灰關(guān)聯(lián)綜合分析法在石羊河流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

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(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

灰關(guān)聯(lián)綜合分析法在石羊河流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

霍正文，孫超

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

河流生態(tài)系統(tǒng)健康是河流生態(tài)系統(tǒng)特征的綜合反映。本研究探討了灰關(guān)聯(lián)和層次分析模型在流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，以石羊河流域?yàn)槔?構(gòu)造灰關(guān)聯(lián)綜合評(píng)價(jià)模型,采用層次分析法確定各因素的權(quán)重,依據(jù)評(píng)價(jià)值,對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)健康程度進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。并依據(jù)評(píng)估結(jié)果提出意見(jiàn)建議，為流域的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

石羊河流域；生態(tài)系統(tǒng)健康程度；評(píng)價(jià)指標(biāo)；層次分析法；灰關(guān)聯(lián)模型

河流生態(tài)系統(tǒng)健康是河流生態(tài)系統(tǒng)特征的綜合反映,是流域內(nèi)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),應(yīng)將人類活動(dòng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素考慮在內(nèi)[1]。由于河流生態(tài)系統(tǒng)為多變量,其健康標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)是動(dòng)態(tài)及多層次的[2]，灰關(guān)聯(lián)綜合評(píng)價(jià)是考慮在對(duì)影響流域生態(tài)系統(tǒng)的各因素與參考指標(biāo)之間關(guān)聯(lián)度的基礎(chǔ)上對(duì)其健康程度進(jìn)行評(píng)價(jià),彌補(bǔ)了只考慮單因子的不足。本文在對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,分析其水資源開(kāi)發(fā)利用中存在的問(wèn)題,對(duì)流域的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 流域概況

1.1 地理位置

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部,介于烏鞘嶺以西、大黃山以東,祁連山冷龍嶺以北、巴丹吉林沙漠以南的區(qū)域。

1.2 河流水系

石羊河水系自西向東由發(fā)源于祁連山的西大河、東大河、西營(yíng)河、金塔河、雜木河、黃洋河、古浪河、大靖河8條主要支流及區(qū)間內(nèi)多條小河溝組成,徑流補(bǔ)給來(lái)源為山區(qū)降水和高山融水,產(chǎn)流面積4.16萬(wàn) km2，多年平均徑流量14.6億 m3，其中冰川融水占3.7%[3]。

1.3 地形地貌

石羊河流域地貌介于青藏高原與蒙古高原邊緣,地勢(shì)南高北低自西南向東北傾斜。南部祁連山地,海拔2 000～5 000 m，是流域的主要產(chǎn)流區(qū);中部走廊平原區(qū),海拔1 470～1 860 m，山勢(shì)低矮,風(fēng)化剝蝕強(qiáng)烈。由龍首山、韓母山、紅崖山等將走廊平原分割為南北盆地。南盆地包括大靖、武威、永昌盆地,北盆地包括民勤盆地、金川-昌寧盆地,海拔1 300～1 400 m；北部低山丘陵區(qū),海拔低于2 000 m；東部為騰格里沙漠邊緣地帶,廣泛分布新月形沙丘和沙丘鏈[4]。

1.4 氣候降水

石羊河流域?qū)俅箨懶詼貛Ц珊禋夂?日照充足、晝夜溫差大、降水少、蒸發(fā)強(qiáng)烈。南部祁連山區(qū)為高寒半干旱半陰濕區(qū),平均氣溫0℃以下,年降水量300～600 mm,年蒸發(fā)量700～1 200 mm；東部走廓平原為溫涼干旱區(qū),年平均氣溫5℃,年降水量150～300 mm，年蒸發(fā)量1 200～2 000 mm;北部溫暖干旱區(qū),年降水量50～185 mm,年蒸發(fā)量2 000～3 030 mm。

1.5 經(jīng)濟(jì)社會(huì)

