基于改進G1-和諧度方程的蘭州市水生態(tài)文明評價

貢 力， 逯曄坤， 靳春玲， 祁英弟， 路瑞琴， 馬夢含

(蘭州交通大學 土木工程學院， 甘肅 蘭州 730070)

1 研究背景

水生態(tài)文明是人類遵循人、水、自然、社會和諧發(fā)展這一客觀規(guī)律，并貫穿于經(jīng)濟社會發(fā)展和“自然-人工”水循環(huán)的全過程，反映了社會人水和諧程度和文明進步狀態(tài)[1-2]。開展水生態(tài)文明建設，加快實施水資源管理制度、合理調(diào)配水資源、保證供水安全、倡導節(jié)約用水、減少污染以及治理生態(tài)環(huán)境，徹底解決人民長期承受的“水多之患”、“水少之怕”、“水臟之憂”等問題，就必須建立水生態(tài)文明評價體系，這一體系是水資源管理領域的一種新思想新理念,也是面對國家生態(tài)文明評價大形勢下水利行業(yè)的一個重要響應。

自從水生態(tài)文明建設發(fā)展戰(zhàn)略實施以來，國內(nèi)學者相繼開展了大量研究并取得了較大進展，不僅在內(nèi)涵方面進行了深層次的研究，而且從多角度建立了指標評價及評價方法[3～8]。例如：左其亭[9]以生態(tài)文明理念為基礎，對水生態(tài)文明建設的關鍵問題作出分析并提出具體建議；劉海嬌等[10]從水資源開發(fā)利用、水生態(tài)環(huán)境保護、水景觀營造和水管理保障4方面構建評價指標體系，并建立了熵權和可拓相結合的水生態(tài)文明評價模型；王富強等[11]從最嚴格水資源管理、水資源優(yōu)化配置等方面構建了評價指標體系，以鄭州市為例進行了水生態(tài)文明城市建設相關評價；黃顯峰等[12]考慮了水生態(tài)文明建設的5個相關方面構建了評價指標體系并建立基于實數(shù)編碼的加速遺傳算法的投影尋蹤評價模型；王浩[13]以“自然-社會”二元多過程的演變規(guī)律為核心，從防洪抗旱、高效供水、水生態(tài)、水文化和水管理五大體系出發(fā)，對水生態(tài)文明建設關鍵問題進行研究；張叢林等[14]針對我國目前水問題，通過生態(tài)彈性力、資源承載力和環(huán)境承載力對水生態(tài)文明制度體系進行研究；皮家駿等[15]從水資源、水生態(tài)、水利用、水管理和水文化方向利用PSR模型構建指標體系，利用物元模型對南昌市水生態(tài)文明進行評價。

綜上所述，水生態(tài)文明建設評價中，指標體系的建立對水生態(tài)文明建設評價尤為關鍵。而蘭州市生態(tài)環(huán)境脆弱，黃河作為蘭州市重要水資源來源，對蘭州市水生態(tài)文明進行評價，有利于其生態(tài)環(huán)境建設、經(jīng)濟結構調(diào)整和產(chǎn)業(yè)轉型升級，其水生態(tài)文明構建與城市經(jīng)濟發(fā)展密不可分。要在充分掌握水生態(tài)文明內(nèi)涵的基礎上建立指標體系，重點評價水生態(tài)文明變化趨勢，以及各指標在生態(tài)文明建設過程中的狀況和特點，找出明顯關鍵制約因素，以制定針對性措施推進生態(tài)文明建設。

本文以蘭州市水生態(tài)文明建設評價為目標，構建蘭州市水生態(tài)文明評價指標體系，提出改進G1-HDE的綜合評價方法對蘭州市水生態(tài)文明進行評價，確定其水生態(tài)文明程度，從而全面把控蘭州市水生態(tài)文明建設方向，為其進一步開展水生態(tài)文明建設提供參考。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文研究采用數(shù)據(jù)主要來源于：(1)《甘肅省統(tǒng)計年鑒》《甘肅省水資源公報》《甘肅省水利發(fā)展統(tǒng)計公報》；(2)《甘肅省生態(tài)保護與建設規(guī)劃(2014-2020)》和《蘭州市十三五環(huán)境保護規(guī)劃》。

