基于云模型的平原河流生态系统健康评价_方国华.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：江苏省水利科技项目（）作者简介：方国华（），女，安徽定远人，教授，博士，博士生导师，主要从事水资源规划及利用、河流健康评价等方面的研究。：，（）：基于云模型的平原河流生态系统健康评价方国华，张文慧，郭 枫，唐雅君（河海大学 水利水电学院，南京）摘 要：河流生态系统健康评价是河流生态系统治理的基础。为评估平原河网地区河流生态系统健康状况，结合平原河网地区河流的特性，从河流水文、河流形态、河岸带、水体理化、河流生物和社会服务功能 个方面，构建平原河流生态系统健康评价指标体系；确立健康、亚健康、不健康、病态、重度病态 个评价等级；采用改进的序关系分析法确定各指标权重，建立基于云模型的平原河网地区河流生态系统健康评价模型。以典型平原河网地区河流 水阳江（高淳段）为研究对象，评价其河流生态系统健康状况。将改进的序关系法云模型结果与模糊层次分析法评价模型结果进行对比。结果表明：改进后的方法可降低评价过程中的主观性，充分体现模糊性和随机性，评价结果合理，符合实际。关键词：河流生态系统，健康评价；评价指标体系；平原河网地区；改进的序关系分析法；云模型中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，；：，（），：；研究背景河流是地球上淡水资源的重要载体，与人类的生存与发展具有密切的联系。当前我国正处在城镇化高速发展的阶段，承载国家战略的国家级三大城市群 长三角城市群、京津冀城市群和珠三角城市群均位于平原河网地区。然而，在高速发展过程中，人们对河流进行大量的开发与利用，导致平原河网地区河流生态系统受到严重影响。科学评价 第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 平原河网地区河流生态系统健康状况对于河流生态系统的保护与管理具有重要意义。目前河流生态系统健康评价方法可分为模型预测法和多指标评价法。后者根据河流生态系统特征及其功能建立指标体系进行评价，能够较好反映河流生态系统健康状况，在国内得到广泛应用。陈淼等基于水文情势、河流形态和河岸带生态环境 个方面构建评价指标体系，对三峡库区 条重要支流进行河流生态系统健康评价；付瑶等从水质、河流形态、河岸带、河流生物、水体社会功能 个方面构建评价指标体系对济南南部山区河流生态系统进行评价；陈炯等从水文、水质、地貌形态、水生生物、社会服务功能 个方面构建评价体系对深圳市茅洲河河流生态系统进行评价。总的来看，我国占地面积广，自然地理条件差异大，目前还没有统一的河流生态系统健康评价指标。平原河网地区河流水动力较弱，流量较小，水文情况复杂，且地区河流承担供水、航运等任务，与人类社会交互频繁。其生态系统健康极具社会属性，评价指标体系不仅需要反映生态系统的结构和功能，也要体现河流对人类的价值，评价对象涉及要素过多，各指标间关系复杂，权重难以确定。如何合理准确评估平原河网地区河流生态系统健康状况，目前还存在诸多困难。序关系分析法作为一种解决多因素、复杂评价问题的赋权方法，可用于河流生态系统健康评价。该方法原理简单、可操作性强，作为层次分析法的改进，无需构造判断矩阵，避免了一致性检验不通过的问题。但在进行指标间相对重要程度之比赋值时往往根据主观判断，难以反映指标间的差异性。为此，引入变异系数，用客观的数据特征对传统序关系分析法进行改进，既能体现决策者经验与偏好，又能体现数据的客观规律。此外，平原河流生态系统健康具有一定的模糊性，传统评价方法如层次分析法、物元分析法、模糊综合评价法等，难以兼顾评价过程中随机性与模糊性。