漢江流域水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)

李千珣，郭生練，鄧樂樂，田晶,王何予

(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

隨著水生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的推進(jìn)，通過單個(gè)治理項(xiàng)目以點(diǎn)到面催生流域整體治理效果已成為流域管理工作新常態(tài)[1-3]。局限于水生態(tài)文明概念之新，目前多以試點(diǎn)城市為對(duì)象開展研究，因此城鎮(zhèn)(縣)和省域尺度的研究成果較豐富[4-7]；反之，流域尺度的研究則較少。曲富國(guó)等[8]采用PSR模型評(píng)價(jià)了遼河流域在遼寧省內(nèi)的生態(tài)文明建設(shè)水平；汪義杰等[9]采用熵值法與灰色關(guān)聯(lián)分析法，通過ArcGIS重點(diǎn)探討了流域生態(tài)文明建設(shè)分區(qū)的方法，并以桂江流域?yàn)槔M(jìn)行說明；嚴(yán)子奇等[10]以鄱陽(yáng)湖流域?yàn)槔瑥淖匀弧⑸鐣?huì)和人水關(guān)系三大系統(tǒng)出發(fā)，構(gòu)建了包括25項(xiàng)指標(biāo)的大湖流域水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。目前，我國(guó)多以省、市、縣等行政單元為水生態(tài)文明建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域，以流域?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)的水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)研究尚待加強(qiáng)。

漢江發(fā)源于秦嶺南麓，襄陽(yáng)以上河流總體流向東，襄陽(yáng)以下轉(zhuǎn)向東南，于武漢注入長(zhǎng)江，干流全長(zhǎng)1 577 km，流域面積約15.9萬(wàn)km2。漢江上游黃金峽和丹江口水庫(kù)等是我國(guó)重要的水源地，南水北調(diào)中線和“引漢濟(jì)渭”跨流域調(diào)水工程，承擔(dān)著我國(guó)北方河南、河北、陜西和北京、天津的供水任務(wù)。2018年10月，國(guó)務(wù)院批復(fù)《漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃》[11]，為漢江流域及沿江省市的高質(zhì)量發(fā)展帶來歷史性機(jī)遇。

以行政分區(qū)為評(píng)價(jià)單元，構(gòu)建漢江流域水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合AHP法和熵值法計(jì)算融合權(quán)重，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法和灰色關(guān)聯(lián)度分析，評(píng)價(jià)2017年漢江流域水生態(tài)文明建設(shè)水平，旨在通過分析漢江流域現(xiàn)有水生態(tài)文明建設(shè)空間格局，探究流域內(nèi)部水生態(tài)文明建設(shè)程度的空間差異性，識(shí)別重點(diǎn)建設(shè)地區(qū)及其重點(diǎn)建設(shè)方向，為漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)發(fā)展規(guī)劃提供技術(shù)支撐。

1 流域水生態(tài)文明特征的指標(biāo)表征

以流域?yàn)檩d體，自然與社會(huì)的交互作用滲透在產(chǎn)流、匯流、取水和用水的方方面面，水生態(tài)文明各項(xiàng)指標(biāo)表征方式亦不盡相同。流域水生態(tài)文明既凸顯了整體的概念，又反映了內(nèi)部諸環(huán)節(jié)乃至?xí)r空的差異化特征。因此，流域水生態(tài)文明特征可以歸納為如下三方面。

1.1 多系統(tǒng)特征

多系統(tǒng)可以基本概括為自然系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)。自然系統(tǒng)反映以水資源為主的自然稟賦，具體指標(biāo)應(yīng)向陸面產(chǎn)水過程及水循環(huán)等方面有所側(cè)重；社會(huì)系統(tǒng)既要反映流域內(nèi)部經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與水資源開發(fā)利用的制約關(guān)系及二者的現(xiàn)狀水平，又要評(píng)估水資源的可持續(xù)利用前景，同時(shí)還應(yīng)對(duì)人水關(guān)系有充分體現(xiàn)。

