基于AHP-模糊数学模型和逐项评价法的凤河健康评价研究

张泽洋，刘 强，王 刚，许子威

(山东农业大学，山东 泰安 271000)

河流是整个水循环的重要组成部分，发挥着不可替代的作用。首先，河流为生物的繁衍与栖息提供了必要支持，维持着生物多样性和河流生态系统的稳定；其次，河流是人类社会生产生活的重要保障。但随着社会经济的不断发展，河流生态系统功能却在逐渐衰退[1]。河长制在全国推行后，取得了丰硕的成果，创建幸福河是河长制的奋斗目标，而保障河流健康就成了创建幸福河的重要前置条件[2]。为了更好、更全面、更高效地维护河流系统的健康与可持续发展，为今后的河流健康治理提供方向，在较为完善的评价标准基础上，迫切需要建立科学、合理、适合本地实际情况的河流健康评价方法[3]。

目前，在进行河流健康评价时存在评价方法多样，广适性差，导致评价结论不一致，尤其是单一河流进行评价过程中，评价指标选取差异大，指标关联性不明显，致使健康评价不具有整体代表性的问题尤为突出。至今中国进行河流健康评价采用的主要方法有层次分析法[4]、神经网络算法[5]、P-IBI评价[6]、物元分析法、模糊逻辑等方法。比如李银久等[7]建立了基于改进层次分析法的模糊物元VIKOR模型对光洞河河流健康状态进行综合评估。崔东文[8]以中小河流为例，基于RBF与GNRR神经网络算法分别构建了RBF与GRNN算法的河流健康评价模型。GUAN等[9]利用生物完整性指数对1960—2005年中国东部太湖生态系统健康状况进行了综合评价。方国华等[10]建立模糊物元评价模型，对江苏省农村河道生态状况进行综合评价。邓梁堃等[11]构建了基于模糊逻辑的河流健康评价模型，并以敏感因子来识别受损状况与原因。

河流健康是一个包含多层次、多标准的复杂结构，具有典型的分布复杂、评价结果受权重影响大、评价指标关联性不明显、评价概况模糊等特点。逐项评价法是以《河湖健康评价指南(试行)》为基础构建的评价方法，其中评价指标、评价标准的确定与划分都具有一定代表性。AHP法是一种系统性的分析方法，此法中每一层的权重设置最后都会直接或间接影响到结果，而且在每个层次中的每个因素对结果的影响程度都是量化的，非常清晰明确。这种方法适用于多目标、多准则的系统评价。模糊综合评价法是将复杂无序的问题划分为多层次进行系统分析的方法，此法可以将复杂问题总和为几个层次进行研究，其中多层次主要是指目标层、准则层、指标层，根据相互关系逐层分级构成树状结构。最终形成由高层次主导次级层次，次级层次指标反馈高层次结果的理想结构。AHP-模糊数学模型评价法将层次分析法和模糊综合评价法有机结合,提高了研究对象评价的客观性,更直观地展示出复杂问题的多种表现。本文根据凤河区域实际情况构建“盆”“水”、生物、社会服务功能4个准则层，使用逐项评价法和AHP-模糊数学模型评价法对凤河健康状况进行评价。

1 研究区概况

凤河作为永定河一级支流，位于北运河与龙河之间，源于北京市南苑大红门，流向东南经大兴区，在凤河营出北京市进入廊坊市广阳区堤上营，过堤口、下庄头村至乃自房东出廊坊境，进入天津市武清区流向东南，是连通京津冀的一条重要水上通道(图1)。凤河河道全长45.3 km，流域面积424.5 km2,廊坊开发区段凤河全长7.5 km，流域面积为24.75 km2。由于凤河自身水量盈枯加上永定河的泛滥冲夺，造成凤河河道弯曲，河流地势平缓，同时植被覆盖率，河水中基本化学指标，鱼类、水生植物群落数量变化较为频繁。由于凤河受城市发展的影响，河流承担防洪、排涝、生态补(调)水、人文景观等功能，对凤河开展河流健康评价研究有助于协调河流水生态系统可持续健康与城市发展的关系，实现区域高质量发展与高水平保护的双目标。

图1 凤河流域

本文健康评价研究选取廊坊开发区河段，所采用的水文、物理结构、水生物化学指标、社会功能调查等基础数据均来自《廊坊经济技术开发区凤河健康评价报告》[12]。

2 研究方法

本文以凤河水环境条件为基础，以《河湖健康评价指南(试行)》[13]中河流评价指标体系为依据，充分考虑评价指标的普适性与差异性，根据凤河实际情况构建了涵盖“盆”“水”、生物、社会服务功能4个准则层及对应下属12个指标层的评价体系，使用了评价指标、评价标准的确定与划分都具有一定代表性的逐项评价法和结合了层次分析法与模糊综合评价优势的AHP-模糊数学模型对凤河健康状况进行了评价。