2013年全流域總?cè)丝?20.55萬(wàn)人,其中農(nóng)業(yè)人口135.37萬(wàn)人。耕地面積457.43萬(wàn)畝,農(nóng)田實(shí)灌面積376.57萬(wàn)畝。地區(qū)生產(chǎn)總值595.58億元,農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值102.11億元,工業(yè)總產(chǎn)值327.51億元。

1.6 水資源開(kāi)發(fā)利用情況

石羊河流域水資源總量為16.59億 m3,其中地表天然水資源量為15.6億 m3，與地表水不重復(fù)的地下水資源量0.99億 m3。徑流量年內(nèi)分配極不均衡,5 ～9月徑流占年總量的85%，而枯季10月至翌年 3月徑流量不到年總量的15%。2013年全流域總用水量23.18億 m3,其中,農(nóng)業(yè)用水量18.79億 m3,工業(yè)用水量5.06億 m3,居民生活用水量0.46億 m3。

2 灰關(guān)聯(lián)綜合評(píng)價(jià)模型確定關(guān)聯(lián)系數(shù)

2.1 確定原始序列

2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

按照11個(gè)評(píng)價(jià)因素,將健康程度劃分為5個(gè)等級(jí)。分別為健康(0.8～1.0):流域環(huán)境沒(méi)有壓力,恢復(fù)能力很強(qiáng),主要服務(wù)功能正常發(fā)揮,滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)良好發(fā)展;基本健康(0.6～0.8):流域環(huán)境壓力較輕,恢復(fù)能力較強(qiáng),自然現(xiàn)狀良好;亞健康(0.4～0.6):流域環(huán)境有一定壓力,主要服務(wù)功能尚能發(fā)揮,滿足一定程度的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展;病態(tài)(0.2～0.4):流域環(huán)境狀況有壓力,恢復(fù)能力差;瀕于崩潰(0～0.2):流域環(huán)境狀況壓力很大,恢復(fù)能力很差,主要服務(wù)功能喪失,難以滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[5][6]。

表1 石羊河流域健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 指標(biāo)的數(shù)據(jù)處理

由于原始序列的量綱不一致,為了使各因素之間具有可比性,需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量、無(wú)數(shù)量級(jí)處理,將其轉(zhuǎn)化為0～1之間無(wú)量綱可比較數(shù)值范圍。區(qū)間值無(wú)量綱處理方法如下[7]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

(1)越大越優(yōu)型：

yi(k)=

(2)越小越優(yōu)型

yi(k)=

2.4 關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算

參考數(shù)列x0(k)和比較數(shù)列xi(k)在k時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)ε0i(k)。

其中,ε稱為分辨率,提高關(guān)聯(lián)系數(shù)的顯著性,通常取0.5[8](見(jiàn)表2)。

石羊河流域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣為：ε0i(k)=(1.00,0.33,1.00,0.63,0.52,0.49,0.33,0.34,0.88,0.41,0.33)

3 層次分析模型確定指標(biāo)權(quán)重

3.1 建立層次結(jié)構(gòu)

將生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)分解為三個(gè)層次,第一層為目標(biāo)層,即石羊河流域生態(tài)系統(tǒng)健康程度;第二層為準(zhǔn)則層,有經(jīng)濟(jì)社會(huì)功能、自然屬性等;第三層為方案層,即各項(xiàng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 構(gòu)造判斷矩陣

從層次結(jié)構(gòu)模型的第二層開(kāi)始,對(duì)于同一層次的n個(gè)指標(biāo),在確定影響某因素的諸因子在該因素中所占的比重時(shí),對(duì)于屬于上一層每個(gè)因素的同一層諸因素,用成對(duì)比較法和1～9尺度構(gòu)造各層次判斷矩陣(表4-表7)。

表2 指標(biāo)數(shù)據(jù)處理及關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.3 計(jì)算權(quán)重系數(shù)并做一致性檢驗(yàn)

2)一致性檢驗(yàn)

表3 隨機(jī)性指標(biāo)數(shù)值

表4 目標(biāo)層-準(zhǔn)則層判斷矩陣及權(quán)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表5 社會(huì)影響因素判斷矩陣及權(quán)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表6 經(jīng)濟(jì)影響因素判斷矩陣及權(quán)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表7 自然影響因素判斷矩陣及權(quán)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表8 歸一化權(quán)重結(jié)果

