基于灰色多层次模型的河流综合功能评价

郭 宁,林泽昕,方国华,严春华

(1.江苏省水利厅工程管理处,江苏 南京 210029; 2河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098)



基于灰色多层次模型的河流综合功能评价

郭 宁1,林泽昕2,方国华2,严春华2

(1.江苏省水利厅工程管理处,江苏 南京 210029; 2河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098)

在分析河流功能内涵及分类的基础上,从河流自然功能、生态功能、社会功能和灾害性能四方面构建河流综合功能评价指标体系。以河流综合功能评价指标体系为基础,采用层次分析法、改进的熵权法分别确定各个指标主、客观权重并经线性组合后确定综合权重,建立改进的灰色多层次评价模型。将河流综合功能评价指标体系和改进的灰色多层次评价模型应用于柏条河综合功能评价中,评价结果表明柏条河综合功能优良,与实际情况相符。由此论证了改进的灰色多层次评价模型能够综合主、客观赋权的优劣,并充分考虑各指标之间关系不明确等信息,具有较强的可靠性和实用性。

河流功能;指标体系;层次分析法;熵权法;灰色多层次模型

河流自身随时空不断演化以及人类对河流功能需求的不断变换,形成河流功能的多样性和复杂性。河流综合功能涉及自然、生态、社会等多方面,面广且综合性强,所以目前对河流生态功能[1-2]、自然功能[3-4]等单一方面进行评价或研究较多,而对河流综合功能评价或研究较少,且评价方法仅有打分法[5-6]和可变模糊评价法[7]等。打分法受人为主观因素影响较大,评价结果不够客观;可变模糊评价法权重大多是人为确定的,存在一定的主观随意性。针对上述问题,本文从河流综合功能角度出发,在河流功能类别划分的基础上,构建河流综合功能评价指标体系,并建立改进的灰色多层次评价模型,克服了权重确定方法较主观的弊端,能够更好地发挥评价模型的效用。

1 河流功能理论及评价指标体系

1.1 河流功能概念及分类

关于河流功能,不同学者有不同的定义[1,8-11]。总结已有成果,本文认为河流功能是指河流系统在自然和人类活动双重影响下对人类的生存和发展所发挥的作用,是以对人类的效用为根本出发点。根据已有的河流功能分类体系,比较全面科学的划分是将河流功能分为自然功能、生态环境功能、社会服务功能和灾害性能[10-11],也就是说河流功能是资源性和灾害性的统一。说明良好的河流综合功能不仅是资源性功能的充分利用,也是灾害性能的及时规避和合理控制。

根据河流功能内涵,在河流自然功能、生态环境功能、社会服务功能、灾害性能四项一级功能的基础上,进一步将一级功能细分为13项二级功能,建立河流功能分类体系,见图1。自然功能中,水文功能主要体现在水循环之中,可以用径流量变化情况表示,而河型稳定是地质功能发挥的重要保障;生态环境功能中各项二级功能的发挥很大程度上受河岸宽度和河道连通性的影响,除此之外生物多样性是河流生态环境的重要组成部分,水质水量是河流生态环境健康的基础;在社会服务功能中,各项二级功能发挥的效用应在合理开发水资源的基础上由其相应的保证程度分别予以确定;灾害性能中,洪涝灾害发生情况与河道容纳洪水量、防洪体系完善程度息息相关,泥沙灾害与来沙的水沙关系、输沙、河道冲淤关系密切。

图1 河流功能分类体系

1.2 指标体系的建立

为进一步量化河流功能,需建立河流功能评价指标表征河流功能所处的状态。在河流功能分类体系的基础上,参考相关文献[5-8]并根据评价对象各组成部分之间的相互关系,利用层次分析法构建多层次评价指标体系,将河流功能评价指标体系分为目标层、准则层、指标层3个层次。目标层主要用于反映河流综合功能状况;准则层由河流各项一级功能组成;指标层由表征河流各二级功能关键要素的指标构成,可直接度量得出。最终构建了1个目标层、4个准则层、22个指标层的河流综合功能评价指标体系。部分指标含义解释如下。

a. 流量偏离率:指天然条件下的月径流量与实际月径流量间的变异关系,采用溪流状态指数SCI中的流量偏离率[12]表示。

b. 河型稳定性指数:对河流稳定性起决定作用的是纵向稳定性和横向稳定性,采用张红武等[13]提出的河流综合稳定性指数表示。

c. 河流连通率:主要指河流功能连通性,即径流从源区—干流—流域网络—出流移动的效率或水循环各要素间以水为介质的有机物、能量转移速率,采用孟慧芳等[14]提出的河流连通率来确定。