云模型通过期望、熵和超熵将模糊性与随机性集成起来，是一种有效的评价方法，近年来在河流生态系统评价中得到应用。本文针对平原河网水系特点，考虑河流的自然生态功能与社会服务功能，从河流水文、河流形态、河岸带、水体理化、河流生物和河流社会服务功能 个方面，构建平原河流生态系统健康评价指标体系。采用改进的序关系分析法确定各指标的权重，并基于云模型建立平原河网地区河流生态系统健康评价模型。最后以水阳江（高淳段）为研究对象，对其生态系统健康状况进行评价。可为水阳江（高淳段）河流生态系统改善提供依据，同时也可为其他平原河网地区河流的生态系统健康评价提供经验与参考。平原河网地区河流生态系统健康评价指标体系 河流生态系统健康评价是对河流自然生态与社会服务功能以及它们之间协调性的评价，其评价目标在于建立一套综合评价系统，科学、全面地表征河流生态系统在人类与自然共同作用下的健康状况，识别河流生态系统受损的成因，指导河流生态管理与保护工作。评价指标体系的构建为建立能很好地描述平原河流自身结构和生态功能的平原河网地区河流生态系统健康评价指标体系，指标的选取应遵循系统性、典型性、动态性、层次性和代表性原则。根据董哲仁等对河流生态系统健康的描述，针对平原河网地区河流的特点，遵循指标体系构建原则，综合国内外的研究成果，将评价指标体系划分为目标层、准则层和指标层。目标层指平原河网地区河流生态系统健康评价；准则层分为 类：河流水文、河流形态、河岸带、水体理化、河流生物、社会服务功能。按照准则层分类，确定平原河流生态系统健康评价体系的指标层。指标初选初选的评价指标应反映平原河网地区河流生态系统的各种属性且具有普适性。根据各指标表征的意义初选指标，初选结果如下：（）河流水文可反映河流受气候以及人工干扰的程度。平原河网地区河网密布，水动力条件弱，本文选取生态需水保证率和水资源开发利用率表征平原河流水文状况。（）河流形态是构成平原河流生态系统的物理条件。平原河网地区河流多设闸、泵或筑河堤防洪，人工干预强。本文选用河流纵向连通性、河流弯曲度、河床稳定性、河床底质和河道改变程度表征平原河流形态特征。（）河岸带是水陆交错带，其生态状况对平原河流生态系统有着重要影响。近年来，平原地区河流两岸生态建设成果显著，但随生产生活建设进程的加快，挤占河岸带现象依然存在。本文选取河岸带宽度、河岸带植被覆盖率和河岸稳定性表征平原河流河岸带状况。长江科学院院报 年（）河流水体理化性质即水质直接影响河流生态环境的状况。平原河网地区河流流速平缓，水污染以富营养化为主。本文选取溶解氧、氨氮、总磷、总氮、化学需氧量和五日生化需氧量反映水体污染程度及变化情况。（）河流生物是河流生态系统的重要组成部分。本文选取底栖动物多样性指数和浮游植物多样性指数表征平原河流生物状况。（）社会服务功能。关注平原河流生态系统自然属性的同时，应兼顾河流的社会服务功能。本文选取防洪达标率、公众满意度和河岸带植被观赏性表征平原河流社会服务功能状况。指标优选利用主成分分析法对初选指标进行优选。筛选出具有代表性的指标，剔除信息冗余的、对评价结果影响较小的指标。表 平原河网地区河流生态系统健康评价指标体系 目标层准则层指标层说明平原河网地区河流生态系统健康评价指标体系（）河流水文指标（）河流形态指标（）河岸带结构指标（）水体理化指标（）河流生物指标（）社会服务指标（）生态需水保证率（）实际流量达到生态需水阈值的天数所占总天数的比例水资源开发利用率（）各类生产与生活用水总量占水资源量的比例河流纵向连通性（）使用 河流出现的断点或节点数量表示河流弯曲度（）使用河流长度与直线长度的比值表示河床稳定性（）按照河床侵蚀、淤积或退化程度定性评价河道改变程度（）按照河道渠化、拓宽、挖深等程度定性评价河岸稳定性（）按照河岸侵蚀的程度及其存在风险定性评价河岸带植被覆盖率（）河岸带植被总面积占河岸带总面积的比例河岸带宽度（）使用河岸带宽度与河流宽度的比值表示溶解氧含量（）衡量水体自净能力，单位 