AHP法模糊综合模型在流域生态健康评价中的应用研究

张 旭

(辽宁省沈阳水文局，辽宁 沈阳 110094)

流域特征可体现为河流的生态系统健康，它是结合了系统结构内自然、经济和社会等因素的综合性生态系统，因此有必要将社会经济以及人类活动的作用因素考虑在生态系统之内。生态环境以及结构系统作为区域经济和人们生产发展的重要基础具有明显的服务性特征，其健康标准主要可表现出多层次、多变量的动态变化的特点[1]。各影响因素对综合评价分析的贡献率大小可利用基于层次分析法(AHP法)的模糊综合评价模型进行综合分析，可对各影响因素对生态健康状况的贡献状况进行科学有效的表征，并对生态环境的决定性影响因素进行判别和分析，进而避免了评价方法仅考虑单因子的缺陷[2]。据此，研究以辽河流域为研究对象，对其进行生态健康的定量评价，并依据评价结果针对流域内生态环境所存在的问题给出了一定建议，以期为提高流域生态环境、促进人与自然和谐发展提供一定的理论依据和支持。

1 研究现状

1.1 国外研究概况

联合国在2005年发布的全球性评估报告中指出人类社会福祉在生态系统非线性变化或生态系统改变时将受到严重的威胁。目前，流域生态研究的热点和主要方向为对不同尺度标准及评价指标的研究，并且流域空间尺度的选取可对系统健康评价产生显著的影响，如对不同尺度的河流、湖泊、海洋、湿地以及生态景观系统等进行评价研究[3-5]。Haynes等以澳大利亚大堡礁为研究对象并指出关键响应程度可作为不同尺度上生态系统健康的长期观测指标；Monica等对湿地及无脊椎动物受人为干扰的作用影响进行了研究；Li Li等对河流生态系统评价体系引入了生物监测指标，并以此提高了评价的准确性和客观性；Ivor Growns等对自然状态下澳大利亚部分河流的鱼群数量利用独立的物种分布预测模型进行评价预测并对河流的健康状态进行评估分析；Pinto U等基于藻类、娱乐活动等评价指标构件了城市河流景观的评价框架。

1.2 国内研究概况

虽然我国对于相关研究的起步较晚，然而生态学者分别从多个领域和较多在近年来针对生态健康做了大量有关评价方法的研究并取得了一定的成果，如陆丽珍等基于RS和GIS技术以土地调查数据和遥感数据为依据建立了系统健康评价指标体系，并进行了有关动态时空评价的分析研究；李文君等结合水体连通性、水质、防洪标准、水量、水体生物等因素建立了评价等级标准和评价指标体系，并提出一种新的理论和评价方法且表现出较强的适用性和可靠性；廖静秋等选取了物种多样性评价指标进行河流系统健康评价研究，结果表明该方法可行性较强，且能够反映河流健康程度的实际状况[6-8]。

表1 辽河流域生态健康评价指标体系

2 流域概况

辽河流域位于我国东北部地区，主要支流包括太子河、大辽河、绕阳河、柴河等；流域总面积为21.9万km2，流域内地貌特征以平原和山地为主，并存在丘陵和沙丘等地貌；流域内地势结构为东西两侧高中间地势低、北部地势高于南部，其中西部和东部高程分别为500～1500m和500～2000m，并在中下游区域形成辽河平原区，土壤侵蚀类型主要有风力侵蚀和水力侵蚀。属于大陆性季风气候区，冬季寒冷漫长、夏季炎热干燥，全年降雨量和流经量分布不均匀，其中西部径流面积较大，降雨量在太子河上游区域年均为900mm，而在抚顺、本溪一带受到长白山和千山山脉阻隔作用，降水量为800mm，在铁岭、沈阳等区域为700mm，至西辽河流域降水量降低至350mm左右；依据行政区划和地理位置可将辽河流域划分为4个二级水资源分区即Ⅰ区(辽宁)、Ⅱ区(吉林)、Ⅲ区(内蒙古)、Ⅳ区(河北)，占地面积约为22.11万km2，地下水资源总量约为139.57m3，水资源有效利用率51.8%，辽河流域长1345km，水资源开采利用潜力巨大[9-10]。

