基于熵权TOPSIS组合模型的河湖水系连通性评价

林晓云

(廉江市廉江河管理所，广东 湛江 524400)

0 引言

河湖水系是生态环境的重要组成部分，也是经济社会发展的重要支撑。近年来，随着我国城镇化进程的不断加快，“填埋河道”、“与水争地”等现象时有发生，导致河湖水系连通性降低、水质恶化，并在一定程度上影响城市防洪排涝。对河湖水系连通性评价是现阶段专家、学者普遍关注的热点问题，曾冰茹[1]采用图论方法构建水系评价体系，定量分析鄱阳湖流域近30年来水系格局和结构连通性的时空演变特征。丁洋[2]构建了基于三流四维生态模型的河湖水系生态连通工程技术体系，包括纵向连通工程技术、横向连通工程技术与垂向连通工程技术。李秋梅[3]运用分形理论和景观生态学理论，研究分析了大清河流域水系分形和水系结构连通性，以及引江引黄主支干道人工水系修建对流域水系分形和连通性的提升作用。傅春[4]基于景观生态学中“点-边”数量关系建立水系环度(α)、节点连接率(β)和网络连通度(γ)3种水系连通性评价指标，并以城市湖水体引流化污为切入点来优化城市水系连通性。门宝辉[5]应用五元联系数对洛阳市水系连通性进行评价，利用集对分析与图论法耦合模型计算连通度，计算得到洛阳河网水系的连通度为1.34。由于现阶段有关部门对连通性的评价尚未形成统一标准，且不同模型对连通性的评价结论通常也存在较大的差异，难以统一结论。因此本文从实践出发，提出一套基于熵权TOPSIS组合模型的水系连通性评价体系，该模型以专家赋分作为隶属度矩阵，评价结果具有较强的可信度，同时避免了复杂的模型计算，在实践中具有较强的操作性。

1 研究方法

1.1 评价指标体系

在河湖水系连通性的评价上，现有文献多是从水系连通度、水面率、河网密度等方面来衡量水系整体的连通情况，在总结已有成果的基础上，本文从水系的结构连通性、水力连通性、水系连通的功能性及水系连通的环境效益等层面综合考量区域水系连通状况，其中结构、水力是连通性的直接评价指标，而功能、环境则属于连通性的间接评价指标，并由结构、水力、功能、环境构成评价体系准则层，在各准则层下分别设指标层，在此基础上共同形成4项准则层、12项指标层共同构成的河湖水系评价指标体系，结果如表1所示。

表1 河湖水系连通评价指标体系

1.2 熵值法确定指标权重

根据本文所构建的河湖水系连通性评价指标体系，在确定指标权重时，为避免人为主观因素带来的偏差，本文采用客观赋权法——熵值法，熵的概念是由德国物理学家鲁道夫·克劳修斯(R·Clausis)于1850年提出的，后经N·Wiener和C·E·Shannon提出了更广阔的信息熵，如今已广泛应用于社会经济、工程技术等各个领域。熵值法主要步骤如下：

(1)数据标准化

为消除各指标原始数据由于量纲不同所引起的计算误差，采用极差标准化的方法对原始数据进行标准化处理，具体计算公式如下：

正向“+”指标：

(1)

负向“-”指标：

(2)

(3)

(2)权重计算

①第j个指标在第i年的比重Pij

(4)

式中，m—统计年数。

②第j个指标信息熵Ej

(5)

其中，0≤Ej≤1。

③第j个指标的效用值Dj

Dj=1-Ej

(6)

④第j个指标的权重Wj

(7)

式中，n—指标数。

1.3 TOPSIS法评价各方案优劣次序

TOPSIS法是由C.L.Hwang和K.Yoon于1981年首次提出，是一种逼近于理想解的排序法，该方法只要求各效用函数具有单调递增(或递减)性即可，是多目标决策分析中一种常用的有效方法，又称为优劣解距离法。该方法主要原理如下[6-8]：

