基于综合集成赋权物元模型的健康综合评价
2019-08-28吕录娜王攀科
吕录娜，马 俊，王攀科
(黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 45003)
随着城市化步伐的加快，人类活动对河流造成多种负面影响，使城市河流的健康遭到破坏。因此，国内外纷纷开展河流生态修复工程，但是河流现状健康状况、城市河流修复措施对于河流健康的作用，尚未有统一的评价体系。
探讨城市河流有效的生态系统评价指标体系以及评价方法，是正确进行城市河流生态系统功能现状的诊断评价及其未来的预测和管理的需要[1]。
本文基于综合集成赋权和物元理论构建了城市河流健康综合评价模型，并对许昌市饮马河综合治理前后河流健康进行了定量评价。
1 研究区概况
许昌的城区水系可用“五湖四海畔三川，两环一水润连城”来概括，饮马河就是“三川”之一，但由于各种原因，治理前河道景观单一、水质较差、河流生态功能受损、部分河段常年无水、水系不连通。2013年许昌市被列入全国45个水生态文明建设试点城市之一。根据许昌市总体规划，饮马河在许昌市整体景观结构中具有重要地位。为实现“河畅、湖清、水净、岸绿、景美”的建设目标，许昌市对饮马河进行了综合治理。综合治理工程从清潩河关庄闸引水处至省道S220，治理长度8.577km。
本文构建城市河流健康评价模型，分别对饮马河治理前后进行河流健康综合评价和分析。
2 构建饮马河健康评价模型
2.1 健康评价指标体系
城市河流多指发源于城区或流经城区的河流或河流段[2]，是一个由河流自然生态子系统、社会经济子系统和景观环境子系统组成的复杂系统[3]。
河流处于生态健康状态，指河流生态系统不仅能保持化学、生物及物理上的完整性，而且能维持其对人类社会提供的各种服务功能，健康的河流其社会功能与自然功能是平衡的[4]。
为科学全面建立饮马河健康评价指标体系，通过频率统计法统计大量相关研究结果，并结合城市河流的独有特点，用Delphi法增加城市河流的特有指标，最后采用层次分析法(AHP)分层，最终构建城市河流健康综合评价指标体系，该指标体系包括防洪排涝、生态、景观、社会服务、管理五大功能一级指标，并细化为18项二级指标。结合饮马河的现实情况，最终采用其中15项指标作为饮马河河流健康评价指标体系，见表1。
2.2 综合集成赋权确定指标权重
为能同时兼顾主观、客观信息的重要性，采用综合集成赋权法计算权重，基于“功能驱动”原理的主观赋权法选用序关系法(G1法)[5- 6]，基于“差异驱动”原理的赋权法客观赋权法则选则熵值法[7- 8]，最后用“加法”集成将这两大类赋权法结合起来。
表1 饮马河河流健康评价指标体系框架
式中，k1,k2—待定常数(k1>0,k2>0;k1+k2=1)。考虑到饮马河健康评价主、客观因素重要性相同，取k1=k2。
2.3 健康评价物元评价模型
物元理论主要研究由事物、特征及特征值构成的三元素模型，该模型可以直接反映质量与数量之间的关系，并且可以把定性指标转化为定量指标。以有序三元R=(N，C，V)作为描述事物的基本元，简称物元，其中事物的名称(N)，特征(C)和关于特征的量值(V)为物元三要素。
物元模型按以下步骤建立[9- 10]：
2.3.1确定各指标经典域和节域
(1)经典域。设有m评价等级N1,N2,…，Nm，建立相应的物元：
式中，Xij=
(2)节域。记P表示待评价事物特征量值的全体，对于经典域，构造其节域：建立物元RP，取RP⊃Ri，且：
式中，Xpi=
2.3.2确定待评物元
对于待评价的对象P，待评物元为R0：
2.3.3确定关联函数
关联函数表示物元的量值取值为实轴上的一点时，物元符合要求的范围程度，是用来刻画各指标关于各评价等级的归属程度。根据可拓集合论和具体条件，建立关联函数：
式中，Ki(xj)—各评价因子关于评价级别的关联度；ρ(xj,Xij)—点xj与有限区间Xij=
其中，
xij=|aij-bij|
i=1,2,…,m,j=1,2,…,n
2.3.4等级评定
令
称Kj(P)为待评价对象P关于等级j的关联度。此处，wi(i=1,2,…，n)为各个指标的权重，用3.2节方法确定。
关联函数K(x)的数值表示被评对象隶属于城市河流健康水平某一标准级别的程度。