氨氮含量（）衡量水体污染程度，单位 总磷含量（）衡量水体被污染和自净状况，单位 总氮含量（）衡量水体被污染和自净状况，单位 化学需氧量（）衡量水体污染程度，单位 五日生化需氧量（）衡量水体污染程度，单位 底栖动物多样性指数（）采用 多样性指数计算浮游植物多样性指数（）采用 多样性指数计算鱼类保有指数（）现有的鱼类种类数量占 世纪 年代以前种类数量的比例水生植物群落状况（）按水生植物种类、数量、外来物种入侵情况定性评价防洪达标率（）达到防洪标准的堤防长度占堤防总长度的比例公众满意度（）适宜范围内公众对河流管理、景观等方面的满意程度河岸带植被观赏性（）按照景观效果定性评价 主成分分析法是一种降维的统计方法，借助正交变换，将具有一定相关性的变量转化成一组不相关的新变量，以较少变量反映原本变量的信息，被广泛用于数理统计、区域综合评价等领域。主要步骤如下：计算 相关系数，其中对于定性指标，利用 统计量求指标相关系数；建立相关系数矩阵，并求 的特征值，；计算累计贡献率，累计贡献率的作为主成分；计算主成分荷载矩阵，该矩阵的各分量反映原始指标与主成分的相关系数，选择保留相关系数较大的指标。最终确定的平原河网地区河流生态系统健康评价指标体系如表 所示。评价标准与等级划分根据河流健康评估指标、标准与方法（试点工作用）与全国重要河湖健康评估（试点）工作大纲等，结合平原河网地区河流特点、将平原河流生态系统健康综合评价标准按健康程度划分为健康、亚健康、不健康、病态、重度病态 个等级。结合行业标准或规范、国家法律法规、国内外已有的相关研究成果和专家咨询获得的其他标准等，基于平原河网地区河流的特点，确定平原河流生态系统健康评价指标中的定量指标各等级评价标准如表 所示，定性指标各等级评价标准如表 所示。平原河网地区河流生态系统健康评价模型构建 平原河网地区河流生态系统健康评价指标涉及要素多，指标代表的含义和重要程度不同。为使评价结果更加准确、有效，需对不同的指标赋予不同的权重。权重的确定既需要反映决策者偏好，又需要反映指标的数据信息。本文引入变异系数从原理上改进序关系分析法，采用改进的序关系分析法确定各指标的权重。考虑到平原河网地区河流生态系统 第 期方国华 等 基于云模型的平原河流生态系统健康评价表 平原河网地区河流生态系统健康评价定量指标评价标准 序号评价指标对应等级的评分标准健康亚健康不健康病态重度病态生态需水量保证率（，（，（，水资源开发利用率（，（，（，河流纵向连通性（，（，（，河道弯曲度（个（）（，（，（，（，河岸带植被覆盖率（，（，（，河岸带宽度（，（，（，溶解氧含量（）（，（，（，（，氨氮含量（）（，（，（，（，总磷含量（）（，（，（，（，总氮含量（）（，（，（，（，化学需氧量（）（，（，（，五日生化需氧量（）（，（，（，底栖动物多样性指数（，（，（，浮游植物多样性指数（，（，（，鱼类保有指数（，（，（，防洪达标率（，（，（，（，公众满意度（，（，（，表 平原河网地区河流生态系统健康评价定性指标评价标准 序号指标健康亚健康不健康病态重度病态河床稳定性河床稳定性好，无明显的侵蚀或淤积河床稳定性较好，有少量侵蚀或淤积河床稳定性一般，存在中等 程 度 的 退 化 或淤积河床稳定性较差河床稳定性差，存在严重的退化或淤积河道改变程度河流保持自然状态，未出现拓宽、挖深等现象，未经渠化河流保持较自然的状态，河 道 存 在 少 量 拓宽、挖深等现象，未经明显渠化河道两岸建有堤坝，存在部分渠化河道两岸筑有堤坝，渠化严重，河床未经渠化河 岸、河 床 都 已 