基于AHP-模糊數學模型和逐項評價法的鳳河健康評價研究

張澤洋，劉 強，王 剛，許子威

(山東農業大學，山東 泰安 271000)

河流是整個水循環的重要組成部分，發揮著不可替代的作用。首先，河流為生物的繁衍與棲息提供了必要支持，維持著生物多樣性和河流生態系統的穩定；其次，河流是人類社會生產生活的重要保障。但隨著社會經濟的不斷發展，河流生態系統功能卻在逐漸衰退[1]。河長制在全國推行后，取得了豐碩的成果，創建幸福河是河長制的奮斗目標，而保障河流健康就成了創建幸福河的重要前置條件[2]。為了更好、更全面、更高效地維護河流系統的健康與可持續發展，為今后的河流健康治理提供方向，在較為完善的評價標準基礎上，迫切需要建立科學、合理、適合本地實際情況的河流健康評價方法[3]。

目前，在進行河流健康評價時存在評價方法多樣，廣適性差，導致評價結論不一致，尤其是單一河流進行評價過程中，評價指標選取差異大，指標關聯性不明顯，致使健康評價不具有整體代表性的問題尤為突出。至今中國進行河流健康評價采用的主要方法有層次分析法[4]、神經網絡算法[5]、P-IBI評價[6]、物元分析法、模糊邏輯等方法。比如李銀久等[7]建立了基于改進層次分析法的模糊物元VIKOR模型對光洞河河流健康狀態進行綜合評估。崔東文[8]以中小河流為例，基于RBF與GNRR神經網絡算法分別構建了RBF與GRNN算法的河流健康評價模型。GUAN等[9]利用生物完整性指數對1960—2005年中國東部太湖生態系統健康狀況進行了綜合評價。方國華等[10]建立模糊物元評價模型，對江蘇省農村河道生態狀況進行綜合評價。鄧梁堃等[11]構建了基于模糊邏輯的河流健康評價模型，并以敏感因子來識別受損狀況與原因。

河流健康是一個包含多層次、多標準的復雜結構，具有典型的分布復雜、評價結果受權重影響大、評價指標關聯性不明顯、評價概況模糊等特點。逐項評價法是以《河湖健康評價指南(試行)》為基礎構建的評價方法，其中評價指標、評價標準的確定與劃分都具有一定代表性。AHP法是一種系統性的分析方法，此法中每一層的權重設置最后都會直接或間接影響到結果，而且在每個層次中的每個因素對結果的影響程度都是量化的，非常清晰明確。這種方法適用于多目標、多準則的系統評價。模糊綜合評價法是將復雜無序的問題劃分為多層次進行系統分析的方法，此法可以將復雜問題總和為幾個層次進行研究，其中多層次主要是指目標層、準則層、指標層，根據相互關系逐層分級構成樹狀結構。最終形成由高層次主導次級層次，次級層次指標反饋高層次結果的理想結構。AHP-模糊數學模型評價法將層次分析法和模糊綜合評價法有機結合,提高了研究對象評價的客觀性,更直觀地展示出復雜問題的多種表現。本文根據鳳河區域實際情況構建“盆”“水”、生物、社會服務功能4個準則層，使用逐項評價法和AHP-模糊數學模型評價法對鳳河健康狀況進行評價。

1 研究區概況

鳳河作為永定河一級支流，位于北運河與龍河之間，源于北京市南苑大紅門，流向東南經大興區，在鳳河營出北京市進入廊坊市廣陽區堤上營，過堤口、下莊頭村至乃自房東出廊坊境，進入天津市武清區流向東南，是連通京津冀的一條重要水上通道(圖1)。鳳河河道全長45.3 km，流域面積424.5 km2,廊坊開發區段鳳河全長7.5 km，流域面積為24.75 km2。由于鳳河自身水量盈枯加上永定河的泛濫沖奪，造成鳳河河道彎曲，河流地勢平緩，同時植被覆蓋率，河水中基本化學指標，魚類、水生植物群落數量變化較為頻繁。由于鳳河受城市發展的影響，河流承擔防洪、排澇、生態補(調)水、人文景觀等功能，對鳳河開展河流健康評價研究有助于協調河流水生態系統可持續健康與城市發展的關系，實現區域高質量發展與高水平保護的雙目標。

