阜陽市幸福河湖評價及障礙因子識別

楊 蘭,潘爭偉,邱海鵬,王德健,李 鑫

(1. 蚌埠學院 土木與水利工程學院,安徽 蚌埠 233030;2. 哈爾濱工程大學 煙臺研究院,山東 煙臺 265503)

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(zhì)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”的偉大號召[1],為新時代的河湖管理提出了新的目標和要求。 迄今為止,幸福河湖的研究已經(jīng)取得了一些成果,左其亭等[2-3]基于我國江河歷史及治理需求,提出了幸福河的定義和判斷準則,確定了幸福河評價指標體系。 陳茂山等[4]從洪水有效防御、供水安全可靠、水生態(tài)健康、水環(huán)境良好等6 個方面提出了幸福河評價指標體系和評價方法。 幸福河研究課題組[5]通過深入分析幸福河的內(nèi)涵,構(gòu)建了幸福河湖指數(shù)及其指標體系。 王子悅等[6]基于需求層次理論,采用熵權(quán)物元模型對長三角2018 年的幸福河情況作了評價分析;黃垣森等[7]基于云模型,對長株潭萬豐河、漣水河、瀏陽河2019 年的幸福河作了評價分析。 上述研究主要以幸福河湖概念和內(nèi)涵等理論研究為主,但缺乏全面的基于時間序列的幸福河湖綜合評價及影響因子的研究。 因此,建立一整套包含幸福河湖評價指標體系及評價模型構(gòu)建、幸福河湖障礙因子識別的理論與基于時間序列的應(yīng)用模式體系,可為區(qū)域幸福河湖建設(shè)及生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐。

本研究結(jié)合學者們建立的長三角、長株潭、黃河[8-9]、太湖[10]等流域的幸福河評價等指標體系,基于熵權(quán)法和TOPSIS 耦合模型,從水資源供給、水資源利用、水環(huán)境治理、水生態(tài)環(huán)境、水經(jīng)濟發(fā)展5 個方面對阜陽市2012—2021 年的幸福河湖情況進行綜合評價,并采用障礙度模型識別影響阜陽市幸福河湖的主要障礙因子,根據(jù)主要障礙因子,提出相應(yīng)的幸福河湖建設(shè)對策,以期為阜陽市的幸福河湖建設(shè)工作提供參考。

1 指標體系及等級標準構(gòu)建

幸福河湖評價指標體系的建立要能體現(xiàn)出河流的屬性指標,同時也要能反映人民的幸福感[11]。 本研究基于幸福河湖的基本概念和內(nèi)涵,并結(jié)合研究區(qū)域的實際情況,從水資源供給、水資源利用、水環(huán)境治理、水生態(tài)環(huán)境、水經(jīng)濟發(fā)展5個準則層出發(fā),遵循數(shù)學科學性、獨立性、完整性、可獲取性等原則的基礎(chǔ)上,選取了15 個指標作為幸福河湖評價指標體系,如圖1 所示。

幸福河湖評價指標目前尚無統(tǒng)一的等級劃分標準,結(jié)合已有研究成果及幸福河湖評價導則,將幸福河湖等級劃分為5 個級別[12],Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級分別代表河湖幸福程度為優(yōu)、良、中、差、極差,評價指標等級劃分標準如表1所示。

圖1 幸福河湖評價指標體系

表1 幸福河湖評價指標等級劃分

2 幸福河湖評價模型及障礙因素診斷模型的構(gòu)建

2.1 基于熵權(quán)法的指標權(quán)重確定

本研究采用熵權(quán)法確定幸福河湖評價指標的權(quán)重,熵權(quán)法根據(jù)各指標的變異程度來確定指標的權(quán)重,可減小權(quán)重確定過程中由主觀因素引起的偏差,使結(jié)果更加符合實際情況[13]。 熵權(quán)法具體步驟如下:

