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河道健康状况的模糊数学综合评价方法

时间:2019-06-28 来源:地下水 作者:白海霞 本文字数:3998字

  摘    要: 在遵循科学性、代表性、系统性、可行性原则的基础上选择16项典型指标, 分别从人类健康、物理化学、社会经济以及生态功能4个方面构建河道健康评价体系, 以辽宁省阜新市阜蒙县境内的细河河道为例, 基于VS平台和模糊数学法综合评价了河道健康状态。结果表明:细河河道综合评分处于健康与亚健康之间的状态, 基于VS平台的模糊数学法具有运算简洁、高效、精准的优点, 评价结果能够较好的反映河道健康真实状态;可为河道生态治理以及水环境保护提供一定决策依据。

  关键词: 模糊数学法; VS平台软件; 河道健康; 细河;

  我国河流较多, 历史上淮河、黄河、长江、辽河等流域洪涝灾害的发生较为频繁, 严重影响到社会经济的健康发展, 并给河流沿岸的生态环境与人民财产造成巨大损失, 其中分布较为广泛、数量众多的中小流域洪涝灾害也更为常见。河道作为水资源与生态环境之间物质、能量交换的重要媒介, 不仅关系到人水和谐发展, 而且与水系统循环演化密切相关[1,2]。对河道进行科学合理的治理, 一方面可有利于改善人们的居住环境并提高流域竞争力, 另一方面可提升城市品位促进人与水的和谐相处。河道治理工程在改善滩区、稳定滩涂生产生活条件等方面具有重要作用, 能有效减少冲滩塌岸现象并提高滩区土地利用价值, 从而获得更加的社会效益和生态效益。根据不同的组成内容可将河道治理划分为传统与生态护坡, 其中行洪、水土保持以及排涝为传统护坡的主要功能, 而生态护坡不仅要符合传统护坡功能的基本要求而且还应具备生态与景观效益。

  国内外许多学者对于河道治理措施与方法的研究较多, 而涉及较为复杂、抽象的河道健康评价的研究较少, 还未形成系统、成熟的评价方法[3]。河道健康评价是一项涉及的影响因素较多, 传统的比选方法通常会出现遗漏重要的有效信息的情况, 依据单项指标评价值无法给出最优的方案。对于河道生态健康的分析仍然为目前河道评价的主要内容, 而影响河道健康的因素较多且各因素具有密切的联系, 综合考虑各因素指标的系统评价较少[4,5]。据此, 本文基于VS平台软件和模糊数学原理, 分别从多个层次构建评价体系, 并以辽宁省阜新市阜蒙县境内的细河河道为例, 运用模糊数学法进行综合评价, 该方法能够有效避免单因素评价存在的片面性, 从而提高评价结果的可靠性与准确性。

  1 、河道健康综合评价

  1.1、 构建评价体系

  客观、科学的对评价指标进行选取不仅影响可提高评估结果的说服力和真实性, 而且可有效提高模型的计算效率并降低预测误差。本文将河道健康评价体系根据以上分析结果可划分为目标层、准则层以及指标层3个级别, 其中目标层主要体现在河道人水和谐发展以及维护河流健康方面;准则层主要包括人类健康、物理化学、社会经济价值以及生态功能4个方面。然后分别从河道自净能力、生态多样性等自然功能方面选择具有代表性的指标, 并结合河道健康的社会涵义及其提供维持人类社会的功能, 在遵循科学性、代表性、系统性与可行性原则的基础上构建河道健康评价体系, 如表1所示。

河道健康状况的模糊数学综合评价方法

  (1) 生态功能。

  所有物种生命在生态系统中的最基本要素为依水而生, 判定河道健康水平的基本参数即为生态功能。河道是由左右岸、上下游构成的一个完整的连续体系, 河流生态系统健康依赖于河流的径流丰枯而兴衰, 它是反映河道生物活力与升级的重要反映。

