季曉翠, 王建群, 傅杰民
(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098,2.寧波市奉化區(qū)水利規(guī)劃發(fā)展管理中心,浙江 寧波 315500)
濱海小流域一般具有山高坡陡、源短流急、獨(dú)流入海等特點(diǎn),其下游受到潮水的頂托作用,內(nèi)河洪澇水難以外排入海。目前城市化發(fā)展迅速,很多濱海小流域都面臨著山洪災(zāi)害頻發(fā)、水資源短缺、水質(zhì)不斷惡化、生態(tài)系統(tǒng)功能退化等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。開(kāi)展科學(xué)合理的濱海小流域水生態(tài)文明評(píng)價(jià),對(duì)有效識(shí)別其發(fā)展進(jìn)程中的潛在問(wèn)題,及時(shí)制定切實(shí)可行的小流域綜合治理方案具有重要意義。
目前,國(guó)內(nèi)對(duì)于水生態(tài)文明評(píng)價(jià)的研究已有諸多成果,其核心內(nèi)容往往集中在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建與綜合評(píng)價(jià)方法選擇兩個(gè)方面[1-3]。2012年,山東省正式公布DB37/T 2172—2012《山東省水生態(tài)文明城市評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》,提出了水資源、水生態(tài)、水管理、水工程、水景觀5個(gè)方面的評(píng)價(jià)框架和劃定準(zhǔn)則,形成了較為系統(tǒng)、完整的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[4]。2013年,黃茁等[5-7]分別對(duì)水生態(tài)文明的內(nèi)涵、水生態(tài)文明城市建設(shè)的主要內(nèi)容、指標(biāo)體系構(gòu)建的原則以及指標(biāo)的選取和劃分等進(jìn)行了深入研究,并提出以評(píng)價(jià)狀況指數(shù)為基礎(chǔ)分級(jí)量化水生態(tài)文明程度的簡(jiǎn)單方法。2015年,褚克堅(jiān)等[8]構(gòu)建長(zhǎng)江下游丘陵庫(kù)群河網(wǎng)地區(qū)的水生態(tài)文明評(píng)價(jià)體系,建立了以層次分析法確定權(quán)重、柯西分布函數(shù)計(jì)算隸屬度的模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)長(zhǎng)江下游某市的水生態(tài)文明程度進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。2016年,任俊霖等[9]以長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶省會(huì)城市為基礎(chǔ)建立了水生態(tài)文明城市評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,應(yīng)用主成分分析法對(duì)水生態(tài)文明建設(shè)水平展開(kāi)測(cè)度分析;黃顯峰等[10]構(gòu)建馬鞍山市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,提出了采用實(shí)數(shù)編碼的加速遺傳算法優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)的投影尋蹤等級(jí)評(píng)價(jià)模型。2016年4月,水利部遵循科學(xué)合理的原則劃定水生態(tài)文明評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn),正式出臺(tái)了SL/Z738—2016《水生態(tài)文明城市建設(shè)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(以下稱《導(dǎo)則》),指出評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取應(yīng)結(jié)合水安全、水生態(tài)、水環(huán)境、水文化、用水行為和監(jiān)督管理等多個(gè)方面,除確立全國(guó)通用的指標(biāo)外還需考慮不同區(qū)域之間差異的特色指標(biāo)[11]。國(guó)外的研究雖然沒(méi)有明確提出水生態(tài)文明的概念,但關(guān)于生態(tài)文明與水環(huán)境等方面的研究[12-14]對(duì)我國(guó)水生態(tài)文明評(píng)價(jià)研究具有一定的借鑒意義。
