基于博弈論組合賦權(quán)的水環(huán)境綜合治理效果評價(jià)

魯佳慧，唐德善

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京 210098)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展以及人們對身邊美好水環(huán)境的向往，加之全國全面推行河長制，水環(huán)境治理受到人們越來越多的關(guān)注，投入力度也越來越大。但國內(nèi)有關(guān)水環(huán)境綜合整治效果評價(jià)的研究較少，類似研究多側(cè)重于評價(jià)某一地區(qū)的河道或具體某條河流水體理化性質(zhì)的改善。隨著治理理論的逐步完善和治理實(shí)踐的不斷深入，評價(jià)方法從定性慢慢發(fā)展為定性定量相結(jié)合，單因素、單目標(biāo)發(fā)展為多因素、多目標(biāo)、多功能的綜合評價(jià)[1]。建立一個(gè)能反映水環(huán)境綜合治理效果的評價(jià)指標(biāo)體系并給出合理可行的評價(jià)方法，將評價(jià)指標(biāo)體系與評價(jià)方法有機(jī)地結(jié)合起來，才能系統(tǒng)全面地評價(jià)水環(huán)境綜合治理效果，從而為鞏固治水效果及今后的綜合整治工作提供依據(jù)和指導(dǎo)[2]。

1 水環(huán)境綜合治理效果評價(jià)指標(biāo)體系

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建原則

評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建主要遵循以下幾個(gè)原則：①科學(xué)性原則。評價(jià)指標(biāo)必須含義明確，具有一定的科學(xué)內(nèi)涵，能夠客觀反映水環(huán)境綜合治理效果評價(jià)指標(biāo)體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系；②可行性原則。水環(huán)境綜合治理效果評價(jià)指標(biāo)涉及面較廣，應(yīng)盡可能選擇有代表性和可操作性的評價(jià)指標(biāo)以便計(jì)算和分析；③層次性原則。評價(jià)指標(biāo)應(yīng)考慮到各個(gè)層次上的影響因素，能反映整個(gè)系統(tǒng)的主次關(guān)系；④全面性原則。指標(biāo)體系應(yīng)能相對全面和完整地反映水環(huán)境綜合治理效果各個(gè)方面的影響；⑤動(dòng)態(tài)性原則。水環(huán)境綜合治理效果是變化的，指標(biāo)體系需要全面反映時(shí)空維度的動(dòng)態(tài)變化。

1.2 評價(jià)指標(biāo)體系

圖1 水環(huán)境綜合治理效果評價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system of comprehensive water environmental governance

隨著水環(huán)境治理實(shí)踐的不斷深入以及治理理論的完善，在水環(huán)境整治過程中不僅僅注重對河流本身的保護(hù)，在改善水質(zhì)的基礎(chǔ)上，同時(shí)注重河流功能性建設(shè)與生態(tài)修復(fù)，關(guān)注水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)自身健康及其可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)綜合治理[3]。從水體改善效果、景觀效果、生態(tài)效果、功能效果和社會(huì)民生效果5個(gè)方面選取了17項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建水環(huán)境治理效果評價(jià)指標(biāo)體系，其指標(biāo)體系如圖1。水環(huán)境綜合治理的效果主要體現(xiàn)在水體改善，選取了水質(zhì)指數(shù)、透明度和色度3個(gè)能直觀反映水質(zhì)變化的指標(biāo)；水環(huán)境綜合治理改變了自然景觀和人文景觀，選取綠化率、景觀多樣性和河道清潔度3個(gè)指標(biāo)評價(jià)景觀效果；選取了林帶寬度、魚類多度、浮游動(dòng)物多樣性和浮游植物多樣性4個(gè)指標(biāo)評價(jià)水環(huán)境綜合治理對河岸帶環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的改善效果；水環(huán)境綜合治理首先要確保河道的行洪安全，但單一的基本功能已經(jīng)無法滿足生活日益發(fā)展的需要，還需要增加其他功能以及可利用的方式保證水資源的充分利用，選擇中水回用率、灌溉保證率、防洪安全指數(shù)和水系聯(lián)通率4個(gè)指標(biāo)評價(jià)功能效果；水環(huán)境綜合治理應(yīng)充分考慮對人類生活的影響，選取人居滿意度和部門滿意度2個(gè)指標(biāo)評價(jià)對社會(huì)民生的效果。