3.4 計(jì)算組合權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn)

假設(shè)矩陣共有S層,則第K層對(duì)第一層的組合權(quán)向量滿足W(k)=W(k)W(k-1)，k=3，4，…，s，其中W(k)是以第K層對(duì)第k-1層的權(quán)向量為列向量組成的矩陣,于是最下層對(duì)最上層的組合權(quán)向量為W(s)=W(s)W(s-1)，…，W(3)W(2)(見(jiàn)表8)。

3.5 計(jì)算關(guān)聯(lián)度

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重及關(guān)聯(lián)度的分析,石羊河流域生態(tài)環(huán)境既受自然條件的影響,也受人類活動(dòng)的影響,歸結(jié)起來(lái):(1)流域降水量少、水資源匱乏。(2)水土資源開(kāi)發(fā)不協(xié)調(diào),農(nóng)業(yè)灌溉用水規(guī)模偏大,水資源開(kāi)發(fā)利用程度很高。(3)水資源管理相對(duì)薄弱,難以有效控制流域內(nèi)部分地區(qū)和行業(yè)的用水總量。(4)用水結(jié)構(gòu)不合理、利用效率偏低,經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需水超過(guò)了流域水資源承載能力。

依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,提出以下建議:(1)加快節(jié)水型社會(huì)建設(shè),加強(qiáng)用水總量及用水效率的控制與管理。(2)加快流域城鎮(zhèn)化建設(shè),調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu),大力發(fā)展農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉,降低農(nóng)業(yè)用水比例、減少農(nóng)業(yè)用水總量,減輕水土資源的承載壓力。(3)建立生態(tài)用水的政策保障及生態(tài)用水的價(jià)格補(bǔ)償機(jī)制,農(nóng)業(yè)用水季節(jié)浮動(dòng)水價(jià),引導(dǎo)農(nóng)灌避開(kāi)用水高峰期,緩解供需矛盾。(4)由于石羊河流域位于我國(guó)內(nèi)陸地區(qū),生態(tài)系統(tǒng)較脆弱,自身調(diào)節(jié)能力較差,應(yīng)加強(qiáng)流域內(nèi)水源涵養(yǎng)區(qū)的保護(hù)與修復(fù)。(5)建立權(quán)威、高效的流域管理和運(yùn)行機(jī)制,加強(qiáng)地表水量調(diào)度及地下水管理,實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置。

[1]張曉萍,楊克勤,李銳.流域健康診斷指標(biāo)一種生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的新方法[J].水土保持通報(bào).1998.18(4):57-62.

[2]楊成有,劉進(jìn)琪.甘肅江河地理名錄[M].甘肅: 甘肅人民出版社.2014:268.

[3]熊文,黃思平.河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)關(guān)鍵指標(biāo)研究[J].人民長(zhǎng)江.41(4):8-12.

[4]蘇永紅,馮起,劉蔚，等.應(yīng)用模糊綜合評(píng)判方法評(píng)價(jià)石羊河流域水資源承載力[J].干旱區(qū)研究.2009(2).

[5]戶作亮,張勝紅,林超,等.海河流域平原河流生態(tài)保護(hù)與修復(fù)模式研究[M].北京:中國(guó)水利水電出版社.2010:25-39.

[6]李傳哲,于福亮，等.基于層次分析法的河流健康模糊綜合評(píng)價(jià)[J].水利水電科技進(jìn)展.25(1):24-27.

[7]郭巧玲.黑河流域生態(tài)需水及系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社.2012.135-136.

[8]鄭列.數(shù)學(xué)模型[M]北京:科學(xué)出版社.2013:179-180.

TV213.4

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1004-1184(2017)05-0099-03

2017-04-20

霍正文(1976-)，女，江蘇南京人，高級(jí)工程師，主要從事水文水資源評(píng)價(jià)、水資源研究等工作。