基于熵權物元模型的長三角幸福河層次評價

王子悅，徐 慧，黃丹姿，周 惟

(河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

隨著時代的發(fā)展，人們對水的理解和認識不斷加深，人類社會對水資源的需求層次也不斷提高。2019年9月18日，習近平總書記在黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展座談會上，發(fā)出了“讓黃河成為造福人民的幸福河”的號召，第一次提出了“幸福河”這個新名詞，為新時代生態(tài)文明條件下的黃河流域治理與發(fā)展提出了新的目標和方向。

認真學習領會習近平總書記重要講話精神時，應明確幸福河不僅僅是黃河流域治理發(fā)展的目標，更是新時代水利事業(yè)發(fā)展的基本要求。要深刻理解幸福河的內涵特性，科學建立幸福河評價指標體系方法，努力使每條河流、每個流域都成為造福于人類的“幸福河”。

2019年12月1日，中共中央、國務院印發(fā)《長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》，正式將長江三角洲區(qū)域(以下簡稱“長三角”)一體化發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，其中提出強化生態(tài)環(huán)境共保聯(lián)治，強調對長三角水環(huán)境水生態(tài)的協(xié)同保護治理。本文將幸福河的概念及評價應用與長三角一體化發(fā)展戰(zhàn)略相結合，為豐富幸福河相關研究、推動長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展提供參考。

1 幸福河的內涵

1.1 幸福河的概念

幸福河是基于新時代生態(tài)文明框架提出的一個新概念，目前相關研究尚少，還需進一步深入挖掘其內涵特性。左其亭等[1]從水安全、水資源、水生態(tài)角度，認為幸福河是保持河流生態(tài)系統(tǒng)的自然結構和功能，持續(xù)滿足人類社會合理需求，且實現(xiàn)人與河流和諧相處的河流，并提出了其特性和判斷準則；陳茂山等[2]從洪水有效防御、供水安全可靠、水生態(tài)健康、水環(huán)境良好、流域高質量發(fā)展及水文化傳承6個方面闡述了幸福河的內涵，并初步建立了幸福河評價指標體系；韓宇平等[3]構建了包含流域自然屬性、社會經濟屬性、人水和諧關系3個方面的幸福河評價指標體系，采用模糊綜合評價法對黃河流域進行了評價。

筆者認為，幸福河是以河流為中心的流域多功能性的集中體現(xiàn)，是自然系統(tǒng)與人類需求實現(xiàn)共同、協(xié)調、高質量發(fā)展的流域系統(tǒng)。幸福河的研究對象是流域系統(tǒng)，包含了流域內一切的自然要素、人類社會要素，以及由它們相互作用產生的人水關系要素。幸福河要關注到整個流域，并建立在山水林田湖草的生命共同體和人與自然的命運共同體上，體現(xiàn)其協(xié)調綜合性和人水耦合性。它是人-水系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的結果，是人類幸福感對流域多功能性建設導向的一種體現(xiàn)。

1.2 引入需求層次理論的幸福河內涵

“幸福”是一個主觀性很強的概念，它很難直接用某一普適的指標體系來衡量，自古以來一直是人類思考和討論的重要話題之一。馬斯洛在需求層次理論中提出，不同層次的需求和滿意度決定著幸福的層次[4]。馬斯洛的需求層次理論認為，人們從低到高有5個基本需求層次：生理需求、安全需求、歸屬(社交)需求、尊重需求、自我實現(xiàn)需求[5]。

目前在水利領域相關工作的研究實踐中，對需求層次理論的應用尚較少。韓宇平等[3]依據需求層次理論將幸福河指數劃分為基本需求、發(fā)展需求、和諧需求3個層次。鐘華平[6]根據馬斯洛需求層次理論，提出了水資源管理需求的5個相應層次，即取水管理、供水管理、需水管理、智水管理和綠水管理。李華斌等[7]結合馬斯洛需求層次理論，將綜合治水需求劃分為3個層次：基本需求、中級需求和高級需求。

