模糊綜合評價模型在水生態文明評價中的應用

張翔宇，宋瑞明，劉姝芳，張鳳燃，谷曉偉，程春曉

(1.黃河水利科學研究院，河南鄭州450003；2.黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州450003)

2013年，水利部印發了《水利部關于加快推進水生態文明建設工作的意見》(水資源〔2013〕1號)，將十八大生態文明的理念與水利規劃、建設、水資源管理、保護等各個方面相結合[1]，完善水生態保護格局，不斷提高我國生態文明水平，使生態系統保持良性、健康的發展狀態。為了加快推進這一工作，當年水利部聯合地方政府，先后分兩批在全國105個城市開展了水生態文明城市試點建設工作。

2017年，水利部對第一批45個試點城市開啟驗收工作，黃河水利科學研究院負責濟南、鄭州、西安、西寧、銀川、張掖、烏海、許昌、邢臺和邯鄲等黃河流域及相關片區的十個試點城市的技術評估工作。在“綠水青山就是金山銀山”理念的指引下，水生態文明建設發展深入，黃河流域及相關片區水生態文明城市建設試點成效顯著，為全國實施水生態文明城市建設營造良好的氛圍[2]。

1 水生態文明內涵

水資源是生態文明與生態環境的關鍵要素，水生態文明是生態文明建設的核心。如果水資源短缺或者受到污染，生態系統就難以維持健康狀態與良性循環，無法保證可持續發展。自水利部出臺水生態文明建設發展相關文件以來，國內開展了有關水生態文明的大量研究工作。左其亭[3]通過闡述水生態文明與生態文明的聯系，認為應以實現水資源利用、經濟社會發展、生態系統平衡三者的良性循環為目標，追求達到人水和諧的理想狀態；詹衛華[4]指出最嚴格水資源管理制度是水生態文明建設的重要抓手，水生態文明建設指在水資源承載能力范圍內，以不影響人類幸福生活為前提，人類對水生態環境的影響盡可能降至最低；唐克旺[5]從人類的行為和水生態系統健康狀況兩方面分析水生態文明建設的內涵，認為水生態文明是指人類在尋求自身發展與維護水生態系統平衡的同時所創造的物質和精神財富的總和。目前，研究者們已嘗試從不同方面、不同領域對水生態文明進行內涵解讀，雖然還沒有達到統一共識，但是有普遍共識:水生態文明建設是生態文明建設的重要組成部分[6]和基礎保障，是生態文明建設的核心，是治水理念的最高境界。

2 水生態文明評價模型

2.1 評價指標體系的建立

將試點城市水生態文明建設評價指標體系分為目標層、準則層和指標層。根據《中華人民共和國水利部辦公廳》(辦資源函[2017]201號)，并參考相關研究成果以及各地的實際情況，將城市水生態文明建設評價作為目標層，準則層為水生態、水安全、水環境、水管理、水文化與水資源六個體系，而指標層由20個指標組成。城市水生態文明評價指標體系見表1。

2.2 評價方法及應用步驟

目前已經有很多評價方法應用于水生態文明評價。如，集對分析、SMI-P[7]、未確知測度模型[8]等。本文利用模糊綜合評價模型[9]進行評價。模糊綜合評價是一種基于模糊數學的評價方法，根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，能較好地解決模糊的、難以量化的問題。

表1 城市水生態文明建設評價體系

2.2.1隸屬度函數

為消除各特征值量綱、數量級不同的影響，對評價指標矩陣C進行規范化處理，對各評價指標分為望大型與望小型兩個類型進行處理，從而得到隸屬度矩陣[10]

rij=cijcimax+cimin，cij≥0

(1)

rij=1-cijcimax+cimin，cij≥0

(2)

其中，cij表示樣本j對于i指標的評價值；cimax、cimin分別表示所有樣本中第i指標的最大值與最小值；rij表示第j方案對于第i指標的隸屬度值；由rij組成優屬度矩陣Rm×n。

2.2.2權重計算

本文選用層次分析法(AHP)確定各指標權重[11]，通過多重比較分析各因素之間相對重要性，通過兩兩比較確定標度將人的主觀判斷標量化，并構建判斷矩陣，計算指標權重并經過一致性檢驗，客觀性較高[6]。

(1)構造判斷矩陣。綜合分析評價體系中的各因素之間的關系，構造各個因素之間相互聯接的層次結構模型，將與決策總是有關的元素分解成目標、準則、指標等層次[12]，在此基礎之上進行定性和定量分析。建立層次分析模型后，考慮各層次元素之間的相對重要性，確定兩個元素兩兩比較哪個重要，重要多少，求出它們之間的優劣關系，構造n維判斷矩陣A。

(2)求最大特征值。利用方根法求各因素的權值，先計算判斷矩陣每一行元素的乘積，再對每一行的乘積求n次方根；然后求判斷矩陣特征向量，將方根向量正交化處理為W，并將判斷矩陣與其進行矩陣運算，得到特征矩陣，從而得到最大特征值

λmax=∑ni=1(AWi)/(nWi)

(3)

(3)一致性檢驗。當判斷矩陣不完全一致時，相應的判斷矩陣的特征值也會發生變化，引入CI、RI、CR參數作為衡量判斷矩陣偏離一致性的指標。即

CI=λmax-nn-1

(4)

CR=(CI/RI)<0.10

(5)

利用式(4)、(5)對判斷矩陣進行一致性檢驗：RI為平均一致性指標可通過查詢求得；CI越小表明判斷矩陣一致性較好，當CR滿足(5)式時，即認為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調整判斷矩陣，直到一致性檢驗通過。

