建昌縣凌河源項目區流域水生態文明評價

楊天華

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

建昌縣凌河源項目區流域具有源短流急、坡陡山高、支流交錯等特征，經濟社會與城鎮化迅速發展使得項目區很多支流面臨著一系列的生態環境問題，例如生態系統功能退化、水環境質量下降、水資源短缺、山洪災害頻發等。全面、科學地評價凌河源項目區水生態文明狀況，對于有效識別綜合治理方案存在的潛在問題，以及治理方案的優選決策具有重要的顯示意義。

在水生態文明評價方面我國學者做了大量研究并取得了理想的成果，其中綜合評價方法的選擇和評價體系的構建為目前研究的核心內容。水生態文明城市評價標準的頒布實施標志著較為完善、系統的綜合評價體系的形成，標準明確提出了水景觀、水工程、水管理、水生態以及水資源的劃定準則與評價框架；黃茁等[1]深入研究了水生態文明評價體系的構建原則、等級劃分標準、指標選取方法、內涵特征以及主要建設內容等，并提出了能夠分級量化水生態文明程度的評價狀況指數法；任俊霖等[2]對長江經濟帶省會城市的水生態文明建設水平運用主成分分析法和指標評價體系進行測度分析；褚克堅等[3]對長江下游丘陵庫群河網地區某城市水生態文明程度運用模糊綜合模型進行評價，其中隸屬度的計算利用柯西分布函數確定，評價體系各指標權重采用層次分析法計算；黃顯峰等[4]以馬鞍山市為例，對投影尋蹤等級評價模型利用實數編碼的加速遺傳算法進行優化并科學評價了該區域水生態文明狀況。在遵循科學性、合理性、系統性原則的基礎上水利部于2016年4月正式出臺了水生態文明城市建設評價導則，明確指出了應結合監督管理、用水行為、水文化、水環境、水生態以及水安全等各方面因素選擇評價指標，要綜合考慮能夠反映不同區域差異的指標和全國通用參數。雖然，國外對水生態文明內涵與特征的研究還不夠系統、完善，但是在水環境和生態文明方面取得的研究成果對于建設水生態文明城市仍具有一定的借鑒價值。

綜上分析，國內外學者主要集中在對城市水生態文明評價體系與計算方法的研究，而對于小流域生態建設的研究相對較少，主要表現在如下方面：現有研究通常是以城市為基本單元進行水生態文明的評價，這種情況可對小流域水系的完整性特征產生割裂破壞；考慮到小流域水生態文明特征和獨特的地理條件，對于不同流域所建立的評價體系應存在一定差異，例如防洪安全預警、水安全概念模糊等問題。對于定量與定性轉化模糊性、隨機性數據問題，云模型具有較好的適用性與科學性，在水安全、河湖健康評價、水利現代化等方面已得到廣泛的應用，而在水生態文明建設方面的應用研究還鮮有報道[5- 12]。因此，本文結合凌河源項目區小流域水環境、水生態、旱澇災害頻繁以及完整的水系特征，分別從多個不同方面選擇評價指標并建立評價體系與分級標準，對流域水生態文明程度利用云模型進行綜合評價，可為小流域生態文明建設和綜合治理方案優選決策提供借鑒與參考。

1 水生態文明評價體系

1.1 水生態文明的內涵

水生態文明是指在實現人水和諧發展、水環境系統保護過程中人類創造的精神文明與物質財富的綜合，它是體現社會文明進步狀態與人水和諧程度的重要參數。因此，社會經濟發展、水生態保護、水資源節約以及人水和諧相處為水生態文明內涵的主要內容，其中人水和諧作為水生態文明的核心不再局限于水系統自身的穩定，還要考慮社會、經濟與水環境之間的協調發展，簡單地以水生態保護作為水生態文明內涵是不系統、不全面的。

