基于改进拉开档次法的北运河上、中、下游生态系统健康综合评价

基于改进拉开档次法的北运河上、中、下游生态系统健康综合评价

这条河流的生存和发展非常重要。随着社会的进步、经济的发展和人们水资源的增加，人类对河流系统的干扰和损害变得越来越大。这是一些环境问题，如河流中断、水污染、水土流失、河岸植被破坏、生物多样性丧失等，直接影响着人类的生产和生活。恢复和维持健康的河流生态系统已成为近年来的重要环境目标。目前国内外对河流生态系统健康评价开展了许多研究.Karr基于一系列对环境状况变化较敏感的指标,提出了生物完整性指数(indexofbioticintegrity,IBI)对河流健康状况进行评价.Ladson和White尝试将描述河流水文特征的参数和指标用于评价河流健康状况.Brierley等提出河流形态结构框架,并提供流域不同河段河流特征的基础调查以及河流形态结构控制的评价程序.我国许多学者在借鉴国外经验的基础上,对河流健康评价的方法、理论进行了深入探索,并在实践中使用专家调查法、层次分析法、主成分分析法、均方差法、熵值法等对河流进行健康评价.这些评价方法所使用的数学原理大体可分为基于“功能驱动”和“差异驱动”两类.前者主要根据评价者的工作经验、知识结构及偏好等来确定指标权重,其评价存在主观随意性;后者根据样本数据自身的客观信息特征,利用比较完善的数学理论和方法进行权重判断,但忽视了在评价或决策问题中评价者的主观信息.对河流生态健康进行评价涉及到水文、环境、生物等许多因素,且这些因素具有多层次、不确定性和属性复杂等特点,要给出一个满意的评价比较困难.本文采用改进的“拉开档次”评价方法,充分考虑评价过程中的客观和主观信息,对河流生态健康进行逐层评价,得到河流生态健康综合评价值,并通过分析及方法的比较,探索这一方法的合理性,旨在为河流综合治理、恢复河流生态健康提供技术支持.1改进的“加载”法1.1拉开档次法确定权重系数取极大型指标x1、x2、…、xm的线性函数为被评价对象的综合评价函数:y=w1x1+w2x2+…+wmxm=wTx(1)式中:w=(w1,w2,…wm)T为m维待定正向量,即权系数向量;x=(x1,x2,…xm)T为被评价对象的状态向量.将第i个被评价对象si的m个标准观测值xi1、xi2、…、xim代入式(1),则有:yi=w1xi1+w2xi2+⋯+wmxim=m∑j=1wjxiji=1,2,⋯n(2)若记:y=[y1y2⋮ym]A=[x11x12⋯x1mx21x22⋯x2m⋮⋮⋮xn1xn2⋯xnm]式(2)可写成:y=Aw(3)变量y=wTx按n个评价对象取值构成样本的方差为:s2=1nn∑i=1(yi-ˉy)2=yΤyn-ˉy2(4)拉开档次法确定权系数的准则是求指标向量x的线性函数wTx,使此函数按n个被评价对象取值的分散程度或方差尽可能大.将y=Aw代入式(4)中,令ˉy=0,于是有:ns2=wTATAw=wTHw(5)式中:H=ATA为实对称矩阵.当对w不加限制时,式(5)可取任意大的值,此处限定wTw=1,求式(5)的最大值,也就是选取w,使下式成立:stwTw,=1,w>0(6)对于式(6),当取w为H的最大特征值所对应的标准特征向量时,wTHw取得最大值.将w归一化后得到权重系数向量w=(w1,w2,…,wm)T,且m∑j=1wj=1.最后通过式(2)得到第i个评价对象的综合评价值yi.1.2基于权化的多层次评价方法应用“拉开档次”法进行综合评价时,是在各项指标的重要性都相同的前提下进行.事实上,各项评价指标的重要程度一般来说是不相等的,而且该方法是基于“差异驱动”原理,主要利用观测数据所提供的信息来确定权系数,虽避免了主观随意性,但有时得出的评价结果或排序结果可能与决策者的主观愿望相差很大甚至相反;该方法主要是从整体上尽量体现被评价对象之间的差异,在对评价对象进行综合评价时,一方面评价对象作为一个系统可能涉及许多方面的因素,这些因素往往需要多级指标来综合反映,另一方面有时决策者不仅需要掌握评价对象的总体状况,还要掌握影响评价对象的各个层次的运行状态及其对评价对象的影响大小,以利于决策者对评价对象有一个整体、全面、系统的了解.