基于模糊层次分析法的河流景观需水量评价指标体系的建立

栾 丽，杨玖贤，谭 平，张玉杉，李 雪

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 研究背景及进展

1.1 研究背景及研究意义

河流是人类文明的发祥地，为人类活动提供了丰富的饮用水、工业用水和灌溉用水水源，同时也是大量动植物、微生物的栖息生境和迁徙走廊。河流生态系统是地球上具有独特魅力的。随着社会的进步，人类精神文化需求的不断发展，河流作为一项重要的景观资源也越来越为人们所重视，同时又是受人类活动干扰最强烈的。而河流要保持其美学特征，必须在河道中存有足够的水量。引水式电站修建后，河道流量大幅下降，对河流景观特征改变较大。

引水式电站修建后河道将形成减、脱水河段，原河流水文情势和水域形态将发生根本性的改变，研究引水式电站的景观需水量对维护河流正常的生态功能至关重要。景观生态环境需水量是维持河流与其水文周边景观生态系统的结构和功能的完整性不受破坏所需的水量。它包括了两层含义：一是维持河道内生态系统完整性的需水量；二是维持河道和周边环境组成的景观优美的需水量。它属于生态环境需水概念范畴，但又有别于一般意义上的生态环境需水。与生态环境需水一样，景观生态环境需水具有生态、环境和自然属性，如时空特征的动态变量，与水资源及分布特性、人类文明进步和生态环境保护的目标有关。在开发利用河流水能资源的同时，必须兼顾考虑河流的景观资源利用，达到一个和谐的平衡。

由于目前对河流景观与河流流量之间的关系还缺乏定量的研究，本研究借鉴自然风景评价的思路，从河流景观的自身美学质量和景观敏感度两方面来进行研究，建立了各自的评价指标。河流自身的美学质量评价指标中采用了大量的河流水文参数，以使河流景观质量和河流流量建立起联系。

1.2 国内外研究进展

生态需水量计算方法的研究取得了一定的进展,但生态需水量研究还缺乏统一的概念和理论,对计算方法的研究也不够深入和完善,基本停留在定性分析与宏观定量阶段。另外，由于水和生态的关系非常复杂,生态需水研究尚处在初级阶段,理论研究处在探索之中,计算方法还不能全面真实地反映实际情况,计算结果可能存在较大风险，加之生态需水与气候、水文、地理、地质、社会经济等密切相关,因此一些源自国外的生态需水量计算方法不一定适合中国的情况。在使用这些方法时,一是要弄清它的适用条件,二是要研究出适合我国的计算方法,三是要拓展生态需水量的应用性研究。从目前已有的计算方法来看,还没有一种比较通用的能量化所有参数并反映各参数之间相互影响的估算生态需水量的方法。笔者认为:在生态水利工程建设与河流生态修复的前提下,以生态流速和生态水力半径等概念为基础提出的生态水力半径法,能为保持河流生态系统的正常功能提供理论支持。本方法的创新之处在于,针对河流生态需水特点及其参数要求,提出了一种同时考虑河道本身信息(水力半径)和生态所需的流速(生态流速)来估算生态需水量的方法。

2 模糊层次法的基本原理

2.1 模糊层次分析法(FAHP)简介

层次分析法(AHP)是美国在20世纪70年代出现的一种定性分析和定量分析相结合的系统分析方法，其特点是将人的主观判断过程数学化、思维化，以便使决策依据易于被人接受，因此，更能适合复杂的社会科学领域的情况。模糊层次分析法的基本思想和步骤与AHP的步骤基本一致，但仍有以下两方面的不同点[1]：(1)建立的判断矩阵不同；(2)求矩阵中各元素的相对重要性的权重的方法不同。