圖1 鳳河流域

本文健康評價研究選取廊坊開發區河段，所采用的水文、物理結構、水生物化學指標、社會功能調查等基礎數據均來自《廊坊經濟技術開發區鳳河健康評價報告》[12]。

2 研究方法

本文以鳳河水環境條件為基礎，以《河湖健康評價指南(試行)》[13]中河流評價指標體系為依據，充分考慮評價指標的普適性與差異性，根據鳳河實際情況構建了涵蓋“盆”“水”、生物、社會服務功能4個準則層及對應下屬12個指標層的評價體系，使用了評價指標、評價標準的確定與劃分都具有一定代表性的逐項評價法和結合了層次分析法與模糊綜合評價優勢的AHP-模糊數學模型對鳳河健康狀況進行了評價。

2.1 逐項評價法

逐項評價法是以《水利部河長辦關于印發〈河湖健康評價指南(試行)〉》為基礎，將鳳河健康評價準則定為“盆”“水”、生物、社會服務功能 4 個準則層及對應下屬12個指標層。根據評判標準對鳳河各項指標進行逐項計算與評價打分，得出各項分數與評價結果，最后根據計算分值，得出鳳河屬于一類河流(非常健康)、二類河流(健康)、三類河流(亞健康)、四類河流(不健康)、五類河流(劣態)中某一類的結論。

2.1.1構建健康評價指標

參考《水利部河長辦關于印發〈河湖健康評價指南(試行)〉》指標體系，結合鳳河實際情況，構建了“盆”“水”、生物、社會服務功能4個準則層。

在4個準則層的基礎上，又創建了對應下屬12個指標層。“盆”準則層包括河流縱向聯通指數、岸線自然狀況、河岸帶寬指數、違規開發利用水域岸線4項指標層，其中違規開發利用水域岸線指標包括入河排污口規范化建設率、入河排污口布局合理程度和河流“四亂”狀況3項；“水”準則層包括生態流量滿足程度、水質優劣程度、溶解氧濃度3項指標層，其中水質優劣程度包括底泥污染狀況、水體自凈能力2項[14]；生物準則層包括魚類保有指數、水生植物群落狀況2項指標層；社會服務功能準則層包括防洪達標率、岸線利用管理指數、公眾滿意度3項指標層。具體各項指標見表1。

表1 鳳河河流健康評價指標

2.1.2河流健康評價分類

將鳳河健康評價分為了一類河流(非常健康)、二類河流(健康)、三類河流(亞健康)、四類河流(不健康)、五類河流(劣態)5種標準。賦值范圍及情況說明見表2。

表2 鳳河健康評價分類標準說明

2.1.3河流健康評價過程

河流健康評價過程中按照4個準則層下屬的12個指標層不同計算方法與標準進行逐項計算并賦分，后根據指標層得分依次給出4個準則層得分及目標層得分。

a)“盆”準則層。“盆”準則層中河流縱向聯通指數以影響河流連通性的建筑物或設施數量作為評價標準;岸線自然狀況主要調查植被覆蓋度、河岸基質、岸坡傾角等情況;河岸帶寬指數主要考察滿足河岸帶寬要求的河岸長度;違規開發利用水域岸線程度則考察了排污口建設的數量、位置以及評價河段是否有河湖“四亂”狀況。

b)“水”準則層。“水”準則層中生態流量滿足程度分別計算 4—9 月及 10月至次年3 月最小日均流量占相應時段多年平均流量的百分比；溶解氧濃度為計算水中DO值含量；水質優劣程度則考察水中總磷 TP、總氮 TN等化學物質含量以及低泥中污染物含量。

c)生物準則層。生物準則層中魚類保有指數以河湖現有魚類水量與1980年以前魚類數量進行對比；水生植物群落狀況在評價河道每 5～10 km 選取1個評價斷面，對斷面區域水生植物種類、數量、外來物種入侵狀況進行調查。

d)社會服務功能準則層。社會服務功能準則層中防洪達標率分別考察河流堤防達標長度、河流堤防交叉建筑物達標個數占堤防總長度和堤防交叉建筑物之比；岸線利用管理指數則考察已開發利用岸線長度、岸線總長度、已利用岸線經保護完好的長度等數據；公眾滿意度評價公眾對河湖環境、水質水量、涉水景觀等的滿意程度，采用公眾調查表方法評價。