基于上述两方面问题,需要对“拉开档次”评价方法进行改进.对于第一个问题,可以根据各项评价指标相对于评价目标的重要性程度,由“功能驱动”原理的数学方法计算各项指标xj的权重系数rj(j=1,2…,m),在此基础上,对各项评价指标进行“权化处理”:x*ij=rjxijj=1,2,…,m;i=1,2,…,n(7)令x*ij的(样本)平均值和(样本)均方差分别为0和r2j,再针对权化数据{x*ij}应用“拉开档次”法确定各项评价指标xj的权重系数wj.对于后一个问题,可采用逐层递阶的方法来解决.将评价对象看做是一个系统,假设某种规则将评价因素划分为p个不同层次,且每个层次都有若干个子系统.为不失一般性,现假设系统(si)有p=2个层次,且在各层次中分别有np(p=1,2)个子系统,对第2层(最低层次)的子系统sq(2,t)(q=1,2,…,mt;t=1,2,…,n1;m1+m2+…mn1=n2)均取定mtq项评价指标,并假设系统的观测数据(指标值)为{x(2,t,q)ij},x(2,t,q)ij表示第i个系统来自第2层次子系统中第j项评价指标的观测值(假设为极大型、无量纲化标准值).则子系统s(2,t)q的综合评价函数如下:y(2,t,q)i=mtq∑j=1b(2,t,q)xj(2,t,q)(8)式中:b(2,t,q)j为待定权向量;y(2,t,q)i为综合评价值.i=1,2,…n;j=1,2,…mtq;q=1,2,…,mt;t=1,2,…n1.同理依次可求出s(2,t)q的母系统s(1)t(第一层子系统)的综合评价值y(1,t)i和待定向量b(1,t)[x(1,t)q≡y(2,t,q)i],最后仿效式(2)得到系统si的综合评价值yi.2降水量:2.北运河发源于北京市昌平县燕山南麓,西界永定河,东临潮白河,先后流经北京市通州区、河北省廊坊市香河县和天津市武清区、北辰区和红桥区.干流长143km,流域面积6166km2,平均比降4.6‰;流域年均降水量643mm,降水主要集中在6—9月;年均(1956—2000年)径流量4.81×108m3.20世纪60、70年代,北运河的出境水量中,清、污水约各占50%,80年代以后,随着上游用水量增加和工农业、生活废污水的大量排入以及上游来水量的减少,河道经常出现断流,同时,沿河又修建了大型拦河闸和橡胶坝,使航运功能逐渐下降,逐步沦为北京市主要泄洪和排污河道,河水浑浊、发黑、发臭,水污染严重,严重破坏了河流的生态系统结构,造成河流生态功能退化.开展北运河生态健康影响评价,定量评价其存在的生态状况,对于北运河流域的综合治理具有重要作用.3北移河生态系统健康评价3.1北运河河流生态健康评价指标体系通过探讨河流生态健康的基本内涵和主要标志,在借鉴国内外生态影响评价研究的基础上[18,19,20,21,22,23],结合研究区域的实际情况,以科学、实用、简明的选取原则,建立北运河河流生态健康评价指标体系(表1).指标体系设计为3个层次,分别为系统、子系统和评价指标.系统为单一目标,即生态健康指数,子系统包括5个子目标,评价指标共15个,可全面反映北运河生态健康状态.此外,根据北运河干流功能划分区段,评价过程中将北运河分为上、中、下游3个区段进行评价,其中,沙河闸-北关闸为上游段,北关闸-土门楼段为中游段,土门楼-屈家店为下游段.3.2北运河生态健康评价标准20世纪50年代以前,北运河流域尚未开发,流域基本处于自然状态;进入60年代以后,对北运河流域进行综合开发,兴建了系列蓄水、引水、提水工程,这些工程发挥了巨大的经济、社会和环境效益,但同时也对河流系统功能产生了巨大影响.因此,北运河生态健康评价标准的确定,以20世纪60年代以前北运河自然特征为依据来确定2000—2008年生态健康状况,并以分值阈0~0.2、0.2~0.4、0.4~0.6、0.6~0.8、0.8~1.0分别代表濒于崩溃、病态、亚健康、基本健康、健康5个级别的标准.