貢 力，王 婧，靳春玲，陸麗麗，魏曉悅

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.蘭州交通大學(xué)調(diào)水工程及輸水安全研究所，甘肅 蘭州 730070)

“人水和諧”觀念是可持續(xù)發(fā)展觀在水資源領(lǐng)域的重要體現(xiàn)[1]，隨著城鄉(xiāng)建設(shè)的快速推進(jìn)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)河道砂石資源的需求日益增加，如何貫徹落實(shí)“人水和諧”觀念，推動(dòng)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展，是當(dāng)前黃河治理面臨的一項(xiàng)重大課題。近年來，河道無序采砂現(xiàn)象造成的河道流路和流速改變，流量和水量分配失調(diào)，水位變化等一系列問題，給河道安全，包括河勢(shì)穩(wěn)定以及防洪、通航、供水和水生態(tài)等方面帶來了嚴(yán)重影響。因此，對(duì)黃河蘭州段河砂開采的影響進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，對(duì)河道穩(wěn)定及周圍環(huán)境保護(hù)和生態(tài)安全具有重要意義。

基于保障河道安全的砂石資源優(yōu)化利用的相關(guān)研究起步雖然較晚，但已取得了很多研究成果。Neyshabouri等[2]對(duì)河沙均勻沉積的河床中矩形礦坑的遷移和縱向剖面變化情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)遷移速度與礦坑的長(zhǎng)寬比相關(guān)，而且對(duì)流期遷移速度高于擴(kuò)散期；Lanzoni等[3]采用一維河床模型對(duì)意大利波河(Po River)采砂河段達(dá)到?jīng)_淤動(dòng)態(tài)平衡的條件進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了河道未來發(fā)展趨勢(shì)；Bhattacharya等[4]分析了河道采砂對(duì)印度South Bengal河河道水質(zhì)以及河內(nèi)生物群的影響；王卓甫等[5]提出應(yīng)當(dāng)控制砂石開采量來調(diào)控砂石價(jià)格，并構(gòu)造了年度開采量和規(guī)劃期內(nèi)多年開采量的優(yōu)化模型；江豐等[6]采用定量分析方法研究了2001—2010年鄱陽湖河道采砂的水文效應(yīng)和水體泥沙效應(yīng)；于合理等[7]通過數(shù)值模擬的方法研究了河道采砂對(duì)河床的影響程度；胡巍巍[8]通過比較采砂前后平均水位變化，分析了韓江河道采砂對(duì)其生態(tài)環(huán)境及水文地質(zhì)的影響。目前，對(duì)于河道采砂影響的研究以定性分析較多，需要進(jìn)一步的深入探討。本文基于和諧論，通過建立河道采砂影響綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用改進(jìn)的G2和CRITIC賦權(quán)法進(jìn)行主客觀組合賦權(quán)確定指標(biāo)權(quán)重，對(duì)黃河蘭州段河道采砂對(duì)河道安全及環(huán)境安全的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為相關(guān)研究提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

甘肅蘭州位于黃河中上游，黃河自西向東穿城而過。黃河蘭州段西起八盤峽東至烏金峽，全長(zhǎng)152 km，其中市區(qū)段西起西柳溝，東至桑園峽，全長(zhǎng)45 km。上游距離蘭州鐵橋45 km、62 km、93 km處分別建有八盤峽、鹽鍋峽、劉家峽三大水庫，自西向東設(shè)有28個(gè)水文大斷面，峽谷地段河道比較窄，因此水流較急，川地河段河道寬淺，水流較為緩慢。河段河床多由砂卵石組成，其縱向基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，沖淤變化較小。