將需求層次理論引入幸福河的相關研究，可以將馬斯洛提出的5個層次作為幸福河評價的基礎框架，建立幸福河層次等級，對流域內自然、社會、人水關系要素與各層次等級的契合程度進行評價，其中生理需求、安全需求可對應2個基礎層次，即表現(xiàn)為流域自然環(huán)境基礎良好、人民生活富裕、水資源開發(fā)利用基本合理；歸屬需求、尊重需求可對應2個提升層次，即流域生態(tài)環(huán)境優(yōu)越、社會經濟發(fā)展及人民生活水平不斷提高、水資源的規(guī)劃管理利用合理科學；自我實現(xiàn)需求可對應幸福層次，即流域生態(tài)景觀功能良好實現(xiàn)、社會經濟與生活質量實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、人水關系和諧協(xié)調發(fā)展。因此，本文建立包含自然、人類社會、人水關系3個系統(tǒng)的評價指標體系，并結合需求層次理論，以基礎Ⅰ層次、基礎Ⅱ層次、提升Ⅰ層次、提升Ⅱ層次、幸福層次5個層次作為幸福河的層次評價等級。

2 研究區(qū)概況

根據《長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》，長三角位于中國東部，包括江蘇省、上海市、浙江省和安徽省，面積35.8萬km2，屬亞熱帶季風氣候，溫和濕潤，但水資源時空分布極不均勻。長三角是中國河網密度最高的地區(qū)，水環(huán)境良好，多年平均當地水資源量為537.79億m3，水資源豐富。同時，長三角也是中國經濟發(fā)展最快、開放程度最高、創(chuàng)新能力最強的地區(qū)之一，總體城市化水平高，人口密集，因此也造成了水資源人均占有量低，部分流域水污染嚴重等問題，水資源形勢嚴峻。

本文采用的數據來自2018年上海市、江蘇省、浙江省、安徽省三省一市的水資源公報、水利年鑒、統(tǒng)計年鑒等資料。

3 研究方法

3.1 評價指標體系構建

關于幸福河相關評價指標的選取，目前還沒有統(tǒng)一公認的標準。本文根據前文對幸福河概念的分析，參照目前比較成熟的全國重要河湖健康評估標準、黃河流域幸福河層次評價[3]、水資源開發(fā)利用綜合評價[8]、水環(huán)境安全評價[9]、水資源系統(tǒng)評價[10]、長三角綠色發(fā)展評價[11]等評價指標體系，從中選取部分合適的指標，結合長三角三省一市實際情況和專家學者的建議，遵照科學實用、數據完整可獲得的原則，基于自然、人類社會和人水關系3個系統(tǒng)構建了包含24個指標的幸福河層次評價指標體系如圖1所示，其中C5、C10、C11、C13、C16、C21、C22、C23等8個指標為逆向指標，其他均為正向指標。采用熵權法計算各指標的熵值作為權重(圖1括號中數據)。

3.2 熵權法

本文采用熵權法計算評價指標權重。熵權法是一種客觀的賦權方法，盡可能避免了人為主觀性的干擾，能更好反映指標熵值的效用價值[12]。計算權重時需要對各評價指標的數據進行歸一化處理，對于正、負向指標，分別采用以下公式進行歸一化：

(1)

(2)

式中：xij為評價對象j評價指標i的值；bij是歸一化后的指標值；ximin、ximax分別為評價指標i的最小和最大值。

根據熵的定義，評價對象j評價指標i的熵值為

(3)

其中

式中：bik為評價對象k評價指標i的值；m為評價指標總數；n為待評價對象總數。

評價指標i的權重wi為

(4)

3.3 物元模型

物元模型由我國學者蔡文教授于20世紀80年代初提出，主要用于解決不相容的復雜問題，適用于多因子綜合評價[13]。該方法可以全面綜合各個因素的全部信息，通過定量的數值來表達評價的結果[14]，同時可反映評價結果的中間轉化狀態(tài)，使得評價結果更具科學性。幸福河的概念具有模糊性，其評價涉及的指標較多，且具有不相容性，因此根據物元分析法可以構建幸福河評價物元模型。物元模型的具體計算過程較繁瑣[15]，本文僅列出最終的關聯(lián)函數及關聯(lián)度的計算方法。

關聯(lián)函數k(x)定義為

(5)

