基于改進(jìn)AHP和物元可拓法的水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)

虞未江，賈 超，袁 涵，狄勝同，李 康

（山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，濟(jì)南 250061）

山東省濰坊市地處山東半島中部，萊州灣南岸，屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)。濰坊市長(zhǎng)期無(wú)節(jié)制使用地表水和超量開(kāi)采地下水，引發(fā)了水域污染、水土流失、地下水漏斗、海水入侵等一系列水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厝嗣竦纳詈蜕鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。本文結(jié)合濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)現(xiàn)狀，從水生態(tài)文明的狀態(tài)和建設(shè)行為過(guò)程等兩個(gè)方面構(gòu)建濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)程度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并基于改進(jìn)AHP和改進(jìn)物元可拓法構(gòu)建水生態(tài)文明建設(shè)程度綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)濰坊市水生態(tài)文明社會(huì)建設(shè)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 指標(biāo)選取原則

構(gòu)建水生態(tài)文明建設(shè)程度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，需遵循以下基本原則：①全面系統(tǒng)地反映水生態(tài)文明建設(shè)的現(xiàn)狀；②選擇具有代表性、典型性的核心指標(biāo)；③選取指標(biāo)應(yīng)體現(xiàn)水資源對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)社會(huì)系統(tǒng)提供公平支撐；④可量化；⑤指標(biāo)計(jì)算所需的數(shù)據(jù)便于采集操作；⑥指標(biāo)選取應(yīng)結(jié)合區(qū)域水事運(yùn)作的特色，提取具有區(qū)域特色性的指標(biāo)。

1.2 指標(biāo)體系框架結(jié)構(gòu)

由水生態(tài)文明和水生態(tài)文明建設(shè)內(nèi)涵可知，在評(píng)價(jià)水生態(tài)文明建設(shè)水平時(shí)，既要考慮水生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)、水生態(tài)系統(tǒng)與人類(lèi)系統(tǒng)相互適應(yīng)的狀態(tài)，又要考慮人類(lèi)社會(huì)干擾作用水生態(tài)系統(tǒng)的各種活動(dòng)措施。因此，濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建主要從水生態(tài)文明的狀態(tài)和水生態(tài)文明建設(shè)的行為過(guò)程等兩個(gè)方面進(jìn)行研究，評(píng)價(jià)指標(biāo)可以分為狀態(tài)類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)和建設(shè)類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)等兩大類(lèi)。

1.2.1 狀態(tài)類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)

該類(lèi)指標(biāo)選取既要考慮我國(guó)水生態(tài)文明建設(shè)要求達(dá)到的水生態(tài)文明狀態(tài)，又要充分考慮濰坊地區(qū)水問(wèn)題現(xiàn)狀和水事活動(dòng)的自然環(huán)境特色，而水生態(tài)文明狀態(tài)又涵蓋水生態(tài)系統(tǒng)本身的狀態(tài)和水生態(tài)系統(tǒng)滿(mǎn)足人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)要求的狀態(tài)，可將其進(jìn)一步概括為自然生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)社會(huì)系統(tǒng)。因此，狀態(tài)類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)主要從自然系統(tǒng)、人類(lèi)系統(tǒng)和濰坊市地域特色等3個(gè)方面進(jìn)行提取。

1.2.2 建設(shè)類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)

該類(lèi)指標(biāo)用于評(píng)價(jià)分析人類(lèi)系統(tǒng)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)活動(dòng)是否超過(guò)其承載能力，以及是否影響了水生態(tài)系統(tǒng)的健康，主要從開(kāi)發(fā)、利用、治理修復(fù)、保護(hù)和管理等5個(gè)建設(shè)環(huán)節(jié)進(jìn)行選取。

運(yùn)用AHP遞階層次結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的框架結(jié)構(gòu)，如圖1。

圖1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)框架

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)國(guó)內(nèi)已有水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的研究成果[1-4]和《水生態(tài)文明城市建設(shè)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)的現(xiàn)狀，在圖1水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)框架下選取64項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。具體如表1，表2和表3。

表1 自然系統(tǒng)和人類(lèi)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

表2 地域特色系統(tǒng)中各評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn) 單位：%

表3 水生態(tài)文明建設(shè)各環(huán)節(jié)評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