2.2 模糊一致矩阵相关理论

模糊层次分析法的关键是建立起模糊一致矩阵。模糊一致矩阵相关的几个基本概念和相关定理如下[2]：

基本概念：

定义1：设矩阵R=(rij)n×n，若满足: 0≤rij≤1，(i=1，2 ，…，n；j=1,2,…,n) ， 则称R是模糊矩阵。

定义2：若模糊矩阵R=(rij)n×n满足：rij+rji=1, (i=1,2 ，…，n;j=1，2 ,…，n) ，则称模糊矩阵R是模糊互补矩阵。

定义3：若模糊互补矩阵R=(rij)n×n满足：Vi，j,k,rij=rik-rjk+0.5，则称模糊矩阵R是模糊一致矩阵。

相关定理：

2.3 模糊层次分析法进行决策的一般步骤

(1)建立决策问题的层次递阶结构模型。第一层为目标层，第二层为准则层，是评价的主指标体系；第三层为子指标层，是对第二层指标的细化；第四层为方案层。

(2)构造决策问题的模糊一致判断矩阵。假设某一层的元素A同下层次中的元素B1，B2，…，Bn有联系，则根据它们两两比较重要程度构造模糊一致判断矩阵。

(4)层次总排序。在层次单排序的基础上，求出各方案的优劣程度系数，得出各方案的优劣评价数，选择优化方案。

3 利用FAHP进行河流景观总体评定的步骤

3.1 河流景观评价指标体系的构建

3.1.1 河流景观评价指标体系构建原则

为了使所建立的评价指标体系能够综合反映河流景观评价的各个方面, 在评价指标体系构建过程中就需要遵循一定的基本原则。一般而言, 河流景观评价指标体系构建时必须遵循以下基本原则:

(1)科学性原则。指标体系建立在科学基础上, 指标概念明确, 并且有一定的科学内涵, 能够反映河流景观评价的内容。

(2)系统性原则。将河流景观作为一个独立的整体, 置身于周围的自然景观或人工景观系统之中, 并从这个大系统中研究河流景观评价问题。不能孤立地研究河流景观的指标, 而应通过所设计的指标体系, 系统地反映现象中的内在本质。

(3)动态性原则。河流景观与自然景观和人工景观的协调、适应,既是一个目标, 又是一个过程, 在一定时期应保持相对的稳定性, 这就决定了指标体系应具有动态性。

(4)定性指标与定量指标相结合的原则。河流景观评价指标体系应尽可能量化, 但对于一些意义重大却又难于量化的指标, 也可用定性指标来描述。

3.1.2 河流景观评价指标体系构建框架

河流的视觉景观形象、河岸的环境生态绿化、河流功能行使上的大众行为心理构成了河流景观的三元, 是进行河流景观分析评价的依据。河流的视觉景观形象与美学有关, 环境生态绿化与环境有关, 大众行为心理与功能有关。因此, 对于河流景观评价指标体系的研究可以从环境、功能、美学三方面入手。

3.1.2.1 河流景观环境分析评价指标体系

河流景观环境分析评价应以自然和生态原则为基本依据, 将电站建设项目本身及影响区内自然的、生态的、人文的、社会的综合体作为特定结构功能和动态特征的宏观系统来研究。这种环境分析评价可从电站建设对地形、地貌的影响，对生态环境的影响和对自然景观的影响三方面来考虑, 具体评价指标见图1。

3.1.2.2 河流景观功能分析评价指标体系

河流景观功能分析评价可从河流景观绿化功能和河流景观服务功能二方面来进行, 具体评价指标见图2。

3.1.2.3 河流景观美学分析评价指标体系

河流景观美学分析评价可从公路与沿线景观的协调、公路绿化视觉效果、沿线附属工程的视觉效果三方面来进行, 具体评价指标见图3。

图1 河流景观环境分析评价指标体系

图2 河流景观功能分析评价指标体系

图3 河流景观美学分析评价指标体系

3.2 建立递阶层次结构模型

在上文分析的基础上，建立了河流景观评价的递阶层次模型(见图4)。该阶梯层次由4层组成：最高层(总目标层)为河流景观评价体系A；准则层1(分目标层)由河流景观环境评价B1、河流景观功能评价B2和河流景观美学评价B3三大类组成；子准则层2(评价内容)包括8项评价内容；指标层(评价指标)包括30个具体指标。4个层次分别用A、B、C、D表示，各层次内组成因素分别用B1～B3、C1～C8、D1～D30表示。

图4 河流景观评价的递阶层次模型

4 结 语

本文以景观三元论为基础，结合引水式电站自身的特点，从环境、功能、美学三方面选取了河流的景观评价指标体系，并选用了基于AHP的多级模糊综合评价方法建立了河流景观需水量评价和计算的指标体系，为合理确定电站下泄生态流量奠定了基础。同时，该模型可以推广到其他河流景观需水量的研究上。

参考文献：

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[3] 贺涛，杨志峰，崔保山.河道内生态环境补水量分析及整合计算研究[J].水土保持研究，2007，14(1)：148-150.

[4] Gippel G J,stewardson M J.Use of wetted perimeter in defining minimum environment flows[J].Regulated rivers：research and management， 1998，14(1)：53-67.

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