其中

式中：|X|為區(qū)間X的長度；x、X、Xp為待評物元的量值、經典域物元的量值區(qū)間和節(jié)域物元的量值區(qū)間；a、b分別為區(qū)間X的左、右端點值；ap、bp分別為區(qū)間Xp的左、右端點值。

評價對象j關于等級z的綜合關聯(lián)度Kzj為

(6)

式中kz(xi)為評價對象j評價指標i關于等級z的關聯(lián)度。

若ku(xi)=maxkj(xi)，則評價對象j評價指標i屬于等級u；若Kvj=maxKzj，則待評對象j屬于等級v。對于關聯(lián)度K，當K≥1時，表示評價對象超過標準對象的上限，數值越大，說明其在該等級中越穩(wěn)定；當0≤K<1時，表示評價對象符合標準要求，數值越大，越接近標準的上限；當-1≤K<0時，表示評價對象不符合標準要求，但具備轉化為標準對象的條件，且數值越大，越容易轉化；當K<-1時，表示評價對象不符合標準要求，又不具備轉化成該標準的條件。

3.4 經典域、節(jié)域和待評物元的確定

將前文劃分的基礎Ⅰ層次、基礎Ⅱ層次、提升Ⅰ層次、提升Ⅱ層次、幸福層次5個層次，采用Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級5個等級表示，依據幸福河各層次的內涵，結合相關研究成果、專家學者建議和長三角實際情況，對各評價指標等級進行量化分級，構建長三角幸福河層次評價的經典域物元矩陣Rz及節(jié)域物元矩陣Rp如表1所示。

表1 長三角幸福河層次評價經典域物元矩陣Rz與節(jié)域物元矩陣Rp元素的值

根據獲得的各評價指標數據，得到待評物元矩陣Rj如表2所示。

表2 長三角幸福河層次評價待評物元矩陣Rj元素的值

4 結果與分析

4.1 評價結果

將待評物元代入相應公式，即可得到對應的指標關聯(lián)度。以江蘇省降水量指標C1為例，將C1=1 088.1 mm代入式(6)，得到該評價指標對應每個等級的關聯(lián)度：k1(C1)=-0.288 1、k2(C1)=-0.110 1、k3(C1)=0.440 5、k4(C1)=-0.135 8、k5(C1)=-0.304 6，其中k3(C1)最大，可以判定江蘇省該指標屬于Ⅲ級，即提升Ⅰ層次。同理可計算得出其他評價指標及其他省市相應評價指標的對應等級結果，如表3所示。

表3 長三角幸福河層次評價指標等級

將圖1中各評價指標權重分別采入式(9)，可計算得到所有指標的綜合關聯(lián)度。以江蘇省為例，每個層次對應的綜合關聯(lián)度為：K1江蘇=-0.448 5、K2江蘇=-0.272 0、K3江蘇=-0.109 0、K4江蘇=-0.290 3、K5江蘇=-0.459 3，其中K3江蘇最大，由此可判斷江蘇省幸福河層次等級為Ⅲ級，即提升Ⅰ層次，但由于K3江蘇<0，因此最終評價結果為“向Ⅲ級(提升Ⅰ層次)轉化”。同理可得到其他省市幸福河層次評價結果如表4所示。

表4 長三角幸福河綜合關聯(lián)度與評價結果

4.2 長三角幸福河層次總體分析

依據表4的評價結果，可得到以下結論：

a.2018年長三角三省一市的幸福河層次均位于向提升Ⅰ、Ⅱ和幸福層次轉化的狀態(tài)，整體處于中高水平，上海市在向最高的幸福層次轉化。

b.長三角三省一市的綜合關聯(lián)度均在-1到0之間，說明它們均處于向某個層次轉化的中間狀態(tài)，整體穩(wěn)定性較差，對外界的干擾比較敏感。

c.江蘇省的最高綜合關聯(lián)度最高，且最接近于0，其次依次為浙江省、安徽省、上海市，說明江蘇省最容易轉化為最高關聯(lián)度對應的提升Ⅰ層次，而浙江省、安徽省、上海市轉化為對應層次的難度依次增加。

d.從三省一市自身相對于5個層次的關聯(lián)度來看，江蘇省的最高綜合關聯(lián)度與次高綜合關聯(lián)度之間的差距最大，說明若無高權重指標值的大幅變化，其幸福河層次能較穩(wěn)定地處于向提升Ⅰ層次轉化的過程中，而其余三省市自身最高與次高綜合關聯(lián)度之間的差距較小，說明向各自最高綜合關聯(lián)度對應層次的轉化較不穩(wěn)定，也易轉化為次高綜合關聯(lián)度對應的層次，需要注意對限制因子的改良，從而穩(wěn)定或提高其幸福河層次。