在綜合考慮國(guó)內(nèi)水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)研究和《水生態(tài)文明城市建設(shè)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上，將濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)程度評(píng)價(jià)指標(biāo)分為優(yōu)、良好、合格、較差、差等5個(gè)級(jí)別，分別用I，II，III，IV，V級(jí)表示。

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，指標(biāo)C13，C38，C41，C54，C55，C63為定性指標(biāo)，為便于綜合評(píng)價(jià)，本文對(duì)各定性指標(biāo)進(jìn)行客觀賦值，賦分區(qū)間為10～0分，10分表示該項(xiàng)指標(biāo)完成情況很好，0分表示該項(xiàng)指標(biāo)完成情況很差，基本沒(méi)有完成，其他分值從高到底，依此類(lèi)推。同時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)臨界值采取向上兼容的評(píng)價(jià)方式，即相鄰兩級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的分界值按等級(jí)較高的一級(jí)予以評(píng)價(jià)。自然系統(tǒng)和人類(lèi)系統(tǒng)中各評(píng)價(jià)指標(biāo)、濰坊市地域特色系統(tǒng)中各評(píng)價(jià)指標(biāo)和建設(shè)過(guò)程中各環(huán)節(jié)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別如表1，表2和表3。

3 水生態(tài)文明建設(shè)程度評(píng)價(jià)模型

3.1 改進(jìn)AHP計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

本文從專(zhuān)家判斷信息篩選和綜合判斷矩陣構(gòu)造方式等2個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)層次分析方法進(jìn)行改進(jìn)，首先利用一致性比例CR對(duì)N（N＞3）名專(zhuān)家構(gòu)造的判斷矩陣進(jìn)行篩選，然后通過(guò)幾何平均方法構(gòu)造綜合判斷矩陣，最終達(dá)到改善綜合判斷矩陣一致性的目的。

運(yùn)用改進(jìn)AHP計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重過(guò)程：

（1）邀請(qǐng)水生態(tài)文明建設(shè)研究領(lǐng)域的N（N＞3）名專(zhuān)家，運(yùn)用1～9重要性標(biāo)度對(duì)各準(zhǔn)則層的評(píng)價(jià)指標(biāo)兩兩相對(duì)重要性程度進(jìn)行比較，并構(gòu)造比較判斷矩陣。

（2）運(yùn)用和積法計(jì)算各專(zhuān)家比較判斷矩陣的一致性比例CR，并設(shè)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)T（綜合考慮，本文T取0.2）[5]，若存在CR大于檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)T的判斷矩陣，則認(rèn)為由該專(zhuān)家判斷信息構(gòu)建的判斷矩陣存在誤差，需要重新判斷或直接剔除以保證綜合判斷矩陣的一致性。

（3）在對(duì)專(zhuān)家比較判斷信息篩選的基礎(chǔ)上，采用幾何平均法構(gòu)建綜合判斷矩陣。

（4）運(yùn)用和積法計(jì)算綜合比較判斷矩陣的一致性比例CR，若CR<0.1，說(shuō)明綜合比較判斷矩陣符合要求，若大于0.1，需要重新構(gòu)造綜合判斷矩陣，直至滿(mǎn)足一致性要求。

（5）通過(guò)步驟（1）~（4）計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的單排序權(quán)重，在此基礎(chǔ)上，采用組合權(quán)重計(jì)算法，由下而上逐層求解各層評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層水生態(tài)文明建設(shè)水平的權(quán)重值。

3.2 改進(jìn)物元可拓法綜合評(píng)價(jià)水生態(tài)文明建設(shè)程度

物元可拓法能夠?qū)⒍嗄繕?biāo)決策問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)決策問(wèn)題，且定量化地表示評(píng)價(jià)結(jié)果[6，7]。然而，評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際值一旦超過(guò)節(jié)域范圍，將導(dǎo)致物元可拓評(píng)價(jià)模型的關(guān)聯(lián)函數(shù)無(wú)法進(jìn)行計(jì)算，有必要對(duì)物元可拓評(píng)價(jià)模型的構(gòu)造過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)[8-10]。本文運(yùn)用改進(jìn)物元可拓法綜合評(píng)價(jià)水生態(tài)文明建設(shè)程度。