1.2 多地貌特征

由于多系統(tǒng)的綜合性，流域水生態(tài)文明研究不應(yīng)局限于水體，應(yīng)上溯到產(chǎn)水區(qū)(山區(qū))、匯水區(qū)(丘陵)，后演進(jìn)至耗水區(qū)(平原)，需涵蓋產(chǎn)匯流等一系列陸面水循環(huán)過程所涉及的相關(guān)地貌單元。流域水生態(tài)文明建設(shè)既要把握河流水體的特點(diǎn)，又要體現(xiàn)流域內(nèi)不同地貌類型(以山區(qū)、平原、水域?yàn)橹?的水生態(tài)文明程度。

1.3 多尺度特征

漢江流域所占國(guó)土面積較大，上、中、下游區(qū)域地理氣候特征及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平差異明顯，考慮到多系統(tǒng)的綜合性和多地貌的復(fù)雜性，流域內(nèi)部應(yīng)劃分微、中、宏觀3種評(píng)價(jià)尺度。微觀尺度以指標(biāo)為要素，反映評(píng)價(jià)單元的空間差異；中觀尺度從自然和社會(huì)兩方面反映水生態(tài)文明基本格局；宏觀尺度則從整體出發(fā)反映漢江流域水生態(tài)文明建設(shè)程度。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1 評(píng)價(jià)分區(qū)

根據(jù)所收集統(tǒng)計(jì)資料的細(xì)化程度，基于《全國(guó)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)細(xì)則》[12]，以漢江主要流經(jīng)地陜西、河南和湖北3省的地級(jí)行政區(qū)為評(píng)價(jià)單元，并對(duì)行政區(qū)內(nèi)流域面積占比小于5%的行政區(qū)進(jìn)行合并處理，其中，洛陽(yáng)與三門峽合并，西安與寶雞合并。此外，為統(tǒng)籌規(guī)劃和簡(jiǎn)化計(jì)算，結(jié)合各行政區(qū)的實(shí)際情況，將神農(nóng)架與十堰合并，將天門、潛江和仙桃合并為天潛沔地區(qū)，得到14個(gè)評(píng)價(jià)單元。具體分區(qū)見圖1。

圖1 漢江流域水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)分區(qū)Fig.1 Evaluation partitions of water ecological civilization construction of Han River basin

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

對(duì)于漢江流域水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取，須以水資源為重點(diǎn)評(píng)價(jià)對(duì)象，立足《漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃》，考慮流域內(nèi)不同區(qū)域間的差異性。從局部到整體，從流域的上、中、下游到流域全境，從單一地貌到多種地貌，既體現(xiàn)分區(qū)特色，又能夠把握全局。此外，由于以行政區(qū)為評(píng)價(jià)單元，現(xiàn)行《水生態(tài)文明城市建設(shè)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》[13]依然適用，應(yīng)結(jié)合上述導(dǎo)則，吸納漢江流域內(nèi)4個(gè)國(guó)家水生態(tài)文明城市建設(shè)試點(diǎn)的技術(shù)和成果，在保證指標(biāo)可靠性的同時(shí)，又具有一定創(chuàng)新性。經(jīng)綜合考慮，構(gòu)建了包含1個(gè)目標(biāo)層、2個(gè)系統(tǒng)層、9個(gè)準(zhǔn)則層共計(jì)25項(xiàng)指標(biāo)的漢江流域水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，詳見表1。

表1 漢江流域水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 The evaluation index system of water ecological civilization construction of Han River basin

3 評(píng)價(jià)方法

3.1 基于AHP法和熵值法的融合權(quán)重

現(xiàn)行賦權(quán)方法：或考慮主觀賦權(quán)的一個(gè)側(cè)面，如層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)；或考慮客觀賦權(quán)的一個(gè)側(cè)面，如熵值法。為規(guī)避單一賦權(quán)法的片面性，結(jié)合余建星等[14-15]的研究，計(jì)算基于AHP法和熵值法的融合權(quán)重。