渠化，渠化严重，河道内生态环境受到严重影响河岸稳定性河岸无明显侵蚀（，），稳定性好，未来引发问题的可能性极小存在少量侵蚀（，），河 岸 稳 定 性较好存在中度侵蚀（，），河岸稳定性较差，洪水时存在风险侵 蚀 严 重（，），洪水时存在风险，河岸稳定性差侵蚀极严重（，），河 岸 稳 定性极差水生植物群落状况水生植物种类很多，配置合理，植株密闭水生植物种类多，配置较合理，植株数量多水生植物种类尚多，植株数量不多且散布水生植物种类单一，植 株 数 量 很 少 且稀疏难 以 观 测 到 水 生植物河岸植被观赏程度景观效果非常好景观效果较好景观效果一般景观效果较差景观效果很差健康评价具有随机性与模糊性，选择云模型对其进行评价。改进的序关系法指标赋权进行平原河网地区河流生态系统健康评价时，首先需要确定各评价指标的权重。序关系分析法又叫 法，依据专家意愿对不同指标进行主观赋权。传统的 法根据专家意见将指标重要程度排序，并对指标间重要程度之比进行理性赋值，进而确定各指标权重。但在进行指标间相对重要程度之比赋值时，往往根据主观判断，忽略了指标数据的变化信息，导致不能够反映指标间的差异性，影响评价结果。变异系数可以反映数据变化的客观信息，变异系数越大，说明该指标能给决策者带来的信息越多，在综合评价中越重要。本文将 法赋权中相对重要程度之比用变异系数确定的相邻指标重要程度之比代替，将序关系分析法的专家属性排序优势与变异系数法的数据信息反映优势结合，使赋权结果更合理。基于变异系数改进的 法对平原河网地区河流生态系统健康评价指标赋权的具体步骤如下：（）邀请水利高校、科研院所及政府水行政主管部门的河道生态、环境、管理方面的相关专家，确定指标排序关系。（）计算指标的变异系数。（），（）（）。（）式中：为第 个指标的变异系数；为第 个指标的均值；为第 个评价样本的第 个指标值；为样本数量。长江科学院院报 年（）根据变异系数计算相邻指标 与 的重要性程度之比，即，；，。（）（）根据式（）计算的相对重要性之比，计算第 个准则层下第 个指标对该准则层的权重，即 ()。（）其中，第，个指标的权重为，。（）（）计算指标层对目标层权重 。（）式中：为第 个准则层下第 个指标对目标层的权重；为第 个准则层对目标层的权重；为第 个准则层下第 个指标对该准则层的组合权重。基于云模型的河流生态系统健康评价平原河流生态系统健康具有动态性，且各项评价指标对河流生态系统健康的影响程度判断具有主观性，评价过程具有随机性与模糊性。云模型是近年来发展的一种新的评价方法，可将模糊性与随机性相结合，完成定性和定量之间不确定性的转换，较为客观、科学地反映评价结果。因此，本文采用云模型对平原河流生态系统健康状况进行评价。设 是有定量数据表示的论域，是与 相关的定性概念，若定量值 ，是定性概念 的一次随机实现，对于 的隶属度 ，是具有一定规律的模糊数或随机数。云滴指定量值 与隶属度 的组合，记为（，（）。云将定性概念转化为定量值，即转化为论域空间的点，是离散的转换过程，具有随机性，可用概率分布函数表示。在论域空间中，大量云滴构成云，有形状、没有边界，与自然界中的云相似。正态分布现象在自然界中存在广泛，正态云模型因能反映其中的模糊性与不确定性而得到广泛应用。正态云模型通过期望 、熵 、超熵 个数字特征参数（图），把概念的模糊性和隶属度的随机性完整地表达出来，实现定性概念与定量数据间的转换。其中，反映云滴的重心；由定性概念的随机性与模糊性共同决定，一方面是概念随机性的度量，反映云滴的离散程度，另一方面是定性概念模糊性的度量，反映论域空间中可被概念接受的云滴的取值范围；即熵的熵，取决于熵的模糊性与随机性，间接反映云滴厚度，云滴越厚，超熵越大，随机性与模糊性越强。