4.3 長三角幸福河層次指標分析

從圖1中各評價指標的權重可見，地表水和地下水開發(fā)利用程度比(C14)、人均生活用水量(C16)、人均生態(tài)用水量(C17)、森林覆蓋率(C3)、單位體積水糧食產量(C20)等指標權重較大，是長三角三省一市幸福河層次差異的主要影響因素，而對于每個省市，結合表4各評價指標的等級，可見影響其等級和穩(wěn)定性的主要限制因子又不盡相同。

對于江蘇省，其主要限制因子為C3、C16。由于江蘇省以平原為主，森林資源偏少，且由于歷史原因區(qū)域發(fā)展不均衡，蘇南地區(qū)工業(yè)化、城市化率高，經濟發(fā)達，人口眾多，蘇中蘇北地區(qū)以農業(yè)經濟為主，是我國重要的農業(yè)區(qū)。相對發(fā)達的工農業(yè)和地區(qū)間不平衡的發(fā)展狀態(tài)，造成全省整體生態(tài)壓力較大，人水和諧建設水平有待提高，因此幸福河層次較穩(wěn)定地處于向中等水平的提升Ⅰ層次轉化的過程中。

對于上海市，主要限制因子為C16、C17、C3、C20。上海市位于長江入海口的沖積平原，面積狹小，造成植被資源和水資源總量偏少，生態(tài)壓力大，且不能滿足用水需求；上海城市化率極高，人口眾多，且經濟以第二、三產業(yè)為主，因此造成水資源開發(fā)利用程度高，污染負荷大，人水關系協(xié)調難度大。極其發(fā)達的社會經濟支撐著上海市幸福河層次，雖向最高的幸福層次轉化，但限制因子較多，很不穩(wěn)定。

對于浙江省，主要限制因子為C16、C20。浙江省多山地丘陵，整體自然生態(tài)條件較好，多形成小流域，但崎嶇的地形造成了較多阻斷，不利于城鄉(xiāng)供用水綜合優(yōu)化治理和大面積農業(yè)發(fā)展。而有利的自然生態(tài)環(huán)境、較發(fā)達的社會經濟水平和不斷提升的人水和諧理念，使得浙江省幸福河層次向中高水平的提升Ⅱ層次轉化。

對于安徽省，主要限制因子為C14、C3。安徽省是長三角唯一處于內陸的省區(qū)，植被資源與地表水資源均偏少，且社會經濟發(fā)展水平偏弱，農業(yè)經濟比重較大，是我國的重要產糧區(qū)，耕地面積大，農業(yè)用水量大。這種較不利的自然經濟條件及水資源利用方式，使得安徽省幸福河層次向提升Ⅱ層次的轉化極不穩(wěn)定。

5 結 語

本文旨在將幸福河的概念及應用與長三角一體化發(fā)展戰(zhàn)略相結合，通過對長三角幸福河層次的評價，可以充分認識區(qū)域內三省一市的發(fā)展現(xiàn)狀與生態(tài)優(yōu)勢，助力長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展精準取長補短，推進水生態(tài)水環(huán)境協(xié)同防治，整合綠色發(fā)展的生態(tài)基礎，實現(xiàn)生態(tài)效益向發(fā)展效益的轉化，在保證經濟社會高質量發(fā)展的同時，守好生態(tài)綠色的底線。應用熵權物元模型對長三角幸福河層次進行了評價，對每個指標評定了等級，評價結果也能反映對象所處等級的穩(wěn)定狀態(tài)，包含的信息更加豐富，克服了幸福河概念的模糊性和單個指標結果的不相容性，同時盡可能避免主觀不確定性，評價結果是相對可靠的，可為長三角地區(qū)河湖綜合保護治理與幸福河建設工作提供參考。