(1)評價指標標準化

假定有n個指標,每個指標有m個樣本,第j個指標的第i個樣本的原始值記為,用極差標準化方式對進行標準化處理,得到各指標的標準化值。

對于正向指標:

對于逆向指標:

(2)計算指標熵值

式中:Pij——第j個指標的第i個評價對象的特征比重,

(3)確定指標熵權(quán)值

式中:wj——第j個指標的權(quán)重。

2.2 基于TOPSIS 模型的幸福河湖評價模型

TOPSIS 模型根據(jù)指標權(quán)重及其標準化結(jié)果,確定評價對象的正、負理想解,通過計算每個評價對象與正、負理想解之間的歐氏距離,進一步得到評價對象與理想值之間的貼近度,從而對評價對象進行優(yōu)劣評價[14-15]。 TOPSIS 模型計算過程簡單,且評價結(jié)果可靠,被廣泛應(yīng)用于生態(tài)文明建設(shè)的各領(lǐng)域效益評價[16-17],其具體計算方法如下:

(1)確定加權(quán)決策矩陣Z

將熵權(quán)法得到的權(quán)重值wj乘以標準化矩陣X,可得到加權(quán)決策矩陣Z。

(2)確定正理想解和負理想解

(3)計算評價指標到正負理想解的歐氏距離

(4)計算相對貼近度

式中:Ci——幸福河湖相對貼近度,其值在[0,1]之間,Ci值越大,說明幸福河湖評價值越高;反之,則幸福河湖評價值越小。 幸福河湖評價等級標準如表2 所示。

表2 幸福河湖評價等級標準

2.3 障礙因素診斷模型

為了更好地建設(shè)區(qū)域幸福河湖,提高幸福河湖等級,引入障礙因素診斷模型對幸福河湖主要影響因素進行識別,找出影響幸福河湖的主要障礙因子,有利于提出有針對性的改善措施,從而提高和完善幸福河湖建設(shè)情況。 障礙因素診斷模型具體計算方法如下:

式中:Tj——因子貢獻度,表示單個指標對總體目標的影響程度,可取指標權(quán)重值wj;Sij——指標偏離度,是第i個樣本中第j個指標與幸福河湖最優(yōu)目標的差距;Pij——障礙度,指第i個樣本中第j個指標對幸福河湖的影響度。

3 實例應(yīng)用

3.1 研究區(qū)概況

阜陽市位于安徽省西北部,淮河中游,屬暖溫帶半濕潤季風氣候,特殊的地理位置使阜陽市具有南北氣候過渡帶的氣候特征。 阜陽市境內(nèi)有淮河、潁河、泉河、茨淮新河、洪河、黑茨河等眾多河流,多年平均降水量963.5 mm,年平均降水日數(shù)為101.1 d,降雨集中在每年6 月—8 月,7 月最多。 阜陽市供水水源比較單一,受上游降雨、用水、排污等,尤其是枯水期的影響,人民生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水矛盾及突發(fā)性水污染問題比較突出,是一個集資源型缺水、水質(zhì)型缺水及工程型缺水于一體的典型缺水城市[18]。

3.2 數(shù)據(jù)來源

本研究通過查閱《安徽省統(tǒng)計年鑒》《阜陽市統(tǒng)計年鑒》《阜陽市水資源公報》《阜陽市環(huán)境狀況公報》等,獲得阜陽市2012—2021 年的各指標數(shù)據(jù)值,對阜陽市的幸福河湖情況作了評價。

3.3 阜陽市幸福河湖評價

根據(jù)熵權(quán)法的具體步驟,確定指標屬性,將阜陽市2012—2021 年的各指標數(shù)據(jù)帶入公式(1)~(4),可分別得到指標標準化值、熵值及熵權(quán)值,計算得到各準則層及指標的子系統(tǒng)權(quán)重、系統(tǒng)權(quán)重如表3 所示。