x1.00.80.60.40.20E xH e3 E n图 云模型及其特征参数 使用云模型进行平原河流生态系统健康评价的具体步骤如下。（）步骤：计算评价指标体系指标权重。采用改进的序关系分析法对平原河流生态系统健康评价指标进行赋权。（）步骤：计算云模型指标隶属度。采用条件云发生器计算出每个定量评价指标数据值在各评价等级中的隶属度。首先计算定量指标的 个特征参数。设共有 个指标和 个等级，期望、熵和超熵计算公式为，。|（）式中：、分别为第 个指标在第 个等级中的期望和熵，；，、，分别为第 个指标在第 个等级中的最大边界和最小边界；为超熵，通过试验或经验确定，为定值；为指标等级分类个数。对于（，）或（，），即无下限或无上限的等级，应先根据指标数据值的界限确定其缺省边参数值，然后再计算特征参数。然后计算指标在各等级的隶属度，输入指标值，生成 个正态随机数，计算得到 个云滴的隶属度的平均值作为各等级的隶属度，计算公式为（）（）；（）（）（）|，；（）（）。（）式中：（）为元素 在第 个指标第 个等级中第 个云滴的隶属度；（）为元素 在第 个指标第 个等级中的隶属度；为生成的第 个指标第 个等级中第 个正态随机数。第 期方国华 等 基于云模型的平原河流生态系统健康评价使用式（）对各指标在各等级的隶属度进行归一化处理，生成指标层隶属度矩阵（）。（）（）（）。（）对于定性评价指标，通过现场调研确定其所属健康等级，且隶属度定为。（）步骤：确定评价等级。将评价指标权重向量乘以指标层隶属度矩阵，得到河流生态系统健康在各评价等级的隶属度。()。（）式中：为河流生态系统健康在各评价等级中的隶属度向量；为第 个指标对于目标层的权重。最大隶属度对应的等级即为最终河流生态系统健康评价等级。表 水阳江（高淳段）的河流生态系统健康评价指标体系权重 （）序号指标层重要程度排序变异系数改进的序关系法相对重要程度之比指标对准则层权重准则层排序改进的序关系法序关系法准则层权重指标权重准则层权重指标权重 实例应用本文以水阳江（高淳段）河流生态系统为例进行应用研究。水阳江流域属平原圩区，水阳江（高淳段）位于江苏、安徽两省交界处，水碧桥至甘家拐段为苏皖省界，甘家拐至运粮河段在江苏省境内，境内河段全长，流域面积，汇水面积 ，设计流量为 ，河底高程，河底宽 ，河面宽 ，为高淳西部圩区的主要洪水走廊。两岸为圩区，沿线建有堤防，堤防长度约，堤防等级为 级，主要承担高淳区砖墙镇的相国圩和阳江镇的胜利圩、高宣圩、大花圩、永丰圩的涝水。水阳江（高淳段）目前存在河流形态结构改变、农业面源污染等河流生态系统健康问题。评价指标权重确定综合来自河海大学、江苏省水利厅等单位的专家对指标重要性的排序意见，运用改进序关系分析法对优选指标进行赋权，结果如表 所示。为验证本文降低序关系法主观性的效果，将改进的序关系法与序关系法赋权的结果对比，如表 所示。由对比验证得出：改进的序关系法与序关系法得到的权重大小的排序总体相同，但权重的大小具有一定的差异，例如：序关系法仅考虑指标间的重要程度，得到的 河床稳定性权重比 河道改变程度大，但客观赋权法认为 比 的变异系数大，应赋予 更大的权重，二者结果相矛盾。改进的序关系法得到 与 的权重均为，既体现了决策者的主观意愿，保证了相对重要的 指标的权重不小于，也兼顾了数据的客观规律，使变异系数较大的指标 的权重不小于。因此，本文所采用的赋权方法更加科学、合理。长江科学院院报 年 评价指标隶属度计算水阳江（高淳段）的河流生态系统健康评价指标在各评价等级的隶属度如表、表 所示。模糊综合评价模型是目前应用较为广泛的一种方法，被应用于多个领域，可得到较好的评价结果。为进一步验证本研究模型的可靠性，本文采用模糊综合法对河流进行评价，将本研究模型的评价结果与模糊综合评价模型结果进行比较，具体结果见表。