黃河蘭州段河道采砂主要集中于安寧區(qū)、七里河區(qū)、皋蘭縣等地區(qū)，主要采砂場(chǎng)有蘭州市安寧黃河采砂廠、蘭州市七里河區(qū)崔家崖迎門灘采砂廠等。通過對(duì)采砂船的類型、數(shù)量、分布等進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，并采用奧維高清衛(wèi)星地圖進(jìn)行校正可知，黃河蘭州段沖吸式抽砂船年均采砂量約為2.0萬m3，鏈斗式挖砂船年均挖砂量約為4.0萬m3，經(jīng)兩次現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，黃河蘭州段的采砂船總數(shù)為39臺(tái)，其中沖吸式36臺(tái)、鏈斗式3臺(tái)，因此年采砂總量約為84萬m3?？紤]到部分砂場(chǎng)位置隱秘或者不允許調(diào)查人員進(jìn)入，結(jié)合《黃河泥沙公報(bào)》中數(shù)據(jù)估算黃河蘭州段實(shí)際年采砂總量約107萬m3。

由于河勢(shì)條件、河岸岸坡坡比、河床沖淤變幅、防洪標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性、防洪調(diào)節(jié)能力指數(shù)等評(píng)價(jià)指標(biāo)難以量化，因此通過專家打分法獲得相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)通過查詢《黃河水資源公報(bào)》《黃河泥沙公報(bào)》《蘭州市統(tǒng)計(jì)年鑒》等統(tǒng)計(jì)資料獲得，共收集了2013—2018年16項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 評(píng)價(jià)方法與指標(biāo)體系

2.1 組合賦權(quán)法

本文通過基尼系數(shù)改進(jìn)的G2法進(jìn)行主觀賦權(quán)，通過標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)改進(jìn)的CRITIC法進(jìn)行客觀賦權(quán)，結(jié)合拉格朗日最優(yōu)乘子法進(jìn)行優(yōu)化組合賦權(quán)。該方法彌補(bǔ)了主觀賦權(quán)和客觀賦權(quán)各自的不足，使評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重分配更加合理。

2.1.1基尼系數(shù)改進(jìn)的G2法

G2法即唯一參照物比較判斷法，是一種主觀賦權(quán)法，它可以直觀地體現(xiàn)專家的主觀觀點(diǎn)以及風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)[9]。基尼系數(shù)是經(jīng)濟(jì)學(xué)中衡量收入差距的指標(biāo)，本文用于衡量評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)間的差異程度。采用G2賦權(quán)法并引入基尼系數(shù)的概念，將專家賦予評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度之比替代為評(píng)價(jià)指標(biāo)基尼系數(shù)之比，可減少專家賦權(quán)人為干擾的程度。

從評(píng)價(jià)指標(biāo)集X={x1,x2,…,xn}中選擇一個(gè)相對(duì)于其他評(píng)價(jià)指標(biāo)最不重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)作為參照物，記為xt。以xt為參照物，利用兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的基尼系數(shù)之比確定其余評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于xt的重要程度。最后依次計(jì)算集合X中各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。計(jì)算步驟如下[9-11]：

a. 設(shè)Gi為評(píng)價(jià)指標(biāo)xi(i=1,2,…,n)的基尼系數(shù)，m為評(píng)價(jià)指標(biāo)xi的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，yip為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)從小到大排序后的第p個(gè)數(shù)據(jù)，yiq為第p個(gè)數(shù)據(jù)以外的任意數(shù)據(jù)，Yi為評(píng)價(jià)指標(biāo)xi所有數(shù)據(jù)之和，則有：

(1)

b. 根據(jù)基尼系數(shù)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)xi與xt相對(duì)重要程度的客觀賦值：

ki=Gi/Gt

(2)

式中Gt為xt的基尼系數(shù)。

c. 評(píng)價(jià)指標(biāo)xi的主觀權(quán)重為

(3)

