AHP法模糊綜合模型在流域生態健康評價中的應用研究

張 旭

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110094)

流域特征可體現為河流的生態系統健康，它是結合了系統結構內自然、經濟和社會等因素的綜合性生態系統，因此有必要將社會經濟以及人類活動的作用因素考慮在生態系統之內。生態環境以及結構系統作為區域經濟和人們生產發展的重要基礎具有明顯的服務性特征，其健康標準主要可表現出多層次、多變量的動態變化的特點[1]。各影響因素對綜合評價分析的貢獻率大小可利用基于層次分析法(AHP法)的模糊綜合評價模型進行綜合分析，可對各影響因素對生態健康狀況的貢獻狀況進行科學有效的表征，并對生態環境的決定性影響因素進行判別和分析，進而避免了評價方法僅考慮單因子的缺陷[2]。據此，研究以遼河流域為研究對象，對其進行生態健康的定量評價，并依據評價結果針對流域內生態環境所存在的問題給出了一定建議，以期為提高流域生態環境、促進人與自然和諧發展提供一定的理論依據和支持。

1 研究現狀

1.1 國外研究概況

聯合國在2005年發布的全球性評估報告中指出人類社會福祉在生態系統非線性變化或生態系統改變時將受到嚴重的威脅。目前，流域生態研究的熱點和主要方向為對不同尺度標準及評價指標的研究，并且流域空間尺度的選取可對系統健康評價產生顯著的影響，如對不同尺度的河流、湖泊、海洋、濕地以及生態景觀系統等進行評價研究[3-5]。Haynes等以澳大利亞大堡礁為研究對象并指出關鍵響應程度可作為不同尺度上生態系統健康的長期觀測指標；Monica等對濕地及無脊椎動物受人為干擾的作用影響進行了研究；Li Li等對河流生態系統評價體系引入了生物監測指標，并以此提高了評價的準確性和客觀性；Ivor Growns等對自然狀態下澳大利亞部分河流的魚群數量利用獨立的物種分布預測模型進行評價預測并對河流的健康狀態進行評估分析；Pinto U等基于藻類、娛樂活動等評價指標構件了城市河流景觀的評價框架。

1.2 國內研究概況

雖然我國對于相關研究的起步較晚，然而生態學者分別從多個領域和較多在近年來針對生態健康做了大量有關評價方法的研究并取得了一定的成果，如陸麗珍等基于RS和GIS技術以土地調查數據和遙感數據為依據建立了系統健康評價指標體系，并進行了有關動態時空評價的分析研究；李文君等結合水體連通性、水質、防洪標準、水量、水體生物等因素建立了評價等級標準和評價指標體系，并提出一種新的理論和評價方法且表現出較強的適用性和可靠性；廖靜秋等選取了物種多樣性評價指標進行河流系統健康評價研究，結果表明該方法可行性較強，且能夠反映河流健康程度的實際狀況[6-8]。

表1 遼河流域生態健康評價指標體系

2 流域概況

遼河流域位于我國東北部地區，主要支流包括太子河、大遼河、繞陽河、柴河等；流域總面積為21.9萬km2，流域內地貌特征以平原和山地為主，并存在丘陵和沙丘等地貌；流域內地勢結構為東西兩側高中間地勢低、北部地勢高于南部，其中西部和東部高程分別為500～1500m和500～2000m，并在中下游區域形成遼河平原區，土壤侵蝕類型主要有風力侵蝕和水力侵蝕。屬于大陸性季風氣候區，冬季寒冷漫長、夏季炎熱干燥，全年降雨量和流經量分布不均勻，其中西部徑流面積較大，降雨量在太子河上游區域年均為900mm，而在撫順、本溪一帶受到長白山和千山山脈阻隔作用，降水量為800mm，在鐵嶺、沈陽等區域為700mm，至西遼河流域降水量降低至350mm左右；依據行政區劃和地理位置可將遼河流域劃分為4個二級水資源分區即Ⅰ區(遼寧)、Ⅱ區(吉林)、Ⅲ區(內蒙古)、Ⅳ區(河北)，占地面積約為22.11萬km2，地下水資源總量約為139.57m3，水資源有效利用率51.8%，遼河流域長1345km，水資源開采利用潛力巨大[9-10]。