3.2.1 依據(jù)物元理論確定水生態(tài)文明評(píng)價(jià)的物元三元體

將水生態(tài)文明程度用n維物元R來(lái)表示：

式中N為水生態(tài)文明程度等級(jí)；Ci（i=1,2，…，n）為評(píng)價(jià)水生態(tài)文明程度的第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；Vi為N關(guān)于第i個(gè)指標(biāo)所規(guī)定的量值范圍。

3.2.2 構(gòu)建經(jīng)典域物元矩陣

濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)程度等級(jí)劃分為5級(jí)，則有5個(gè)具有相同特征（評(píng)價(jià)指標(biāo)C1，C2，…，Cn）的物元R1，R2，R3，R4和R5，為具有5個(gè)同特征的水生態(tài)文明物元體。

式中Nj（j=1，2，…，5）為所劃分的第j個(gè)水生態(tài)文明等級(jí)；Vij=[aij，bij] 為等級(jí)j關(guān)于第i個(gè)指標(biāo)所規(guī)定的量值范圍，即各等級(jí)關(guān)于對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)所取的數(shù)值范圍，簡(jiǎn)稱(chēng)經(jīng)典域。

3.2.3 構(gòu)建節(jié)域物元矩陣

將經(jīng)典域物元矩陣轉(zhuǎn)化為經(jīng)典物元的事物及其特征和此特征相應(yīng)拓展了的量值范圍組成的物元矩陣，即節(jié)域物元矩陣：

式中Np為所有的評(píng)價(jià)等級(jí)；Vp為節(jié)域，Vip（i=1，2，…，n）為第i個(gè)指標(biāo)的節(jié)域，即第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)所有評(píng)價(jià)等級(jí)的取值范圍；aip和bip（i=1，2，…，n）分別為第個(gè)指標(biāo)取值范圍的最小值和最大值。

3.2.4 構(gòu)建待評(píng)物元矩陣

依據(jù)待評(píng)物元各評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，構(gòu)建待評(píng)物元矩陣：

式中P0為待評(píng)物元；V1，V2，…，Vn為各水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)具體的取值。

3.2.5 對(duì)原經(jīng)典域的量值作規(guī)格化處理

將水生態(tài)文明評(píng)價(jià)的經(jīng)典域中的量值兩端同時(shí)除以節(jié)域Vp右端的數(shù)值bnp，得到新的水生態(tài)文明評(píng)價(jià)經(jīng)典域物元矩陣R′N(xiāo)：

3.2.6 對(duì)原待評(píng)物元矩陣中的量值作規(guī)格化處理

將水生態(tài)文明待評(píng)物元矩陣中的量值兩端同時(shí)除以節(jié)域Vp右端的數(shù)值bnp，得到新的待評(píng)物元矩陣R′0。

3.2.7 對(duì)新的待評(píng)物元體

求其關(guān)于新的經(jīng)典域量值范圍的距離Dij，即

式中a′ij，b′ij（i=1，2，…，n，j=1，2，…，5）為矩陣R′N(xiāo)中的量值；v′i為R′0中的量值。

3.2.8 計(jì)算關(guān)聯(lián)度和確定評(píng)價(jià)等級(jí)

用Dij代替關(guān)聯(lián)度函數(shù)，綜合關(guān)聯(lián)度Ki（P0）為：

式中wi為運(yùn)用改進(jìn)層次分析法計(jì)算得到的第i項(xiàng)水生態(tài)文明程度評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。當(dāng)Kj=max{Kj（p）}時(shí)，當(dāng)Kt=max Kj（P0）時(shí)，則水生態(tài)文明建設(shè)程度屬于等級(jí)t，t∈[1，5]。

4 濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)程度評(píng)價(jià)

通過(guò)定量計(jì)算，確定濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)的實(shí)際值。

4.1 計(jì)算指標(biāo)層C中各指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層O的最終組合權(quán)重

