基于模糊物元法的農村河道生態狀況評價

方國華，葉曉晶，姚懷柱，廖 濤，宋子奇

（1.河海大學水利水電學院，南京210098；2.江蘇省水利廳農村水利科技發展中心，南京210029；3.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇揚州225127）

0 引言

河道是水資源的重要載體，是生態系統的重要組成部分，與人類生產、生活息息相關。20世紀70年代起，我國開始河道治理工作，但由于過度強調防洪排澇等功能，河道過度硬化、裁彎取直，導致河道生態受到破壞。直到黨的十七大首次提出建設生態文明，我國河道治理工作重點才逐漸轉向恢復河道生態和河道系統功能，治理工作進入新階段［1］。2019年，習近平總書記首次提出了“幸福河”，對河道治理工作提出了新要求。幸福河是在維持自身健康的同時，支撐流域經濟社會高質量發展，讓流域內人民具有安全感、獲得感與滿意度的河流。農村河道主要指流經或分布在廣大農村地區，直接為農村生產、生活服務的河流、小型湖泊和溝塘，與城市河道相比，具有河道結構多樣、功能多樣與污染源復雜等特點［2］。關于農村河道生態治理的相關研究相對較少，目前，農村河道普遍存在河道侵占嚴重、河道坍塌、水體污染、淤塞嚴重、治理滯后等問題［3］，多數河流未能達到幸福河的標準。要處理好農村河道的種種問題，首先需要對農村河道生態狀況做出合理評價，為科學制定農村河道生態治理措施、建設幸福河奠定基礎。

河道生態狀況評價方法［4-6］可分為預測模型法與多指標評價法。近年來，我國學者多以多指標評價法開展相關研究。2007年，陳平等［7］從河道水利功能、河道穩定、生物、水質與水量、管理五個方面初步構建了生態河道評價指標體系。2010年，韓黎［8］從水利功能、生態需水量、水質、河道生境、水生生物和管理能力方面對旅順鳳河進行生態評價。2013年，董哲仁等［9］基于生物質量、水文、物理化學和河流地貌要素，選取10 個指標，明確各指標的賦值及分級標準，建立了河道生態狀況分級系統。2018年，張偉超［10］從水文、水質、河流地貌和水生動植物四個方面選取指標，對漢江漢中平川段河道進行生態評價。2021年，胡威等［11］利用遺傳算法優化BP 神經網絡算法，對指標賦權進行優化，構建基于GA-BP的河道生態狀況評價模型。

目前常用的評價方法有模糊綜合評價［12］、云模型法［13］、物元分析法［14］等。模糊物元分析法將模糊綜合評價法與物元分析法結合起來，分析事物的模糊性和多因素之間的不相容性，從而進行對事物的評價，得到單指標發展狀況與事物綜合評價結果，使結果更加客觀、科學［15］。農村河道生態狀況評價涉及水文、水生態、水資源、水管理等領域，影響因素繁雜，指標眾多，各指標評價結果之間不相容，各指標級別劃分也具有模糊性，因此選用模糊物元分析法具有明顯的合理性。本文將構建農村河道生態狀況評價指標體系，運用序關系分析和熵權法分別確定指標主客觀權重，通過線性組合求得組合權重，采用模糊物元分析法構建模型，對選取的江蘇省6 條農村河道生態狀況進行評價。

1 農村河道生態狀況評價指標體系及評價標準

農村河道生態狀況主要指河道及河岸帶的各種生態環境相關特征，包括功能特征、形態特征、水環境特征、生態特征、人為干擾情況等。

1.1 評價指標體系構建

幸福河可定義為河流安全、水流順暢、水資源充沛、河流生態系統健康，在維持河流生態系統結構與功能穩定的基礎上，持續滿足人類社會合理需求，人與河流和諧相處的河流［16］。幸福河的建設多從水安瀾、水資源、水環境、水生態以及水文化五個維度推進。幸福河是新時代河湖生態治理的目標與方向，進行農村河道生態狀況評價是進行農村河道生態治理、建設農村幸福河的基礎與前提。

查閱相關文獻［17，18］，考慮幸福河的定義與內涵，參考《江蘇省生態河湖狀況評價規范》（DB/Z 3674-2019），根據農村河道實際情況及特點，剔除難以獲得的指標，擬定從河道功能、河道形態、河道環境、河道生態與景觀、河道管護與綜合評判6 個方面構建評價指標體系，構建農村河道生態狀況評價指標體系。具體見表1。

表1 農村河道生態狀況評價指標體系Tab.1 Indicators of evaluation on rural river ecological conditions

考慮某些指標量化計算繁瑣、方法不一的問題，本文對該指標計算進行簡化和說明。水系結構連通性指數反映河道與其他河、湖、庫水系的連通情況，本文以河道與其他河道水體交匯流通的點的數量作為水系結構連通性指數。縱向連通性指數表示河道內人工閘站、壩梗等對河流水文物質輸送過程的干擾程度，本文以河道上已建閘站、壩埂及其他阻水建筑物數量與河道長度之比作為縱向連通性指數。

