基于模糊層次分析法的水生態(tài)文明綜合評(píng)價(jià)
——以四川省西充縣為例

何海吉

(南充市西充縣水務(wù)局，四川 西充 637200)

近年來，我國(guó)人民對(duì)美好生態(tài)環(huán)境的需求日益強(qiáng)烈，黨的十九大報(bào)告明確指出“建設(shè)生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì)”，而水又是生態(tài)的重要控制因素，因此有必要重視水生態(tài)文明評(píng)價(jià)工作，為水生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)支撐[1- 2]。目前，國(guó)內(nèi)外的水生態(tài)文明評(píng)價(jià)方法主要包括網(wǎng)絡(luò)層次分析法[3]、改進(jìn)熵權(quán)法[4]、隨機(jī)森林回歸算法[5]等，但此項(xiàng)研究尚處于起步階段，未形成統(tǒng)一、全面而成熟的方法或標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合層次分析法和模糊評(píng)價(jià)法在水生態(tài)文明評(píng)價(jià)中的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)四川省南充市西充縣近5年的水生態(tài)文明進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為該地區(qū)水生態(tài)文明的建設(shè)規(guī)劃與成效考核提供科學(xué)依據(jù)，并為相關(guān)研究或應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。

1 評(píng)價(jià)方法

1.1 研究區(qū)域概況

西充縣位于四川省南充市，幅員面積1106km2，人口61.58萬。全縣流域面積在100km2以上河流有6條，年平均氣溫16.9℃，年降雨量980.8mm，無霜期300d以上。西充縣生態(tài)環(huán)境良好，氣候溫和，是“四川省十大宜居城市”之一。作為全國(guó)生態(tài)文明示范工程試點(diǎn)縣，近年來西充縣生態(tài)治理成效顯著，城鄉(xiāng)環(huán)境不斷改善，得到了社會(huì)的廣泛認(rèn)可，課題組對(duì)該地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)的路徑選擇背景、基本做法與成效、經(jīng)驗(yàn)與啟示進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)研與總結(jié)，但尚缺乏一個(gè)針對(duì)水生態(tài)文明建設(shè)水平的定量式綜合評(píng)價(jià)成果。

1.2 模糊層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱AHP)是將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、指標(biāo)、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法[7]；模糊評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法，主要根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)[6]。本文綜合層次分析法和模糊評(píng)價(jià)法在水生態(tài)文明評(píng)價(jià)中的優(yōu)點(diǎn)，采用層次分析法構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)、確定指標(biāo)權(quán)重值，再采用模糊評(píng)價(jià)法確定指標(biāo)評(píng)價(jià)值。模糊層次分析法，第i年的水生態(tài)文明指數(shù)值Zi可表示為：

Zi=∑wjzij

(1)

式中，wj—第j個(gè)方案層指標(biāo)的權(quán)重值；zij—第i年第j個(gè)方案層指標(biāo)的評(píng)價(jià)值。

1.3 層次結(jié)構(gòu)與指標(biāo)論域

基于層次分析法構(gòu)建水生態(tài)文明綜合評(píng)價(jià)體系，本文借鑒崔東文與金波的研究成果[5]，從水資源、水環(huán)境等6個(gè)方面選取24個(gè)具有較強(qiáng)代表性的指標(biāo)，構(gòu)成水生態(tài)文明的綜合評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)，并根據(jù)該文獻(xiàn)中的指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定各指標(biāo)的論域，論域是指某指標(biāo)的常見最小值與最大值。

2 評(píng)價(jià)結(jié)果

2.1 方案層指標(biāo)評(píng)價(jià)值

基于模糊評(píng)價(jià)法確定方案層各指標(biāo)的評(píng)價(jià)值z(mì)ij，其中模糊邏輯分析主要采用MATLAB的Fuzzy Logic工具箱。①定義指標(biāo)層各指標(biāo)的論域，輸入數(shù)據(jù)見表1。②構(gòu)建模糊邏輯隸屬曲線以確定不同值在某一集合中的隸屬度；本文建立“B”、“M”、和“G”3個(gè)集合，其中“B”表示不利于水生態(tài)文明，“M”表示中等，“G”表示有利于水生態(tài)文明；選用的隸屬度方程為較為常用的“Gbellmf”方程。水資源開發(fā)利用率等6項(xiàng)指標(biāo)的隸屬曲線如圖1所示；以水資源開發(fā)利用率指標(biāo)為例，當(dāng)實(shí)際值為41%時(shí)，該指標(biāo)對(duì)“B”的隸屬度約為0.15，對(duì)“M”的隸屬度約為0.95，而對(duì)“G”的隸屬度約為0.50。③輸入西充縣各指標(biāo)層指標(biāo)的實(shí)際數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)值主要來源于南充市和西充縣水資源公報(bào)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、相關(guān)總結(jié)報(bào)告與文獻(xiàn)[8]等。④建立計(jì)算規(guī)則，即采用數(shù)字化與程序化的方式來表達(dá)和代替判斷思維過程，本文選取常用的“IF-THEN”規(guī)則，可表達(dá)“若水資源開發(fā)利用率低、水資源穩(wěn)定性強(qiáng)、水資源密度大、人均水資源多、河道生態(tài)基流用水保障率高，則水資源指標(biāo)評(píng)價(jià)值大”等思維過程。⑤運(yùn)行計(jì)算，得到西充縣水生態(tài)文明準(zhǔn)則層各指標(biāo)的評(píng)價(jià)值，如圖2所示。

