基于組合賦權模型的小洪河流域生態補償效果評價

孟 鈺，張 寬，高富豪，管新建

(鄭州大學水利科學與工程學院，鄭州 450001)

近年來，隨著水資源的大量開發利用，水環境、水生態保護問題已經成為制約經濟社會發展的重要因素。流域生態補償機制作為一種新興的生態環境保護手段，能夠協調社會經濟發展與自然資源之間的關系，促進資源的有效配置，實現流域整體效益的最大化[1,2]。為檢驗流域生態補償政策的實施效果，通過量化涉及生態補償各方面的反饋效果，對生態補償效果進行綜合評價，有助于合理評估現有生態補償政策的實用性，并對待建項目提出指導意見，對提高流域生態補償資金使用效率、促進資源優化配置、完善水資源管理制度起到積極作用。

目前，關于生態補償效果評價的研究，部分學者主要運用實地調查和對比分析方法，定性評價流域生態服務付費情況及生態補償政策實施成效[3-5]。但是，生態補償定性評價受到人為主觀因素影響較大，且評估面較窄，因此，生態補償效果定量評估為現今主要研究趨勢。生態補償效果定量評價通常從政策實施后的直接或間接影響與成效進行分析，通過建立與生態補償相關的各方面影響情況的指標體系，來評價生態補償對生態環境保護的有效性[6,7]。構建生態補償效果評估指標體系是評估的關鍵與難點所在，目前學者們主要考慮實施生態補償后對社會經濟與生態環境的影響[8,9]。在我國許多流域，生態補償政策的實施期限不長、政策體系不夠完善，尚不能及時調查與統計生態補償政策實施的直接效果。針對水環境生態補償問題，國家已建設了較為完善的水質監測系統，依靠長系列社會經濟發展與水環境監測統計數據，能夠間接反映水環境生態補償效果。

本文針對水環境生態補償效果綜合評估指標體系及綜合評估方法進行研究。考慮生態補償影響下，社會經濟發展、污染排放及污染處理三個層面，構建生態補償效果綜合評估指標體系。建立基于層次分析與熵權理論的組合賦權綜合評估模型，用于將綜合評估指標體系中的多個指標轉換為一個具有代表性的綜合指數。選取河南省小洪河流域為研究實例，進行生態補償實施前后的效果評價與分析。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

小洪河發源于河南省舞鋼市伏牛山區，流經漯河市舞陽縣、駐馬店市西平、上蔡、平輿、新蔡四縣，全長251 km，流域面積4 287 km2(113°37′～115°10′E，32°45′～33°26′N)。洪河作為淮河上游最大的支流，日益嚴重的水污染已成為該流域可持續發展的制約因素。2010年1月，河南省人民政府辦公廳關于印發《河南省水環境生態補償暫行辦法》，對全省18個地市實施流域水環境生態補償政策，駐馬店行政區內的小洪河流域是其代表性試點之一。此外，為盡快解決小洪河污染問題，駐馬店市加大了對流域水生態環境的整治力度，相繼出臺了多項措施對小洪河流域展開了全面的綜合治理。本文的主要數據來源于2008-2015年《駐馬店統計年鑒》與《駐馬店市水資源公報》。

1.2 生態補償效果綜合評估指標體系

遵循科學性、代表性、可操作性與全面性指標篩選原則，結合專家意見與數據支撐情況，小洪河流域生態補償效果受到社會經濟發展、水污染排放與監管、水污染處理三個層面的影響。社會經濟發展是城市進步的表現，但在社會經濟發展的同時，不可避免地會帶來用水增多、污染增排等水問題。小洪河流域現階段實施的生態補償政策主要致力于解決由于城鎮生產、生活造成的水污染問題。污染排放與監測數據能夠直觀統計研究期內的水污染強度。污染處理水平反映了現階段治污工藝發展水平。根據各層面特點與針對性，篩選出10個指標構建生態補償效果綜合評估指標體系，如表1所示。

1.3 基于層次分析與熵權理論的組合賦權綜合評估模型

科學和合理的確定指標權重，對綜合評估效果的可靠性和準確性具有重要意義。目前，針對權重的確定方法很多，主要分為兩類：主觀賦權法和客觀賦權法。而兩者各有優缺點，前者發揮主觀經驗優勢，但客觀性差；后者具有客觀數據真實性，但缺乏專家經驗。所以，本研究采用主客觀結合的賦權方法-組合賦權，互補兩者優劣性[10]。并分別選取主客觀賦權中代表性的方法：層次分析和熵權理論。即先對指標數據進行標準