雖然水生態(tài)文明評(píng)價(jià)的研究成果已有許多,但是針對(duì)濱海小流域的研究仍存在空白,其存在的問(wèn)題主要體現(xiàn)在:現(xiàn)有關(guān)于水生態(tài)文明的評(píng)價(jià)研究大多以城市作為研究單元,會(huì)割裂濱海小流域完整的水系特征;由于濱海小流域獨(dú)特的地理?xiàng)l件及水生態(tài)文明特征,已建指標(biāo)體系并不完全適用,例如水安全的概念模糊、防洪安全提醒不夠等。云模型[15]作為一種能夠較好兼顧數(shù)據(jù)隨機(jī)性與模糊性的定性與定量轉(zhuǎn)換模型,已應(yīng)用于水利現(xiàn)代化[16]、河湖健康[17]、水安全[18]等多類評(píng)價(jià)研究,但鮮見(jiàn)其應(yīng)用于水生態(tài)文明綜合評(píng)價(jià)。本文針對(duì)濱海小流域獨(dú)特的水生態(tài)文明建設(shè)特征,建立濱海小流域水生態(tài)文明綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并提出基于云模型的綜合評(píng)價(jià)方法。
水生態(tài)文明是人類遵循人、水、自然、社會(huì)和諧相處的理念產(chǎn)生的物質(zhì)和精神兩個(gè)層面成果的綜合,體現(xiàn)人水和諧的程度和文明進(jìn)步的狀態(tài)。水生態(tài)文明的內(nèi)涵包括人水和諧、節(jié)約水資源、保護(hù)水生態(tài)、兼顧經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等4個(gè)方面[1]。水生態(tài)文明的核心是人水和諧,人水和諧的發(fā)展理念表明水生態(tài)文明的關(guān)注點(diǎn)不再局限于水生態(tài)系統(tǒng)這一載體自身的穩(wěn)定,還包括水生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)系統(tǒng)的和諧共存[7],僅將其簡(jiǎn)單理解為保護(hù)水生態(tài)是片面的。
濱海小流域因其特殊的地理?xiàng)l件,具有獨(dú)特的水生態(tài)文明建設(shè)的特征,目前已有的水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中,對(duì)濱海小流域防洪安全的考慮不夠,對(duì)山洪災(zāi)害防治措施也沒(méi)有評(píng)價(jià)[3,5-7]。而《導(dǎo)則》從水安全、水生態(tài)、水環(huán)境、水文化、用水行為和監(jiān)督管理等6方面構(gòu)建了城市水生態(tài)文明建設(shè)的效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,其中的水安全包括防洪排澇達(dá)標(biāo)率和供水達(dá)標(biāo)率等指標(biāo)。由于濱海小流域洪澇災(zāi)害頻發(fā)、水資源供需矛盾嚴(yán)峻,因此將防洪安全與供水安全作為評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的兩個(gè)子系統(tǒng),可使評(píng)價(jià)結(jié)果更為客觀。另外,濱海小流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、開(kāi)發(fā)強(qiáng)度大、水生態(tài)環(huán)境形勢(shì)嚴(yán)峻,因此水環(huán)境與水生態(tài)也是水生態(tài)文明評(píng)價(jià)的重點(diǎn)對(duì)象。基于此,本文遵循客觀性、獨(dú)立性、系統(tǒng)性、可操作性和層次性的原則,構(gòu)建了濱海小流域水生態(tài)文明綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,包括防洪安全、供水安全、水環(huán)境、水生態(tài)、水文化及水管理6個(gè)方面29項(xiàng)單項(xiàng)指標(biāo)(表1)。根據(jù)防洪和區(qū)域除澇標(biāo)準(zhǔn)、水生態(tài)文明城市建設(shè)評(píng)價(jià)導(dǎo)則、國(guó)家和地方的發(fā)展規(guī)劃綱要中發(fā)展規(guī)模以及配套的各種需求指標(biāo)和參數(shù)等,參考國(guó)內(nèi)外已有的研究成果[5-8],結(jié)合歷史資料與實(shí)地考察調(diào)研結(jié)果,確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),將濱海小流域的水生態(tài)文明狀況劃分為Ⅰ(優(yōu))、Ⅱ(良)、Ⅲ(中)、Ⅳ(差)、Ⅴ(劣)5個(gè)等級(jí),并確定了分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2)。
表1濱海小流域水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及指標(biāo)權(quán)重
表2 濱海小流域水生態(tài)文明綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