1.2 評價等級與標準確定

考慮將農村河道生態狀況分為優、良、中、差4個等級。“優”等級說明河道生態狀況很好，河道功能完備、形態蜿蜒多樣、環境適宜、生態系統完整多樣、景觀優美、管護到位、公眾滿意。“良”等級說明河道生態狀況較好，河道功能滿足沿線要求，但河道形態、河道環境、生態系統完整性、景觀綠化及長效管護方面存在少量問題，公眾基本滿意。“中”等級說明河道生態狀況一般，河道功能基本滿足沿線要求，但河道形態、河道環境、生態系統完整性、景觀綠化及長效管護方面存在一定問題，公眾滿意度不高。“差”等級說明河道狀態狀況較差，河道功能不全、形態單一平直、環境較差、生態系統不完整、管護缺失、公眾滿意度極低。通過參考《江蘇省生態河湖狀況評價規范》（DB/Z 3674-2019）、《遼寧省河湖（庫）健康評價導則》（DB21/T 2724-2017）等國內外已有的相關評價標準、查閱相關文獻［8，19］、實地調研、咨詢專家等方式，確定優、良、中、差每個等級各指標的分級標準，見表2。

表2 農村河道生態狀況評價指標分級標準Tab.2 Grading standards for evaluation indicators of rural river ecological conditions

2 農村河道生態狀況評價模型建立

2.1 序關系分析-熵權集成賦權法

權重計算是綜合評價的重要環節，對評價結果的有效性及可靠性至關重要。權重計算方法可分為主觀賦權法、客觀賦權法與組合賦權法。主觀賦權法可體現決策者的需求與工作經驗，但易受決策者認知偏差影響。客觀賦權法可避免決策者認知偏差造成的影響，但對數據精度要求高，且有時會出現計算結果與實際情況大相徑庭的現象。為避免單一賦權法的缺點，本文采用組合賦權法。序關系分析法（G1）是通過對指標進行重要性排序，從而構造具有一致性的判斷矩陣，無需檢驗一致性，較層次分析法更簡便，實用性強［20，21］。熵權法通過指標原始數據表達的信息度差異，計算指標的客觀權重，具有強大的數學理論支撐，廣泛用于管理決策、項目評價等領域［22］。因此，本文采用基于序關系分析-熵權的集成賦權法確定權重，計算步驟如下：

（1）Wj是第j個評價指標的綜合權重，與分別表示基于序關系分析法得到的主觀權重與基于熵權法得到的客觀權重，則Wj可表示為：

式中：α為主觀權重偏好占組合權重的比例。

（2）以集成權重分別與主、客觀權重之間的偏差平方和最小為目標函數，即：

（3）將式（1）帶入式（2）得：

（4）針對式（3），關于α求一階導數，并使其為零，得到α=0.5，將其帶入式（3）得：

2.2 模糊物元分析法

模糊物元分析法常用于解決模糊不相容問題，通過計算單指標關聯度，進而得到多指標的綜合評價結果。將模糊物元理論用于農村河道生態狀況評價，可以得到單指標評價與綜合評價的結果，具有明顯的合理性。

2.2.1 構建模糊物元

物元分析中所描述的對象T、指標C及指標量值X構成了農村河道生態物元R=(T，C，X)。若指標量值X具有模糊性，則為模糊物元矩陣。若有m個對象，各對象有n個指標，則m個n維物元構成了n維復合物元Rmn：

式中：Ci為第i個指標；Mj為第j個事物；xij為第j個事物的第i個指標實測值。

2.2.2 確定經典域及節域

農村河道生態評價的經典域物元矩陣可表示為：

式中：Roij為經典域物元；Toj為農村河道生態狀況的第j個評價等級；Ci為第i個指標；Xoij為i指標對應等級j的量值范圍。

經典域復合物元模型可表示為：

農村河道生態評價的節域物元矩陣為：

式中：Rp為節域物元；Xpi是節域物元關于指標Ci的量值范圍，即(api，bpi)。

2.2.3 確定關聯函數及關聯度

式中：K(Ci)j是第i項指標對應第j級的關聯度。

式中：ρij(xi，Xoij)為點xi與對應指標區間Xoij=[aoij，boij]的距離；ρpi(xi，Xoij)為點xi與對應指標節域Xpi=[api，bpi]的距離。

2.2.4 計算綜合關聯度并確定評價等級

待評價對象Tq(q= 1，2，...，m)關于等級j的綜合關聯度為

式中：wi為各評價指標權重。

取Kjq= max[Kj(Tq)]，則待評價對象Tq屬于第j等級。K值較大表明該評價對象在相應的等級中較穩定。K值較小說明該評價對象有向僅次于該等級K值的等級轉化趨勢。若K值在所有等級中均為負值，則表明評價對象等級在設定標準等級之外，并向最大K值對應等級轉化。