3 建立模糊綜合評價模型

3.1 構建評價指標體系和等級標準

生態系統提供給社會的質量及發展規模、有利于經濟發展功能以及自然屬性等是決定流域系統健康的關鍵性因素。文章結合遼河流域生態系統實際狀況并依據評價指標客觀性、可靠性和可獲取性原則，在充分考慮了流域內水資源特點的基礎上構建了評價指標體系，見表1。

依據流域生態健康評價等級標準相關資料和研究成果，并結合遼河流域實際狀況可將其健康狀況劃分為5個標準等級即瀕于崩潰、病態、亞健康、基本健康以及健康標準，與其相對應的綜合評價指標取值范圍為0.8～1.0、0.6～0.8、0.4～0.6、0.2～0.4、0.0～0.2。各評價指標取值及健康狀況等級標準見表2。

表2 遼河流域生態健康評價指標及標準等級

3.2 建立模糊關系矩陣

建立評價指標體系后可對評價對象的各個影響因素u進行量化的計算分析，從而可建立模糊關系矩陣R，表達式如下：

(1)

式中，rij—在h評價等級模糊子集下待評價對象對應于u評價指標的隸屬度。

研究在考慮了專家意見以及相關文獻資料的基礎上確定了各評價指標的隸屬函數求解公式。

對于評價指標值越大則流域生態健康程度越好的評價指標，即越大越優型指標計算公式如下：

(2)

對于評價指標值越小則流域生態監測程度越低的評價指標，即越小越優型指標計算公式如下：

(3)

對遼河流域生態監測程度隸屬度利用上述計算公式進行求解，可得到評價矩陣R：

(4)

4 指標權重向量的確定

4.1 建立判斷矩陣

根據表1指標體系的不同層次和準則，依據專家意見和相關資料，利用1～9比較尺度和成對對比法可建立評價指標判斷矩陣并包含體系的各個層次。研究建立了目標層與準則層之間的判斷矩陣，見表3。

表3 準則層對目標層判斷矩陣

4.2 權重向量及一致性檢驗

采用根值法或求和法對體系中上層元素的權重向量進行求解，即對該層次指標針對上層次指標的相對重要性權重進行計算求解[11]。文章對各評價指標的權重向量利用根值法進行求解，其基本過程為：對判別矩陣各列數值即評價指標初始值進行歸一化標準處理，并對處理后的各列進行求和與開次方計算，然后對方根向量進行標準化處理并求得各評價指標的權重向量，計算結果見表4。

表4 評價指標的隨機性數值

所以研究所建立的判斷矩陣總共包含三個層次，第一、二、三層次分別代表目標層、準則層和方案層即指標層。其中準則層對目標、方案層對準則層的權重向量可分別表示為：

表5 評價指標體系不同層次組合權重向量計算結果

4.3 組合權重向量及綜合評判

利用歸一化處理的權重向量w3以及矩陣R計算結果可利用的B=w3gR對評價結果進行模糊轉化進而可求得遼河流域生態健康程度評價結果，見表6。遼河流域生態系統健康依據最大隸屬度原則處于亞健康水平。

表6 遼河流域生態健康評價結果

5 結論及建議

結合遼河流域生態系統健康狀況評價結果可知，該流域生態系統環境比較脆弱并處于亞健康狀態，主要因素有：流域內蒸散發量大且降水量較低并造成水資源儲蓄量相對匱乏；水資源的開采利用不均衡，局部地區出現超采現象并造成流域生態濕地減少、草場及生物多樣性減少，土地沙漠化嚴重，水源涵養功能減低；流域內農業用水不合理且用水效率低，農藥化肥等造成水環境污染現象嚴重。結合以上因素，研究給出了有利于水資源開采利用的相關建議。

(1)加快農田水利節水工程建設，加強水資源開采利用管理并提高用水效率。

(2)優化土地利用規模和產業機構，降低社會及經濟發展對生態環境的壓力。優化產業結構并制定合理的牧、林、農業的產業比例，鼓勵農民從事牧業、林業生產并降低高耗水農作物的種植面積。

(3)大力發展高效節水灌溉水利工程，結合區域特征和農作物類型制定特定的節水灌溉技術。

(4)建立水資源用水管理體制機制，嚴格控制廢污水的處理排放，避免因水體污染造成的水資源供應緊缺的問題。

(5)加強濕地修復與水源涵養功能保護；對保護區進行及時有效的保護，禁止對河流、湖泊以及森林濕地等的占用、開墾等現象。