞健康”這一評價(jià)等級的測度為0.223 9，隸屬于“不健康”這一評價(jià)等級的測度為0.021 3，隸屬于“劣態(tài)”這一評價(jià)等級的測度為0。鳳河作為永定河的重要支流，對廊坊等城市的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，因此對鳳河進(jìn)行健康規(guī)劃與治理時(shí)要做好排水補(bǔ)水、生態(tài)修復(fù)、清淤疏浚等方面的工作，不斷改善水資源條件和水生態(tài)環(huán)境，打造可持續(xù)、健康發(fā)展的水系統(tǒng)。