基于模糊綜合評價(jià)與灰色關(guān)聯(lián)分析的河流自然性評價(jià)

燕 琳，馬 嵐，潘成忠，張 棟，孫占薇，張金閣，劉京晶，黎俊佑

（1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083；2.北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院，北京 100875；3.黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，陜西 西安 710021）

河流在水循環(huán)、能量循環(huán)、物質(zhì)交換、氣候調(diào)控和生態(tài)發(fā)展等方面都發(fā)揮著極其重要的作用[1-2]。河流的自然性是指與相同類型的未受干擾的河流的相似程度[3]，尤其是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和生態(tài)功能等；即整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)是完整的、穩(wěn)定的、可持續(xù)的，對外界不利因素具有抵抗力[4]。河流的自然性評價(jià)，就是對由自然因素和人為活動引起的河溪生態(tài)系統(tǒng)的破壞和退化程度進(jìn)行診斷[5]，對河流現(xiàn)狀進(jìn)行評價(jià)，為管理者、決策者提供目標(biāo)依據(jù)，使之更好地利用和管理河流[6]，且對于河流生態(tài)系統(tǒng)的自然恢復(fù)和保護(hù)有著重要的指導(dǎo)作用[7]。目前，國內(nèi)外的河流的自然性評價(jià)方法主要有生物監(jiān)測法和綜合指標(biāo)評價(jià)法2種[8]。前者由于指標(biāo)單一、缺乏系統(tǒng)性，得出的評價(jià)結(jié)果科學(xué)性較差[9]；后者評價(jià)指標(biāo)綜合，具有較好的解釋性和說明性，使得評價(jià)結(jié)果更科學(xué)[10]。模糊綜合評價(jià)法和灰色關(guān)聯(lián)分析法都屬于綜合指標(biāo)評價(jià)法。其中，模糊綜合評價(jià)法以其模型簡單，適用性強(qiáng)，對復(fù)雜問題的評價(jià)效果好等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用，但模糊綜合評價(jià)在計(jì)算過程中存在一定的經(jīng)驗(yàn)性、模糊性和不確定性，導(dǎo)致評價(jià)結(jié)果與客觀實(shí)際產(chǎn)生偏差[6]；灰色關(guān)聯(lián)分析法是一種定量化比較分析的方法，根據(jù)數(shù)列的可比性和相似性，分析系統(tǒng)內(nèi)部因素間的相關(guān)程度[7]，計(jì)算思路明晰，對數(shù)據(jù)要求較低且工作量較少，但需要對各項(xiàng)指標(biāo)最優(yōu)值進(jìn)行現(xiàn)行確認(rèn)，主觀性強(qiáng)，同時(shí)部分指標(biāo)最優(yōu)值難以確認(rèn)。本研究以永定河北京山峽段為研究對象，從生態(tài)、地貌和水文3方面入手，定性定量分析了河流的結(jié)構(gòu)與功能，構(gòu)建河流自然性評價(jià)指標(biāo)體系，利用層次分析法與熵權(quán)法對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行主客觀組合賦權(quán)計(jì)算權(quán)重，再對各樣本分別進(jìn)行模糊綜合評價(jià)與灰色關(guān)聯(lián)分析，利用模糊綜合評價(jià)法可以得出不同河段不同地貌、生態(tài)、水文類別之間的關(guān)系信息[11-12]，利用運(yùn)用基于點(diǎn)到區(qū)間距離的灰色關(guān)聯(lián)分析[13-14]，提高評價(jià)結(jié)果的客觀性，二者結(jié)合，相互驗(yàn)證，對永定河作更全面、合理的評價(jià)。最終，評價(jià)結(jié)果一方面可反映永定河水生態(tài)水環(huán)境狀況；另一方面為其他河流的自然性評價(jià)方法選擇，提供科學(xué)合理的參考。

1 研究區(qū)概況

永定河起源于山西省寧武縣管涔山，自官廳水庫下游流入北京市境內(nèi)，流經(jīng)門頭溝、石景山、豐臺、房山和大興共5個(gè)區(qū)，市境內(nèi)主河道長約189 km，流域面積約3 200 km2。該流域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季涼爽濕潤，冬季寒冷干燥，且地勢西北高東南低，降水量整體呈現(xiàn)東南向西北遞減分布趨勢，降水多集中在6-8月，多年平均降水量590 mm。調(diào)查河段為北京山峽段中的門頭溝青白口村至三家店水庫河段，全長約53 km。

