基于粗糙集简约方法的中小河流健康程度诊断及影响因子定量识别

苗雨池

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)

中小河流的集水面积小于3000km2，主要分布在城市和农村地区的河段，相比于大型河流，中小河流具有数目多、分布广的特点，与农村、城市生活关系十分密切[1]。城市、农场生活也对中小河流生态环境状况产生直接影响[2]。河流的健康包含自身河流的结构功能、生态功能、社会功能三个方面[3-5]，河流健康是河流持续发展的重要保障[6]。当前，对于河流健康的研究逐步得到国内许多学者的关注[7-14]，但这些研究大都针对大型河流，而对于中小河流研究较少。近些年来，中小河流治理和生态环境保护已成为乡村振兴战略的重要内容。本文结合粗糙集简约方法[15]，构建中小河流健康诊断的指标体系，以辽宁地区为研究实例，对其区域中小河流进行河流健康诊断，并对其影响因子进行定量识别。研究成果对于区域中小生态保护和治理措施制定具有重要的参考价值。

1 中小河流健康诊断方法

1.1 健康诊断指标

结合中小河流的特点，综合考虑其防洪、河流形态、河流生态三个方面功能选取9个指标进行健康程度诊断，将中小河流划分为5个标准，各标准赋分分别为理想状态(0.8～1.0)、健康(0.5～0.8)、亚健康(0.3～0.5)、不健康(0.2～0.3)、病态(0～0.2)，并结合相关研究成果确定各指标的评价标准，指标及其标准见表1。

表1 中小河流评价指标赋分标准

1.2 评估方法

结合粗糙集简约方法对其健康度进行综合评估，该方法通过对各属性指标进行隶属函数离散分析，对其上、下集合进行相似计算，计算方程分别为：

μpx(Fi)=inf max{1-μFi(x)，μX(x)}

(1)

(2)

式中，U—各评价指标的求解域；Fi—模糊评价属性结合；P—模型优化属性值。

对模糊集进行正域计算，计算方程为：

μPOSp=sup min{μFi(x)，μPOSp(Fi)}

(3)

式中，Uposp—模糊集的正域属性值；UFi(x)—评估方程的等价集合；UPOSp(Fi)—模糊正域属性值。

在模型正域属性计算后，结合模糊梯度函数对变量隶属度进行分析，分析方程为：

μPOSp(x)=sup min{μFi(x)，μPOSp(Fi)}

(4)

式中，各变量含义同上述方程中变量含义。

对评价方程变量的依赖度进行计算，计算方程为：

(5)

式中，γP(Q)—变量依赖度属性值。

在变量依赖度计算的基础上，对评估方程决策属性变量进行计算，计算方程为：

σPQ(P)=γP+{P}(Q)-γP(Q)

(6)

对式(6)进行简约化计算，转换方程为：

(7)

2 实例应用

2.1 辽宁省河流概况

辽宁省流域面积10km2以上，河流共计3536条，其中山区性河流3419条，平原河流117条。中小河流主要定义流域面积在1000km2以下的河流，辽宁省中小河流为2949条，其中辽河水系中小河流数最多，占总数47.7%，松花江水系分布最少，站总数0.54%。各水系分布见表1。

2.2 各评价区指标权重的设置

对辽宁省典型中小河流进行实地调研，从其河流特性、防洪安全、生态保护三个层面9个评价指标，进行专家打分制方法对各区域不同指标的权重进行设定，设定结果见表2。

表1 辽宁省不同流域水系中小河流分布情况

表2 辽宁省各区域中小河流健康评价指标设定权重值

从表2分析结果可看出，对于辽东地区而言，河岸稳定性及鱼类保有指数的权重值最高，这是因为辽东地区主要为山区型河流，河流冲刷性能较强，因此河岸稳定性要求较高，其鱼类多样性要求较高。辽宁南部河流特性和东部地区河流类型较为相似，因此其各指标权重和辽宁东部地区具有一致性。从辽中地区的指标权重分布可看出，对于辽宁中部而言，其区域河流大部分属于平原型河流，其中河流植被覆盖率及脉动指数权重值最大，主要因为对于辽宁中部平原区而言，其植被覆盖率相对较低，此外受平原地形影响，其河流脉动指数较低，因此这两项指标是影响区域中小河流健康程度的关键。辽西和辽北地形也较为相似，其指标权重分布也较为一致，同样河流植被覆盖率及脉动指数权重值较大，特别是受到植被覆盖影响程度较高。通过对各区域中小河流进行实地调研结果表明各指标权重设定值较为合理。

