基于改進(jìn)G1-和諧度方程的蘭州市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)

貢 力， 逯曄坤， 靳春玲， 祁英弟， 路瑞琴， 馬夢(mèng)含

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

1 研究背景

水生態(tài)文明是人類遵循人、水、自然、社會(huì)和諧發(fā)展這一客觀規(guī)律，并貫穿于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和“自然-人工”水循環(huán)的全過(guò)程，反映了社會(huì)人水和諧程度和文明進(jìn)步狀態(tài)[1-2]。開(kāi)展水生態(tài)文明建設(shè)，加快實(shí)施水資源管理制度、合理調(diào)配水資源、保證供水安全、倡導(dǎo)節(jié)約用水、減少污染以及治理生態(tài)環(huán)境，徹底解決人民長(zhǎng)期承受的“水多之患”、“水少之怕”、“水臟之憂”等問(wèn)題，就必須建立水生態(tài)文明評(píng)價(jià)體系，這一體系是水資源管理領(lǐng)域的一種新思想新理念,也是面對(duì)國(guó)家生態(tài)文明評(píng)價(jià)大形勢(shì)下水利行業(yè)的一個(gè)重要響應(yīng)。

自從水生態(tài)文明建設(shè)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施以來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者相繼開(kāi)展了大量研究并取得了較大進(jìn)展，不僅在內(nèi)涵方面進(jìn)行了深層次的研究，而且從多角度建立了指標(biāo)評(píng)價(jià)及評(píng)價(jià)方法[3～8]。例如：左其亭[9]以生態(tài)文明理念為基礎(chǔ)，對(duì)水生態(tài)文明建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題作出分析并提出具體建議；劉海嬌等[10]從水資源開(kāi)發(fā)利用、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水景觀營(yíng)造和水管理保障4方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并建立了熵權(quán)和可拓相結(jié)合的水生態(tài)文明評(píng)價(jià)模型；王富強(qiáng)等[11]從最嚴(yán)格水資源管理、水資源優(yōu)化配置等方面構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以鄭州市為例進(jìn)行了水生態(tài)文明城市建設(shè)相關(guān)評(píng)價(jià)；黃顯峰等[12]考慮了水生態(tài)文明建設(shè)的5個(gè)相關(guān)方面構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并建立基于實(shí)數(shù)編碼的加速遺傳算法的投影尋蹤評(píng)價(jià)模型；王浩[13]以“自然-社會(huì)”二元多過(guò)程的演變規(guī)律為核心，從防洪抗旱、高效供水、水生態(tài)、水文化和水管理五大體系出發(fā)，對(duì)水生態(tài)文明建設(shè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究；張叢林等[14]針對(duì)我國(guó)目前水問(wèn)題，通過(guò)生態(tài)彈性力、資源承載力和環(huán)境承載力對(duì)水生態(tài)文明制度體系進(jìn)行研究；皮家駿等[15]從水資源、水生態(tài)、水利用、水管理和水文化方向利用PSR模型構(gòu)建指標(biāo)體系，利用物元模型對(duì)南昌市水生態(tài)文明進(jìn)行評(píng)價(jià)。

綜上所述，水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)中，指標(biāo)體系的建立對(duì)水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)尤為關(guān)鍵。而蘭州市生態(tài)環(huán)境脆弱，黃河作為蘭州市重要水資源來(lái)源，對(duì)蘭州市水生態(tài)文明進(jìn)行評(píng)價(jià)，有利于其生態(tài)環(huán)境建設(shè)、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，其水生態(tài)文明構(gòu)建與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展密不可分。要在充分掌握水生態(tài)文明內(nèi)涵的基礎(chǔ)上建立指標(biāo)體系，重點(diǎn)評(píng)價(jià)水生態(tài)文明變化趨勢(shì)，以及各指標(biāo)在生態(tài)文明建設(shè)過(guò)程中的狀況和特點(diǎn)，找出明顯關(guān)鍵制約因素，以制定針對(duì)性措施推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。

本文以蘭州市水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)為目標(biāo)，構(gòu)建蘭州市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出改進(jìn)G1-HDE的綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)蘭州市水生態(tài)文明進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定其水生態(tài)文明程度，從而全面把控蘭州市水生態(tài)文明建設(shè)方向，為其進(jìn)一步開(kāi)展水生態(tài)文明建設(shè)提供參考。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本文研究采用數(shù)據(jù)主要來(lái)源于：(1)《甘肅省統(tǒng)計(jì)年鑒》《甘肅省水資源公報(bào)》《甘肅省水利發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》；(2)《甘肅省生態(tài)保護(hù)與建設(shè)規(guī)劃(2014-2020)》和《蘭州市十三五環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》。

各指標(biāo)數(shù)據(jù)的處理根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]進(jìn)行確定。