2 研究方法

2.1 評價(jià)指標(biāo)的獲取與體系的構(gòu)建

在2018年7月進(jìn)行野外調(diào)查，按照“每500 m布設(shè)1個(gè)調(diào)查點(diǎn)，如遇到生態(tài)條件突變地區(qū)，則加測1點(diǎn)”的原則[12]，從上游至下游共布設(shè)調(diào)查點(diǎn)105個(gè)。采用分河段評價(jià)的方法，以每5個(gè)點(diǎn)為基準(zhǔn)并結(jié)合特殊情況，將河流的地貌、生態(tài)、水文特征，將相鄰、特征相似的調(diào)查點(diǎn)組成1個(gè)調(diào)查河段，研究區(qū)劃分成21個(gè)河段，使得評價(jià)結(jié)果更加精準(zhǔn)。具體評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)[15]。

河流生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)多方位、多層次、多功能的自然生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)[16-17]，河流自然性評價(jià)系統(tǒng)要求每項(xiàng)指標(biāo)都能從不同的方面反映河流生態(tài)系統(tǒng)的自然性程度。在科學(xué)性、目標(biāo)性、系統(tǒng)性、獨(dú)立性、操作性等指標(biāo)選取原則的基礎(chǔ)上[15,18-19]，從水文要素、河流形態(tài)、水體理化性質(zhì)、河岸帶特征和社會生態(tài)價(jià)值方面篩選25個(gè)定性、定量指標(biāo)，構(gòu)建3個(gè)層次結(jié)構(gòu)的綜合評價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

表1 永定河自然性評價(jià)指標(biāo)體系與指標(biāo)權(quán)重Table 1 Index system and index weight of naturalness evaluation of Yongding River

2.2 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

指標(biāo)權(quán)重的確定關(guān)系到評價(jià)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性。層次分析法(AHP)主要考慮專家的意見，具有一定的主觀隨意性。熵權(quán)法從客觀數(shù)據(jù)出發(fā)，不考慮指標(biāo)本身的差異，可能導(dǎo)致得到的權(quán)重不符合實(shí)際指標(biāo)的重要程度[20]。AHP與熵權(quán)法相結(jié)合得到的組合賦權(quán)法不僅能夠根據(jù)專家的知識和經(jīng)驗(yàn)對評價(jià)指標(biāo)打分，又能夠充分挖掘原始數(shù)據(jù)本身蘊(yùn)含的信息，具有較高的合理性[21-22]。

2.2.1 層次分析法 本研究采用統(tǒng)一的河流自然性評價(jià)各級指標(biāo)對比打分表[15]，邀請從事河流生態(tài)保護(hù)研究、流域水沙過程研究等相關(guān)工作8 a以上的資深專家對河流自然性評價(jià)指標(biāo)的相對重要程度進(jìn)行對比打分。共發(fā)出打分表10份，收回8份；回收的有效反饋信息采用德爾菲法進(jìn)行有效權(quán)衡[23]，給出判斷數(shù)值，構(gòu)造河流自然性評價(jià)體系各層的判斷矩陣。① 確定判斷矩陣。設(shè)因素i與因素j進(jìn)行比較判斷，則因素i與因素j的重要性之比為aij，建立各準(zhǔn)則下的判斷矩陣A＝(aij)max(i＝1，2，3，···，n；j＝1，2，3，···，n)；其中aij的限制條件：aij＞0，aij＝1/aji，aii＝1；重要程度標(biāo)度值及含義參照文獻(xiàn)[7]。② 權(quán)重計(jì)算：Ag=λmaxg。其中：Ag為權(quán)重；g為主重向量；λmax為最大特征值。③ 一致性檢驗(yàn)：IC＝(λmax-n)/(n-1)。其中：n為判斷矩陣的階數(shù)；IC為一致性指標(biāo)。為了嚴(yán)格定義一致性的評判標(biāo)準(zhǔn)，引入一致性比率RC與平均隨機(jī)一致性指標(biāo)IR，IR的賦值參照文獻(xiàn)[16]。當(dāng)RC＝IC/IR＜0.1時(shí)，認(rèn)為構(gòu)造的判斷矩陣具有滿意的一致性[24]，否則認(rèn)為排序結(jié)果不合理，需要對aij重新調(diào)整。