1.3 指標(biāo)描述與分級

參照水質(zhì)評價(jià)的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)及研究[4]、各指標(biāo)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(河道生態(tài)健康評價(jià)指標(biāo)研究[5])、綜合國內(nèi)研究成果[6-7]、咨詢專家意見，對水環(huán)境綜合治理效果進(jìn)行評價(jià)等級劃分，分為：優(yōu)(0.7)、良(0.5)、中(0.3)、差(0.1)4個(gè)等級，具體見表1。

表1 水環(huán)境綜合治理效果評價(jià)指標(biāo)體系描述及分級Tab.1 Description and classification of evaluation index system of comprehensive water environmental governance

2 基于博弈論的組合賦權(quán)法

2.1 AHP法權(quán)重的確定

AHP(層次分析法)是對存在相互聯(lián)系和相互制約的多因素復(fù)雜事物進(jìn)行分析的一種方法，通過層次的劃分使之有序，并對每一層次因素的相對重要性進(jìn)行對比，建立判斷矩陣。通過計(jì)算判斷矩陣的最大特征值以及對應(yīng)的正交化特征向量，最終將系統(tǒng)確定為權(quán)值和措施優(yōu)劣的排序[10-11]。AHP法權(quán)重確定的步驟如下:

(1)評價(jià)指標(biāo)兩兩比較構(gòu)建判斷矩陣，評價(jià)指標(biāo)Ci和Cj兩兩比較得出相對重要數(shù)值aij，aji=1/aij，其具體數(shù)字及含義見表2，通過比較得到判斷矩陣A。

A=(Aij)n×n

(2)計(jì)算特征向量，由式(1)進(jìn)行歸一化最終得到權(quán)重向量u1=(w1，w2，CR，wn)

(1)

(3)一致性檢驗(yàn)，當(dāng)ICR<0.10時(shí)，則認(rèn)為該判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則就需對判斷矩陣的取值進(jìn)行修正。

(2)

ICR=ICI/IRI

(3)

式中：IRI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，可通過查AHP法平均隨機(jī)一致性指標(biāo)取值表得到。

表2 指標(biāo)相對重要度Tab.2 Relative importance of index

2.2 熵值法權(quán)重的確定

熵值是對信息無序化的量度，熵值越大，則系統(tǒng)所蘊(yùn)含的信息量就越小，系統(tǒng)某項(xiàng)屬性的變異程度就越小；反之，系統(tǒng)的熵值越小，蘊(yùn)含的信息量就越大，系統(tǒng)某項(xiàng)屬性的變異程度就越大[12]。熵值法就是根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的觀測值提供信息量的大小來確定指標(biāo)的權(quán)重，某項(xiàng)屬性的數(shù)據(jù)序列的變異程度越大，它相應(yīng)的權(quán)重就越大。熵值法確定權(quán)重的步驟如下：

(1)計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的熵值：

(4)

(2)計(jì)算各指標(biāo)的熵權(quán)wi，最后得到權(quán)重向量u2=(w1,w2,…,wn)。

(5)

2.3 基于博弈論確定組合權(quán)重

博弈論是分析決策主體行為相互影響時(shí)的理性行為及其決策均衡的問題，是研究具有競爭性事物的理論和方法[13-15]。博弈論組合賦權(quán)的基本思想是在不同權(quán)重之間尋找妥協(xié)或一致，最小化各個(gè)權(quán)重與最優(yōu)權(quán)重之間的偏差，從而得到一個(gè)相對均衡和協(xié)調(diào)的組合權(quán)重向量[16]。

(6)

3 水環(huán)境綜合治理效果評價(jià)模型

為消除指標(biāo)體系中各數(shù)據(jù)單位不同所造成的差異，需要對其歸一化處理。為了便于歸一化處理，將指標(biāo)分為兩類，一類是正向指標(biāo)，即越大越優(yōu)型；另一類是逆向指標(biāo)，即越小越優(yōu)型[17]。通過對數(shù)據(jù)的歸一化處理，得到指標(biāo)的歸一化矩陣R=(rij)m×n。

正向指標(biāo)：

(7)

逆向指標(biāo)：

(8)

式中：rij為歸一化后的數(shù)據(jù)。

根據(jù)基于博弈論的組合權(quán)重法，計(jì)算得到綜合權(quán)重u*=(w1，w2，w3，…，wn)T，建立線性加權(quán)水環(huán)境治理效果綜合評價(jià)模型為：

(9)