表 水阳江（高淳段）河流生态系统健康评价指标在各评价等级中的隶属度及等级 （）准则层指标层指标值指标等级隶属度健康亚健康不健康病态重度病态指标等级健康亚健康 个（）健康 亚健康定性指标亚健康定性指标不健康定性指标亚健康亚健康重度病态 健康 健康 亚健康 重度病态 亚健康 亚健康不健康亚健康 亚健康定性指标亚健康不健康亚健康定性指标亚健康表 健康评价等级云模型与模糊综合评价的比较 指标类型云模型得到的指标等级隶属度健康亚健康不健康病态重度病态评价等级基于云模型的健康评价模型模糊综合评价模型河流水文特征指标 健康健康河流形态结构指标 亚健康亚健康河岸带结构指标 亚健康亚健康水体理化性质指标 亚健康亚健康河流水生生物状况指标 不健康不健康社会服务指标 亚健康亚健康综合河流生态系统健康 亚健康亚健康 由表 可看出，云模型得出的结果与模糊综合评价结果一致，一方面验证了模型的合理性，另一方面，云模型通过特征参数，将模糊性与随机性结合，与模糊综合评价模型相比，其过程更简单，便于操作，又可兼顾过程中的模糊性与随机性，具有明显优势。评价结果分析水阳江（高淳段）河流生态系统健康评价等级为亚健康。其中河道改变程度、河岸带宽度、总氮含量、底栖动物多样性、防洪达标率 项指标评价等级较低，是影响河流生态系统健康的主要因子。为改善水阳江（高淳段）河流生态系统的健康状况，针对评价结果以及主要影响因子，提出以下修复建议：由于水阳江形态结构的改变是为了满足河流的行洪能力及航运要求，所以在河道改变程度方面不进行修复；水阳江（高淳段）为主要的防洪河道，两侧岸坡建设有堤防，迎水坡采用河堤硬化，部分河道拓宽，导致河岸带植被覆盖率及河岸带宽度有所下降，可结合当地文化对河岸带进行景观设计；总氮超标，可采取微地形增氧及人工浮岛等修复方法，通 第 期方国华 等 基于云模型的平原河流生态系统健康评价过改造河流基底或在水面种植植物，去除水体杂物；底栖动物多样性较低，可采取投放砾石、设置深潭浅滩或者人工礁石等生境修复方法恢复满足底栖动物生长要求的生态环境；总体防洪能力不足，应尽快完成在建防洪治理工程，包括堤身加固、迎水坡护砌、堤防护栏等，检查落实各类防洪排涝设施、应急抢修设备、防汛物资等。结 论本文以平原河网地区河流为研究对象，构建平原河流生态系统健康评价指标体系，并对平原河流生态系统健康状况进行评价，得出如下结论：（）结合已有相关成果，综合考虑平原河网地区河流自然与社会属性，从河流水文、河流形态、河岸带、水体理化、河流生物、河流社会服务功能 个方面，构建了由 个指标组成的平原河网地区河流生态系统健康评价指标体系。（）建立基于改进的序关系分析法云模型的评价模型。提出的改进序关系分析赋权法计算简洁，无需进行一致性检验，既能体现决策者主观意愿，又能体现数据的客观规律。基于云模型的平原河网地区河流生态系统健康评价模型可兼顾评价过程中的随机性与模糊性，且可实现定性与定量之间不确定性的转换。通过将改进的序关系分析法与云模型组合，对典型平原河网地区河流 水阳江（高淳段）进行评价，结果与实际情况相符，验证了模型的合理性与适用性。本文提出的评价方法可应用于其他平原河网地区河流生态系统健康评价中，为河流生态系统健康评价提供参考。参考文献：敖偲成，胡建成，李先福，等 独龙江河流生态系统健康评价 生态学杂志，（）：，：陈 淼，苏晓磊，黄慧敏，等 三峡库区河流生境质量评价 生态学报，（）：付 瑶，李欣，赵玉强，等 济南市南部山区河流生态系统健康评价研究 环境科学与管理，（）：陈 炯，吴基昌，宋林旭，等 深圳市茅洲河河流生态系统健康评价 三峡大学学报（自然科学版），（）：，王 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