1.2 評價體系與分級標準

建昌縣凌河源項目區小流域具有獨特的地理條件和水生態文明建設特征，現有水生態文明評價體系對山洪災害防治措施、小流域防洪安全標準等方面內容考慮得不夠全面，而導則明確提出水生態文明建設效果評價體系要綜合考慮監督管理、用水行為、水文化、水環境、水生態以及水安全等各個方面內容，而供水達標率、防洪排澇達標率等參數包含在水安全子系統內。針對凌河源項目區小流域水資源供需矛盾突出、洪澇災害頻發等實際情況，為提高水生態文明評價結果的客觀性、系統性，應在評價體系中納入供水安全與防洪安全兩個子系統。另外，根據建昌縣水生態環境形勢嚴峻、水資源開發強度大、經濟社會發展迅速等實際情況，在水生態文明評價過程中要重點考慮水生態與水環境。

鑒于此，本文在遵循定量與定向相結合、層次性、系統性、可獲取性原則的基礎上，根據遼寧省水利廳發布的已有文件和相關通知，分別從水文化、水管理、水景觀、水生態、水環境、供水安全與防洪安全的角度建立了包含29項代表性指標的評價體系。然后根據發展規劃綱要中的配套需求指標與參數、發展規模、水生態文明建設評價導則、區域防洪與排澇標準等，結合實地考察調研結果與歷史資料將凌河源項目區小流域水生態文明狀況分為Ⅰ～V級5個標準，分別與優、良、中、差、劣評語一一對應，并確定了不同標準下各指標取值范圍，具體見表1。

系統層中，B1～B6各參數權重分別為0.1430、0.1428、0.2142、0.2856、0.0714、0.1430，相應的閥值區間依次為100～90、90～80、80～60、60～30、30～1。

1.3 確定指標權重

客觀賦權與主觀賦權法為確定指標權重較為常用的兩種方法，其中層次分析法是通過將影響決策問題的各因素進行分層處理，兩兩比較每層級中各元素相對于上一級的重要性，從而實現定性分析和定量評判決策者意見。運用客觀賦權法確定指標權重通常無法體現決策者的主觀意愿，且為提高評價結果的準確性往往需要足夠的樣本數據，因此本文基于權重計算方法的實用性與可行性原則，對水生態文明評價各指標權重利用專家咨詢的層次分析法確定。通過構造判斷矩陣分析各指標的相對重要性，根據一致性檢驗結果確定最終的權重總排序，計算結果見表1。

2 基于云模型的水生態文明評價

2.1 云模型簡介

引入論域U的集合為U={x1,x2,,xn}，論域U上的定性概念表示為T，對于元素xi∈U存在相應的隨機數μT(x)，因此x對應于T的隸屬度即為云。對于任意元素xi均存在唯一的云滴(xi,μi)與之相對應，即反映T的量值。可采用期望值Ex、超熵He、熵En3個數字特征反映云模型定性概念T的定量特性，其中云滴群的云重心即定性概念利用Ex表征；而定性語言在數域中可被接受的區間即定性概念的模糊性采用En表征；超熵He，是反映En的不確定性程度以及云滴的凝聚程度的重要參數。

云模型通過定性規則云發生器可實現定量數據與定性概念之間的數字特征轉換，主要有條件云、正向云以及逆向云三種類型，其中正向云是實現云滴(xi,μi)與Ex、He、En之間定量與定性轉化的發生器；而逆向云是定量與定性轉化初始數據到Ex、He、En的發生器；條件云又可分為包含X與Y兩種類型云，它也是實現定量與定性之間相互轉化的條件，相對于正向云，其主要差異為需要設定相應的輸入條件，通常情況下可設定y=μi、x=x0作為Y與X的輸入條件。

2.2 綜合評價流程

對流域水生態文明狀態利用云模型進行綜合評價的主要流程：運用層次分析法確定評價體系各指標權重，然后結合當地實際情況和有關標準確定評價標準S=[Sij,min,Sij,max]；根據實地考察調研結果確定指標值X(x=xi)，對云模型數字特征Ex、He、En利用下述公式進行計算，確定相應的隸屬度和評價等級，計算公式為：

表1 凌河源項目區小流域水生態文明評價體系與分級標準

(1)

式中，Ex,ij，En,ij—分別為在j評價等級下效益后評價指標i的期望與熵值；Sij,max，Sij,min—分別為在j評價等級下效益后評價指標i的上、下限；He—反映變量不確定程度的超熵，可根據經驗或實驗確定，根據相關文獻本文云滴數m取1000，超熵取0.01。

