河道健康狀況的模糊數(shù)學(xué)綜合評價方法,模糊數(shù)學(xué)論文摘要：在遵循科學(xué)性、代表性、系統(tǒng)性、可行性原則的基礎(chǔ)上選擇16項典型指標(biāo),分別從人類健康、物理化學(xué)、社會經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)功能4個方面構(gòu)建河道健康評價體系,以遼寧省阜新市阜蒙縣境內(nèi)的細(xì)河河道為例,基于VS平臺和模糊數(shù)學(xué)法綜合評價了河道健康狀態(tài)。結(jié)果表示清楚:細(xì)河河道綜合評分處于健康與亞健康之間的狀態(tài),基于VS平臺的模糊數(shù)學(xué)法具有運算簡潔、高效、精準(zhǔn)的優(yōu)點,評價結(jié)果能夠較好的反映河道健康真實狀態(tài);可為河道生態(tài)治理以及水環(huán)境保衛(wèi)提供一定決策根據(jù)。本文關(guān)鍵詞語：模糊數(shù)學(xué)法;VS平臺軟件;河道健康;細(xì)河;我們國家河流較多,歷史上淮河、黃河、長江、遼河等流域洪澇災(zāi)禍的發(fā)生較為頻繁,嚴(yán)重影響到社會經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展,并給河流沿岸的生態(tài)環(huán)境與人民財產(chǎn)造成宏大損失,華而不實分布較為廣泛、數(shù)量諸多的中小流域洪澇災(zāi)禍也更為常見。河道作為水資源與生態(tài)環(huán)境之間物質(zhì)、能量交換的重要媒介,不僅關(guān)系到人水和諧發(fā)展,而且與水系統(tǒng)循環(huán)演化密切相關(guān)[1,2]。對河道進(jìn)行科學(xué)合理的治理,一方面可有利于改善人們的寓居環(huán)境并提高流域競爭力,另一方面可提升城市檔次促進(jìn)人與水的和諧相處。河道治理工程在改善灘區(qū)、穩(wěn)定灘涂生產(chǎn)生活條件等方面具有重要作用,能有效減少沖灘塌岸現(xiàn)象并提高灘區(qū)土地利用價值,進(jìn)而獲得愈加的社會效益和生態(tài)效益。根據(jù)不同的組成內(nèi)容可將河道治理劃分為傳統(tǒng)與生態(tài)護(hù)坡,華而不實行洪、水土保持以及排澇為傳統(tǒng)護(hù)坡的主要功能,而生態(tài)護(hù)坡不僅要符合傳統(tǒng)護(hù)坡功能的基本要求而且還應(yīng)具備生態(tài)與景觀效益。國內(nèi)外很多學(xué)者對于河道治理措施與方式方法的研究較多,而牽涉較為復(fù)雜、抽象的河道健康評價的研究較少,還未構(gòu)成系統(tǒng)、成熟的評價方式方法[3]。河道健康評價是一項牽涉的影響因素較多,傳統(tǒng)的比選方式方法通常會出現(xiàn)遺漏重要的有效信息的情況,根據(jù)單項指標(biāo)評價值無法給出最優(yōu)的方案。對于河道生態(tài)健康的分析仍然為當(dāng)前河道評價的主要內(nèi)容,而影響河道健康的因素較多且各因素具有密切的聯(lián)絡(luò),綜合考慮各因素指標(biāo)的系統(tǒng)評價較少[4,5]。據(jù)此,本文基于VS平臺軟件和模糊數(shù)學(xué)原理,分別從多個層次構(gòu)建評價體系,并以遼寧省阜新市阜蒙縣境內(nèi)的細(xì)河河道為例,運用模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行綜合評價,該方式方法能夠有效避免單因素評價存在的片面性,進(jìn)而提高評價結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性。1、河道健康綜合評價1.1、構(gòu)建評價體系客觀、科學(xué)的對評價指標(biāo)進(jìn)行選取不僅影響可提高評估結(jié)果的講服力和真實性,而且可有效提高模型的計算效率并降低預(yù)測誤差。本文將河道健康評價體系根據(jù)以上分析結(jié)果可劃分為目的層、準(zhǔn)則層以及指標(biāo)層3個級別,華而不實目的層主要具體表現(xiàn)出在河道人水和諧發(fā)展以及維護(hù)河流健康方面;準(zhǔn)則層主要包括人類健康、物理化學(xué)、社會經(jīng)濟(jì)價值以及生態(tài)功能4個方面。然后分別從河道自凈能力、生態(tài)多樣性等自然功能方面選擇具有代表性的指標(biāo),并結(jié)合河道健康的社會涵義及其提供維持人類社會的功能,在遵循科學(xué)性、代表性、系統(tǒng)性與可行性原則的基礎(chǔ)上構(gòu)建河道健康評價體系,如表1所示。(1)生態(tài)功能。所有物種生命在生態(tài)系統(tǒng)中的最基本要素為依水而生,斷定河道健康水平的基本參數(shù)即為生態(tài)功能。