基于可变模糊评价法的河流健康综合评价研究

基于可变模糊评价法的河流健康综合评价研究

这条河流是自然与人类社会交互作用的重要场所，具有生态和社会经济的双重属性。近年来,由于人类过度开发利用,河流生态系统退化日益严重:闸坝、堤防的修筑阻碍了河流纵向及侧向的连通性;水库的调度调节改变了坝下河流天然径流规律;社会经济用水大量挤占生态环境用水造成了部分河段生态用水要求长期得不到满足。在此背景下,“河流健康”这一概念作为河流管理的重要工具被提出并被广泛接受。然而截至目前,国内外关于河流健康的研究仍不成熟。河流健康的概念及内涵尚无标准定义,评价方法仍不统一。本文在系统剖析河流自然—社会经济复合系统组成、结构及功能的基础上,明晰了河流健康的内涵,并从河流廊道基本环境、河流生态支撑功能及社会经济服务功能三方面出发,综合考虑河道形态结构、水量、水质、水沙、水生态、河岸带、社会经济等多方面因素,构建河流健康综合评价指标体系。在此基础上,本文采用可变模糊评价法构建河流健康综合评价模型,并以武烈河高寺台—入滦河口段为例进行实证研究,以期能够对河流管理提供支撑及帮助。1河流健康及水文过程系统河流是自然—社会经济的复合系统,组成结构十分复杂(见图1),从层次结构方面考虑,可划分为由河流廊道形态结构及水量、水质、水沙过程组成的河流廊道基本环境(第一级);由底栖生物、浮游生物、鱼类及以河流为栖息地的鸟类、两栖动物等所构成的河流自然生态系统(第二级);以人类取、耗、用、排等过程为主体的社会经济系统(第三级)三部分。相应的,河流健康也应涵盖三部分内容:一为河流廊道基本环境健康,包括河流廊道形态结构的稳定、连通、多样以及水文过程的连续性等;二是河流生态健康,包括河流及河岸带生态的完整、稳定、多样;三是由河流支撑的人类社会经济系统健康,即河流提供的服务可满足人类社会经济系统的需求。2为河流健康评估建立一套完整的体系和标准2.1评价指标和方法河流健康评价目前尚无统一的指标体系。本文结合国内外相关研究[4,9,10,11,12,13,14,15],以河流自然—社会经济复合系统结构特征为基础,从河流廊道基本环境、河流生态支撑功能及社会经济服务功能三个方面出发,综合分析河道形态结构、水量、水质、水沙、水生态、河岸带、社会经济等多方面因素,构建河流健康评价指标体系(见图2)。河流廊道基本环境是河流自然—社会经济复合系统的基础,研究中选用河流蜿蜒性指数(C1)、纵向/侧向连通性指数(C2、C3)、稳定性指数(C4)、年断流天数(C5)5项因子作为衡量河流廊道基本环境健康状况的指标。其中蜿蜒性指数采用评价河段实际长度与河段首末两点直线距离的比值来表示;纵向/侧向连通性指数分别采用水利工程累计回水长度与评价河段总长度的比值及某一频率洪水对应的现状淹没面积与天然条件淹没面积的比值来表示;年断流天数由实测水文数据统计得到。由于河流稳定性受天然条件(主要是水沙过程)及人类活动(如水库、堤防等)等多重影响,难于量化,故研究中河流稳定性指数结合实测水沙过程及工程情况采用专家打分法确定。河流与河岸带生态的完整、稳定及多样性是评判河流健康与否的重要标准,研究中选用生态需水保证率(C6)、鱼类/底栖动物/浮游植物多样性指数(C7～C9)、河岸带生态指数(C10)作为河流自然生态系统健康状况的评价指标。其中,生态需水保证率采用近十年满足生态需水要求的月数与总月数的比值表示;鱼类/底栖动物/浮游植物多样性指数采用相应物种的丰度来表征。考虑到河岸带生态系统受河流径流过程及人类活动的双重影响,健康状况难于用单一指标表征,本研究结合实际调查采用专家打分法确定。河流社会经济服务功能的发挥程度反映了河流廊道基本环境(第一级)与河流自然生态系统(第二级)对人类社会经济系统(第三级)的维系程度,是河流健康与否的重要评判标准。