式中：i=1,2,…,m。

4 實(shí)例研究

宣城市為大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，圍繞水安全、水生態(tài)、水管理、水環(huán)境、水文化等方面開展了水環(huán)境綜合治理采取了控源截污、清淤疏浚、生態(tài)修復(fù)等一系列措施。指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于《宣城市統(tǒng)計(jì)年鑒》、《宣城市水資源公報(bào)》、水質(zhì)監(jiān)測報(bào)告和相關(guān)政府部門工作年報(bào)等，主觀評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)通過對宣城市水環(huán)境綜合治理效果的1 000份問卷中得出，并廣泛聽取了專業(yè)人士的意見，具體數(shù)值見表3。

表3 宣城市水環(huán)境綜合治理效果評價(jià)指標(biāo)值Tab.3 Value of assessment index

計(jì)算步驟：①計(jì)算指標(biāo)的綜合權(quán)重。根據(jù)上述AHP法的主觀賦權(quán)，由專家對同一層次元素的相對重要性打分，篩選整合專家意見，運(yùn)用Matlab編程，計(jì)算得到各指標(biāo)的主觀權(quán)重u1=(0.351 2，0.070 3，0.070 3，0.012 4，0.013 6，0.044 8，0.039 4，0.047 6，0.037 9，0.018 3，0.031 6，0.084 7，0.063 5，0.044 5，0.024 7，0.037 7，0.007 6)；運(yùn)用熵值法計(jì)算步驟得到客觀權(quán)重u2=(0.099 5，0.074 1，0.076 6，0.060 4，0.062 8，0.060 9，0.049 8，0.049 3，0.049 3，0.049 3，0.037 7，0.037 2，0.036 9，0.037 7，0.037 1，0.100 4，0.081 1)；可以看出兩種方法得到的權(quán)重賦值有差異，基于得到的主觀權(quán)重集和客觀權(quán)重集{u1，u2}，運(yùn)用博弈論競爭與協(xié)調(diào)的關(guān)系式(6)計(jì)算組合系數(shù)，得到綜合權(quán)重u=(0.364 1，0.070 1，0.069 9，0.009 9，0.011 1 ，0.044 0，0.038 8，0.047 5，0.037 3，0.016 7，0.031 3，0.087 1，0.064 9，0.044 9，0.024 0，0.034 5，0.003 8)。

②指標(biāo)歸一化處理。依據(jù)式(7)、式(8)對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，具體結(jié)果見表4。

③水環(huán)境綜合治理效果評價(jià)。根據(jù)建立的水環(huán)境綜合治理效果評價(jià)模型，將綜合權(quán)重和歸一化后的指標(biāo)值代入式(9)，得到宣城市2015—2017年水環(huán)境綜合治理效果評價(jià)結(jié)果。

表4 歸一化后的指標(biāo)值Tab.4 Normalized assessment index

由評價(jià)結(jié)果可知，2015年宣城市水環(huán)境綜合治理效果評價(jià)結(jié)果為0.529 2，等級為中；2016年評價(jià)結(jié)果為0.560 2，等級為良；2017年評價(jià)結(jié)果為0.620 8，等級為良，說明宣城市2015—2017年水環(huán)境綜合治理取得了一定的效果。2016年和2017年評價(jià)等級都為良，但后者分值高于前者，說明在同一評價(jià)等級中，2017年的治理效果比2016年顯著。從分值來看，2015—2017年綜合評價(jià)得分呈逐漸增大的趨勢，說明宣城市水環(huán)境綜合治理效果在不斷提高。

5 結(jié) 語

一直以來，我國缺少針對水環(huán)境綜合治理效果的評價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合科學(xué)性、可行性、層次性、全面性和動(dòng)態(tài)性原則，構(gòu)建了水環(huán)境綜合治理效果評價(jià)指標(biāo)體系，由AHP法確定主觀權(quán)重，熵法確定客觀權(quán)重，基于博弈論組合賦權(quán)建立了水環(huán)境綜合治理效果評價(jià)模型，通過直觀明確的得分值對水環(huán)境綜合整治效果進(jìn)行定量評價(jià)。通過結(jié)合實(shí)例研究，宣城市2015—2017年水環(huán)境治理效果等級為良或優(yōu)，且治理效果逐年提高，證明了模型的可行性。水環(huán)境綜合治理是一個(gè)長期的過程，該模型可在后續(xù)管理中為評價(jià)水環(huán)境綜合治理效果以及科學(xué)制定水環(huán)境整治措施提供參考。