2.3 各区域指标评价确定度分析结果

在指标权重设定的基础上，对辽宁各区域中小河流不同等级评价指标的确定度进行分析，分析结果见表3—5。

表3 辽宁东南部地区典型中小河流指标确定度分析结果

表4 辽宁中部地区典型中小河流指标确定度分析结果

从辽宁东、南部地区指标确定度分析结果可知，其和指标的权重关联度较高，指标权重较大其相应的确定度也较高。因此对于辽宁东、南部地区而言，其河岸稳定性及鱼类保有指数的确定度最大，且随着健康等级的递减，其指标的确定度也逐步较大。这主要是因为随着健康等级的逐步递减，其指标影响度逐步增加，使得其确定度相应加大。从辽宁中部的指标确定度分析结果也可看出，和辽宁东南部较为相似，各指标的确定度和其权重具有较大的相关性，因此辽宁中部地区中小河流各健康等级下的河流植被覆盖率及脉动指数确定度最高。对于辽宁西部和北部地区而言，各指标的确定度变化幅度小于其他地区，这主要是因为辽西北部地区，中小河流健康影响因素较多，不同指标的确定度变化范围较小，因此其变幅较小。

2.4 各区域指标评价指标关联度分析结果

各指标关联度是分析其区域中小河流健康影响因子识别的关键，为此对不同区域9个评价指标的关联度进行分析，分析结果见表6—8。

表6 辽宁东南部地区典型中小河流健康评价指标关联度分析结果

表7 辽宁中部地区典型中小河流健康评价指标关联度分析结果

表8 辽宁西北部地区典型中小河流健康评价指标关联度分析结果

表9 各区域典型中小河流健康诊断结果

从辽宁东南部区域9个评价指标的关联度可看出，各指标关联度和区域河流特征具有较为明显的关联性。东南部地区河岸稳定性和防洪指标的关联度最高，而河流脉动指数和鱼类保有指数关联度最高，这主要是因为鱼类受到河流脉动影响较大。辽宁中部地区，河岸植被覆盖率和滩地保留率关联度最高，这主要是因为辽宁中部地区大部分为平原河流，其滩地保留率较大，因此使得其河岸植被覆盖率关联度较大。辽宁西北部地区，由于区域水土保持治理措施力度的加大，区域山区型中小河流水质指数和河流流畅性指数的关联度最大。因此可综合分析出，中小河流健康评价指标的关联度和区域中小河流特征相关度最高，影响程度也最大。

2.5 各区域典型河流健康诊断结果

在各指标关联度和确定度分析的基础上，结合粗糙集简约方法对其健康度进行综合评估，评估结果见表9。

从分析结果可看出，辽东、南地区中小河流健康度在0.43～0.75，属于亚健康～健康状态，辽西、北部地区健康度在0.24～0.47，属于不健康～亚健康状态，辽宁中部地区决策属性值在0.21～0.46之间，属于不健康～亚健康状态。辽宁东南部区域由于中小河流覆盖度较好，且水量较为充沛，因此其健康状态总体好于辽宁中部以及西北部，辽宁中部主要为平原型河流，受到平原河流脉动影响较为强烈，因此其河流健康状态较为平稳。辽宁西、北部地区中小河流植被覆盖度低于东南部以及中部地区，且水量较少，因此这一区域中小河流健康状态总体处于亚健康状态。通过对9条典型河流进行实地调研，各河流健康评估结果和实际情况吻合度较高，因此构建的评估方法和评价指标体系适用于辽宁地区中小河流健康评价。

2.6 各区域典型河流健康影响因子识别

在区域中小河流健康诊断的基础上，通过定量分解方法结合各指标的关联度，对辽宁各区域中小河流健康影响因子进行定量识别，识别结果见表10。

表10 各区域典型中小河流健康影响因子定量识别结果 单位：%

结合各指标关联度及影响因子分离方法对各区域中小河流健康影响因子进行了识别，从定量识别结果可看出，辽宁东部地区河岸稳定性以及鱼类保有指数影响程度超过30%，这两个指标权重值也最大，而辽宁南部地区同样这两个指标的影响度最大，可见对于辽宁东南部地区，要提高区域中小河流健康度，需要加大河岸稳定性的治理以及增加鱼类的保有种类。辽宁、西北部地区影响度超过35%的分别为河岸植被覆盖率以及河流脉动指数，因此要加大辽宁西北部地区中小河流健康保护度，则需要加大河岸植被覆盖率以及脉动指数的治理。而对于辽宁中部地区而言，防洪指标和滩地保留率影响度较大，其中滩地保留率的影响度达到29.0%，则主要是因为对于辽宁中部的平原型河流而言，滩地保留率的降低将对区域中小河流健康保护起到至关作用。

3 应用结论

(1)本文提出了适合于中小河流特点的9种河流健康评价指标，对于较为复杂及资料极为稀缺的中小河流，建议保留防洪指标、水质指数、鱼类保有指数、以及河岸植被覆盖率4种可以通过实地调查得到的指标。

(2)从指标关联度分析结果可看出，滩地保留率与河岸植被覆盖率具有较为明显的关联度，河岸植被覆盖率可以通过遥感数据获得，建议在具体评价过程中可通过建立两种指标的相关方程，进行滩地保留率指标的定量获取。

(3)本文的指标权重主要采用专家打分法及实地调研得到，存在一定的主观性，在以后的研究中还需要对权重进行客观计算分析。