表1 生態補償效果綜合評估指標體系

Tab.1 Comprehensive evaluation index system ofecological compensation effect

目標層維度層指標層編號生態補償效果綜合評估指標體系經濟社會發展層面(A)人均GDP/(元·人-1)A1污染排放與監測層面(B)人均COD排放強度/(t·人-1)萬元GDP污染物排放量/(t·萬元-1)單位工業產值污染物排放量/(t·萬元-1)監測斷面三類水及以上等級所占比例/%水功能區達標河長占比/%B1B2B3B4B5污染處理水平層面(C)生活污水處理率/t生活污水氨氮削減率/%工業廢水COD處理率/%工業廢水氨氮處理率/%C1C2C3C4

化處理，如式(1)、(2)所示，得到相對隸屬度矩陣R=(rij)m×n，其中i=1～m，j=1～n,即共有m個評估對象，n個評估指標。結合組合權重確定每一評價對象綜合指數，進而比較各評價對象的優劣。

越大越優型指標：rij=(xij-xmin)/(xmax-xmin)

(1)

越小越優型指標：rij=(xmax-xij)/(xmax-xmin)

(2)

式中：rij為第j個指標對第i個對象的相對隸屬度；xmax、xmin分別為同一指標不同對象中的指標值xij中的最大值和最小值。

1.3.1 層次分析法

層次分析法(AHP)，是指通過定性指標模糊量化方法算出層次單排序和總排序，將一個復雜的多目標評價問題分解為多指標(或準則、約束)的若干層次，以作為多指標、多方案優化評價的系統方法。AHP法能將難以全部量化處理的多指標評價問題數學化、系統化，計算簡單，結果明確。層次分析法只考慮到各評價指標之間的比較，不考慮評估對象。

首先，建立結構、體系分明的指標評價體系，對同一層次的各指標進行兩兩比較，對應定義標度表，由此構造判斷矩陣A，如下：

(3)

按式(4)計算每一個指標的權重值w(AHP)j：

(4)

由于成對比較的數量比較多，很難做到完全一致，故需要采用一致性檢驗來檢驗構造的判斷矩陣的合理性，采用(5)～(7)進行一致性檢驗。

計算最大特征檢驗數λmax：

(5)

計算CI值：

CI=(λmax-n)/(n-1)

(6)

計算一致性比例CR，當CR小于0.1，即認為通過一致性矩陣：

CR=CI/RI

(7)

式中：RI取值根據層次階數而定。

1.3.2 熵權法

熵是對系統無序程度的度量，當某項指標值無序程度越大，提供的信息量越大，所占權重也越大；反之，所占權重越小。熵權法是對復雜多指標體系進行定量評價的系統分析方法，是克服憑主觀經驗判斷的不合理性的一種客觀賦權法。

根據式(1)～(2)指標標準化處理結果，確定評價指標的熵值，計算如下：

(8)

(9)

式中：fij為第i個對象第j項指標的比重；Hj為各對象中第j項指標的熵值。

按式(10)計算各指標的客觀權重值：

(10)

1.3.3 組合賦權綜合指數

(1)組合權重。將綜合指標的主觀權重w(AHP)j和客觀權重w(E)j，根據最小相對信息熵原理，用拉格朗日乘子法優化進行組合權重計算，如下：

(11)

(2)綜合評價指數。將各指標標準化處理后的值rij和組合權重wj按式(12)進行合成運算，可得到各評價對象的綜合評價指數Zi。

(12)

2 結果與分析

2.1 組合權重

采用層次分析法與熵權法，計算生態補償效果綜合評估指標體系中各指標的主觀權重與客觀權重，并根據式(11)得到組合權重值，結果如表2所示。根據主觀權重計算結果，評估專家認為社會經濟發展水平仍然是影響區域排污的主要因素，此外，水功能區是根據區域水資源屬性與社會經濟需求科學劃分的水資源分級保護目標，其達標河長比是區域水環境質量的主要考核標準。根據客觀權重計算結果，由指標歷年數據結構特征，監測斷面三類水占比與水功能區達標占比的客觀權重較大，表明其數據序列在時間與空間上差異較大，隨著生態環境保護意識提高及生態補償政策普及，在污染排放與監測方面取得了有效進展。

2.2 小洪河流域生態補償效果綜合評估

根據綜合評估指標體系中各指標組合權重，采用式(12)依次計算小洪河流域2008-2015年新品、上蔡、平輿、新蔡四縣逐年的生態補償效果綜合指數，結果見表3與圖1。

表2 基于層次分析法與熵權法的組合權重計算結果

Tab.2 Results of combination weights based on analytichierarchy process and entropy methods

指標主觀權重w(AHP)j客觀權重w(E)j組合權重wj人均GDP0.1210.0940.112人均COD排放強度0.1030.1060.110萬元GDP污染物排放量0.0910.1350.116單位工業產值污染物排放量0.1120.1190.121監測斷面三類水及以上等級所占比例0.0820.1510.116水功能區達標河長占比0.1310.1480.146生活污水處理率0.0970.0810.092生活污水氨氮削減率0.0830.0550.071工業廢水COD處理率0.0820.0550.070工業廢水氨氮處理率0.0980.0560.078