2.1.2標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)改進(jìn)的CRITIC法

CRITIC法是一種客觀賦權(quán)法。CRITIC法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)客觀權(quán)重，通常是用評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比強(qiáng)度和評(píng)價(jià)指標(biāo)沖突性兩個(gè)量來衡量。評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比強(qiáng)度通常用評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差來表示，標(biāo)準(zhǔn)差越大，說明評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的差異越大，評(píng)價(jià)指標(biāo)所獲得的權(quán)重也越大。評(píng)價(jià)指標(biāo)沖突性用評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)來表示，相關(guān)系數(shù)越大評(píng)價(jià)指標(biāo)的沖突性就越小，說明評(píng)價(jià)指標(biāo)表示的信息量重復(fù)性越大，因此評(píng)價(jià)指標(biāo)獲得的權(quán)重越小。由此可見，CRITIC法相比信息熵法權(quán)重計(jì)算更加準(zhǔn)確、客觀。改進(jìn)后的CRITIC法計(jì)算步驟如下：

a. 對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，本文采用極差法，具體公式在此不做贅述。

b. 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)包含的信息量。設(shè)Ci為評(píng)價(jià)指標(biāo)xi所包含的信息量，則Ci可以表示為

(4)

式中：δi為評(píng)價(jià)指標(biāo)xi的標(biāo)準(zhǔn)差；rij為評(píng)價(jià)指標(biāo)xi和評(píng)價(jià)指標(biāo)xj的相關(guān)系數(shù)。Ci越大，評(píng)價(jià)指標(biāo)xi包含的信息量越大，該評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要性也就越大。由于相關(guān)系數(shù)表示的正相關(guān)和負(fù)相關(guān)所反映的評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)程度是相同的，因此可采用相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值來代替相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算[12]。由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)量綱、數(shù)量級(jí)不同，計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)差并不能很好地反映評(píng)價(jià)指標(biāo)的變異性，因此可以采用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)來表示。改進(jìn)后的信息量計(jì)算公式[12]為

(5)

式中μi為評(píng)價(jià)指標(biāo)xi的平均值。

c. 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。評(píng)價(jià)指標(biāo)xi的客觀權(quán)重為

(6)

2.1.3組合賦權(quán)

(7)

2.2 和諧度方程評(píng)價(jià)模型

和諧論[13]是左其亭教授2009年提出的，和諧論的定量表達(dá)即和諧度方程，在水資源問題研究中有著廣泛的應(yīng)用。本文通過計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的子和諧度，再對(duì)各因素加權(quán)后得到綜合和諧度來綜合評(píng)價(jià)黃河蘭州段河道采砂影響[13-15]。

根據(jù)和諧度方程的基本理論，前述評(píng)價(jià)指標(biāo)集X中的評(píng)價(jià)指標(biāo)xi與“綜合最優(yōu)”評(píng)價(jià)結(jié)果(針對(duì)綜合評(píng)價(jià))之間均存在一個(gè)子和諧度H(xi)：

H(xi)=au-bv

(8)

其中

a=φ(A1,A2)b=1-a

式中：a為統(tǒng)一度，表示參與者在和諧條件下“相同目標(biāo)”所占的比例；b為分歧度，表示在一定和諧條件下參與者與和諧目標(biāo)之間分歧所占的比例；u為和諧系數(shù)，用于反映和諧目標(biāo)的滿足程度，u=1表示完全滿足和諧目標(biāo)，u=0表示完全不滿足和諧目標(biāo)，其他情況u值在0和1之間，同統(tǒng)一度一樣可通過建立線性函數(shù)求得；v為不和諧系數(shù)，本文用于反映參與者對(duì)存在分歧現(xiàn)象的反對(duì)程度，因此v=b；φ(A1,A2)為和諧行為A1、A2兩者關(guān)聯(lián)度的隸屬函數(shù)。參考文獻(xiàn)[17]，當(dāng)H(xi)<0時(shí)，可定義H(xi)=0，因此H(xi)取值范圍為[0,1]。

采用加權(quán)平均的方法對(duì)所有評(píng)價(jià)指標(biāo)的H(xi)值進(jìn)行綜合，得到綜合和諧度H:

(9)