各指標數(shù)據(jù)的處理根據(jù)參考文獻[1]進行確定。

2.2 構建蘭州市水生態(tài)文明評價指標體系及分級閾值

蘭州市水生態(tài)文明評價指標體系的建立充分考慮到城市水生態(tài)文明建設的實踐需求，將水安全、水生態(tài)、水環(huán)境、水節(jié)約、水監(jiān)管、水文化6個方面作為評價指標體系的準則層，并對上述6個準則選取18個典型指標，從而構建蘭州市水生態(tài)文明評價指標體系(見圖1)并確定各指標等級劃分閾值(見參考文獻[1])。

圖1 蘭州市水生態(tài)文明評價指標體系

2.3 改進G1賦權法

主觀賦權法G1是專家或決策者根據(jù)自我掌握信息和偏好，人為確定權重的方法，其缺乏實際數(shù)據(jù)，具有一定的隨意性[16]。因此，本文提出采用改進G1賦權方法確定權重[17-18]。首先通過熵權法確定蘭州市水生態(tài)文明的各評價指標的權重大小，代替G1法中人為主觀確定各指標的序關系，對于其權重相同的指標采用專家評判確定相對序關系；其次運用變異系數(shù)法計算蘭州市水生態(tài)文明各評價指標的變異系數(shù)，通過相鄰指標的變異系數(shù)之比確定蘭州市水生態(tài)文明各評價指標的重要性程度，代替G1法中人為主觀確定相鄰指標重要性程度的方法；最后采用G1法中權重的計算方法確定蘭州市水生態(tài)文明評價指標的權重。改進G1法權重的確定修正了G1法主觀及隨意的特點，權重的確定更加靈活和客觀。計算步驟如下：

(1)熵權法確定各評價指標權重大小。數(shù)據(jù)處理及計算步驟如下：

正向指標：

(1)

負向指標：

(2)

計算評價指標的熵值ej，確定各評價指標的權重ωj，即：

(3)

(4)

(2)根據(jù)權重大小確定評價指標的重要性程度排序關系。

通過上述確定的評價指標的權重大小，繼而構建指標的序關系，記為：

X1>X2>…>Xk-1>Xk>Xk+1>…>Xn

(5)

(3)確定評價指標的變異系數(shù)值。

計算評價指標的標準差：

(6)

計算評價指標的變異系數(shù)：

(7)

(4)采用評價指標的變異系數(shù)值確定相鄰指標Xk-1與Xk的重要性程度rk：

(8)

(5)通過G1法確定各評價指標的最終權重。

根據(jù)上述確定的rk確定第n個評價指標的權重，即：

(9)

依據(jù)權重ωn的值計算第n-1,n-2,…,3,2個指標的權重值為：

ωk-1=rkωk(k=n,n-1,…,3,2)

(10)

2.4 和諧度方程評價方法

和諧度方程(harmony degree equation，簡稱HDE)是左其亭[19]于2009年為定量表達和諧程度而首次提出的，并對和諧度方程進行了系統(tǒng)介紹，構建了以“和諧”為理念進行定量研究的一套方法理論體系[20]。隨后左其亭等[21-23]及有關學者[24-25]對和諧度方程評價方法及應用進行了詳細描述，使和諧度方程在綜合評價問題中能夠靈活應用，其評價結果更為可靠、符合實際。

2.4.1 和諧度方程(harmony degree equation)

(1)單因素和諧度方程：

HDk=a·i-b·j

(11)

(2)多因素和諧度方程：

(12)

式中：各參數(shù)意義及確定方式見文獻[26]。

2.4.2 蘭州市水生態(tài)文明評價標準的確定 通過方程式(12)將改進G1法賦權確定的蘭州市水生態(tài)文明評價指標的權重和和諧度方程確定的評價指標和諧度值進行加權平均計算，確定出蘭州市水生態(tài)文明的和諧度值，對比表1蘭州市水生態(tài)文明和諧度值劃分標準確定最終文明程度。通過上述評價方法的介紹說明，蘭州市水生態(tài)文明評價流程見圖2。

表1 蘭州市水生態(tài)文明和諧度值劃分標準

圖2 蘭州市水生態(tài)文明評價流程

3 結果分析與討論

3.1 蘭州市水生態(tài)文明評價指標權重的確定

根據(jù)處理的數(shù)據(jù)，采用改進G1法計算蘭州市水生態(tài)文明各評價指標權重，計算結果見表2。

3.2 蘭州市水生態(tài)文明評價指標和諧度計算

按照和諧度參數(shù)計算方法，確定各指標參數(shù)值。其中和諧參數(shù)計算采用模糊思想，將和諧參數(shù)劃分為0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1，依次與指標等級Ⅴ～Ⅰ相對應進行計算。蘭州市各指標2014-2017的和諧參數(shù)計算結果見表3。