当K(x)≤-1.0时，被评价对象不符合标准对象要求，且不具备转化为标准对象的条件；
当-1.0≤K(x)≤0时，表示被评价对象不符合标准对象要求，但具备转化为标准对象的条件，数值越大，越容易转化；
当0≤K(x)≤1.0时，表示被评对象符合标准对象要求，数值越大，越接近标准上限；
当K(x)≥1.0时，表示被评价对象超过标准对象上限，数值越大，发展潜力越大。
若Kj1=max{Kj(P)}，j∈{1，2，…，m}，则评定P属于等级1，记作j0=1。
通过各指标的关联函数和综合关联函数即可得到各评价指标的健康等级及综合评价等级。
3 饮马河健康评价
3.1 基于物元模型的健康评价
依据饮马河健康的可拓性，将饮马河健康等级划分为5个，设P={病危→轻度病态→亚健康→健康→特别健康}，N1={病危}，N2={轻度病态}，N3={亚健康}，N4={健康}，N5={特别健康}，则N1,N2,N3,N4,N5∈P。采用德尔菲法，确定饮马河健康评价的经典域和节域，见表2，表中定量指标的单位同表1。
将待评物元的指标值输入物元模型，其中，待评物元值即各指标值见表1，可计算得各指标与各不同评价等级的关联度。再采用综合集成赋权法计算各指标权重，可得到综合关联度。饮马河治理前健康综合评价等级属于等级N1(病危)，各单项指标的评价等级详见表3。同理可得饮马河治理后健康评价等级属于等级N5(特别健康)，过程不再赘述。
表2 各指标经典域和节域
表3 饮马河治理前关联度和评价结果
3.2 结果及分析
3.2.1治理前评价结果及分析
(1)饮马河治理前健康综合评价综合关联度为0.007，属于等级N1(病危)，亟需治理。
(2)以河岸景观多样性指数(C8)为例，分析饮马河治理前各单项指标健康程度的水平。由表3可知:该指标对应各评价等级的关联度分别为K8(C81)=0.250，K8(C82)=-0.250，K8(C83)=-0.500，K8(C84)=-0.625，K8(C85)=-0.700，由K(C8)=max{K8(C8j)}(j=1，2，…，5)=0.250，判定该指标属于N1，即健康等级为病危，表明河岸景观多样性指数单指标的健康程度为病危。治理前状况是河流景观过于单一，多样性很差，需要在治理时提升。同理可分析其他各指标。
(3)除了河岸植被覆盖率C7、河岸植物多样性指数C9、灌溉有效利用系数C11、娱乐设施指数C12四项指标，处于亚健康状态，其余指标健康等级都处于病危状态，饮马河生态治理时应该有针对性的采取措施。
(4)根据权重判断出对综合评价等级影响较大的指标为排涝达标率C1、水生生物完整性指数C4、水质优良度C5、河岸植被覆盖率C7等几项指标，因此，饮马河生态治理时应该重点考虑这些因素。
3.2.2治理后评价结果及分析
饮马河治理后健康评价综合评价综合关联度为0.034，属于等级N5(特别健康)，治理效果显著。饮马河治理后健康评价综合评价等级N5(特别健康)，但是河流纵向连通性指数C2、水生生物完整性指数C4、河岸景观多样性指数C8、河岸植物多样性指数C9、管理制度C14、水质优良度C5六项指标健康等级为N4(健康)，未达到N5(特别健康)的标准。分析其可能原因：
(1)因工程尚未完全移交投资方与管理方，所以管理制度中的河道管理细则和实施办法，并未正式发布和使用，建议后续逐渐完善管理制度，不只”“治”好，还要“管”好。
(2)水质虽然得到明显改善，但未全部达到Ⅳ类以上水质标准，建议加强上游水源管理，确保从污水厂处理后的中水全部达到设计标准。另外，多方排查未达标原因，判断是否是污染源增加还是其他原因造成的。
(3)治理前破坏严重的水生生物完整性指数需要较长时间恢复完善。建议再过一个运行年度，对此指标进行健康再评价，总结水生生物完整性修复规律。
(4)饮马河生态治理后景观和植物多样性整体较好，但是还有提升的空间，建议其他河流治理时，避免景观和植物单一，提高多样性。
4 结语
(1)基于综合集成赋权物元模型，计算了各指标的关联度和综合关联度，对各指标健康度和河流综合健康程度做出了评价。
(2)对治理前后健康评价结果进行对比分析，肯定了评价结果的指导意义，也验证了构建的综合评价模型的科学性和可行性，研究结果具有重要的理论和现实意义。