表3 小洪河流域各縣生態補償效果綜合指數計算結果

Tab.3 Comprehensive indicators of ecological compensation effectof four counties in the Xiaohong River Basin

生態補償政策實施階段年份生態補償效益綜合指數西平上蔡平輿新蔡未實施20080.112 0.292 0.242 0.415 20090.243 0.403 0.370 0.519 實施初期20100.347 0.475 0.434 0.557 20110.375 0.520 0.480 0.581 實施中期20120.425 0.580 0.517 0.619 20130.492 0.650 0.591 0.66820140.576 0.685 0.643 0.72420150.673 0.788 0.690 0.769

圖1 小洪河流域各縣綜合生態補償效果時間變化趨勢Fig.1 Time variation trend of comprehensive ecological compensation effect in the Xiaohong River Basin

根據表3與圖1所示，在時間變化趨勢上，小洪河流域生態補償效果總體上呈現上升趨勢，表明流域整體補償效果越來越好。小洪河流域生態補償政策實施大致分為三個階段，第一階段2008-2009年，國家提出流域生態補償政策，但小洪河流域還未實施。該階段內各縣綜合補償效果值均偏小。各縣仍以大力發展經濟為主，甚至不惜犧牲生態環境，從而導致水環境質量降低、生態系統退化或破壞等。第二階段2010-2011年，小洪河流域生態補償政策實施初期。河南省政府于2010年出臺《河南省水環境生態補償暫行辦法》，開始試行小洪河流域生態補償政策[11]。政府生態補償資金主要用于水污染防治技術改進、河流水量與水質監控系統建設等方面，也獎勵能夠達到水環境質量考核標準的地區，但政府在管理上仍存在較大難度，流域總體補償效果不是很明顯，綜合指數增長緩慢。第三階段2012-2015年，小洪河流域生態補償政策實施中期。2012年，河南省環保廳、財政廳、水利廳聯合發布《關于河南省水環境生態補償暫行辦法的補充通知》，提出階梯式生態補償標準[11]。根據地表水水質濃度標準與地區水質保護目標，以COD與氨氮為考核指標，制定不同補償級別，并設立對應補償資金，有效提高了補償效率。因此，自2012年起，小洪河流域內各縣市生態補償效果穩步上升。

在空間變化趨勢上，代表年各縣生態補償綜合指數空間對比如圖2所示。研究時段初期，西平(0.112)的補償效果相對較差，新蔡(0.415)最好，上蔡(0.292)、平輿(0.242)居中。新蔡地處流域下游，且是小洪河與汝河交匯處，水資源量較豐，且汝河水質較好，能夠改善新蔡整體的水環境質量。此外，新蔡是河南省直管縣，河南省在財政上對新蔡各方面發展的支持力度較大。西平較為特殊，一方面，在生態補償政策實施前，西平大力發展社會經濟，GDP歷年在四縣中居首位，且2008-2012年GDP年增長率均在19%左右，不可避免對生態環境造成嚴重負面影響[12]。另一方面，西平位于駐馬店市邊界處，與平頂山市相接，受到上游平頂山市的排污影響。由于生態補償政策實施仍處于探索階段，相鄰市之間的生態補償標準與管理還需完善，補償力度與落實情況仍需加強。可見，為全面落實生態補償，需要完善不同空間尺度的生態補償政策，合理制定縣級、市級、省級之間的補償標準與管理制度。研究時段后期，四縣綜合補償效果逐漸接近，上蔡(0.788)已趕超新蔡(0.769)，且西平(0.673)已趕上平輿(0.690)水平。表明生態補償政策實施后，流域兼顧經濟發展與生態保護，防止上游排污導致下游生態損害等現象，上下游之間聯動治理，共同維護生態環境健康，有效縮短了各縣水環境質量差異。

圖2 小洪河流域各縣綜合生態補償效果代表年空間分布Fig.2 Spatial distribution of comprehensive ecological compensation effect of different representative years in the Xiaohong River Basin

3 結 語

由于生態補償標準與方式的復雜性，一些問題并不能在補償前預料到，而生態補償效果評價能夠反饋生態補償政策實施效果，為生態補償政策的完善與改進提供參考。本文選取了能夠反應社會經濟發展、污染排放與監測、污染處理水平三個層面的10個指標，構建生態補償效果綜合評估指標體系。運用基于層次分析與熵權的組合賦權模型將綜合評估指標體系中的若干指標轉換為一個具有代表性的綜合指數。將上述理論與方法運用到小洪河流域的實例研究中，結果表明，隨著生態補償政策的完善與實施，小洪河流域的生態補償效果綜合指數呈逐漸增長趨勢，補償效果越來越好。但是，由于生態補償政策仍處于探索階段，在污染排放管理與污水處理技術上還有很大的改進空間，此外，社會經濟發展與生態環境保護之間的關系也還需要進一步協調。