河道是由左右岸、上下游構(gòu)成的一個完好的連續(xù)體系,河流生態(tài)系統(tǒng)健康依靠于河流的徑流豐枯而興衰,它是反映河道生物活力與升級的重要反映。(2)社會經(jīng)濟(jì)價值。河流通過提供服務(wù)功能可為流域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)社會提供一定的奉獻(xiàn)和支撐,為保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展應(yīng)對河流進(jìn)行科學(xué)、合理的開發(fā)利用,進(jìn)而實現(xiàn)保衛(wèi)與發(fā)展的雙贏。(3)物理化學(xué)。河道的物理化學(xué)指標(biāo)不僅可反映河道水循環(huán)及其功能的完備性,而且能夠表征河流構(gòu)造形態(tài),它是組成河道健康評判標(biāo)準(zhǔn)的重要部分。河道生態(tài)治理以及當(dāng)代化建設(shè)以實現(xiàn)河流的健康循環(huán)為基礎(chǔ),因而對于河道凈化、納污以及修復(fù)能力可通過物理化學(xué)指標(biāo)體系。(4)人類健康。河道是組成人類社會與自然環(huán)境的必備條件,河流不僅為人類生存提供了必不可缺的服務(wù)功能與環(huán)境功能,而且還為促進(jìn)區(qū)域發(fā)展提供了必要的水資源及其他原料。因而,應(yīng)考慮河道服務(wù)功能、供水能力等參數(shù)作為人類健康指標(biāo)。1.2、確定評價方式方法當(dāng)前,對于河道健康的評價主要集中在水質(zhì)狀況、河流生態(tài)功能等單因素方面的分析,而對于較為全面、系統(tǒng)的綜合評價較少?？紤]到評價體系中各指標(biāo)的抽象化、不確定性特征,本文考慮引入模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行評價,詳細(xì)流程如下:(1)確定各指標(biāo)權(quán)重。為準(zhǔn)確判定在不同評價等級下各評價指標(biāo)的從屬度,在細(xì)河河道健康評價中利用德爾菲法并邀請20水利專業(yè)的專家對單因素指標(biāo)進(jìn)行評價,各專家分別來自于工程協(xié)會、水利高效、部門以及科研構(gòu)造等。然后根據(jù)各指標(biāo)的詳細(xì)涵義與相關(guān)文獻(xiàn),根據(jù)推理方式方法和實際經(jīng)歷體驗對各項指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行確定,如表2所示。表1河道健康評價體系及其評價標(biāo)準(zhǔn)L(2)確定評分值。模糊數(shù)學(xué)法運用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是對從屬等級的劃分,結(jié)合相關(guān)資料和河道健康實際狀況可將評價等級劃分為5個標(biāo)準(zhǔn),在不同評價標(biāo)準(zhǔn)下各指標(biāo)的取值見表1。為了愈加科學(xué)合理確實定各標(biāo)準(zhǔn)等級下評價指標(biāo)的從屬度,可將評分值定義為0、0.2、0.5、0.7、1,并與健康狀態(tài)等級相對應(yīng)。河道健康狀態(tài)處于1級、5級時,其評分值從屬度為1和0,同理可利用線性差值法確定2～4級的評分值,計算公式如下:U(x)=U(xu)+x?xuxl?xuU(xu)?????????(1)U(x)=U(xu)+x-xuxl-xuU(xu)?????????(1)式中:U(x)、U(xu)分別為指標(biāo)當(dāng)下評分值與下界評分值;xu、xl分別為指標(biāo)值的下、上界線值。(3)模糊分層法。河道健康評判體系是一個多約束、多層次與多目的的綜合性決策問題,因而對于每個試驗的判定值可運用凸模糊規(guī)劃理論確定,其計算方式方法為:AT=j=14bjajA=j=14bjaj;Au=j=15bjajAu=j=15bjaj;AR=j=14bjajAR=j=14bjaj;MfE=j=14bjaj?????????(2)fE=j=14bjaj?????????(2)式中:MfE、Au、AR、AT分別為評價體系中準(zhǔn)則層人類健康、物理化學(xué)、社會經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)功能指標(biāo);bj、aj分別為小項目從屬度與權(quán)屬。根據(jù)以上計算結(jié)果和模糊判決原理,最終可確定河道健康分層模糊,計算公式為:BNi=AT+AR+Au+MfE(3)式中:、、、分別為準(zhǔn)則層各參數(shù)的權(quán)數(shù);BNi為第i個河道的總評判結(jié)果。2、實例應(yīng)用2.1、細(xì)河河道大概情況細(xì)河起源于阜新縣八家子鄉(xiāng)并屬于大凌河水系,河流面積3083km3,主要支流有小胡家河、九營子河、湯頭河以及清河等。