各子系统评分标准及具体指标标准值是借鉴北运河有关历史资料、相关研究成果与国家适用标准,通过多区域对比分析以及在公众参与基础上由专家评判完成.采用基于“功能驱动”原理的层次分析法确定各子系统的权重系数(表2).3.3北运河上游河流生态系统健康综合评价在对指标观测值进行标准化、一致化处理后,按照改进的“拉开档次”法对北运河上游河流生态系统(s1)进行评价,各子系统的综合评价函数如下:s1(1):y1(1)=0.158x11(1)+0.438x12(1)+0.404x13(1)s1(2):y1(2)=0.577x11(2)+0.128x12(2)+0.29413(2)s1(3):y1(3)=0.405x11(3)+0.253x12(3)+0.135x13(3)+0.207x14(3)s1(4):y1(4)=0.484x11(4)+0.323x12(4)+0.194x13(4)s1(5):y1(5)=0.6x11(5)+0.4x12(5)将相应的标准指标值代入上式,可得北运河上游各子系统评价值,分别为:河流水文状况y1(1)=0.555,河流水环境状况y1(2)=0.473,河流形态结构状况y1(3)=0.632,河岸带状况y1(4)=0.64,河流水生物状况y1(5)=0.4.上述子系统是以同等“地位”参与评价过程为前提,因此需先对上述子系统评价值进行加权,得到数组{0.111,0.1419,0.0948,0.096,0.08},进而建立北运河上游河流生态系统总的评价模型:S1:y1=0.212y1(1)+0.271y1(2)+0.181y1(3)+0.183y1(4)+0.153y1(5)将北运河上游生态子系统各评价值代入上式,可得北运河上游河流生态健康综合评价值为y1=0.539.同理可得到北运河中游(S2)、下游(S3)河流生态健康综合评价模型和评价值(表3).S2:y2=0.205y2(1)+0.26y2(2)+0.184y2(3)+0.192y2(4)+0.159y2(5)S3:y3=0.164y3(1)+0.233y3(2)+0.17y3(3)+0.203y3(4)+0.23y3(5)运用改进的“拉开档次”法对北运河进行生态系统健康评价,得到北运河上、中、下游河流综合评价值分别0.539、0.521、0.546,对照评价标准得知北运河各河段的生态状况处于亚健康状态,其中,下游的生态状况较好、中游最差.下游的河流水文状况最差,主要原因是下游河道年均降水量变化较大,河道经常处于水量不足和断流状态.根据对流域下游河道的调查统计,常年有水河段仅占10%左右.在永定河卢沟桥至屈家店河段,1980—2008年间,只有3年汛期有少量径流,过流时间不足半月.在5个评价子系统中,河流水环境状况对河流生态系统健康影响的权重最大,且整个北运河流域水环境状况均不理想,基本在中度污染水平,部分河段已达严重污染状态.据2005年现场监测,约60×104m3·d-1污水未经处理直接排入温榆河.在北运河天津段的土门楼,2005年入境水量中高锰酸盐指数年均浓度为5.8mg·L-1,入境污染负荷量为937.9t,铵态氮年均浓度为13.2mg·L-1,入境污染负荷量为2134t.其中,铵态氮按地表水Ⅲ类标准已超标12.2倍.近年来实测资料表明,除汛期水质略好外,北运河水质一直处于劣Ⅴ类.在河流形态结构、河岸带状况方面,北运河基本处于较好状态,但也不容乐观.在河流生物指数方面,下游状况好于上游和中游.据调查,鲫鱼是北运河流域水生动物中的顶极群落生物和关键物种,而只在北运河流域下游土门楼以下区域发现有少量该类鱼种活动.运用改进的“拉开档次”法对北运河进行生态系统健康评价的结果与北运河现实情况相符.使用改进的”拉开档次”法计算的评价值介于层次分析法和未改进的“拉开档次”法计算数值之间,评价结论相同(表4).4“拉开档次”法与“拉开档次”法的比较本文针对“拉开档次”法在进行综合评价过程中的缺点,对其进行改进.改进后的“拉开档次”评价方法,克服了一般评价方法的主观臆断性和只强调数据的客观性的缺陷.同时采用逐层递阶的方法,不仅能反映评价对象的总体特征,又能反映各个