2.2 構(gòu)建蘭州市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及分級(jí)閾值

蘭州市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立充分考慮到城市水生態(tài)文明建設(shè)的實(shí)踐需求，將水安全、水生態(tài)、水環(huán)境、水節(jié)約、水監(jiān)管、水文化6個(gè)方面作為評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的準(zhǔn)則層，并對(duì)上述6個(gè)準(zhǔn)則選取18個(gè)典型指標(biāo)，從而構(gòu)建蘭州市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見(jiàn)圖1)并確定各指標(biāo)等級(jí)劃分閾值(見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1])。

圖1 蘭州市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3 改進(jìn)G1賦權(quán)法

主觀賦權(quán)法G1是專家或決策者根據(jù)自我掌握信息和偏好，人為確定權(quán)重的方法，其缺乏實(shí)際數(shù)據(jù)，具有一定的隨意性[16]。因此，本文提出采用改進(jìn)G1賦權(quán)方法確定權(quán)重[17-18]。首先通過(guò)熵權(quán)法確定蘭州市水生態(tài)文明的各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重大小，代替G1法中人為主觀確定各指標(biāo)的序關(guān)系，對(duì)于其權(quán)重相同的指標(biāo)采用專家評(píng)判確定相對(duì)序關(guān)系；其次運(yùn)用變異系數(shù)法計(jì)算蘭州市水生態(tài)文明各評(píng)價(jià)指標(biāo)的變異系數(shù)，通過(guò)相鄰指標(biāo)的變異系數(shù)之比確定蘭州市水生態(tài)文明各評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性程度，代替G1法中人為主觀確定相鄰指標(biāo)重要性程度的方法；最后采用G1法中權(quán)重的計(jì)算方法確定蘭州市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。改進(jìn)G1法權(quán)重的確定修正了G1法主觀及隨意的特點(diǎn)，權(quán)重的確定更加靈活和客觀。計(jì)算步驟如下：

(1)熵權(quán)法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重大小。數(shù)據(jù)處理及計(jì)算步驟如下：

正向指標(biāo)：

(1)

負(fù)向指標(biāo)：

(2)

計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值ej，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重ωj，即：

(3)

(4)

(2)根據(jù)權(quán)重大小確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性程度排序關(guān)系。

通過(guò)上述確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重大小，繼而構(gòu)建指標(biāo)的序關(guān)系，記為：

X1>X2>…>Xk-1>Xk>Xk+1>…>Xn

(5)

(3)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的變異系數(shù)值。

計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差：

(6)

計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的變異系數(shù)：

(7)

(4)采用評(píng)價(jià)指標(biāo)的變異系數(shù)值確定相鄰指標(biāo)Xk-1與Xk的重要性程度rk：

(8)

(5)通過(guò)G1法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的最終權(quán)重。

根據(jù)上述確定的rk確定第n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，即：

(9)

依據(jù)權(quán)重ωn的值計(jì)算第n-1,n-2,…,3,2個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值為：

ωk-1=rkωk(k=n,n-1,…,3,2)

(10)

2.4 和諧度方程評(píng)價(jià)方法

和諧度方程(harmony degree equation，簡(jiǎn)稱HDE)是左其亭[19]于2009年為定量表達(dá)和諧程度而首次提出的，并對(duì)和諧度方程進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，構(gòu)建了以“和諧”為理念進(jìn)行定量研究的一套方法理論體系[20]。隨后左其亭等[21-23]及有關(guān)學(xué)者[24-25]對(duì)和諧度方程評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)描述，使和諧度方程在綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題中能夠靈活應(yīng)用，其評(píng)價(jià)結(jié)果更為可靠、符合實(shí)際。

2.4.1 和諧度方程(harmony degree equation)

(1)單因素和諧度方程：

HDk=a·i-b·j

(11)

(2)多因素和諧度方程：

(12)

式中：各參數(shù)意義及確定方式見(jiàn)文獻(xiàn)[26]。

2.4.2 蘭州市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定 通過(guò)方程式(12)將改進(jìn)G1法賦權(quán)確定的蘭州市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重和和諧度方程確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)和諧度值進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，確定出蘭州市水生態(tài)文明的和諧度值，對(duì)比表1蘭州市水生態(tài)文明和諧度值劃分標(biāo)準(zhǔn)確定最終文明程度。通過(guò)上述評(píng)價(jià)方法的介紹說(shuō)明，蘭州市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)流程見(jiàn)圖2。

表1 蘭州市水生態(tài)文明和諧度值劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖2 蘭州市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)流程

3 結(jié)果分析與討論

3.1 蘭州市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)處理的數(shù)據(jù)，采用改進(jìn)G1法計(jì)算蘭州市水生態(tài)文明各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

3.2 蘭州市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)和諧度計(jì)算

按照和諧度參數(shù)計(jì)算方法，確定各指標(biāo)參數(shù)值。其中和諧參數(shù)計(jì)算采用模糊思想，將和諧參數(shù)劃分為0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1，依次與指標(biāo)等級(jí)Ⅴ～Ⅰ相對(duì)應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。蘭州市各指標(biāo)2014-2017的和諧參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