研究中选用防洪安全指数(C11)、兴利供水保障指数(C12)、水质安全指数(C13)、景观娱乐功能指数(C14)、水利工程调蓄能力(C15)作为河流社会经济服务功能的评价指标。其中,防洪安全指数采用评价河段防洪标准来表示;兴利供水保障指数采用河段控制性水利工程的供水保证率表示(若无控制性水利工程,则结合区域供需水关系及历史供水过程采用专家打分法确定);水质安全指数采用水质达标河段长与河流全长的比值来表示;景观娱乐功能指数结合实地调研及专家意见采用专家打分法确定;水利工程调蓄能力则采用水利工程总调节库容与河流多年平均径流量的比值来表示。2.2河流健康综合评价标准研究中将河流健康状况分为5级,分别为健康(Ⅰ级)、过渡态(Ⅱ～Ⅳ级)、病态(Ⅴ级),参考国内外相关研究成果及专家意见,构建河流健康综合评价标准见表1。3[aih-bih]的计算从概念上讲,河流“健康”与否并没有明确的界限,具有模糊性。鉴于此,研究中采用陈守煜教授提出的可变模糊评价法进行河流健康综合评价。设有待进行河流健康评价的n个样本集合{x1,x2,…,xn},且每个样本按照m个指标特征值进行综合评价,则有m×n阶待评价样本特征值矩阵X=(xij)m×n(1)式中,xij为样本j指标i的特征值,i=1,2,…,m;j=1,2,…,n。河流健康评价样本集依据m个指标按c个级别的指标标准特征值进行识别,则有m×c阶指标标准特征值矩阵Y=(yih)m×c(2)式中,yih为级别h指标i的标准特征值,h=1,2,…,c。参照指标标准值矩阵及评价河流(河段)的实际情况确定河流健康可变集合的吸引(为主)域矩阵及范围域矩阵Iab=([aih,bih])(3)Icd=([cih,dih])(4)结合河流健康评价的实际特征,确定吸引(为主)域[aih,bih]中μA(xij)h=1的点值Mih的矩阵M=(Mih)(5)判断样本特征值xij在Mih点的左侧还是右侧。据此选用式(7)、式(8)计算指标对h级的相对隶属度μA(xij)h矩阵[Uh]=(μA(xij)h)(6)其中,当x点落入Mih点左侧或右侧时的相对隶属度为{μA˜(xij)h=0.5⋅[1+(xij-aihΜih-aih)β]xij∈[aih,Μih]μA˜(xij)h=0.5⋅[1-(xij-aihcih-aih)β]xij∈[cih,aih](7){μA˜(xij)h=0.5⋅[1+(xij-bihΜih-bih)β]xij∈[Μih,bih]μA˜(xij)h=0.5⋅[1-(xij-bihdih-bih)β]xij∈[bih,dih](8)⎧⎩⎨⎪⎪μA˜(xij)h=0.5⋅[1+(xij−aihMih−aih)β]xij∈[aih,Mih]μA˜(xij)h=0.5⋅[1−(xij−aihcih−aih)β]xij∈[cih,aih](7)⎧⎩⎨⎪⎪μA˜(xij)h=0.5⋅[1+(xij−bihMih−bih)β]xij∈[Mih,bih]μA˜(xij)h=0.5⋅[1−(xij−bihdih−bih)β]xij∈[bih,dih](8)研究中取β=1,应用文献构建的可变模糊评价模型jμ′h=11+{m∑i=1[wi(1-μA˜(xij)h)]pm∑i=1(wiμA˜(xij)h)p}α/p(9)式中,jμ′h为综合隶属度;α为优化准则参数,α=1为最小一乘方准则,α=2为最小二乘方准则;wi为指标权重;p为距离参数,p=1为海明距离,p=2为欧式距离。通常模型有4种组合(1)α=1,p=1;(2)α=1,p=2;(3)α=2,p=1;(4)α=2,p=2。得到非归一化的综合相对隶属度矩阵U′=(jμ′h)(10)归一化后,得到相对隶属度矩阵U=(jμh)(11)式中,jμh=jμ′h/c∑h=1jμ′h。