2.2.3歐氏距離

存在y=(y1，y1，…，ym)T，其中yi=∨nj=1rij(i=1，2…，m)，yi表示所有方案中對第i個指標的隸屬度最大值，y為最大隸屬度矩陣；存在l=(l1，l2…lm)T，其中li=∧nj=1rij(i=1，2…，m)，li表示所有方案中對第i個指標隸屬度的最小值，l為最小隸屬度矩陣。

設系統中m個指標的權向量為w=(w1，w2，…，wm)，wi為目標i的權重；則第j個方案歐氏距離為

uj=1/1+∑mi=1(wi(rij-yi))p∑mi=1(wi(rij-li))p2p

(6)

其中，p為距離參數本文取p=2，uj表示樣本j對于最優方案的相對隸屬度即歐氏距離，可以根據uj的大小來判斷各樣本的優劣。

3 應用實例

根據工作安排，黃河水利科學研究院負責黃河流域及相關片區的濟南、鄭州、西安、西寧、銀川、和張掖、烏海、許昌、邢臺和邯鄲等10個試點城市的技術評估工作。這些城市均位于我國北方干旱、半干旱地區，生態系統較為脆弱，水生態文明建設的難度較大；但這些城市又有著厚重的水文化，在中華文明歷史文化的傳承中扮演著舉足輕重的角色。推進第一批試點城市的建設，將黃河流域對其周邊地區產生顯著的示范意義，為我國生態文明的建設提供有力保障。

本文利用上述模糊綜合評價模型對黃河流域及相關片區的10個城市進行綜合評價，與各城市的建設現狀進行對比，分析評價模型的合理性，為后期水生態文明建設工作開展提供借鑒。

3.1 模型評價

根據各水生態文明城市試點總結報告，按照評價指標體系收集各試點的指標值，并利用隸屬度函數求得隸屬度矩陣。采用層次分析法對各層次元素的權重進行計算，依據各試點總結報告對準則層、指標層元素的覆蓋程度以及專家對各元素的重視程度，對各層元素進行兩兩比較，構造出比較判斷矩陣。經過一致性檢驗，得到各層次的權重向量。目標層A中各準則層的權重系數為權重向量WA=(0.12，0.10，0.14，0.35，0.09，0.20)。其次，各準則層中各指標權重系數構成的權重向量分別為：WB1=(0.69，0.31)；WB2=(0.70，0.30)；WB3=(0.51，0.16，0.33)；WB4=(0.22，0.07，0.10，0.06，0.19，0.19，0.16)；WB5=(0.38，0.62)；WB6=(0.25，0.25，0.25)。

通過歐氏貼近度計算公式可得到最終各試點城市的歐氏距離，歐氏距離越大表示該城市對于理想結果的隸屬度越大，代表該城市在評價模型中表現的越為優異，各試點驗收時的專家打分、歐氏距離以及相關排名情況見表2所示。

3.2 結果分析

由表2可以看出，各試點城市在水生態文明建設上取得了很大進展；但各城市也表現出了不同的變化程度。在試點驗收中專家打分在92分以上的為西安、鄭州、濟南、許昌，評價結果中排在前四位的城市沒有變化，但在排序上有一些小的變化。專家打分中西安排名最高，而評價結果中許昌排第一。在專家打分與評價結果中，西寧與張掖都排在后兩位且排序無變化，說明這兩個城市在水生態文明城市建設方面的表現不甚理想。其余四個城市烏海、銀川、邯鄲、邢臺在打分與評價結果中仍位于5到8名，排名上有一些變化。

以上為各城市在水生態文明建設上的總體評價結果，下面分析各城市在各準則層中的表現，各試點城市在不同準則層中的評價結果見表3。

在各準則層中評價結果中，水生態方面許昌表現最優；水安全方面鄭州、銀川以及邯鄲均表現優異，水源地安全保障達標率以及防洪達標率均達到100%；水環境濟南排在首位，其三類水質河長比例為63.7%，入河排污口檢測率達到100%；水管理以及水文化方面西安均為第一名；水資源利用方面烏海最為優異，其水功能區水質達標率為100%，超額完成三條紅線控制指標。排序靠前的西安、鄭州、濟南、許昌4個城市均在不同體系中排在首位，其中西安在水資源管理方面與水文化的宣傳普及中均表現優異。而張掖與西寧在各體系中整體表現較差，張掖在水生態治理方面有較大的提升空間，水土流失治理程度僅有14.2%，西寧則應加強對水生態文明的宣傳力度，增加公共認知度，其防洪達標率只有82.3%，需要增加水安全措施以及加強對水環境的治理工作。

表2 水生態文明試點城市評價結果

表3 水生態文明試點城市各準則層評價結果

從以上分析可知，各試點城市在評價模型中的總體表現與專家打分結果相差不大，專家打分較高的幾個城市在評價模型中表現也比較優異，評價結果靠后的城市專家打分也比較低。因而說明，評價模型較為合理，專家打分也比較客觀公正。但城市間的排序的一些差別也反映出：一方面，由于專家在評估時的打分較為主觀，實地勘察中的感官對分數有一定影響，而評價模型較為客觀；另一方面，專家在對建設任務完成情況以及指標完成情況分析時，以各城市的實施方案為標準進行評估，而評價模型重點對比的是各城市間的優劣狀況。

4 結 語

加快推進水生態文明建設，促進經濟社會發展與水資源水環境承載能力相協調，實現水資源可持續利用，是我國生態文明的重要組成和基礎保障。基于我國水生態文明發展現狀和相關研究進展，對水生態文明內涵進行了解讀；并依據政府指導文件以及相關研究成果，建立水生態文明評價體系，構建了模糊綜合評價模型，采用層次分析法計算權重。最后通過計算得到評價結果，并通過對比分析得知，評價模型較為科學合理，具有一定的適用性，評價結果可為相關地區進一步推進水生態文明城市建設提供參考。