根據計算得到的云模型3個數字特征和評價指標值X(x=xi)，對不同評價等級的隸屬度利用X條件云進行計算，其主要流程如下：

(2)

(3)

(2)按照上述流程進行反復運算，不同標準下的指標隸屬度根據多次平均值確定。本研究對評價等級的確定運用級別特征值法確定，從而有效避免按照最大隸屬度原則時模糊綜合法可能出現的非此即彼性的出現，該方法計算方法為：

針對Ⅰ～V級不同標準下的特征值Bj可選擇綜合評價閥值的上、下限值確定，計算方法為：

(4)

式中，Sij,max，Sij,min—分別代表不同評價標準中j等級的上、下限值。

根據各指標隸屬度與級別特征值確定相應的評價指標值，然后對各子系統綜合評價值利用加權平均權重和指標值進行計算，從而確定整個評價系統與準則層的評價等級，計算方法分別如下：

(5)

(6)

3 實例應用

3.1 項目區概況

建昌縣凌河源項目區總面積328.12km2，主要包括11條小流域共涉及11個鄉鎮，其中水土流失面積194.69km2，林業、經濟林與果園、農業用地、水域面積、難利用土地分別為17641.74、1332.76、10691.19、529.66、5019hm2。項目區屬于大陸性季風氣候帶，年降水量557mm，徑流深159mm，降水量年內分配不均勻且年際變化較大，60%以上降雨集中在7—9月。氣候特征為溫差較大、日照充足、春季干旱、雨熱同期。項目區水土流失嚴重，截至2012年仍有4826hm2水土流失區域，其中強度、中度、輕度水土流失面積分別為1163、1721、1942hm2，小流域土壤侵蝕模數3280t/km2·a。

3.2 水生態文明評價

對建昌縣凌河源項目區2017年水生態文明狀況運用文中所建立的云模型綜合法進行評價，各指標數據來源于當地規劃報告、水資源公報、實地調查、采樣分析、地質勘測等。根據相關文獻和經驗設定He為0.01，建昌縣凌河源項目區2017年水生態文明各指標隸屬度與指標值見表2。其中準則層B1～B6評價值分別為81.35、73.78、41.45、65.85、55.82、79.78，所屬等級依次為Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅲ級，目標層最終的綜合評價值為65.82。根據表1不同標準下取值區間可認為建昌縣凌河源項目區2017年水生態文明狀態屬于一般水平，隸屬于Ⅲ級。準則層各參數隸屬于Ⅱ級的有防洪安全指標處于良好水平，隸屬于Ⅲ級一般水平的指標有水管理、水生態和供水安全，隸屬于Ⅳ級較嚴重水平的參數有水文化與水環境。

表2 建昌縣凌河源項目區2017年水生態文明評價指標值與隸屬度

根據表2各項指標計算結果可知，隸屬于V級標準的參數主要有水文化方面的水利工程景觀、水生態方面的濕地保留率與生態岸坡比、水環境方面的廢污水處理代表率與水功能區水質達標率、供水方面的農業供水保證率，供水管網漏損率和水資源監控能力指數處于Ⅳ級。結合現場勘測結果和當地規劃發展公報，該評價結果基本反映了項目區水生態文明的實際狀況，基于云模型的綜合評價法表現出較好的實用性與科學性。

4 結論

結合建昌縣凌河源項目區水生態文明特點，分別從6個方面選擇29項典型指標并建立綜合評價體系與分級標準，基于云模型的評價法更加全面地考慮了水生態文明的建設特點和項目區小流域完整的水系特征，不僅更好地突出了山洪災害防治、防洪排澇等方面問題，而且有效解決了水安全內涵不清的問題。云模型綜合評價法綜合考慮了水生態文明評價的模糊性與隨機性特征，相對于傳統方法具有明顯的優勢與適用性。建昌縣凌河源項目區實例研究表明，建昌縣凌河源項目區2017年水生態文明狀態屬于一般水平，隸屬于Ⅲ級，更加科學、準確地識別了項目建設過程中存在的問題，可為其他類似項目生態文明建設提供一定參考依據。