2.3 自然性評價(jià)方法

2.3.1 模糊綜合評價(jià) 模糊綜合評價(jià)是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，對受多種因素制約的不確定性問題進(jìn)行定量化描述的一種方法，用不同的隸屬函數(shù)值使模糊評判因子明晰化，不同質(zhì)的數(shù)據(jù)歸一化[25]，從而把定性與定量分析相結(jié)合。利用該方法進(jìn)行河流自然性評價(jià)，關(guān)鍵在于建立準(zhǔn)確的隸屬函數(shù)，從而計(jì)算評價(jià)指標(biāo)對各評價(jià)等級的隸屬度。① 建立評價(jià)因子集U：U＝{u1，u2，···，um}，其中：ui(i＝1，2，···，n)為評價(jià)因素，n表示同一層次上單因素個(gè)數(shù)。② 建立權(quán)重集w：w＝{w1，w2，···，wn}，其中：ci(i＝1，2，···，n)為評價(jià)因素ui在評價(jià)因子集U的權(quán)重，。③ 建立評價(jià)集V：V＝{v1，v2，···，vm}，其中：vj(j=1，2，···，q)為評價(jià)的等級，q表示評價(jià)等級數(shù)。④ 建立模糊關(guān)系矩陣在U與V之間進(jìn)行單因素評價(jià)，建立模糊關(guān)系矩陣，逐個(gè)對評價(jià)因子ui進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而得到模糊關(guān)系矩陣R[26]。

其中：rij是評價(jià)因子集U中的第i個(gè)因素ui對應(yīng)的評價(jià)集V中第j個(gè)等級vj的隸屬度，0≤rij≤1。隸屬度rij的表達(dá)公式如下。

其中：Xmin是第i個(gè)指標(biāo)的最小值；Xmax是第i個(gè)指標(biāo)的最大值。⑤ 計(jì)算模糊評價(jià)結(jié)果將權(quán)向量c與模糊關(guān)系矩陣R合成運(yùn)算得到模糊評價(jià)結(jié)果B[23]，即：B＝wR。

2.3.2 灰色關(guān)聯(lián)分析 灰色關(guān)聯(lián)分析法通過計(jì)算評價(jià)因子的實(shí)測值與各級評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)度來確定河段近自然等級[27]。該方法應(yīng)用點(diǎn)到區(qū)間距離法計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)，避免了傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)計(jì)算方法的不足[13]，同時(shí)又能反映處于不同等級的河段間的評價(jià)指標(biāo)的顯著差異和同一等級的河段內(nèi)的評價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣，評價(jià)結(jié)果較為直觀、合理和可行。計(jì)算步驟如下：① 確定比較數(shù)列和參考數(shù)列。設(shè)以評價(jià)指標(biāo)的實(shí)測值為參考數(shù)列 {X′i(k)，(i=1，2，3，···，m；k=1，2，3，···，n)}，其中i為調(diào)查點(diǎn)編號，k為評價(jià)指標(biāo)。設(shè)以河流自然性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為比較數(shù)列。

其中：h為某一評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的編號，則分別表示評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的上下限。② 計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)[7]。

其中：Di,oh為點(diǎn)到區(qū)間的距離。

其中：ε為關(guān)聯(lián)系數(shù)；Dmin為點(diǎn)到區(qū)間距離的最小值，Dmax為點(diǎn)到區(qū)間距離的最大值，ρ為分辨系數(shù)，介于0與1之間，一般取0.5。③ 計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度：采用加權(quán)處理，即

其中：k＝1，2，3，···，n；ri為灰色關(guān)聯(lián)度，wk為第k項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

3 結(jié)果與分析

3.1 評價(jià)結(jié)果

根據(jù)模糊綜合評價(jià)和灰色關(guān)聯(lián)分析，各河段不同自然性等級的模糊評價(jià)結(jié)果最大值對應(yīng)的級別與關(guān)聯(lián)度最大值對應(yīng)的級別即為該河段所處的自然性等級狀態(tài)。由表2可知：永定河北京山峽段總體上處于“退化狀態(tài)”，但各個(gè)河段的自然性狀況卻不盡相同。模糊綜合評價(jià)法中，第11、12、13河段為“自然狀態(tài)”，第3、4、6、8、19、20河段為“近自然狀態(tài)”，第2、5、7、9、14、15、16、17、18、21河段為“退化狀態(tài)”，第1、10河段為“人工狀態(tài)”；灰色關(guān)聯(lián)分析法中，第11、12、13河段為“自然狀態(tài)”，第4、6、8、17、19、20河段為“近自然狀態(tài)”，第2、3、5、7、9、14、15、16、18、21河段為“退化狀態(tài)”，第1、10河段為“人工狀態(tài)”。