表1 水生態(tài)文明綜合評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)與元素論域

圖1 水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬曲線

圖2 西充縣水生態(tài)文明準(zhǔn)則層指標(biāo)評(píng)價(jià)值

水資源要素受自然氣候條件的影響較大，因此西充縣的水資源狀況在近5年中沒有呈現(xiàn)出清晰的變化趨勢(shì)。近年來，西充縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理站等項(xiàng)目相繼建成運(yùn)行，水環(huán)境呈現(xiàn)明顯改善趨勢(shì)；城南濕地公園等生態(tài)項(xiàng)目陸續(xù)開發(fā)完成，自2013年以來水生生物條件也略有提升；升鐘灌區(qū)等建設(shè)管理工作不斷推行，提高了西充縣的水利用效率；相關(guān)部門的生態(tài)責(zé)任不斷彰顯，水管理能力有所加強(qiáng)；生態(tài)文明建設(shè)各項(xiàng)主題活動(dòng)實(shí)施到位，提高了群眾的生態(tài)文化素養(yǎng)。綜上，模糊評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況吻合度較高，評(píng)價(jià)結(jié)果較為可信。

2.2 方案層指標(biāo)權(quán)重值

采用層次分析法確定各方案層指標(biāo)的權(quán)重值wj。

(1)建立方案層各指標(biāo)之間的成對(duì)比較矩陣，見表2；成對(duì)比較矩陣實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)指標(biāo)相對(duì)重要性的定量化表達(dá)，例如，第1行第2列和第2行第1列的數(shù)值分別為1/3和3，其含義為“水環(huán)境”指標(biāo)比“水資源”相對(duì)于水生態(tài)文明略重要。

表2 水生態(tài)文明綜合評(píng)價(jià)成對(duì)比較矩陣

(2)對(duì)成對(duì)比較矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，相關(guān)方程為：

(2)

(3)

式中，CI—矩陣的不一致程度指標(biāo)，該值越大，矩陣的不一致性越嚴(yán)重；λmax(A)—矩陣A的最大特征值；n—矩陣的階數(shù)；RI—平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，可根據(jù)矩陣階數(shù)查表得到；CR—矩陣的隨機(jī)一致性比率，當(dāng)CR小于0.1時(shí)，判定成對(duì)比較矩陣具有滿意的一致性，否則就要對(duì)矩陣進(jìn)行調(diào)整。

采用MATLABR軟件的“Eigs”命令計(jì)算表2所示矩陣的最大特征根為6.6285，計(jì)算得CI值為0.1257，查得RI值為1.26，最終得CR值為0.0998，該值小于0.1，滿足要求。

(3)計(jì)算方案層各指標(biāo)的權(quán)重值。采用MATLAB的“Eigs”命令得到表2所示矩陣的特征向量，該向量對(duì)應(yīng)于各指標(biāo)的分量見表3。對(duì)特征向量值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即取各分量的絕對(duì)值并使各分量之和等于1，得到權(quán)向量(表3)。權(quán)向量對(duì)應(yīng)于各評(píng)價(jià)指標(biāo)的分量值即是各指標(biāo)的權(quán)重值wj。

2.3 水生態(tài)文明綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)圖2所示的zij值和表3所示的wj值，利用公式(1)得到西充縣水生態(tài)文明的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，如圖3實(shí)線所示。根據(jù)圖3可知，西充縣的水生態(tài)文明指數(shù)從2012年的0.654上升至2016年的0.734，距離理想狀態(tài)(指數(shù)為1)尚存距離，但總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；該指數(shù)的滑動(dòng)平均值也逐年增大，因此可以認(rèn)為西充縣近5年來水生態(tài)文明建設(shè)水平不斷提升。在實(shí)際情況中，2012年隨著全國(guó)生態(tài)文明示范工程試點(diǎn)縣項(xiàng)目的全面實(shí)施，西充縣堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先，充分發(fā)揮自然條件和生態(tài)資源的比較優(yōu)勢(shì)，生態(tài)治理成效顯著，因此，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況基本保持一致又對(duì)實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了定量表達(dá)，具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。西充縣水生態(tài)文明指數(shù)的線性趨勢(shì)線斜率為0.0196，該值可表示近5年來西充縣水生態(tài)文明水平的提升速度，但趨勢(shì)線的最大似然系數(shù)相對(duì)較低，說明線性趨勢(shì)線不足以準(zhǔn)確表達(dá)西充縣近5年中具體各年份的水生態(tài)文明變化情況。二次多項(xiàng)式擬合方程的最大似然系數(shù)高達(dá)0.9947，擬合度較高，可用于定量地代表近5年的水生態(tài)文明發(fā)展水平；該方程中二次項(xiàng)系數(shù)為正，說明西充縣先水生態(tài)文明的進(jìn)步速度也在不斷提升。

圖3 西充縣水生態(tài)文明綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié)語

基于模糊層次分析法對(duì)西充縣2012～2016年的水生態(tài)文明水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，該地區(qū)的水生態(tài)文明水平總體呈現(xiàn)不斷提升的趨勢(shì)，且進(jìn)步速度也在逐漸加快，與實(shí)際情況基本保持一致。但是，西充縣的水生態(tài)文明水平距離理想狀態(tài)尚有差距，因此可重點(diǎn)加強(qiáng)水生生物生境和水文化等薄弱環(huán)節(jié)的改進(jìn)，并兼顧水資源、水環(huán)境、水利用和水管理等方面的提高，有步驟、有計(jì)劃地提升該地區(qū)的水生態(tài)文明水平。