表3 指標權(quán)重

根據(jù)熵權(quán)法確定的標準化矩陣和指標權(quán)重,依次根據(jù)公式(5)~(9),可得加權(quán)決策矩陣、正負理想解、正負歐氏距離和相對貼近度,進一步分析得到阜陽市2012—2021 年的幸福河湖評價等級,如表4 所示。

表4 阜陽市幸福河湖評價結(jié)果

為了進一步分析幸福河湖的變化原因,分別根據(jù)各指標所在系統(tǒng)權(quán)重及標準化結(jié)果,對水資源供給、水資源利用、水環(huán)境治理、水生態(tài)環(huán)境、水經(jīng)濟發(fā)展5 個子系統(tǒng)的相對貼近度作了計算,子系統(tǒng)相對貼近度的變化趨勢如圖2所示。

圖2 2012—2021 年阜陽市各子系統(tǒng)貼近度變化

由表4 和圖2 的結(jié)果分析可得,2012—2021年,阜陽市的幸福河湖建設(shè)水平保持穩(wěn)定上升,由2012 年的Ⅴ級(極差)逐漸增長為2020 年的Ⅰ級(優(yōu))和2021 年的Ⅱ級(良),說明隨著生態(tài)文明建設(shè)、河湖長制建設(shè)等工作的進一步落實,生態(tài)與經(jīng)濟互動雙贏發(fā)展,阜陽市河湖健康治理工作成效比較顯著。 在子系統(tǒng)中,除水資源供給子系統(tǒng)與年降水量密切相關(guān),貼近度隨降水量變化波動較大,其余子系統(tǒng)的貼近度在2012—2021 年基本都呈穩(wěn)定增長趨勢。

其中,2020 年由于降水量充沛,為水資源供給和水資源利用提供了有利的保障,同時區(qū)域水質(zhì)、經(jīng)濟、生態(tài)等方面穩(wěn)步提升,故2020 年貼近度在2012—2021 年達到最高值0.826,達到幸福河湖Ⅰ級。 2019 年,阜陽市發(fā)生嚴重干旱,年降水量僅552.1 mm,為10 年間最低值,不到2020 年的1/2;子系統(tǒng)中,除水經(jīng)濟發(fā)展貼近度有所增長外,其余子系統(tǒng)貼近度在2019 年均有所降低,水資源供給子系統(tǒng)降低最為明顯;水資源利用率、工業(yè)用水強度、空氣質(zhì)量優(yōu)良率、農(nóng)田灌溉單位面積耗水量等多項指標值負增長較為明顯。 2021 年同2020 年相比,幸福河湖等級由Ⅰ級(優(yōu))下降為Ⅱ級(良),貼近度較2020 年降低0.053 7,究其主要原因是降水量較2020 年少,導致人均水資源量、農(nóng)田灌溉單位面積耗水量等指標負向增長。 2017年降水量為十年間最大值,故水資源供給子系統(tǒng)貼近度也最大,其余各子系統(tǒng)的值在2017 年也均有大幅提升,幸福河湖貼近度較2016 年增加較多,幸福河湖等級增加為Ⅱ級。

3.4 阜陽市幸福河湖障礙因子識別

根據(jù)熵權(quán)法得到的標準化矩陣及指標權(quán)重,根據(jù)公式(10) ~ (12) 可依次計算出阜陽市2012—2021 年幸福河湖評價指標的障礙度,計算結(jié)果如表5 所示。