流域內(nèi)植被覆蓋良好,海拔高度位于80～560m范圍,地勢特征由北向南逐步降低,具有典型的洪水暴漲暴落特征,因而為山溪性河流。位于溫帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,冬冷夏熱,日照充足,年均氣溫為8.0℃～12.6℃,年降水量在450～600mm范圍,資料顯示每年的7-8月為降雨汛期,華而不實60.5%以上降水發(fā)生在汛期,主要以強降雨和暴雨形式出現(xiàn)。該流域主要徑流山間河谷平原區(qū)、低山丘陵區(qū)和下游平原區(qū),并以低山丘陵區(qū)為主。根據(jù)相關(guān)資料,細(xì)河河道在阜新市阜蒙縣境內(nèi)的洪澇災(zāi)禍發(fā)生較為頻繁,華而不實有記載資料的決口處達(dá)60多處,該區(qū)段河道整治相對滯后,河道防洪標(biāo)準(zhǔn)低質(zhì)量差、河道護(hù)坡毀壞較為嚴(yán)重并明顯制約著城市的發(fā)展,不僅對沿河生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的毀壞,而且對人們財產(chǎn)安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展構(gòu)成潛在威脅。水利相關(guān)部門與高度重視阜蒙縣境內(nèi)的河道健康問題,近年來開展了一系列的治理措施并獲得了明顯的成效,在保證徑流區(qū)交通航運、灘區(qū)人們安全、工農(nóng)業(yè)與生活用水以及防洪安全等方面發(fā)揮著重要的積極作用。通過利用科學(xué)、合理的方式方法開展該區(qū)段河道健康的評價研究,對于促進(jìn)阜蒙縣區(qū)域發(fā)展與河道生態(tài)環(huán)境保衛(wèi)具有重要的現(xiàn)實意義。2.2、結(jié)果分析采用本文所述計算方式方法和VS平臺軟件建立河道健康綜合評價模型,然后運用模型科學(xué)評價了遼寧省阜新市阜蒙縣境內(nèi)的細(xì)河河道健康狀態(tài),如表2所示。利用VS平臺軟件并輸入上述評分值,進(jìn)而可確定河道健康評價體系準(zhǔn)則層各指標(biāo)評分,然后綜合各準(zhǔn)則層評分值確定最終的得分,結(jié)果如3所示。表2阜蒙縣境內(nèi)細(xì)河河道健康狀態(tài)表3細(xì)河河道健康綜合評價結(jié)果根據(jù)表3計算結(jié)果可知,遼寧省阜新市阜蒙縣境內(nèi)的細(xì)河河道健康整體處于健康與亞健康之間的狀態(tài),其健康程度為一般水平。評價體系中準(zhǔn)則層中各指標(biāo)評分中,綜合評價結(jié)果與人類健康、物理化學(xué)的變化趨勢保持良好的一致性;而生態(tài)功能的評分相對較差,社會經(jīng)濟(jì)價值評價結(jié)果較好。由此表示清楚,在今后的河道整治工程中應(yīng)注重對河道生態(tài)環(huán)境的治理,進(jìn)而確保河道水體環(huán)境的良性循環(huán)。另外,還要考慮非工程防洪措施,加強河道生態(tài)景觀的治理,進(jìn)而保證河道健康狀態(tài)。3、結(jié)束語影響河道健康評價的因素較多,且各因素具有不確定性、隨機性特征,因而可考慮引入模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行綜合評價,本文以新市阜蒙縣境內(nèi)的細(xì)河河道驗證了該方式方法的可行性與合理性,得出的主要結(jié)論如下:(1)構(gòu)建的河道健康評價體系包括目的層、準(zhǔn)則層以及指標(biāo)層3個級別,華而不實目的層主要具體表現(xiàn)出在河道人水和諧發(fā)展以及維護(hù)河流健康方面;準(zhǔn)則層主要包括人類健康、物理化學(xué)、社會經(jīng)濟(jì)價值以及生態(tài)功能4個方面。(2)基于VS平臺軟件和模糊數(shù)學(xué)法構(gòu)建綜合評價模型,并以細(xì)河為例評價了河道健康狀態(tài)。該河道健康整體處于健康與亞健康之間的狀態(tài),其健康程度為一般水平。評價體系中準(zhǔn)則層中各指標(biāo)評分中,綜合評價結(jié)果與人類健康、物理化學(xué)的變化趨勢保持良好的一致性;而生態(tài)功能的評分相對較差,社會經(jīng)濟(jì)價值評價結(jié)果較好。(3)所構(gòu)建的模型和計算方式方法能夠有效避免單因素片面分析的缺陷,在河道健康評價中具有計算簡單、結(jié)果可靠等優(yōu)點,可為河道生態(tài)治理與水環(huán)境保衛(wèi)提供一定參考根據(jù)。以下為參考文獻(xiàn)[1]王偉,楊曉華,陳強.基于ELMAN網(wǎng)絡(luò)的河流健康復(fù)雜系統(tǒng)綜合評價[J].水電能源科學(xué).2007.25(2):1-4.[2]吳阿娜