3.1.1基于AHP法的指標(biāo)主觀權(quán)重

層次分析法是一種系統(tǒng)化、多準(zhǔn)則分析決策方法，原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)清晰，具有將主觀問題客觀量化的優(yōu)勢(shì)[16-18]。根據(jù)AHP法基本原理，對(duì)漢江流域水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)集歸一化，引入“1～9標(biāo)度法”逐層比較元素間的重要性，構(gòu)造判斷矩陣，計(jì)算判斷矩陣的最大特征根所對(duì)應(yīng)的特征向量，若計(jì)算結(jié)果通過一致性檢驗(yàn)，則所求即為該層元素相對(duì)于上層元素的權(quán)重。

3.1.2基于熵值法的專家客觀權(quán)重

在信息論中，熵值是信息無序化程度的表達(dá)和度量[19-20]。設(shè)想存在一名理想專家，其構(gòu)建的判斷矩陣最公正，則與理想專家給定結(jié)果差距越大的評(píng)判專家所給結(jié)果的可信度就越低。若用熵表示該差距，可建立如下模型：

根據(jù)顧昌耀等[21]對(duì)傳遞熵的定義，這里用各專家的評(píng)分結(jié)果與a*的差異度大小eij來度量評(píng)判專家的準(zhǔn)確性，則各專家的評(píng)價(jià)水平向量為Ei=(ei1,ei2,…,ein)，其中

(1)

式中：評(píng)價(jià)水平向量元素eij表示第i個(gè)專家對(duì)第j個(gè)指標(biāo)的評(píng)分與全體專家評(píng)分均值的差異，并作標(biāo)準(zhǔn)化處理。eij反映了狀態(tài)發(fā)生時(shí)信息D的平均準(zhǔn)確度，故可視評(píng)價(jià)水平向量Ei=(ei1,ei2,…,ein)為信息D的傳遞向量。

當(dāng)狀態(tài)發(fā)生時(shí)信息D的熵值hj為

(2)

由此可得信息D的傳遞熵為

(3)

式中:H(D)表示信息D狀態(tài)傳遞的不確定度，或稱決策信息D的平均信息量。

該模型以專家所給評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性度量專家自身的評(píng)價(jià)能力，計(jì)算各專家的權(quán)重

(4)

3.1.3指標(biāo)的加權(quán)融合權(quán)重

W=[w1,w2,…,wn]T=W′×W″

(5)

基于AHP法的指標(biāo)主觀權(quán)重由專家個(gè)人經(jīng)驗(yàn)判斷所得；基于熵值法的專家客觀權(quán)重是以專家所給結(jié)果為依據(jù)對(duì)相對(duì)重要性的評(píng)判；融合權(quán)重則是以上兩種權(quán)重的組合，結(jié)合了主客賦權(quán)法的優(yōu)點(diǎn)，并回避了二者的不足。

3.2 模糊綜合評(píng)價(jià)

陳守煜等[22-23]建立的模糊綜合評(píng)價(jià)中，設(shè)系統(tǒng)有l(wèi)個(gè)評(píng)價(jià)分區(qū)組成區(qū)域集，有n個(gè)指標(biāo)組成對(duì)區(qū)域集進(jìn)行評(píng)判的指標(biāo)集，對(duì)其規(guī)格化得到對(duì)應(yīng)的隸屬度矩陣R=(rkj)l×n，簡(jiǎn)稱優(yōu)屬度矩陣。

(6)

式中:uk表示第k個(gè)分區(qū)隸屬于最優(yōu)指標(biāo)的隸屬度；wj表示第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；p表示距離參數(shù)，當(dāng)p=1時(shí)為海明距離,當(dāng)p=2時(shí)為歐氏距離。

(7)

求解目標(biāo)函數(shù)，使分區(qū)k的權(quán)距優(yōu)距離平方與權(quán)距劣距離平方和最小，得第k個(gè)分區(qū)的隸屬于最優(yōu)分區(qū)的隸屬度為

(8)

計(jì)算各分區(qū)與最優(yōu)分區(qū)之間的歐氏距離，故取距離參數(shù)p=2，并以此為基準(zhǔn)比較各分區(qū)的水生態(tài)文明建設(shè)水平。

