基于城市區域水生態系統健康評價下的城市水生態文明建設探討

張 成

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

近年來隨著我國社會經濟的飛速發展[1]，各地區都在推進新型城鎮化發展，在新城不斷建設的過程中，生態文明建設顯得異常重要[2]。城市水生態文明建設[3]是我國生態文明建設的重點方向。目前，我國多地均開展國家級或省級試點城市的建設[4]。我國天然水資源的特點為水資源總量大，可持續利用的淡水資源約占全球人均水資源的百分之六，人均利用的水資源僅僅約為目前全球世界水平的四分之一，水資源配置[5- 7]嚴重不均。本文將圍繞某城市水生態文明建設展開詳細研究，建立城市水生態系統健康評價模型，分析該城市10個管轄區內水生態系統的健康狀況，為城市生態文明建設提供指導性意見。

1 城市水生態系統健康評價

城市水生態系統[8- 10]是由水系統和人文系統兩個子系統中的各影響因素組合而成的復雜的大系統，這些因素彼此之間相互作用、影響和制約。本文將建立以城市水生態系統健康具體指標與具體評價對象特征為基礎的Water-Human-Health評價模型，確定研究對象，通過基于海明貼近度的模糊物元法計算相關影響指標的數值，分析計算結果對其健康水平進行評價。

1.1 評價指標體系的權重計算

權重是表明各個評價指標在評價模型中的重要程度，本文擬采用組合權重分析法來計算各評價指標體系的權重。首先由主觀經驗法確定主觀權重，通過建立層次模型的樹形結構，列出判斷矩陣A=(aij)n×n，確定權向量W=(w1，w2，…，wn)T，采用Matlab軟件計算出特征值λ1，具體計算公式如下：

(1)

(2)

根據計算結果，對特征值進行一致性[11]檢驗，確定特征值之間是否有顯著性差異，本文利用一致性指標CI和隨機一致性指標RI來判斷矩陣的一致性。

(3)

式中，n—判斷矩陣的階數。

平均隨機一致性指標RI是通過多次循環計算隨機判斷矩陣特征值來取得，在Matlab中循環次數超過10萬余次，運行時間較長，一般常根據經驗取值。由此可得一致性比率CR為：

(4)

當CR>0.1時，表明一致性檢驗不通過，必須重新進行賦值后再判斷矩陣；當CR<0.1時，則通過一致性檢驗。求得主觀權重后再通過熵權法計算客觀權重，構建具體指標原始數據判斷矩陣：

(5)

式中，m—評價指標，n—樣本數；xij—第i各指標第j個樣本的原始數值。

將指標原始數值標準化：

正向指標：

(6)

逆向指標：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

數值標準化后確定組合權重為：

(12)

1.2 基于海明貼進度的模糊物元計算

以城市水生態系統健康評價為目標，選取n個樣本數據，與m維模糊物元組合，構建復合物元：

(13)

式中，Rmn—n個樣本的m維復合物元；ci—第i個評價指標。

將復合物元值進行標準化處理并確定從優隸屬度，得到標準模糊物元：

(14)

式中，ui0—第i個評價指標對應的模糊量值。

利用貼近度表示評價樣本模糊子集與標準樣本模糊子集之間的相似程度，通過多準則集成系統計算評價對象的健康狀況。

(15)

2 工程概況

該城市位于我國西南某省中部偏北地區[12]，處于我國東部向西部高原過渡的地帶，在城市所轄區域內喀斯特地貌發育，面積約為6831km2，占總面積的85.102%，在該市所在的省份中占比最高。市轄六區、三縣以及代管一個縣級市共計10個行政區。從地理條件來看，該城市界于長江流域與珠江流域的分水嶺的過渡地帶，全市范圍內水系發育成熟，境內河流長度超過一定數值或流域面積大于相應劃分數值的河道近百條。以2013年為例[13]，當地多年平均地表水資源量為45.15億m3，2013年全年供用水總量為10.46億m3。全市水資源的開發結構圖如圖1所示，水資源利用占比情況如圖2所示。

圖1 2013年該城市水資源開發結構圖

圖2 2013年該城市水資源利用占比圖

3 城市水生態文明建設分析

3.1 權重計算

將該城市所轄屬的10個行政區進行計算單元劃分。定義研究期的區間范圍為2005—2013年連續9年，以城市水生態系統健康狀況為研究對象建立模型并展開評價。在針對模型分析計算的過程中，通過變量組合法和賦權法共同確定研究對象各項指標的平均權重。以基本準則層為計算單元，分別計算出城市水系統和城市人文系統中各項指標的權重，計算結果見表1—2。

3.2 健康指數計算

模型分析計算方法采用基于模糊數學的新型模糊物元分析法[13]。利用海明貼近度作為各個研究水系統指標的健康狀況指數，主要包括城市水生態系統健康狀況指數(UWEHI)、水系統健康狀況指數(WSHI)、人文系統健康狀況指數(HSHI)。計算結果如圖3所示。

由圖3計算結果可知，該城市健康指數從數值大小來看，水系統健康指數值最大，城市水生態系統健康指數次之，人文系統健康指數值最小，表明該城市屬于人文系統相對滯后的城市。水系統健康指數(WSHI)在研究期間呈上下波動的變化規律，但整體表現為逐年減少的趨勢，可明顯觀測到指數值在2008—2011年下降率較大。城市水生態系統健康指數(UWEHI)在研究期間也呈現出上下波動規律，波動范圍相比水系統健康指數小且總體是呈逐年增長趨勢，表明在研究期內該城市水生態系統狀況逐步好轉。其中健康指數的最大平均值為0.52，最大值出現的時間節點為2012年。人文系統健康指數(HSHI)在研究期內逐年遞增，2007年后其增長率較大。綜合三個健康指數情況表明，該城市水生態系統健康水平表現為逐年提升的趨勢。

圖3 城市水生態系統健康指數變化圖

表1 某城市各區水系統權重計算結果

表2 某城市各區人文系統權重計算結果

根據指數分析結果并結合某城市10個轄區的實際情況可知，在加強城市生態文明建設中應該大力推進節水型社會的建設；探索巖溶地區、喀斯特地區水資源利用與保護的新模式；在經濟穩步增長的條件下加大對水利行業的財政投入，推動城市人文健康水平的提升。

4 結論

以某城市的水生態為分析樣本，建立WHH評價模型，通過分析可知在2005—2013年研究期中，該城市人文系統健康狀況指數逐年穩步提升；水生態系統健康狀況指數的變化規律隨研究期增長逐年增加，水系統健康指數變化規律呈現短期波動但整體趨向于適度下降趨勢。分析結果與該城市實際情況基本吻合，驗證了本文創建的城市水生態系統健康評價研究模型的可行性。研究結果對進一步加強該城市水生態文明建設具有指導性意義，并為不同城市的水生態文明建設提供了參考模型及方法。