假定多属性决策方案集为D={d1，d2，……dm}，衡量方案优劣的属性变量为x1，……xn，这时方案集D中的每个方案d1(i=1，……m)的n个属性值构成的向量是[ai1，……，ai1]。

(1)用向量规范化的方法求得规范决策矩阵

设多属性决策问题的决策矩阵A=(aij)m×n，规范化决策矩阵B=(bij)m×n，其中：

(8)

其中i=1，2，……，m，j=1，2，……，n。

(2)构成加权规范矩阵

C=(cij)m×n

(9)

根据上文采用的熵值法确定的各属性权重向量w=[w1，w2，……wn]，对规范化决策矩阵B中各项指标分别赋予权重系数，即

cij=wj·bij，其中i=1，2，……，m，j=1，2，……，n。

(10)

(3)确定正理想解C*和负理想解C0

正理想解

(11)

负理想解

(12)

(4)计算各方案到正理想解与负理想解的距离

备选方案di到正理想解的距离为

(13)

备选方案di到负理想解的距离为

(14)

(5)计算各方案的综合评价系数

(15)

2 实例应用

2.1 研究区概况

廉江市位于广东省西南部、雷州半岛北部，西南濒临北部湾。全市东西相距79.5km，南北相距60.2km，总面积2866.83km2。廉江市境内河流纵横交错，水系发达。全市有大小河流342条，集雨面积3987km2，其中境内集雨面积为2840km2，境内河流总长度1347.03km，年径流总量24.5亿m3。市内一级河道有九洲江、南桥河、青平河和高桥河等4条，境内主河道总长152.91km，二级河道有沙铲河、廉江河、武陵河、良垌河、龙湾河等12条，境内主河道总长211.41km，三级河道有蓬塘河、陀村河、白马岭河、香山河和三塘河等5条，境内主河道总长125.36km。尽管廉江市水系发达，但受城镇化建设影响，部分河道出现功能萎缩、淤积严重等问题，很大程度上降低了河道连通性及行洪能力。为满足我国高质量发展的要求，近年来廉江市通过开展多轮水系整治和河道治理工程，全市河湖水域环境得到较大的改善，水环境质量稳步提升。

2.2 指标权重计算

根据熵值法，分别计算廉江市河湖水系连通性评价各项指标权重，结果见表2所示。

表2 廉江市河湖水系连通评价指标权重

2.3 构建隶属度矩阵及规范化矩阵

由于水系连通性评价体系中涉及的部分评价指标具有模糊性强、难以量化的特点，在构建隶属度矩阵时采用专家赋分法。为保证评价结果的客观性，本次邀请了行业内十余位专家对各项评价指标进行现场赋分，回收有效问卷10份。对各项指标的评价结果设置了良好、较好、中等、一般、较差共5个等级，由各位专家对各项指标评价结果进行选择，最后统计各等级所对应的专家人数，并核算百分比作为各指标的隶属度值，对专家评分隶属度矩阵进行规范化处理后，得到规范化矩阵，根据表2计算的各项指标权重，对规范化矩阵赋权后，计算各项指标理想解，结果见表3所示。

2.4 计算综合评价系数

表4 各评价等级综合评价系数计算值

2.5 结果讨论与建议

3 结语

文章通过构建河湖水系连通性评价指标体系对廉江市水系现状进行综合评价。从评价结果来看，尽管全市总体上取得了“较好”评价等级，但仍有部分指标存在较大的改进空间，文章结合专家赋分结果对廉江市水系治理工作提出了相关建议，研究成果有望为廉江市下一阶段城镇化建设提供一定的技术参考，并丰富该领域的研究成果。从研究方法来看本文仍有一定的不足之处，由于现阶段尚无公认的指标评价等级划分标准，故在确定指标隶属度时采用了专家赋分法，同时受限于客观条件专家问卷数量相对较少，在下一阶段研究中，将进一步深入研究评价指标的等级划分问题，以提高评价结果的客观性。