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

河道采砂影響涉及面較廣，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[16-20]，并參考采砂影響實(shí)際案例可知主要包括河勢(shì)穩(wěn)定、防洪安全、通航安全、供水安全和水環(huán)境安全等內(nèi)容。就黃河蘭州段而言，在歷年供水安全事故中未見主要由于采砂影響造成的案例，故采砂對(duì)供水安全影響較小，同時(shí)黃河蘭州段航運(yùn)并不發(fā)達(dá)，采砂對(duì)航運(yùn)影響較小，因此采砂對(duì)供水安全及航運(yùn)安全的影響可不予考慮?？紤]黃河蘭州段實(shí)際情況，從河勢(shì)穩(wěn)定、防洪安全、水環(huán)境安全三方面對(duì)河道采砂影響程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過選取有代表性、綜合性和可量化性的指標(biāo)，構(gòu)建出包括河勢(shì)穩(wěn)定5個(gè)二級(jí)指標(biāo)、防洪安全5個(gè)二級(jí)指標(biāo)、水環(huán)境安全6個(gè)二級(jí)指標(biāo)共16個(gè)二級(jí)指標(biāo)的黃河蘭州段河道采砂影響綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表1所示。

表1 黃河蘭州段河道采砂影響綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

Table 1 Comprehensive evaluation index system of river sand mining impact in Lanzhou reach of Yellow River

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分

結(jié)合相關(guān)研究成果[13-15]，將評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5級(jí)，分別表示“極為有利影響、有利影響、一般影響、不利影響、極為不利影響”。等級(jí)閾值的劃分標(biāo)準(zhǔn)參考了國(guó)內(nèi)外各評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值以及地區(qū)發(fā)展規(guī)劃要求值，將其作為中間值按一定比例進(jìn)行等級(jí)劃分得到等級(jí)閾值。對(duì)于無具體標(biāo)準(zhǔn)可參考的評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，根據(jù)專家意見和文獻(xiàn)[14]，按一定比例劃分得到其等級(jí)閾值。黃河蘭州段河道采砂影響評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)閾值如表2所示(限于篇幅，只列出部分?jǐn)?shù)據(jù))。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 2013—2018年評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

3 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

3.1 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1.1權(quán)重計(jì)算

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和專家打分得到2013—2018年各評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)如表3所示(限于篇幅，只列出部分?jǐn)?shù)據(jù))，分別運(yùn)用改進(jìn)的G2法和CRITIC法計(jì)算主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，通過組合賦權(quán)得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)最終權(quán)重如表4所示。

3.1.2和諧度計(jì)算

根據(jù)已有數(shù)據(jù)，通過建立相關(guān)線性函數(shù)圖分別求出統(tǒng)一度a、分歧度b、和諧系數(shù)u、不和諧系數(shù)v，參數(shù)計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[13-15]，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)子和諧度如表5所示。

根據(jù)式(9)對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)子和諧度進(jìn)行加權(quán)平均，得到2013—2018年綜合和諧度分別為0.165、0.116、0.216、0.166、0.198和0.208。和諧論所定義的和諧度取值范圍為0～1，為便于表達(dá)，以0.2為間隔將和諧度劃分為5個(gè)等級(jí)：(0.8,1.0]表示極為有利影響，(0.6,0.8]表示有利影響，(0.4,0.6]表示一般影響，(0.2,0.4]表示不利影響，[0,0.2]表示極為不利影響?？梢?015年和2018年黃河蘭州段河道采砂對(duì)河道為不利影響，其余各年均為極為不利影響。

3.2 結(jié)果分析

a. 由表4評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重分配可知，河道采砂對(duì)河道自身河勢(shì)條件、河床沖淤變幅、輸沙模數(shù)等的影響是最為重要的。河道采砂使采砂河段河床下切，上游河床坡度增大，流速將會(huì)加快，進(jìn)而導(dǎo)致河道泥沙和輸送能力之間的平衡關(guān)系被打破，使河道發(fā)生顯著的地形地貌變化。