  (2) 社会经济价值。

  河流通过提供服务功能可为流域内的经济社会提供一定的贡献和支撑, 为保障区域经济的可持续发展应对河流进行科学、合理的开发利用, 从而实现保护与发展的双赢。

  (3) 物理化学。

  河道的物理化学指标不仅可反映河道水循环及其功能的完备性, 而且能够表征河流结构形态, 它是组成河道健康评判标准的重要部分。河道生态治理以及现代化建设以实现河流的健康循环为基础, 因此对于河道净化、纳污以及修复能力可通过物理化学指标体系。

  (4) 人类健康。

  河道是组成人类社会与自然环境的必备条件, 河流不仅为人类生存提供了必不可缺的服务功能与环境功能, 而且还为促进区域发展提供了必要的水资源及其他原料。因此, 应考虑河道服务功能、供水能力等参数作为人类健康指标。

  1.2、 确定评价方法

  目前, 对于河道健康的评价主要集中在水质状况、河流生态功能等单因素方面的分析, 而对于较为全面、系统的综合评价较少。考虑到评价体系中各指标的抽象化、不确定性特征, 本文考虑引入模糊数学法进行评价, 具体流程如下:

  (1) 确定各指标权重。

  为准确判断在不同评价等级下各评价指标的隶属度, 在细河河道健康评价中利用德尔菲法并邀请20水利专业的专家对单因素指标进行评价, 各专家分别来自于工程协会、水利高效、政府部门以及科研结构等。然后根据各指标的具体涵义与相关文献, 按照推理方法和实际经验对各项指标权重进行确定, 如表2所示。

  表1 河道健康评价体系及其评价标准 L
表1 河道健康评价体系及其评价标准 L
表1 河道健康评价体系及其评价标准 L

  (2) 确定评分值。

  模糊数学法运用的关键环节是对隶属等级的划分, 结合相关资料和河道健康实际状况可将评价等级划分为5个标准, 在不同评价标准下各指标的取值见表1。为了更加科学合理的确定各标准等级下评价指标的隶属度, 可将评分值定义为0、0.2、0.5、0.7、1, 并与健康状态等级相对应。河道健康状态处于1级、5级时, 其评分值隶属度为1和0, 同理可利用线性差值法确定2~4级的评分值, 计算公式如下:

  U(x)=U(xu)+x?xuxl?xuU(xu)?????????(1)U(x)=U(xu)+x-xuxl-xuU(xu)?????????(1)

  式中:U (x) 、U (xu) 分别为指标当前评分值与下界评分值;xu、xl分别为指标值的下、上界限值。

  (3) 模糊分层法。

  河道健康评判体系是一个多约束、多层次与多目标的综合性决策问题, 因此对于每个试验的判断值可运用凸模糊规划理论确定, 其计算方法为:

  AT=∑j=14bjajAΤ=∑j=14bjaj;Au=∑j=15bjajAu=∑j=15bjaj;AR=∑j=14bjajAR=∑j=14bjaj;MfE=∑j=14bjaj?????????(2)ΜfE=∑j=14bjaj?????????(2)

  式中:MfE、Au、AR、AT分别为评价体系中准则层人类健康、物理化学、社会经济以及生态功能指标;bj、aj分别为小项目隶属度与权属。

  根据以上计算结果和模糊判决原理, 最终可确定河道健康分层模糊, 计算公式为:

  BNi=αAT+βAR+δAu+γMfE (3)

  式中:α、β、δ、γ分别为准则层各参数的权数;BNi为第i个河道的总评判结果。

  2、 实例应用

  2.1、 细河河道概况

  细河发源于阜新县八家子乡并属于大凌河水系, 河流面积3 083 km3, 主要支流有小胡家河、九营子河、汤头河以及清河等。流域内植被覆盖良好, 海拔高度位于80~560 m范围, 地势特征由北向南逐渐降低, 具有典型的洪水暴涨暴落特征, 因此为山溪性河流。位于温带季风气候区, 四季分明, 冬冷夏热, 日照充足, 年均气温为8.0℃~12.6℃, 年降水量在450~600 mm范围, 资料显示每年的7-8月为降雨汛期, 其中60.5%以上降水发生在汛期, 主要以强降雨和暴雨形式出现。该流域主要径流山间河谷平原区、低山丘陵区和下游平原区, 并以低山丘陵区为主。