評價(jià)結(jié)果顯示：研究河段處于自然狀態(tài)的河段長7.5 km，約占全長的14.29%；處于近自然狀態(tài)的河段長15.0 km，約占全長的28.57%；處于退化狀態(tài)的河段長25.0 km，約占全長的47.62%；處于人工狀態(tài)的河段長5.0 km，約占全長的9.52%。

表2 模糊綜合評價(jià)法與灰色關(guān)聯(lián)分析法對永定河各調(diào)查河段不同自然性等級的評價(jià)結(jié)果Table 2 Evaluation of different naturalness classes for different reaches of Yongding River by fuzzy comprehensive evaluation and grey correlation analysis

3.2 不同河段的自然性等級分析

結(jié)合河流實(shí)地調(diào)查來看，第11、12、13河段處于自然狀態(tài)，第4、6、8、19、20河段為近自然狀態(tài)。處于自然與近自然狀態(tài)的調(diào)查河段遠(yuǎn)離村莊，人為干擾少，靠近山體水環(huán)境良好，河流水體清澈且濁度為0.99～2.20，緩沖帶植被多樣性大于1.00，高于平均值(表3)。河道基本維持自然形態(tài)且具有充足的水量，水生物種生長狀況較好，兩岸喬灌草植被層次結(jié)構(gòu)分明，植被覆蓋度較高。針對自然狀態(tài)與近自然狀態(tài)的河段，應(yīng)加大河流的管理力度，維護(hù)河流現(xiàn)狀，防止河流自然性退化。

表3 永定河北京山峽段主要定量指標(biāo)數(shù)據(jù)Table 3 Data of main quantitative indexes in Beijing Gorge Section of Yongding River

第3河段與第17河段處于近自然狀態(tài)與退化狀態(tài)的過渡帶。第3河段受灌溉引水、雍水壩、發(fā)電廠、攔水壩等工程的干擾較大，河流渠道化工程使得河流平面形態(tài)為直線，斷面形態(tài)為梯形，岸坡坡度44.20°，兩岸土地多被道路和建筑利用；水域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能受到影響，河流兩岸生物的多樣性降低，魚類、底棲類生物的生存環(huán)境受到威脅。根據(jù)河溪近自然評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本河段定量評價(jià)指標(biāo)中41.67%處于近自然狀態(tài)，58.33%處于退化狀態(tài)。第17河段靠近村莊，受當(dāng)?shù)剞r(nóng)家樂旅游發(fā)展影響，沿河景觀較多，景觀多樣性指數(shù)81.18%，水的濁度為2.48，大于平均值。該河段定量評價(jià)指標(biāo)中66.67%處于近自然狀態(tài)，33.33%處于退化狀態(tài)。根據(jù)評價(jià)結(jié)果，結(jié)合實(shí)地調(diào)查情況與河流自然性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，最終確定第3河段與第17河段處于退化狀態(tài)。應(yīng)盡量改雍水壩和攔水壩為生態(tài)措施，增加魚類回游產(chǎn)卵通道，保護(hù)水生動物多樣性和改善底棲生物生境條件，加強(qiáng)對農(nóng)家樂旅游的政府監(jiān)管，加大綠色可持續(xù)發(fā)展理念的宣傳。