指標(biāo)權(quán)重確定通常采用的方法有主觀賦權(quán)(如專家咨詢法等)和客觀賦權(quán)(如熵權(quán)法等)兩類。層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)是將決策問(wèn)題的有關(guān)影響因素分層,通過(guò)每一層元素之間的兩兩比較,對(duì)決策者的主觀判斷進(jìn)行量化并進(jìn)行定量與定性分析的決策方法[19]??紤]到客觀賦權(quán)需要足夠樣本數(shù)據(jù),且不能體現(xiàn)決策者的主觀意識(shí),綜合各種方法的可操作性與實(shí)用性,本文采用應(yīng)用廣泛的基于專家咨詢的層次分析法確定權(quán)重。通過(guò)專家咨詢構(gòu)建判斷矩陣,分析求得各指標(biāo)權(quán)重,然后對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)確定最終結(jié)果。結(jié)果見(jiàn)表1括號(hào)中的數(shù)據(jù)。
設(shè)集合U={x1,x2,…,xn},稱U為一個(gè)論域,T是U上的定性概念,任意元素xi∈U,均有隨機(jī)數(shù)μT(x)與之對(duì)應(yīng),即x對(duì)T的隸屬度,稱為云。其中每一個(gè)xi對(duì)應(yīng)一個(gè)云滴(xi,μi),即T的一次數(shù)量體現(xiàn)[20]。云模型定性概念T的定量特性用3個(gè)數(shù)字特征值來(lái)表示,分別為期望Ex、熵En和超熵He。Ex是云滴分布的中心,反映數(shù)據(jù)的整體特征;En反映T的不確定性,代表云的跨度;He反映En的不確定性,代表云的厚度[21]。云模型通過(guò)云發(fā)生器實(shí)現(xiàn)定性與定量之間的轉(zhuǎn)化,常見(jiàn)的云發(fā)生器有逆向云、正向云以及條件云發(fā)生器[22]。正向云是將(Ex,En,He)轉(zhuǎn)換為系列云滴(xi,μi)的定性到定量的發(fā)生器;逆向云是將初始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成(Ex,En,He)的定量到定性的發(fā)生器;條件云又包括X和Y條件云,也是定性與定量的轉(zhuǎn)換,與正向云的區(qū)別在于條件云需另外設(shè)定特定的輸入條件,X和Y條件云的輸入條件分別為x=x0和y=μi。
基于云模型的綜合評(píng)價(jià)過(guò)程具體如下:①確定指標(biāo)體系與權(quán)重;②確定各指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)S=[Sij,min,Sij,max];③依據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象狀況確定指標(biāo)值X(x=xi);④計(jì)算云的數(shù)字特征值(Ex,ij,En,ij,He)[26];⑤計(jì)算隸屬度;⑥確定評(píng)價(jià)等級(jí)。
云的數(shù)字特征值計(jì)算公式為
(1)
式中Sij,max、Sij,min分別為第i指標(biāo)在第j等級(jí)中的上下限;Ex,ij為第i指標(biāo)在j等級(jí)中的期望;En,ij為第i指標(biāo)在j等級(jí)中的熵;He為超熵,一般由試驗(yàn)得到或依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值。
已知評(píng)價(jià)指標(biāo)值X(x=xi)及計(jì)算所得的云的3個(gè)數(shù)字特征值(Ex,ij,En,ij,He),選擇X條件云計(jì)算隸屬度,計(jì)算步驟如下:
(2)
步驟2:計(jì)算指標(biāo)隸屬度μij(x):
(3)
步驟3:重復(fù)m次(本文取m=1 000),取平均,即為最終指標(biāo)隸屬度。
為避免傳統(tǒng)的模糊綜合評(píng)價(jià)法應(yīng)用最大隸屬度準(zhǔn)則造成的評(píng)價(jià)結(jié)果的“非此亦彼性”,采用級(jí)別特征值法確定評(píng)價(jià)等級(jí),計(jì)算步驟如下:
表3 2016年翔鶴潭江流域水生態(tài)文明現(xiàn)狀評(píng)價(jià)指標(biāo)值及隸屬度
步驟1:確定級(jí)別特征值Bj,以Ⅰ(優(yōu))、Ⅱ(良)、Ⅲ(中)、Ⅳ(差)、Ⅴ(劣)5個(gè)等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)閾值上下限的均值為每一級(jí)別的特征值:
(4)
式中Sj,max、Sj,min分別綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中第j評(píng)價(jià)等級(jí)中的上下限。
步驟2:確定各指標(biāo)評(píng)價(jià)值Zi,以級(jí)別特征值與各指標(biāo)隸屬度的乘積之和表示:
(5)
步驟3:確定準(zhǔn)則層及整體評(píng)價(jià)等級(jí),指標(biāo)評(píng)價(jià)值與權(quán)重加權(quán)平均計(jì)算各子系統(tǒng)及綜合評(píng)價(jià)值Z,結(jié)合分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分評(píng)價(jià)等級(jí)。
(6)
式中fi為各指標(biāo)權(quán)重。