采用和諧度方程(公式11)，計(jì)算蘭州市各指標(biāo)2014-2017年和諧度值，結(jié)果見(jiàn)表4。

3.3 確定蘭州市水生態(tài)文明和諧程度

根據(jù)多因素和諧度方程(公式12)確定蘭州市水生態(tài)文明和諧度值，并對(duì)照表1確定出蘭州市水生態(tài)文明程度見(jiàn)表5。

3.4 討論

(1)通過(guò)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算(見(jiàn)表2)可以發(fā)現(xiàn)水生態(tài)的縱向連通性指數(shù)、水監(jiān)管的用水總量控制達(dá)標(biāo)情況和水生態(tài)文明建設(shè)重視度權(quán)重最高，對(duì)蘭州市水生態(tài)文明程度的影響最為顯著。蘭州市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)中準(zhǔn)則層的重要性依次為水監(jiān)管、水文化、水生態(tài)、水安全、水節(jié)約和水環(huán)境，準(zhǔn)則層從6個(gè)方面充分反映了“人、水”之間和諧發(fā)展對(duì)水生態(tài)文明建設(shè)的客觀規(guī)律，繼而對(duì)今后蘭州市水生態(tài)文明建設(shè)提出合理有效的把控要素。

表2 蘭州市水生態(tài)文明各指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算結(jié)果

(2)2014-2017年蘭州市水生態(tài)文明各評(píng)價(jià)指標(biāo)的和諧度值見(jiàn)圖3。由圖3得出：從2014-2017年和諧度值為負(fù)的指標(biāo)逐漸減少，同時(shí)各指標(biāo)和諧度值整體上升趨勢(shì)明顯；生態(tài)基流量滿足程度、廢水達(dá)標(biāo)處理率，水生態(tài)文明建設(shè)公眾認(rèn)知度及水環(huán)境質(zhì)量公眾滿意度的和諧度值從極不文明上升趨勢(shì)顯著，得到了一定的改善；至2017年水域空間率和諧度值依舊為負(fù)值，故應(yīng)重點(diǎn)分析原因，確定其對(duì)水生態(tài)文明的影響性，后期應(yīng)納入重點(diǎn)考察因素。

(3)蘭州市水生態(tài)文明程度計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表5)表明，其水生態(tài)-文明程度從2014-2017年依次為極不文明、不文明、一般文明、顯著文明，呈現(xiàn)穩(wěn)步上升趨勢(shì)，與實(shí)際情況一致。主要因?yàn)榻陙?lái)蘭州市積極響應(yīng)水生態(tài)文明建設(shè)，不斷突出水生態(tài)文明建設(shè)的重要性，科學(xué)編制《蘭州市水生態(tài)文明建設(shè)綜合規(guī)劃》和《蘭州市水生態(tài)文明建設(shè)試點(diǎn)實(shí)施方案》，以蘭州市重要水資源黃河為載體，科學(xué)規(guī)劃蘭州水系，改善城市供水結(jié)構(gòu)，合理布局生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水工程，控制污染物，打造兩岸濕地等景觀建設(shè)，從而增強(qiáng)了人與水環(huán)境的和諧發(fā)展。

表3 2014-2017年蘭州市水生態(tài)文明各評(píng)價(jià)指標(biāo)和諧參數(shù)值

表4 2014-2017年蘭州市水生態(tài)文明各評(píng)價(jià)指標(biāo)和諧度值

圖3 2014-2017年蘭州市水生態(tài)文明各評(píng)價(jià)指標(biāo)和諧度值

表5 2014-2017年蘭州市水生態(tài)文明程度

4 結(jié) 論

(1)本文提出蘭州市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)對(duì)建立黃河上、中、下游整體性、系統(tǒng)性發(fā)展具有一定作用。蘭州市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)是打造黃河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶重要因素，從水安全、水生態(tài)、水環(huán)境、水節(jié)約、水監(jiān)管、水文化6方面及18個(gè)具有代表性的指標(biāo)構(gòu)成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，盡可能體現(xiàn)蘭州市水生態(tài)文明狀況。蘭州市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)具有一定的模糊性和不可量化性，隨著發(fā)展階段的不同將具有不同的側(cè)重點(diǎn)，應(yīng)需在研究中更加完善指標(biāo)體系，提出不同時(shí)段的相關(guān)特點(diǎn)，更好地指導(dǎo)蘭州市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)。

(2)采用改進(jìn)G1-HDE的綜合評(píng)價(jià)模型進(jìn)行水生態(tài)文明評(píng)價(jià)，并以蘭州市為例進(jìn)行分析，得出水監(jiān)管和水文化兩方面在蘭州市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)中較弱，在今后工作中應(yīng)加強(qiáng)這兩方面建設(shè)，以提高人們對(duì)水生態(tài)文明的重視度。通過(guò)綜合評(píng)價(jià)得出蘭州市2014-2017年水生態(tài)文明程度逐漸提高，與實(shí)際情況相吻合，證明了此模型具有一定的適用性。