2.2 AHP-模糊數學模型

在對鳳河進行健康評價中將AHP(層次分析法)與模糊綜合評價法相結合，構建AHP-模糊數學模型。模型首先通過AHP(層次分析法)構建評價體系與判斷矩陣，計算得出指標層權重，然后運用模糊綜合評價法確定評價等級(非常健康、健康、亞健康、不健康、劣態)隸屬度后進行結果分析[16]。

2.2.1AHP確定指標權重

a)準則層與指標層判斷矩陣的建立。根據鳳河實際情況與實測數據分別建立了“盆”“水”、生物、社會服務功能 4 個準則層判斷矩陣和其下屬的12個指標層判斷矩陣(表3)。

表3 鳳河準則層和指標層權重

b)判斷矩陣計算。分別將準則層判斷矩陣和指標層判斷矩陣運用Matlab進行數據處理，得到準則層與指標層對應權重[17]。

2.2.2模糊綜合評價分析

2.2.2.1隸屬度函數建立

根據鳳河實際情況與實測數據將建立的4個準則層及其下屬的12個指標層劃分為Ⅰ級(非常健康)、Ⅱ級(健康)、Ⅲ級(亞健康)、Ⅳ級(不健康)、Ⅴ(劣汰)5個級別，分別進行指標的隸屬度計算[14](表4)。

表4 鳳河隸屬度計算各等級標準

a)偏大型分布。當評價指標數值以大為優時采用式(1):

(1)

b)偏小型分布。當評價指標數值以小為優時采用式(2)：

(2)

c)中間型分布。當評價指標為其他時采用式(3)：

(3)

式中x——指標數據；a——x所屬段的最大值；b——x所屬段的最小值；c、d——相對應的中間值。

2.2.2.2模糊合成運算

采用加權平均算子對準則層指標進行模糊合成運算，并用Matlab處理數據結果[18-19]。

W1=[0.27 0.55 0.09 0.09]

W2=[0.50 0.25 0.25]

W3=[0.50 0.50]

W4=[0.50 0.25 0.25]

W=[0.42 0.23 0.23 0.12]

評價矩陣S計算：

S1=W1×R1

(4)

S2=W2×R2

(5)

S3=W3×R3

(6)

S4=W4×R4

(7)

(8)

經過Matlab程序進行數據處理后得到：

最后，將權重向量W與模糊綜合評價矩陣R相結合，采用式(16)計算得到模糊綜合評價結果向量S，結果見表5。

表5 鳳河隸屬度評價結果

S=W×R

(9)

S=(0.4110 0.3438 0.2239 0.0213 0.0000)

3 評價結果與討論

3.1 評價結果

3.1.1“盆”準則層

在逐項評價法中“盆” 準則層得分為70.40 分，評價結果為Ⅱ類，評價等級為健康。在AHP-模糊數學模型評價中， “盆”準則層健康等級隸屬度為0.372。目前鳳河評價河段滿足河岸帶寬長度占總長比重較小，但評價河段植被覆蓋情況、排污口建設數量、等方面狀況良好。

3.1.2“水”準則層

在逐項評價法中 “盆” 準則層得分54.02分，評價結果為Ⅲ類，評價等級為亞健康。在AHP-模糊數學模型評價中， “水” 準則層亞健康等級隸屬度為0.365。目前鳳河評價河段河底淤泥污染物含量、溶解氧濃度與水化學質量方面存在不小問題。