3 建立模糊综合评价模型

3.1 构建评价指标体系和等级标准

生态系统提供给社会的质量及发展规模、有利于经济发展功能以及自然属性等是决定流域系统健康的关键性因素。文章结合辽河流域生态系统实际状况并依据评价指标客观性、可靠性和可获取性原则，在充分考虑了流域内水资源特点的基础上构建了评价指标体系，见表1。

依据流域生态健康评价等级标准相关资料和研究成果，并结合辽河流域实际状况可将其健康状况划分为5个标准等级即濒于崩溃、病态、亚健康、基本健康以及健康标准，与其相对应的综合评价指标取值范围为0.8～1.0、0.6～0.8、0.4～0.6、0.2～0.4、0.0～0.2。各评价指标取值及健康状况等级标准见表2。

表2 辽河流域生态健康评价指标及标准等级

3.2 建立模糊关系矩阵

建立评价指标体系后可对评价对象的各个影响因素u进行量化的计算分析，从而可建立模糊关系矩阵R，表达式如下：

(1)

式中，rij—在h评价等级模糊子集下待评价对象对应于u评价指标的隶属度。

研究在考虑了专家意见以及相关文献资料的基础上确定了各评价指标的隶属函数求解公式。

对于评价指标值越大则流域生态健康程度越好的评价指标，即越大越优型指标计算公式如下：

(2)

对于评价指标值越小则流域生态监测程度越低的评价指标，即越小越优型指标计算公式如下：

(3)

对辽河流域生态监测程度隶属度利用上述计算公式进行求解，可得到评价矩阵R：

(4)

4 指标权重向量的确定

4.1 建立判断矩阵

根据表1指标体系的不同层次和准则，依据专家意见和相关资料，利用1～9比较尺度和成对对比法可建立评价指标判断矩阵并包含体系的各个层次。研究建立了目标层与准则层之间的判断矩阵，见表3。

表3 准则层对目标层判断矩阵

4.2 权重向量及一致性检验

采用根值法或求和法对体系中上层元素的权重向量进行求解，即对该层次指标针对上层次指标的相对重要性权重进行计算求解[11]。文章对各评价指标的权重向量利用根值法进行求解，其基本过程为：对判别矩阵各列数值即评价指标初始值进行归一化标准处理，并对处理后的各列进行求和与开次方计算，然后对方根向量进行标准化处理并求得各评价指标的权重向量，计算结果见表4。

表4 评价指标的随机性数值

所以研究所建立的判断矩阵总共包含三个层次，第一、二、三层次分别代表目标层、准则层和方案层即指标层。其中准则层对目标、方案层对准则层的权重向量可分别表示为：

表5 评价指标体系不同层次组合权重向量计算结果

4.3 组合权重向量及综合评判

利用归一化处理的权重向量w3以及矩阵R计算结果可利用的B=w3gR对评价结果进行模糊转化进而可求得辽河流域生态健康程度评价结果，见表6。辽河流域生态系统健康依据最大隶属度原则处于亚健康水平。

表6 辽河流域生态健康评价结果

5 结论及建议

结合辽河流域生态系统健康状况评价结果可知，该流域生态系统环境比较脆弱并处于亚健康状态，主要因素有：流域内蒸散发量大且降水量较低并造成水资源储蓄量相对匮乏；水资源的开采利用不均衡，局部地区出现超采现象并造成流域生态湿地减少、草场及生物多样性减少，土地沙漠化严重，水源涵养功能减低；流域内农业用水不合理且用水效率低，农药化肥等造成水环境污染现象严重。结合以上因素，研究给出了有利于水资源开采利用的相关建议。

(1)加快农田水利节水工程建设，加强水资源开采利用管理并提高用水效率。

(2)优化土地利用规模和产业机构，降低社会及经济发展对生态环境的压力。优化产业结构并制定合理的牧、林、农业的产业比例，鼓励农民从事牧业、林业生产并降低高耗水农作物的种植面积。

(3)大力发展高效节水灌溉水利工程，结合区域特征和农作物类型制定特定的节水灌溉技术。

(4)建立水资源用水管理体制机制，严格控制废污水的处理排放，避免因水体污染造成的水资源供应紧缺的问题。

(5)加强湿地修复与水源涵养功能保护；对保护区进行及时有效的保护，禁止对河流、湖泊以及森林湿地等的占用、开垦等现象。