3 實例分析

3.1 研究區域概況及數據來源

江蘇省位于我國大陸東部沿海地區，地勢西北高東南低，地貌主要由平原、水域、低山丘陵構成，是我國平均海拔最低的省份。《江蘇省農村河道管護辦法》將農村河道定義為縣級河道和鄉鎮級河道，其中，縣級河道指縣域范圍內跨鄉鎮的骨干河道，鄉鎮級河道指鎮域范圍內的跨村河道。江蘇省農村河道以平原河道、平原河網為主，具有河床比降小、水面平緩等特點。為全面評價江蘇省農村河道生態狀況，本文從蘇南、蘇中、蘇北地區各選取兩條農村河道進行評價，分別為蘇南的長溝河、三橋埂溝，蘇中的茅雉河、高路河，蘇北的龍須港和沿六河。

本文數據主要來源于實地調研以及各市水利局的農村河道生態狀況調查資料（以2019年為基準年）。六條河流各定量指標根據公式計算，定性指標根據實地調研情況及專家意見進行量化，評價指標取值見表3。

表3 江蘇省農村河道生態狀況各評價指標值Tab.3 The evaluation index values of the ecological status of rural rivers in Jiangsu Province

3.2 計算指標權重

運用序關系法、熵權法分別計算各指標的主、客觀權重，線性組合求得組合權重，各指標權重見表4。

表4 江蘇省農村河道生態狀況評價指標權重Tab.4 Evaluation indicator weights of ecological conditions of rural rivers in Jiangsu Province

3.3 模糊物元分析

將六條河流的各個指標值代入計算公式，利用MATLAB 求出各河道生態狀況等級。以長溝河C7 指標為例，指標值為0.65，計算該指標對各等級的關聯度分別為-0.222、0.4、-0.3、-0.533，等級為良。各河流河道生態狀況評價見表5。

根據表5可知，蘇南地區長溝河、三橋埂溝河道生態狀況評價等級分別為優、良；蘇中地區茅雉河、高路河河道生態狀況評價等級為優、中；蘇北地區龍須港、沿六河河道生態狀況評價等級為優、差。評價結果與實際情況一致，表明本文構建的農村河道生態狀況評價指標體系及評價模型具有一定的可靠性。

表5 江蘇省農村河道生態狀況綜合評價等級Tab.5 Comprehensive evaluation grades of ecological status of rural rivers in Jiangsu Province

總體來看，江蘇省農村河道生態狀況良好，但仍有部分農村河道生態狀況不樂觀，需要進行生態治理。江蘇省農村河道普遍存在水質不佳的問題，六條河道水質指標值為3～6，等級較低，目前，農村河道水質污染主要來源于生活污水與畜禽養殖業污水。從區域差異性來看，蘇南地區農村河道生態狀況較蘇中、蘇北地區良好。蘇南地區經濟繁榮，地方財政充裕，因此在河道生態治理方面投入資金較多。根據各地水利局的農村河道生態狀況調查表，蘇南各地農村河道已基本實現截污納管，而蘇中、蘇北地區農村河道依舊存在較多工業企業及養殖業污水直排的現象。

從單條河流角度來看，長溝河、茅雉河及龍須港均在2019年前進行過生態治理，因此河道生態狀況較好。三橋埂溝河道功能及管護方面指標得分較高，但縱向連通性指數指標為6.52，說明河道平均每公里有超過6 個阻水建筑物，水流受干擾嚴重，對河道改善生態及發揮功能有不利影響。高路河河道環境及河道管護方面指標，等級大多為差，應及時采取截污納管、生態攔截、建立專業管護隊伍等措施，改善河道環境及管護水平。此外，高路河水體流動性指標值僅0.3，在實地調研過程中，發現高路河有5、6處小涵洞，水流不暢且淤積嚴重。沿六河屬于黑臭河，多數指標等級為差，河道環境方面，指標均為差，水體透明度僅10 cm，亟需采取污染控制及生態恢復措施；河道生態方面，水生動物多樣性指標值為0.1，可適當投放魚苗；河道管護方面，岸坡整潔情況、河面清潔情況、河道侵占整治指數均為差，當地水行政主管部門應健全河道管護體系，建立專業的管護團隊，保證有足夠的管護資金投入。

4 結語

本文通過構建農村河道生態狀況評價指標體系、建立綜合評價模型，對江蘇省農村河道生態狀況進行評價，得到以下結論。

（1）總結已有的研究成果，結合農村河道的特點，構建由河道功能、河道形態、河道環境、河道生態與景觀、河道管護和綜合評判組成的農村河道生態狀況評價指標體系，該體系共有25個二級指標。

（2）建立基于集成賦權的模糊物元評價模型，運用序關系分析法和熵權法分別確定各指標主客觀權重，采用模糊物元法對江蘇省農村河道生態狀況進行評價。結果表明，江蘇省農村河道生態狀況總體良好，但部分農村河道生態狀況較差，亟需進行河道生態治理；江蘇省農村河道生態狀況南北差異較明顯，蘇南地區明顯優于蘇中、蘇北地區。

（3）本文建立的模糊物元評價模型，應用于江蘇省農村河道生態狀況評價，其評價結果與實際情況一致，表明評價模型具有一定的合理性和普適性。且模型評價過程較為簡便，因此，該評價模型也可用于其他地區的農村河道生態狀況評價，為農村河道的生態治理提供理論依據。□