2.1 逐项评价法

逐项评价法是以《水利部河长办关于印发〈河湖健康评价指南(试行)〉》为基础，将凤河健康评价准则定为“盆”“水”、生物、社会服务功能 4 个准则层及对应下属12个指标层。根据评判标准对凤河各项指标进行逐项计算与评价打分，得出各项分数与评价结果，最后根据计算分值，得出凤河属于一类河流(非常健康)、二类河流(健康)、三类河流(亚健康)、四类河流(不健康)、五类河流(劣态)中某一类的结论。

2.1.1构建健康评价指标

参考《水利部河长办关于印发〈河湖健康评价指南(试行)〉》指标体系，结合凤河实际情况，构建了“盆”“水”、生物、社会服务功能4个准则层。

在4个准则层的基础上，又创建了对应下属12个指标层。“盆”准则层包括河流纵向联通指数、岸线自然状况、河岸带宽指数、违规开发利用水域岸线4项指标层，其中违规开发利用水域岸线指标包括入河排污口规范化建设率、入河排污口布局合理程度和河流“四乱”状况3项；“水”准则层包括生态流量满足程度、水质优劣程度、溶解氧浓度3项指标层，其中水质优劣程度包括底泥污染状况、水体自净能力2项[14]；生物准则层包括鱼类保有指数、水生植物群落状况2项指标层；社会服务功能准则层包括防洪达标率、岸线利用管理指数、公众满意度3项指标层。具体各项指标见表1。

表1 凤河河流健康评价指标

2.1.2河流健康评价分类

将凤河健康评价分为了一类河流(非常健康)、二类河流(健康)、三类河流(亚健康)、四类河流(不健康)、五类河流(劣态)5种标准。赋值范围及情况说明见表2。

表2 凤河健康评价分类标准说明

2.1.3河流健康评价过程

河流健康评价过程中按照4个准则层下属的12个指标层不同计算方法与标准进行逐项计算并赋分，后根据指标层得分依次给出4个准则层得分及目标层得分。

a)“盆”准则层。“盆”准则层中河流纵向联通指数以影响河流连通性的建筑物或设施数量作为评价标准;岸线自然状况主要调查植被覆盖度、河岸基质、岸坡倾角等情况;河岸带宽指数主要考察满足河岸带宽要求的河岸长度;违规开发利用水域岸线程度则考察了排污口建设的数量、位置以及评价河段是否有河湖“四乱”状况。

b)“水”准则层。“水”准则层中生态流量满足程度分别计算 4—9 月及 10月至次年3 月最小日均流量占相应时段多年平均流量的百分比；溶解氧浓度为计算水中DO值含量；水质优劣程度则考察水中总磷 TP、总氮 TN等化学物质含量以及低泥中污染物含量。

c)生物准则层。生物准则层中鱼类保有指数以河湖现有鱼类水量与1980年以前鱼类数量进行对比；水生植物群落状况在评价河道每 5～10 km 选取1个评价断面，对断面区域水生植物种类、数量、外来物种入侵状况进行调查。

d)社会服务功能准则层。社会服务功能准则层中防洪达标率分别考察河流堤防达标长度、河流堤防交叉建筑物达标个数占堤防总长度和堤防交叉建筑物之比；岸线利用管理指数则考察已开发利用岸线长度、岸线总长度、已利用岸线经保护完好的长度等数据；公众满意度评价公众对河湖环境、水质水量、涉水景观等的满意程度，采用公众调查表方法评价。

2.2 AHP-模糊数学模型

在对凤河进行健康评价中将AHP(层次分析法)与模糊综合评价法相结合，构建AHP-模糊数学模型。模型首先通过AHP(层次分析法)构建评价体系与判断矩阵，计算得出指标层权重，然后运用模糊综合评价法确定评价等级(非常健康、健康、亚健康、不健康、劣态)隶属度后进行结果分析[16]。

2.2.1AHP确定指标权重

a)准则层与指标层判断矩阵的建立。根据凤河实际情况与实测数据分别建立了“盆”“水”、生物、社会服务功能 4 个准则层判断矩阵和其下属的12个指标层判断矩阵(表3)。

表3 凤河准则层和指标层权重

b)判断矩阵计算。分别将准则层判断矩阵和指标层判断矩阵运用Matlab进行数据处理，得到准则层与指标层对应权重[17]。

2.2.2模糊综合评价分析

2.2.2.1隶属度函数建立

根据凤河实际情况与实测数据将建立的4个准则层及其下属的12个指标层划分为Ⅰ级(非常健康)、Ⅱ级(健康)、Ⅲ级(亚健康)、Ⅳ级(不健康)、Ⅴ(劣汰)5个级别，分别进行指标的隶属度计算[14](表4)。

表4 凤河隶属度计算各等级标准

a)偏大型分布。当评价指标数值以大为优时采用式(1):

(1)

b)偏小型分布。当评价指标数值以小为优时采用式(2)：

(2)

c)中间型分布。当评价指标为其他时采用式(3)：

(3)

式中x——指标数据；a——x所属段的最大值；b——x所属段的最小值；c、d——相对应的中间值。

2.2.2.2模糊合成运算

采用加权平均算子对准则层指标进行模糊合成运算，并用Matlab处理数据结果[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]

评价矩阵S计算：

S1=W1×R1

(4)

S2=W2×R2

(5)

S3=W3×R3

(6)