表5 阜陽市幸福河湖障礙度

通過對2012—2021 年阜陽市幸福河湖指標障礙度排序可以看出,2012—2021 年,幸福河湖障礙影響因子不盡相同,但是大多集中在水資源利用、水環(huán)境治理、水生態(tài)發(fā)展3 個準則層。 除2019 年降水量極少,人口急劇增加,水資源供給準則層的3 個指標障礙度較高,其他年份水資源供給子系統(tǒng)障礙度均較低。 水資源供給障礙度雖然總體較低,但水資源總量過少會直接影響其他準則層的部分指標,如水資源開發(fā)利用率、空氣質(zhì)量優(yōu)良率、生態(tài)環(huán)境用水率等。 2012 年,各指標障礙度相差不大,在水資源利用、水質(zhì)、生態(tài)、經(jīng)濟發(fā)展等方面均較為薄弱,障礙度較大的因素為生態(tài)環(huán)境用水率、農(nóng)田灌溉單位面積耗水量和污水處理達標率。 2013—2016 年,生態(tài)環(huán)境用水率對幸福河湖建設(shè)影響最大,隨著對生態(tài)文明建設(shè)重視度的提高,該指標障礙度在2016 年后開始下降。 2017—2020 年,幸福河湖建設(shè)水平主要受空氣質(zhì)量優(yōu)良率、工業(yè)用水強度的影響。 結(jié)合地區(qū)實際情況,隨著工業(yè)經(jīng)濟的大力發(fā)展,阜陽市空氣污染較為嚴重,工業(yè)污染排放量較大,工業(yè)用水強度較大。 2021 年,主要受到人均用水量、空氣質(zhì)量優(yōu)良率、農(nóng)田灌溉單位面積耗水量的影響。

綜上分析,為了進一步提高阜陽市幸福河湖建設(shè)水平,亟需根據(jù)主要障礙因子采取相應(yīng)的措施。 在水資源總量方面,通過合理配置水資源可增加水資源總量,同時控制水資源開發(fā)利用率,過高的水資源開發(fā)利用率會造成水資源短缺等問題,不利于社會經(jīng)濟的發(fā)展。 針對空氣質(zhì)量方面,可加強工業(yè)源、揚塵源、移動源和生活源管控,做好秋季秸稈禁燒,大力發(fā)展風電等新能源和清潔能源替代,持續(xù)改善空氣質(zhì)量。 在工業(yè)用水方面,建立和完善循環(huán)用水、分質(zhì)用水系統(tǒng),提高工業(yè)用水重復率;改革工業(yè)生產(chǎn)工藝和用水工藝,以達到工業(yè)節(jié)水。 在生活用水方面,大力推行生活節(jié)水器具,加大節(jié)水宣傳力度,鼓勵居民使用再生水,提高人民的節(jié)水意識。 在農(nóng)業(yè)用水方面,根據(jù)地區(qū)特點,合理確定種植結(jié)構(gòu),同時采用滴灌、噴灌等節(jié)水灌溉方式,減少灌溉用水量。

4 結(jié)論

本研究構(gòu)建了幸福河湖評價指標體系及評價模型、障礙因子診斷模型,對安徽省阜陽市2012—2021 年的幸福河湖情況進行了綜合評價,主要結(jié)論如下:

(1)基于本研究構(gòu)建的幸福河湖評價指標體系,采用熵權(quán)法和TOPSIS 模型對阜陽市2012—2021 年的幸福河湖情況進行綜合評價,結(jié)果表明阜陽市幸福河湖建設(shè)水平在穩(wěn)步提升。

(2)通過采用障礙因素診斷模型分析阜陽市幸福河湖建設(shè)的制約因素,水資源總量在一定程度上會對評價結(jié)果有較大的影響,制約幸福河湖發(fā)展的因素主要集中在水資源利用和水生態(tài)環(huán)境2 個準則層。 2017—2021 年,影響阜陽市幸福河湖建設(shè)最為顯著的因子為空氣質(zhì)量優(yōu)良率和工業(yè)用水強度。

(3)在阜陽市今后幸福河湖建設(shè)工作中,應(yīng)繼續(xù)踐行“兩山”理念,加快推動阜陽市綠色低碳發(fā)展,加大工業(yè)、農(nóng)業(yè)、居民生活節(jié)水力度,進一步改善污水管網(wǎng)建設(shè),持續(xù)改善水環(huán)境質(zhì)量,為阜陽市未來經(jīng)濟社會發(fā)展提供保障。