表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)子和諧度

b. 由表5評(píng)價(jià)指標(biāo)子和諧度可知，總體而言，采砂對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)不利影響居多，對(duì)部分評(píng)價(jià)指標(biāo)造成的影響極大。除2014年外，采砂對(duì)河勢(shì)條件的影響基本無變化，河道的演變是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，短時(shí)間內(nèi)并不能表現(xiàn)出顯著變化；河岸岸坡坡比和諧度各年均為0.00，表明采砂對(duì)河岸岸坡坡比不利影響較大，采砂對(duì)河岸穩(wěn)定性影響較大，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行預(yù)防；河床沖淤變幅是反映河床穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其和諧度變化較大，分析可能是采砂坑位置及是否及時(shí)回填影響泥沙量和泥沙沉積導(dǎo)致的；平灘流量滿足率和挾沙能力變化率各年的和諧度變化幅度不大，但分析其仍處于不利影響，和諧度變化可能與采砂量和年降水量等因素有關(guān)；最大流量的和諧度偏低，其影響因素除采砂外可能還與防洪能力有關(guān)；過水?dāng)嗝婷娣e、水面平均寬度各年的和諧度變化幅度不大，但過水?dāng)嗝婷娣e和水面平均寬度的變化必定會(huì)對(duì)防洪安全有所影響，尤其是對(duì)沿河工程影響更為嚴(yán)重；防洪標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性和防洪調(diào)節(jié)能力指數(shù)是遭遇洪水時(shí)預(yù)防和泄洪能力的反映，應(yīng)注意采砂對(duì)岸坡和河床的影響，避免出現(xiàn)沿岸建筑物地基失穩(wěn)以及水電站泄洪調(diào)節(jié)不及時(shí)的情況；年均中數(shù)粒徑是沙粒粗細(xì)的反映，對(duì)水體渾濁度有重要影響，其和諧度反映出的影響為一般或輕微不利；年徑流量影響因素主要為水流流速和斷面面積，除2013年外各年和諧度均為0.00，表明采砂對(duì)其影響極為不利，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注；流速變化使得水流可輸送的泥沙量隨之變化，造成了年均含沙量及輸沙模數(shù)兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的和諧度不斷變化；河道生態(tài)需水保證率和水質(zhì)達(dá)標(biāo)率對(duì)河道生態(tài)系統(tǒng)極為重要，采砂方式和采砂機(jī)械都有可能對(duì)部分水體造成污染，應(yīng)以預(yù)防為主。

c. 從綜合和諧度來看，除2015年和2018年河道采砂影響程度為不利影響外，其余各年均為極為不利影響。說明河道采砂對(duì)黃河蘭州段河勢(shì)穩(wěn)定、防洪安全、水環(huán)境安全并無益處，除為疏通部分河道等進(jìn)行的公益性采砂外，在一定時(shí)期內(nèi)不宜再進(jìn)行河砂開采，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)以生態(tài)恢復(fù)為主，避免采砂對(duì)河道安全及水環(huán)境安全造成進(jìn)一步的破壞。

4 結(jié) 語

本文通過建立黃河蘭州段河道采砂影響綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用基尼系數(shù)改進(jìn)的G2法和標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)改進(jìn)的CRITIC法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)組合賦權(quán)，基于和諧論建立了評(píng)價(jià)模型對(duì)黃河蘭州段2013—2018年河道采砂影響進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，得到了各評(píng)價(jià)指標(biāo)子和諧度以及各年綜合和諧度，由此分析出了河道采砂影響程度等級(jí)。由最終評(píng)價(jià)結(jié)果可知，2013年、2014年、2016年、2017年黃河蘭州段河道采砂影響評(píng)價(jià)等級(jí)為極為不利影響，2015年和2018年為不利影響。這表明黃河蘭州段河道采砂對(duì)河道安全及水環(huán)境安全有破壞作用，與黃河蘭州段實(shí)際情況相符，在一定時(shí)期內(nèi)需要對(duì)黃河蘭州段河道采砂進(jìn)行控制和預(yù)防，避免采砂對(duì)河道安全及水環(huán)境安全造成進(jìn)一步破壞。本文基于和諧論建立評(píng)價(jià)模型，相比傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法更加簡(jiǎn)單靈活，能夠準(zhǔn)確分析系統(tǒng)存在的不和諧因素，判定系統(tǒng)子和諧度及系統(tǒng)整體和諧程度，在河道采砂影響評(píng)價(jià)中具有推廣價(jià)值。