  根据相关资料, 细河河道在阜新市阜蒙县境内的洪涝灾害发生较为频繁, 其中有记载资料的决口处达60多处, 该区段河道整治相对滞后, 河道防洪标准低质量差、河道护坡毁坏较为严重并明显制约着城市的发展, 不仅对沿河生态环境造成严重的破坏, 而且对人们财产安全与经济发展构成潜在威胁。水利相关部门与政府高度重视阜蒙县境内的河道健康问题, 近年来开展了一系列的治理措施并取得了明显的成效, 在保证径流区交通航运、滩区人们安全、工农业与生活用水以及防洪安全等方面发挥着重要的积极作用。通过利用科学、合理的方法开展该区段河道健康的评价研究, 对于促进阜蒙县区域发展与河道生态环境保护具有重要的现实意义。

  2.2、 结果分析

  采用本文所述计算方法和VS平台软件建立河道健康综合评价模型, 然后运用模型科学评价了辽宁省阜新市阜蒙县境内的细河河道健康状态, 如表2所示。

  利用VS平台软件并输入上述评分值, 从而可确定河道健康评价体系准则层各指标评分, 然后综合各准则层评分值确定最终的得分, 结果如3所示。

  表2 阜蒙县境内细河河道健康状态
表2 阜蒙县境内细河河道健康状态
表2 阜蒙县境内细河河道健康状态

  表3 细河河道健康综合评价结果
表3 细河河道健康综合评价结果

  根据表3计算结果可知, 辽宁省阜新市阜蒙县境内的细河河道健康整体处于健康与亚健康之间的状态, 其健康程度为“一般”水平。评价体系中准则层中各指标评分中, 综合评价结果与人类健康、物理化学的变化趋势保持良好的一致性;而生态功能的评分相对较差, 社会经济价值评价结果较好。由此表明, 在今后的河道整治工程中应注重对河道生态环境的治理, 从而确保河道水体环境的良性循环。另外, 还要考虑非工程防洪措施, 加强河道生态景观的治理, 从而保证河道健康状态。

  3、 结语

  影响河道健康评价的因素较多, 且各因素具有不确定性、随机性特征, 因此可考虑引入模糊数学法进行综合评价, 本文以新市阜蒙县境内的细河河道验证了该方法的可行性与合理性, 得出的主要结论如下:

  (1) 构建的河道健康评价体系包括目标层、准则层以及指标层3个级别, 其中目标层主要体现在河道人水和谐发展以及维护河流健康方面;准则层主要包括人类健康、物理化学、社会经济价值以及生态功能4个方面。
  (2) 基于VS平台软件和模糊数学法构建综合评价模型, 并以细河为例评价了河道健康状态。该河道健康整体处于健康与亚健康之间的状态, 其健康程度为“一般”水平。评价体系中准则层中各指标评分中, 综合评价结果与人类健康、物理化学的变化趋势保持良好的一致性;而生态功能的评分相对较差, 社会经济价值评价结果较好。
  (3) 所构建的模型和计算方法能够有效避免单因素片面分析的缺陷, 在河道健康评价中具有计算简单、结果可靠等优点, 可为河道生态治理与水环境保护提供一定参考依据。

  参考文献

  [1]王伟, 杨晓华, 陈强 .基于 ELMAN 网络的河流健康复杂系统综合评价[J].水电能源科学.2007.25 (2) :1-4 .
  [2]吴阿娜, 杨凯, 李越, 等 .河流健康状况的表征及其评价[J].水科学进展.2005.16 (7) :602-608.
  [3]李学森.凌河流域水资源现状及保护措施[J].水土保持应用技术.2015. (03) :36-37.
  [4]董仲源.辽宁省阜新市柳河河道存在问题及治理措施探析[J].地下水.2017. (03) :148-149.
  [5]宋岩.浅谈河道治理工程中存在问题及措施[J].地下水.2016. (06) :224-225.

    白海霞.细河河道健康综合评价[J].地下水,2019,41(03):209-211.
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