S4=W4×R4

(7)

(8)

经过Matlab程序进行数据处理后得到：

最后，将权重向量W与模糊综合评价矩阵R相结合，采用式(16)计算得到模糊综合评价结果向量S，结果见表5。

表5 凤河隶属度评价结果

S=W×R

(9)

S=(0.4110 0.3438 0.2239 0.0213 0.0000)

3 评价结果与讨论

3.1 评价结果

3.1.1“盆”准则层

在逐项评价法中“盆” 准则层得分为70.40 分，评价结果为Ⅱ类，评价等级为健康。在AHP-模糊数学模型评价中， “盆”准则层健康等级隶属度为0.372。目前凤河评价河段满足河岸带宽长度占总长比重较小，但评价河段植被覆盖情况、排污口建设数量、等方面状况良好。

3.1.2“水”准则层

在逐项评价法中 “盆” 准则层得分54.02分，评价结果为Ⅲ类，评价等级为亚健康。在AHP-模糊数学模型评价中， “水” 准则层亚健康等级隶属度为0.365。目前凤河评价河段河底淤泥污染物含量、溶解氧浓度与水化学质量方面存在不小问题。

3.1.3生物准则层

在逐项评价法中凤河生物准则层得分87.50 分，评价结果为Ⅰ类，评价等级为非常健康。在AHP-模糊数学模型评价中，生物准则层非常健康等级隶属度为0.875。目前凤河评价河段鱼类数量与历年相比没有发生变化，水生植物种类较多且数量稳定。

3.1.4社会服务功能准则层

在逐项评价法中凤河社会服务功能准则层得分为86.02 分，评价结果为Ⅰ类，评价等级为非常健康。在AHP-模糊数学模型评价中，社会服务功能准则层非常健康等级隶属度为0.875。目前凤河评价河段防洪排涝能力达标，岸线利用管理较为合理，且公众满意度较高(图2—4，表6)。

图2 逐项评价法准则层赋分

图3 逐项评价法指标层赋分

图4 凤河健康评价隶属度分布

表6 逐项评价法得分

3.2 评价结果讨论

3.2.1结果对比及保护对策

逐项评价法凤河指标层中，河岸带宽度指数分值仅5.16分，底泥污染状况分值为0分，溶解氧浓度分值为56.83分，水体自净能力分值 63.34分，这些指标都不同程度地影响了凤河的健康。而在AHP-模糊数学模型评价中，河岸带宽指数指标隶属于“不健康”这一评价等级的测度为0.4；水质优劣程度指标标隶属于“亚健康”这一评价等级的测度为0.89；溶解氧浓度指标标隶属于“亚健康”这一评价等级的测度为0.57。证明凤河在河岸带宽、底泥污染物、水质方面都需要进一步治理改善。与同为永定河支流的龙河健康状况相比[15]，两河在水生物指标方面得分均较高，而两河在水化学指标方面又同时存在不同程度的问题。由于凤河上游径流多来自北京排水，水质相对较差。因此结合凤河现状现，以及面对的水生态环境问题，在对凤河进行治理时提出以下几点保护对策。

a)提升补水能力，改善水资源条件。凤河为排沥河道，主要承接上游污沥水，凤河基本常年有流量，但水位较低，可以通过水系连通工程，提升凤河补水能力，提高凤河水位，改善凤河水资源条件。

b)改善水生态环境。根据现状调查及指标评价结果显示，凤河指标层中的底泥污染状况、水体自净能力、水生植物群落状况等分值较低，综合分析显示，凤河河道内存在生物多样性受到一定程度破坏、水生及陆生植物较难生存、水生动物资源量减少等现象。可以规划河道绿廊、生态护岸、湿地、增殖放流、生物栖息地营造等工程措施进而修复水生态环境。

c)凤河河道清淤与疏浚。根据现状调查及指标评价结果显示，凤河指标层中的底泥污染状况为 0 分，底泥污染较严重，建议增加底泥监测断面，有针对性对凤河河道清淤，减少底泥污染状况。

3.2.2适用范围和推广应用前景

受城市发展影响的河流可采用本文中提出的逐项评价和AHP-模糊数学模型相结合的评价方法对其健康状况进行评价。该方法可以有效提高评价结果的客观性,更直观地展示出城市发展对河流健康产生的影响，为此类河流开展健康评价工作，提供更加适用的方法。

4 结论

逐项评价法研究表明，凤河健康综合赋分为73.59 分，得出凤河为二类河流，健康状态为健康。AHP-模糊数学模型评价研究表明凤河隶属于“非常健康”这一评价等级的测度为0.411 0，隶属于“健康”这一评价等级的测度为0.343 8，隶属于“亚健康”这一评价等级的测度为0.223 9，隶属于“不健康”这一评价等级的测度为0.021 3，隶属于“劣态”这一评价等级的测度为0。凤河作为永定河的重要支流，对廊坊等城市的发展做出了巨大的贡献，因此对凤河进行健康规划与治理时要做好排水补水、生态修复、清淤疏浚等方面的工作，不断改善水资源条件和水生态环境，打造可持续、健康发展的水系统。