3.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析(gray relational analysis)也是一種常見的非確定性評(píng)價(jià)方法。該法通過比較數(shù)據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度，判斷序列間的關(guān)聯(lián)性大小，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)態(tài)勢(shì)的量化分析[24]。設(shè)有參考序列Xo和比較序列Xs，兩序列都包含l個(gè)時(shí)刻點(diǎn)，則在第k分區(qū)(k=1,2,…,l)兩者關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式為

ξos(k)=

(9)

(10)

4 評(píng)價(jià)結(jié)果

研究數(shù)據(jù)主要來自于2017年3個(gè)省份及所涉及各行政單元的水資源公報(bào)、環(huán)境質(zhì)量狀況公報(bào)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、國(guó)土資源公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒、部門報(bào)告等政府官方渠道。由于指標(biāo)D25“生態(tài)環(huán)境公眾滿意度”2017年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不可得，按照可比性原則采用2016年數(shù)據(jù)。

結(jié)合5位專家所確定的判斷矩陣，基于AHP法和熵值法計(jì)算得漢江流域水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)的融合權(quán)重見表2。將所得結(jié)果代入公式(9)，根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)計(jì)算步驟，求得各分區(qū)隸屬于最優(yōu)分區(qū)的隸屬度Uk及排序見表3。

表2 基于AHP法和熵值法的融合權(quán)重Tab.2 The fusion weights based on AHP method and entropy method

表3 評(píng)價(jià)分區(qū)隸屬度及排序Tab.3 Membership degree and ranking of evaluation partitions

按隸屬度越大越優(yōu)原則，采用Jenks自然斷裂分類法[25]劃分優(yōu)、良、中、較差、差5個(gè)級(jí)別，對(duì)比各分區(qū)的水生態(tài)文明建設(shè)水平，具體結(jié)果見圖2。由圖2可知：商洛、十堰和安康的評(píng)價(jià)等級(jí)均達(dá)到優(yōu)；襄陽(yáng)、武漢和寶雞均達(dá)到良。通過灰色關(guān)聯(lián)度的分析可知：在自然與社會(huì)2個(gè)系統(tǒng)中，漢江流域水生態(tài)文明建設(shè)與社會(huì)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度較高，達(dá)0.844；在3種自然地貌單元中，其與水域單元的關(guān)聯(lián)度最高，達(dá)0.698，山區(qū)單元次之；在6類人水關(guān)系子系統(tǒng)中，其與水安全子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度最高，達(dá)0.745，與水環(huán)境、水節(jié)約和水生態(tài)子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度次之；其與全體評(píng)價(jià)對(duì)象的灰色關(guān)聯(lián)度均在0.6以上。結(jié)果表明漢江流域水生態(tài)文明建設(shè)具有較強(qiáng)的社會(huì)屬性，并側(cè)重于流域水資源的安全保障、環(huán)境治理和節(jié)約教育，主要通過轉(zhuǎn)變生產(chǎn)和生活方式，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧。

圖2 漢江流域水生態(tài)文明建設(shè)綜合評(píng)價(jià)Fig.2 Comprehensive evaluation of water ecological civilization construction of Han River basin

在綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，分系統(tǒng)和單元逐層分析見圖3。對(duì)于自然系統(tǒng)，安康和漢中的評(píng)價(jià)等級(jí)達(dá)到優(yōu)，商洛、十堰和襄陽(yáng)均達(dá)到良。由圖3(a)～3(c)可知，山區(qū)、平原和水域子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果與自然系統(tǒng)相近。其中，自然系統(tǒng)與水域子系統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)度最高，達(dá)0.810 4，與平原和山區(qū)子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度次之。這說明：以漢江流域源頭漢中、安康和商洛為代表，自然稟賦較好，水系發(fā)達(dá)，水量充沛，森林覆蓋率高，自然系統(tǒng)建設(shè)水平也隨之較高；與之相對(duì)以天潛沔、孝感、駐馬店和隨州為代表的漢江中下游地區(qū)，水污染嚴(yán)重，水質(zhì)優(yōu)良度低，自然系統(tǒng)建設(shè)水平也較為落后。

圖3 漢江流域水生態(tài)文明建設(shè)分層評(píng)價(jià)Fig.3 Hierarchy evaluation of water ecological civilization construction of Han River basin