翔鶴潭江流域是位于浙江省寧波市奉化區(qū)境內(nèi)的一個(gè)典型的濱海小流域。翔鶴潭江發(fā)源于奉化區(qū)裘村鎮(zhèn)北部的白巖山,河道自北向南流入象山港海灣,流域出口斷面有集擋潮與排澇于一體的橫江閘工程,橫江閘以上流域面積49.23 km2。翔鶴潭江流域地形屬于浙東盆地低山地區(qū)和沿海丘陵平原的交界地區(qū),地處港灣半山區(qū),東、西、北為低山,南為狹長(zhǎng)谷口,地勢(shì)向南傾斜。翔鶴潭江流域范圍涵蓋裘村鎮(zhèn)中心城區(qū)及鄉(xiāng)村,涉及13個(gè)社區(qū)或鄉(xiāng)村。流域地處東南沿海,屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均降水量為1 500.9 mm且年內(nèi)分配不均,年平均氣溫為16.6℃。流域內(nèi)共有9座水庫(kù),其中2座大型水庫(kù)(嶺下、銀豐),7座小(Ⅱ)型水庫(kù),庫(kù)容共322.3萬(wàn)m2,集水面積9.2 km2,灌溉總面積11 472 hm2。翔鶴潭濕地是流域內(nèi)最大的濕地,占地約5 000 hm2,受濕地內(nèi)部農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)及水產(chǎn)養(yǎng)殖的影響,其原始屬性正逐漸消失。
應(yīng)用本文所提出的濱海小流域水生態(tài)文明綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)翔鶴潭江流域2016年的水生態(tài)文明狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。所用指標(biāo)涉及的有關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)地踏勘、采樣分析、調(diào)查、水資源公報(bào)、有關(guān)規(guī)劃報(bào)告等。按照綜合評(píng)價(jià)方法步驟進(jìn)行計(jì)算,He根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.01,得到2016年翔鶴潭江流域水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)值及各指標(biāo)隸屬度見(jiàn)表3,綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。
由表4可見(jiàn),2016年翔鶴潭江流域的水生態(tài)文明綜合評(píng)價(jià)值為64.96,依據(jù)表2的指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),翔鶴潭江流域水生態(tài)文明整體狀況一般,最終等級(jí)為Ⅲ級(jí)。準(zhǔn)則層各評(píng)價(jià)值從高到低依次為防洪安全(81.32)、水管理(79.88)、供水安全(73.77)、水生態(tài)(64.86)、水文化(55.84)、水環(huán)境(41.40),其中防洪安全狀況良好,為Ⅱ級(jí);供水安全、水生態(tài)及水
表4 2016年翔鶴潭江流域水生態(tài)文明綜合評(píng)價(jià)結(jié)果
管理整體狀況一般,為Ⅲ級(jí);水環(huán)境、水文化問(wèn)題最為嚴(yán)重,為Ⅳ級(jí)。由表3可見(jiàn),供水安全方面的農(nóng)業(yè)供水保證率、水環(huán)境方面的水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率與廢污水達(dá)標(biāo)處理率、水生態(tài)方面的河湖生態(tài)護(hù)岸比例與濱海濕地保留率以及水文化方面的水利工程景觀比例均屬Ⅴ級(jí),水管理方面的水資源監(jiān)控能力指數(shù)及公共供水管網(wǎng)漏損率為Ⅳ級(jí)。結(jié)合相關(guān)規(guī)劃報(bào)告與實(shí)地踏勘成果,該結(jié)果與實(shí)際情況基本相符。
針對(duì)濱海小流域獨(dú)特的水生態(tài)文明建設(shè)特點(diǎn),提出了濱海小流域水生態(tài)文明綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和基于云模型的綜合評(píng)價(jià)方法,較為全面地考慮了濱海小流域的完整的水系特征和水生態(tài)文明建設(shè)特點(diǎn),解決了已有指標(biāo)體系水安全內(nèi)涵界定不清的問(wèn)題,突出了防洪、除澇和山洪災(zāi)害防治等方面的評(píng)價(jià)?;谠颇P偷乃鷳B(tài)文明綜合評(píng)價(jià)方法,可以兼顧評(píng)價(jià)的隨機(jī)性與模糊性,尤其對(duì)于閾值附近數(shù)據(jù)的等級(jí)劃分,與傳統(tǒng)方法對(duì)比其優(yōu)勢(shì)更為明顯。翔鶴潭江濱海小流域的實(shí)例分析表明,提出的綜合評(píng)價(jià)方法能夠有效甄別水生態(tài)文明建設(shè)的潛在問(wèn)題,為濱海小流域或其他同類區(qū)域的研究提供了新的手段。