d. 河道泥沙输移率:指某河道的输出泥沙量与进入该河道泥沙总量的比值,表征河道输送泥沙的能力,采用地貌学上的河道泥沙输移率[6]表示。

e. 水沙搭配指数:是来沙系数的函数,借来沙系数对河道淤积的影响来判定水沙搭配指数,当实际来沙系数为不淤时的临界来沙系数时,水沙搭配指数为1[15]。

f. 景观娱乐满足程度:指人们对水体、水上跨越结构、山体树木、水生动植物等在人们眼中形成的视觉效果的满意程度,属于定性指标。

g. 美学文化价值指数:指河流水体和沿岸陆地景观成为人类重要的文化精神源泉和科学技术及宗教艺术发展的动力,属于定性指标,根据河流自身的文化价值进行评判。

1.3 评价标准的确定

河流功能评价指标标准的界定直接影响最终评价结果的准确性,目前学术界尚无统一的标准[5]。结合经济社会水平和现阶段的开发利用程度等情况将河流功能状态分为优、良、中、差4个级别,对于不同属性的指标其相应等级标准值的确定方法不同。对于定性指标,采用专家打分法与公众参与调查法确定白化权值[16],因此不需设置等级标准值。对于定量指标,需要结合等级标准值(根据经济社会状况及现有资料)综合确定计算白化权值。资料来源一般为:①国家、行业和地方规定的标准,如SL395—2007《地表水资源质量评价技术规程》;②国际上的先进标准,如澳大利亚ISC标准;③相关科研成果[5-6,17]。由此建立河流综合功能评价指标体系及评价标准,见表1。

表1 河流功能指标体系和评价标准

2 改进的灰色多层次评价模型

2.1 综合权重的确定

灰色多层次评价模型采用层次分析法确定指标权重,有较强的主观性,影响评价方法的效用。本文采用主、客观权重线性组合的方法确定综合权重,建立改进的灰色多层次评价模型。

层次分析法和德尔菲法是两种主观确定权重的方法,指标数n≤2时,权重采用德尔菲法确定,n>2时,采用层次分析法确定,记主观权重为w(1);熵权法是一种客观赋权的方法,记客观权重为w(2)。综合权重w通过将主观权重与客观权重线性组合综合确定:

(1)

式中:α为偏好系数,根据实际情况取值,一般取α=0.5。

层次分析法是一种将定性指标与定量指标相结合的多目标决策分析方法,通过比较同一层次各指标的相对重要性来综合计算指标的权重,步骤如下:①采用Saaty的9位标度法构造判断矩阵A;②求A的最大特征值λmax及相应的特征向量,对特征向量进行归一化,得出w(1);③采用一致性比率CR对判断矩阵进行一致性检验,CR<0.1时即认为具有完全一致性,其中

(2)

(3)

式中：CI为一致性指标；RI为平均随机一致性指标，可查表得出。

熵的定义来自于热力学,后被引入信息论中广泛应用于方案优选、多目标决策及各种评价。熵权法是依据熵的概念和性质以及各指标相对重要程度的不确定性来分析各指标的权重,是一种根据指标反映信息可靠性程度客观赋权的方法。

熵权法确定权重步骤如下:①计算评价指标的熵值:

(4)

式中:rij为第i个指标对应第j等级的白化权值,若rij=0,则rijlnrij=0;m为等级数；②确定各指标熵权:

(5)

记熵权向量为w(2)。

2.2 评价步骤

河流功能评价指标体系是一个多层次、多准则综合评价系统,既涉及定量因素,又涉及定性因素,各因素相互影响、相互联系,之间关系具有不确定性,是一种灰色系统。因此,针对河流功能评价指标体系灰色性的特点,为了使描述各灰类程度的评价信息都发挥作用,选取改进的灰色多层次评价模型对河流综合功能状况进行评估,步骤如下。

a. 划分k个灰类,确定rij。灰类白化权值本质上为隶属度[18],因此采用模糊数学中的计算方法确定指标的白化权值[16]:①定量指标白化权值的确定。对于效益型指标(即越大越优型指标),当第i项指标xi的值大于其对应的第1级标准值(优)时,它对优等级的白化权值为1,而对其他级别的白化权值为0,即

(6)

当xi的值介于其对应的第j级和第j+1级标准值Vi,j,Vi,j+1之间时,它对第j+1级和第j级的白化权值分别为

(7)

而对其他级别的白化权值均为0;当xi的值小于其对应的第k级标准值时,它对“差”的白化权值为1,而对其他级别的白化权值为0,即

(8)

b. 计算指标权重w。通过层次分析法或德尔菲法得到主观权重w(1),通过改进的熵权法得到客观权重w(2),利用式(1)得出综合权重w。

c. 确定河流功能评价指标参考序列R0。在各方案中选取最优,构成最理想方案作为参考序列,显然优等级对应的方案为最理想的方案,结合白化权值的确定方法得出R0=(1,1,…,1)

d. 计算灰关联系数εij。先计算各灰类指标白化权值与参考序列之间的离差Δij:

(9)

则

(10)

式中:Δmax、Δmin分别为Δij的最大值和最小值;ρ为分辨系数,0≤ρ≤1,一般取ρ=0.5。

e. 计算综合关联度γ。采用加权算术平均公式计算:

(11)

f. 灰类识别。采用最大关联原则对灰类进行识别。

3 实例应用

柏条河是岷江内江水系四大河渠之一,起于宝瓶口以下的蒲柏闸,止于郫县石堤堰,全长44.76 km,流域面积258 km2,进水口年平均流量41.5 m3/s,年径流量11.76亿m3。柏条河兼具灌溉和供水功能,是成都市两大供水大动脉之一。根据柏条河开发利用现状,选取17项指标对其进行评价。

3.1 指标体系权重的确定

首先,根据指标的相对重要性分别对一级指标(即准则层)两两比较,构造判断矩阵A:

利用层次分析法得到4个一级指标的权重向量Z=(0.2 0.3 0.266 7 0.233 3),由式(2)、式(3)得CR=0<0.1,满足一致性要求。同理,对生态环境功能、社会服务功能的指标层分别进行计算,得出其权重为(0.181 6,0.105 5,0.170 9,0.181 6,0.155 3,0.205 2)、(0.178 4,0.196 9,0.122 0,0.159 9,0.119 9,0.121 4,0.101 4)并进行一致性检验。由于自然功能和防灾减灾指标数小于等于2,因此采用德尔菲法确定权重,分别为(0.5 0.5)、(0.4 0.6)。将准则层和指标层的权重分别相乘得到绝对权重：w(1)=(0.100 0 0.100 0 0.047 4 0.031 6 0.063 2 0.047 4 0.031 6 0.079 0 0.049 4 0.059 3 0.039 5 0.039 5 0.029 6 0.029 6 0.019 8 0.093 3 0.140 0)

根据式(6)～(8)及定性指标白化权值确定方法得出各指标白化权向量,由式(4)、式(5)计算各指标熵权：w(2)=(0.046 9 0.056 2 0.073 4 0.037 8 0.046 9

0.073 4 0.073 4 0.052 7 0.073 4 0.073 4

0.041 1 0.073 4 0.055 1 0.056 4 0.055 1 0.073 4 0.037 8)

最后根据式(1)计算(α=0.5)得出综合权重：

w=(0.073 5 0.078 1 0.060 4 0.034 7 0.055 0

0.060 4 0.052 5 0.065 8 0.061 4 0.066 3

0.040 3 0.056 5 0.042 4 0.043 0 0.037 4

0.083 4 0.088 9)

3.2 柏条河综合功能定量评价

根据2013年相关统计数据,并结合河流功能各评价指标的计算方法确定柏条河指标现状值,见表3。①根据河流功能灰类划分及不同属性指标白化权值的确定方法,分别计算不同灰类下各指标的白化权值;②采用式(9)、式(10)计算相应的绝对离差Δij及εij，取Δmax=1，Δmin=0，ρ=0.5；③利用式(11)计算综合关联度：

γ=(0.67 0.49 0.33 0.33)

根据关联度最大原则，有

maxγ=0.67

表3 柏条河功能评价指标现状值及权重

对照河流功能灰类划分,可判定柏条河综合功能处于优状态。根据调查资料显示,柏条河上除跨河桥梁、局部河段的卵石浆砌堤岸和几个城镇的临河建筑外基本没有其他人工构筑物,总体上保持着生态河流的特性,沿岸林木葱郁,是水源保护的天然生态屏障。柏条河年平均灌溉面积3 800多hm2,保证了农产品的增产增收。另外作为成都市中心城区的主水源,与备用水源的徐堰河共同提供给成都市90%以上的饮用水,日最高取水量55万m3,年均取水量17 155万m3,有效保证了中心城区400多万人的用水安全。可以看出,柏条河综合功能发挥良好,评价结果与现状相符。河流综合功能的优良发挥,不仅有助于营造良好的自然生态环境,更能保障经济和社会的良好发展。

4 结 论

本文从河流资源效益和灾害性能两方面出发,根据河流功能内涵和分类,构建河流综合功能评价指标体系,并针对河流功能指标多层次结构体系及指标体系内部信息不明确性等问题,建立改进的灰色多层次评价模型。该模型综合主、客观赋权的优劣,在运用灰色关联分析的基础上,充分考虑各指标之间关系不明确等信息,对河流功能进行综合评价,具有较好的可靠性和实用性。

河流功能评价是涉及多学科的复杂系统,也是基于不同阶段、不同区域的动态过程。在今后的研究中可根据不同阶段和区域动态调整和选取河流综合功能评价指标体系,真正做到“因河而异,因时而异”。

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江苏省水利科技创新计划(2015009);江苏省普通高校专业学位研究生创新计划(SJZZ15_0059)

郭宁(1963—),女,江苏南京人,高级工程师,主要从事水利工程管理研究。E-mail:guon@jswater.gov.cn

10.3880/j.issn.1003-9511.2016.06.010

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1003-9511(2016)06-0038-05

2016-06-30 编辑：胡新宇)