邀請(qǐng)水生態(tài)文明建設(shè)研究領(lǐng)域的6名專(zhuān)家，運(yùn)用改進(jìn)AHP對(duì)濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各層次的指標(biāo)，從下至上，分別計(jì)算各層指標(biāo)相對(duì)于上一層指標(biāo)的權(quán)重。最后，通過(guò)組合計(jì)算得到指標(biāo)層C中各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層O的最終組合權(quán)重。經(jīng)檢驗(yàn)，由改進(jìn)AHP計(jì)算得到的結(jié)果可靠合理。濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中指標(biāo)層C中各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)水平O的最終組合權(quán)重如表4。

表4 指標(biāo)層C中各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層O的最終組合權(quán)重

4.2 構(gòu)造經(jīng)典域、節(jié)域和待評(píng)物元矩陣

濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)程度等級(jí)分為5級(jí)，則存在5個(gè)具有相同特征（評(píng)價(jià)指標(biāo)C1，C2，…，C64）的水生態(tài)文明物元R1，R2，R3，R4和R5，可構(gòu)建經(jīng)典域物元矩陣RN。

根據(jù)表1，表2和表3中各項(xiàng)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的量值范圍確定節(jié)域矩陣Rp。

由濰坊市各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際值構(gòu)成待評(píng)物元矩陣R0。

4.3 規(guī)格化處理經(jīng)典域矩陣和待評(píng)物元矩陣

根據(jù)公式（5）和（6）規(guī)格化處理經(jīng)典域矩陣RN和待評(píng)物元矩陣R0，得到R′N(xiāo)和R′0。

4.4 計(jì)算水生態(tài)文明建設(shè)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度

根據(jù)公式（7）求出濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中64個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于I，II，III，IV，V級(jí)評(píng)價(jià)等級(jí)的距離Dij。

根據(jù)公式（8）計(jì)算關(guān)聯(lián)度，可得KⅠ（P0）=0.8858，KⅡ（P0）=0.9113，KⅢ（P0）=0.8811，KⅣ（P0）=0.8014，KⅤ（P0）=0.7199，計(jì)算得Kj=max{Kj（P0）}=0.9113。由評(píng)價(jià)準(zhǔn)則可知，目前濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)程度為II級(jí)良好，水生態(tài)文明建設(shè)程度較高，但距I級(jí)優(yōu)秀還有一定距離。

分析計(jì)算結(jié)果可知，濰坊市在后續(xù)水生態(tài)文明建設(shè)過(guò)程中，需重點(diǎn)加強(qiáng)水資源支撐保障能力建設(shè)、防洪（潮）減災(zāi)方面的建設(shè)、水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與保護(hù)及水景觀文化品牌形象的開(kāi)發(fā)挖掘，爭(zhēng)取早日建成水生態(tài)文明社會(huì)。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）結(jié)合濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)現(xiàn)狀，從水生態(tài)文明的狀態(tài)和建設(shè)行為過(guò)程等兩個(gè)方面構(gòu)建了水生態(tài)文明建設(shè)程度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，該體系可全面、深入地評(píng)價(jià)分析濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)程度。在綜合考慮國(guó)內(nèi)相關(guān)研究和國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，劃分濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)程度評(píng)價(jià)等級(jí)，并確定64個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，為評(píng)價(jià)濰坊市水生態(tài)文明建設(shè)程度提供評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）基于改進(jìn)AHP和改進(jìn)物元可拓法構(gòu)建的水生態(tài)文明建設(shè)程度評(píng)價(jià)模型，通過(guò)改進(jìn)AHP計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，可盡量避免賦權(quán)過(guò)程中主觀因素的影響，保證指標(biāo)權(quán)重的合理性；通過(guò)改進(jìn)物元可拓法的計(jì)算過(guò)程，克服關(guān)聯(lián)函數(shù)無(wú)法計(jì)算的局限性，保證評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)大量數(shù)據(jù)的計(jì)算是運(yùn)用該模型評(píng)價(jià)水生態(tài)文明建設(shè)程度的核心步驟，通過(guò)MATLAB等軟件簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，可使該模型成為評(píng)價(jià)水生態(tài)文明建設(shè)程度的一種簡(jiǎn)易高效、科學(xué)合理的方法。

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