应用级别特征值对河流健康样本进行综合评价H=(1,2,3,…,c)·U(12)4研究实例4.1武烈河河流健康现状武烈河是滦河的一级支流,发源于河北省承德市围场县道至沟,纵贯承德市双桥区,至雹神庙村汇入滦河,干流全长110km,流域面积2580km2。武烈河是承德市的重要水源地之一,市区段从1989年至今已建成12道橡胶坝,在保障市区供水、营造河流景观的同时也改变了河流的天然特征。目前,武烈河拟建大(2)型水库双峰寺水库工程。为充分发挥水库的社会经济效益及生态环境效益,减缓水库修建运用造成的不利影响,亟需对武烈河河流健康现状进行综合评价,并对制约河流健康的关键因素进行分析。鉴于此,本文基于上述河流健康评价指标及方法,对武烈河高寺台—入滦河口段河流健康现状进行综合评价。4.2评价河流健康表现的指标根据评价河段的河流地貌、水文气象、社会经济资料及生态环境现状调查成果,计算评价河段各项河流健康指标(见表2)。4.3武烈河评价河段高寺台—评价过程采用可变模糊评价模型对武烈河高寺台—入滦河口段河流健康情况进行综合评价,分别计算评价河段河流廊道基本环境、河流生态支撑功能及社会经济服务功能的健康状况。现以河流生态支撑功能评价为例对评价过程进行说明。指标特征值矩阵X=[542618442.7]指标标准特征值矩阵Y=[9090~7575~6060~40405555~3535~2525~10104545~3535~2525~15158080~6060~4040~202088~66~44~22]参照指标标准特征值矩阵及评价河段实际情况确定河流健康评价可变集合的吸引域矩阵Iab、范围域矩阵Icd及点Mih值矩阵Ιab=[]Ιcd=[]Μih=[10090754008055351007045351501008060200108620]采用陈守煜教授在文献提出的二元比较法确定指标权重。对生态需水保证率、鱼类物种丰度、底栖动物物种丰度、浮游植物物种丰度、河岸带生态指数5项指标进行重要性二元比较,得到通过检验的指标重要性排序一致性标度矩阵F=[0.5111100.50.50.5100.50.50.5100.50.50.5100000.5]各指标的重要性排序依次为①、②、③、④,⑤,其中指标②、③、④同等重要。根据武烈河生态环境现状及专家经验,认为指标①较指标②、③、④略为重要;指标①较指标⑤较为重要。根据重要性语气算子与相对隶属度的关系,可得到各指标重要性相对隶属度向量ω′=[1.0000.6670.6670.6670.538]归一化,得ω′=[0.2830.1880.1880.1880.152]评价模型参数取为α=1、p=2,将相关参数代入,解得综合相对隶属度矩阵U′=[0.0000.0450.3860.6140.191]T归一化,得U=[0.0000.0360.3120.4970.154]T武烈河承德段河流生态支撑功能健康情况H=·[0.0000.0360.3120.4970.154]T=3.769由此,可判断出武烈河评价河段河流生态支撑功能略差,处于过渡态Ⅲ级与Ⅳ级之间,偏向Ⅳ级。使用相同方法评价河流廊道基本环境及河流社会经济服务功能的健康状况,分别为2.725,2.984。改变模型参数,评价结果见表3。综合上述评价结果,武烈河评价河段(高寺台—河口)健康状况整体略差。结合各项指标特征值进一步分析可知,评价河段河流健康的突出问题表现为:河流断流现象严重、生态需水保证率过低、河道防洪能力较低、水利工程调蓄能力较差。双峰寺水库修建运行后,在对河流连通性等造成不利影响的同时,可大幅提高下游防洪能力,同时亦可通过合理的调度方式改善下游河流生态环境。建议水库运用过程中有针对性的进行调度调节,在提高社会经济服务功能的同时,控制河流断流天数,提高生态需水保证率,以维护、改善河流健康。5建立了“健康综合评价”指标体系(1)本文从