第2、5、7、9、14、15、16、18、21河段為退化狀態(tài)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)：這些河段建有大量度假村和農(nóng)家樂，景觀多樣性指數(shù)和觀賞游憩價(jià)值較高，但對生態(tài)系統(tǒng)干擾較大，負(fù)面影響較大。如第5河段的妙峰山旅游景區(qū)、第16河段的京西十八潭景區(qū)和第21河段的青白口旅游度假村，景觀多樣性指數(shù)分別為81.34%、89.62%和81.98%；因魚塘、燒烤店和農(nóng)家樂等產(chǎn)生的生活垃圾亂堆亂放現(xiàn)象嚴(yán)重，環(huán)境污染較大，河流水質(zhì)惡化，河流底棲生物生境遭到破壞。第2河段沿途農(nóng)家樂餐廳、便利店、漁具店等產(chǎn)生的大量生活垃圾，使得河流兩岸緩沖帶植被多樣性指數(shù)(0.86)低于調(diào)查河段的平均值，河水濁度與氨氮質(zhì)量濃度較大。針對具有景觀功能的河段對河流造成的破壞，應(yīng)加強(qiáng)垃圾處理，規(guī)范民俗旅游管理，督促經(jīng)營過程中產(chǎn)生的污染物達(dá)標(biāo)排放；重點(diǎn)監(jiān)管河流周邊化肥使用量，以減少水體污染。

第1、10河段處于人工狀態(tài)?；疑P(guān)聯(lián)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：第1河段關(guān)聯(lián)度是0.789，大于其他3個(gè)狀態(tài)，相關(guān)程度最密切。該河段緊鄰三家店水庫，防洪功能突出但生態(tài)功能弱化；河道兩岸均為漿砌石護(hù)岸，河濱濕地和緩沖帶消失，河流兩岸的植被遭到大量破壞。第10河段自然性等級最大值為0.759，屬于人工狀態(tài)。該河段周圍村莊眾多，土地利用類型多為居住和建設(shè)用地；河流岸坡結(jié)構(gòu)多為干砌石結(jié)構(gòu)，彎曲度接近于1；水利工程較多，河岸緩沖帶受到擠占幾乎消失，多用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不利于行洪。針對防洪功能的漿砌石干砌石河岸，改善河段的自然性等級難度較大；應(yīng)在該處河段上、下游做好防洪安全，保護(hù)河堤, 并且在有條件的河岸創(chuàng)造多樣化生境，以提高生物多樣性。

4 結(jié)論與討論

河流自然性評價(jià)系統(tǒng)是一個(gè)典型的、具有模糊性的灰色系統(tǒng)。模糊綜合評價(jià)和灰色關(guān)聯(lián)分析法的結(jié)果基本相同，且與河流的實(shí)際情況相符合，因此利用這2種方法對永定河北京山峽段河流自然性評價(jià)是可行的。2種方法對第3與第17河段評價(jià)結(jié)果不同，主要原因是模糊綜合評價(jià)中隸屬度矩陣是主觀賦值，一定條件下會引起同樣的指標(biāo)體系由于主觀意志的不同造成權(quán)重不同，最終影響評價(jià)結(jié)果。在今后的研究中，應(yīng)根據(jù)河流的實(shí)際情況和評價(jià)目的慎重確定。

本研究較全面地考慮了調(diào)查河段的特性，建立了自然性評價(jià)指標(biāo)體系，在評價(jià)其自然性的基礎(chǔ)上，調(diào)查了永定河北京山峽段河流的河床動態(tài)變化、岸坡結(jié)構(gòu)、緩沖帶植被多樣性等25個(gè)指標(biāo)，并確定了其權(quán)重系數(shù)，這樣能科學(xué)、合理地控制評價(jià)方向，反映出不同河道的保護(hù)利用方式下河流自然性受到的影響，達(dá)到調(diào)查河段的評價(jià)狀態(tài)能盡量客觀地反映實(shí)際河流狀況，但各個(gè)河段評價(jià)結(jié)果與人為對各項(xiàng)指標(biāo)賦予不同權(quán)重或其他因素(氣候、土壤等)有關(guān)，可能引起結(jié)果略有偏差，還有待進(jìn)一步深入研究。

本研究運(yùn)用的評價(jià)體系是以永定河北京山峽段為背景，在一定程度上擴(kuò)寬了河流自然性評價(jià)研究的思路和方法，但仍有不足。如沒有考慮河流評價(jià)指標(biāo)受時(shí)間動態(tài)的影響；評價(jià)指標(biāo)選取主觀性太強(qiáng)，受條件和資料的限制未考慮浮游動植物等。因此，對于不同空間尺度和地域差異的河流來說，河流自然性評價(jià)指標(biāo)、體系構(gòu)建應(yīng)根據(jù)河流的實(shí)際情況進(jìn)一步篩選、判斷。