對(duì)于社會(huì)系統(tǒng)：商洛和十堰的評(píng)級(jí)等級(jí)達(dá)到優(yōu)；寶雞、武漢、安康和襄陽(yáng)均達(dá)到良。在其下設(shè)6類人水關(guān)系子系統(tǒng)中：社會(huì)系統(tǒng)與水安全子系統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)度最高，達(dá)0.734；水環(huán)境與水節(jié)約子系統(tǒng)次之。由圖3(d)～3(i)可知，漢江流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的核心區(qū)域位于漢江中下游，以湖北省中南部的江漢平原為主，該區(qū)不僅工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，在省內(nèi)社會(huì)生產(chǎn)中占有重要地位，而且是漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃的重中之重。然而，粗放型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式和結(jié)構(gòu)性、布局性污染等問題在漢江中下游地區(qū)日漸凸顯，已經(jīng)達(dá)到了不容忽視的地步。

綜上所述，目前漢江流域水生態(tài)文明建設(shè)呈中下游相對(duì)領(lǐng)先，上游略有滯后的空間格局,其中：以漢中、安康和商洛為代表的漢江水源地及上游地區(qū)，自身稟賦占據(jù)優(yōu)勢(shì)，水資源豐富，水生態(tài)保護(hù)較好，但人水互動(dòng)較少，集中表現(xiàn)在水安全、水環(huán)境和水節(jié)約3個(gè)方面，具體到指標(biāo)如“排水管道長(zhǎng)度”“污水處理率”“公共供水管網(wǎng)漏損率”等與其他行政單元差距較大，較為落后；以十堰、武漢和襄陽(yáng)為代表的漢江中下游地區(qū)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展迅速，雖然在經(jīng)濟(jì)和人口的刺激下，水資源開發(fā)強(qiáng)度大，水污染嚴(yán)重，資源壓力與日俱增，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差，“生態(tài)環(huán)境公眾滿意度”較低，但是治水、用水、愛水、護(hù)水宣傳教育普遍，節(jié)水意識(shí)較強(qiáng)，水生態(tài)文明理念深入人心，人水互動(dòng)頻繁，水生態(tài)文明建設(shè)程度較高。

5 結(jié)論與展望

本文評(píng)價(jià)了2017年漢江流域水生態(tài)文明建設(shè)水平，評(píng)價(jià)結(jié)果與漢江流域現(xiàn)狀基本一致，與2018年末所驗(yàn)收漢江流域內(nèi)4個(gè)國(guó)家水生態(tài)文明城市建設(shè)試點(diǎn)情況相吻合，結(jié)果表明：

漢江流域水生態(tài)文明建設(shè)具有較強(qiáng)的社會(huì)屬性，二者灰色關(guān)聯(lián)度達(dá)0.844。由于漢江中下游地區(qū)社會(huì)系統(tǒng)建設(shè)水平高于上游地區(qū)，故漢江流域水生態(tài)文明建設(shè)呈中下游相對(duì)領(lǐng)先，上游略有滯后的空間格局。

導(dǎo)致漢江上下游地區(qū)水生態(tài)文明建設(shè)有所差距的主要因素在水安全、水環(huán)境和水節(jié)約3個(gè)方面。漢江水源地及上游地區(qū)應(yīng)加強(qiáng)水資源安全保障，加大水環(huán)境整治資金投入和整改力度，并積極普及節(jié)水教育。

漢江水源地及上游地區(qū)自然稟賦占優(yōu)，與之相比，中下游地區(qū)在水生態(tài)保護(hù)和水文化弘揚(yáng)兩方面尚有較大發(fā)展空間。

值得說明，本文所提出的指標(biāo)及分層方法僅是初步探討，尚待修改和完善。在指標(biāo)的選擇方面，具體到某個(gè)指標(biāo)的代表性還有待斟酌，并且水生態(tài)文明建設(shè)程度只有相對(duì)優(yōu)劣之分，不存在絕對(duì)文明與否的截然界限。研究旨在通過評(píng)價(jià)和分析漢江流域水生態(tài)文明建設(shè)現(xiàn)狀水平，為漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)發(fā)展規(guī)劃提供技術(shù)支撐。