3.1.3生物準則層

在逐項評價法中鳳河生物準則層得分87.50 分，評價結果為Ⅰ類，評價等級為非常健康。在AHP-模糊數學模型評價中，生物準則層非常健康等級隸屬度為0.875。目前鳳河評價河段魚類數量與歷年相比沒有發生變化，水生植物種類較多且數量穩定。

3.1.4社會服務功能準則層

在逐項評價法中鳳河社會服務功能準則層得分為86.02 分，評價結果為Ⅰ類，評價等級為非常健康。在AHP-模糊數學模型評價中，社會服務功能準則層非常健康等級隸屬度為0.875。目前鳳河評價河段防洪排澇能力達標，岸線利用管理較為合理，且公眾滿意度較高(圖2—4，表6)。

圖2 逐項評價法準則層賦分

圖3 逐項評價法指標層賦分

圖4 鳳河健康評價隸屬度分布

表6 逐項評價法得分

3.2 評價結果討論

3.2.1結果對比及保護對策

逐項評價法鳳河指標層中，河岸帶寬度指數分值僅5.16分，底泥污染狀況分值為0分，溶解氧濃度分值為56.83分，水體自凈能力分值 63.34分，這些指標都不同程度地影響了鳳河的健康。而在AHP-模糊數學模型評價中，河岸帶寬指數指標隸屬于“不健康”這一評價等級的測度為0.4；水質優劣程度指標標隸屬于“亞健康”這一評價等級的測度為0.89；溶解氧濃度指標標隸屬于“亞健康”這一評價等級的測度為0.57。證明鳳河在河岸帶寬、底泥污染物、水質方面都需要進一步治理改善。與同為永定河支流的龍河健康狀況相比[15]，兩河在水生物指標方面得分均較高，而兩河在水化學指標方面又同時存在不同程度的問題。由于鳳河上游徑流多來自北京排水，水質相對較差。因此結合鳳河現狀現，以及面對的水生態環境問題，在對鳳河進行治理時提出以下幾點保護對策。

a)提升補水能力，改善水資源條件。鳳河為排瀝河道，主要承接上游污瀝水，鳳河基本常年有流量，但水位較低，可以通過水系連通工程，提升鳳河補水能力，提高鳳河水位，改善鳳河水資源條件。

b)改善水生態環境。根據現狀調查及指標評價結果顯示，鳳河指標層中的底泥污染狀況、水體自凈能力、水生植物群落狀況等分值較低，綜合分析顯示，鳳河河道內存在生物多樣性受到一定程度破壞、水生及陸生植物較難生存、水生動物資源量減少等現象。可以規劃河道綠廊、生態護岸、濕地、增殖放流、生物棲息地營造等工程措施進而修復水生態環境。

c)鳳河河道清淤與疏浚。根據現狀調查及指標評價結果顯示，鳳河指標層中的底泥污染狀況為 0 分，底泥污染較嚴重，建議增加底泥監測斷面，有針對性對鳳河河道清淤，減少底泥污染狀況。

3.2.2適用范圍和推廣應用前景

受城市發展影響的河流可采用本文中提出的逐項評價和AHP-模糊數學模型相結合的評價方法對其健康狀況進行評價。該方法可以有效提高評價結果的客觀性,更直觀地展示出城市發展對河流健康產生的影響，為此類河流開展健康評價工作，提供更加適用的方法。

4 結論

逐項評價法研究表明，鳳河健康綜合賦分為73.59 分，得出鳳河為二類河流，健康狀態為健康。AHP-模糊數學模型評價研究表明鳳河隸屬于“非常健康”這一評價等級的測度為0.411 0，隸屬于“健康”這一評價等級的測度為0.343 8，隸屬于“亞健康”這一評價等級的測度為0.223 9，隸屬于“不健康”這一評價等級的測度為0.021 3，隸屬于“劣態”這一評價等級的測度為0。鳳河作為永定河的重要支流，對廊坊等城市的發展做出了巨大的貢獻，因此對鳳河進行健康規劃與治理時要做好排水補水、生態修復、清淤疏浚等方面的工作，不斷改善水資源條件和水生態環境，打造可持續、健康發展的水系統。