采用和諧度方程(公式11)，計算蘭州市各指標2014-2017年和諧度值，結果見表4。

3.3 確定蘭州市水生態(tài)文明和諧程度

根據(jù)多因素和諧度方程(公式12)確定蘭州市水生態(tài)文明和諧度值，并對照表1確定出蘭州市水生態(tài)文明程度見表5。

3.4 討論

(1)通過指標權重計算(見表2)可以發(fā)現(xiàn)水生態(tài)的縱向連通性指數(shù)、水監(jiān)管的用水總量控制達標情況和水生態(tài)文明建設重視度權重最高，對蘭州市水生態(tài)文明程度的影響最為顯著。蘭州市水生態(tài)文明評價中準則層的重要性依次為水監(jiān)管、水文化、水生態(tài)、水安全、水節(jié)約和水環(huán)境，準則層從6個方面充分反映了“人、水”之間和諧發(fā)展對水生態(tài)文明建設的客觀規(guī)律，繼而對今后蘭州市水生態(tài)文明建設提出合理有效的把控要素。

表2 蘭州市水生態(tài)文明各指標權重的計算結果

(2)2014-2017年蘭州市水生態(tài)文明各評價指標的和諧度值見圖3。由圖3得出：從2014-2017年和諧度值為負的指標逐漸減少，同時各指標和諧度值整體上升趨勢明顯；生態(tài)基流量滿足程度、廢水達標處理率，水生態(tài)文明建設公眾認知度及水環(huán)境質(zhì)量公眾滿意度的和諧度值從極不文明上升趨勢顯著，得到了一定的改善；至2017年水域空間率和諧度值依舊為負值，故應重點分析原因，確定其對水生態(tài)文明的影響性，后期應納入重點考察因素。

(3)蘭州市水生態(tài)文明程度計算結果(見表5)表明，其水生態(tài)-文明程度從2014-2017年依次為極不文明、不文明、一般文明、顯著文明，呈現(xiàn)穩(wěn)步上升趨勢，與實際情況一致。主要因為近年來蘭州市積極響應水生態(tài)文明建設，不斷突出水生態(tài)文明建設的重要性，科學編制《蘭州市水生態(tài)文明建設綜合規(guī)劃》和《蘭州市水生態(tài)文明建設試點實施方案》，以蘭州市重要水資源黃河為載體，科學規(guī)劃蘭州水系，改善城市供水結構，合理布局生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水工程，控制污染物，打造兩岸濕地等景觀建設，從而增強了人與水環(huán)境的和諧發(fā)展。

表3 2014-2017年蘭州市水生態(tài)文明各評價指標和諧參數(shù)值

表4 2014-2017年蘭州市水生態(tài)文明各評價指標和諧度值

圖3 2014-2017年蘭州市水生態(tài)文明各評價指標和諧度值

表5 2014-2017年蘭州市水生態(tài)文明程度

4 結 論

(1)本文提出蘭州市水生態(tài)文明評價對建立黃河上、中、下游整體性、系統(tǒng)性發(fā)展具有一定作用。蘭州市水生態(tài)文明評價是打造黃河生態(tài)經(jīng)濟帶重要因素，從水安全、水生態(tài)、水環(huán)境、水節(jié)約、水監(jiān)管、水文化6方面及18個具有代表性的指標構成評價指標體系，盡可能體現(xiàn)蘭州市水生態(tài)文明狀況。蘭州市水生態(tài)文明評價具有一定的模糊性和不可量化性，隨著發(fā)展階段的不同將具有不同的側重點，應需在研究中更加完善指標體系，提出不同時段的相關特點，更好地指導蘭州市水生態(tài)文明評價。

(2)采用改進G1-HDE的綜合評價模型進行水生態(tài)文明評價，并以蘭州市為例進行分析，得出水監(jiān)管和水文化兩方面在蘭州市水生態(tài)文明評價中較弱，在今后工作中應加強這兩方面建設，以提高人們對水生態(tài)文明的重視度。通過綜合評價得出蘭州市2014-2017年水生態(tài)文明程度逐漸提高，與實際情況相吻合，證明了此模型具有一定的適用性。