模糊綜合評(píng)價(jià)模型在水生態(tài)文明評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

張翔宇，宋瑞明，劉姝芳，張鳳燃，谷曉偉，程春曉

(1.黃河水利科學(xué)研究院，河南鄭州450003；2.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州450003)

2013年，水利部印發(fā)了《水利部關(guān)于加快推進(jìn)水生態(tài)文明建設(shè)工作的意見(jiàn)》(水資源〔2013〕1號(hào))，將十八大生態(tài)文明的理念與水利規(guī)劃、建設(shè)、水資源管理、保護(hù)等各個(gè)方面相結(jié)合[1]，完善水生態(tài)保護(hù)格局，不斷提高我國(guó)生態(tài)文明水平，使生態(tài)系統(tǒng)保持良性、健康的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。為了加快推進(jìn)這一工作，當(dāng)年水利部聯(lián)合地方政府，先后分兩批在全國(guó)105個(gè)城市開(kāi)展了水生態(tài)文明城市試點(diǎn)建設(shè)工作。

2017年，水利部對(duì)第一批45個(gè)試點(diǎn)城市開(kāi)啟驗(yàn)收工作，黃河水利科學(xué)研究院負(fù)責(zé)濟(jì)南、鄭州、西安、西寧、銀川、張掖、烏海、許昌、邢臺(tái)和邯鄲等黃河流域及相關(guān)片區(qū)的十個(gè)試點(diǎn)城市的技術(shù)評(píng)估工作。在“綠水青山就是金山銀山”理念的指引下，水生態(tài)文明建設(shè)發(fā)展深入，黃河流域及相關(guān)片區(qū)水生態(tài)文明城市建設(shè)試點(diǎn)成效顯著，為全國(guó)實(shí)施水生態(tài)文明城市建設(shè)營(yíng)造良好的氛圍[2]。

1 水生態(tài)文明內(nèi)涵

水資源是生態(tài)文明與生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵要素，水生態(tài)文明是生態(tài)文明建設(shè)的核心。如果水資源短缺或者受到污染，生態(tài)系統(tǒng)就難以維持健康狀態(tài)與良性循環(huán)，無(wú)法保證可持續(xù)發(fā)展。自水利部出臺(tái)水生態(tài)文明建設(shè)發(fā)展相關(guān)文件以來(lái)，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了有關(guān)水生態(tài)文明的大量研究工作。左其亭[3]通過(guò)闡述水生態(tài)文明與生態(tài)文明的聯(lián)系，認(rèn)為應(yīng)以實(shí)現(xiàn)水資源利用、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)平衡三者的良性循環(huán)為目標(biāo)，追求達(dá)到人水和諧的理想狀態(tài)；詹衛(wèi)華[4]指出最嚴(yán)格水資源管理制度是水生態(tài)文明建設(shè)的重要抓手，水生態(tài)文明建設(shè)指在水資源承載能力范圍內(nèi)，以不影響人類(lèi)幸福生活為前提，人類(lèi)對(duì)水生態(tài)環(huán)境的影響盡可能降至最低；唐克旺[5]從人類(lèi)的行為和水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況兩方面分析水生態(tài)文明建設(shè)的內(nèi)涵，認(rèn)為水生態(tài)文明是指人類(lèi)在尋求自身發(fā)展與維護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)平衡的同時(shí)所創(chuàng)造的物質(zhì)和精神財(cái)富的總和。目前，研究者們已嘗試從不同方面、不同領(lǐng)域?qū)λ鷳B(tài)文明進(jìn)行內(nèi)涵解讀，雖然還沒(méi)有達(dá)到統(tǒng)一共識(shí)，但是有普遍共識(shí):水生態(tài)文明建設(shè)是生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分[6]和基礎(chǔ)保障，是生態(tài)文明建設(shè)的核心，是治水理念的最高境界。

2 水生態(tài)文明評(píng)價(jià)模型

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

將試點(diǎn)城市水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。根據(jù)《中華人民共和國(guó)水利部辦公廳》(辦資源函[2017]201號(hào))，并參考相關(guān)研究成果以及各地的實(shí)際情況，將城市水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)作為目標(biāo)層，準(zhǔn)則層為水生態(tài)、水安全、水環(huán)境、水管理、水文化與水資源六個(gè)體系，而指標(biāo)層由20個(gè)指標(biāo)組成。城市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見(jiàn)表1。

2.2 評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用步驟

目前已經(jīng)有很多評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于水生態(tài)文明評(píng)價(jià)。如，集對(duì)分析、SMI-P[7]、未確知測(cè)度模型[8]等。本文利用模糊綜合評(píng)價(jià)模型[9]進(jìn)行評(píng)價(jià)。模糊綜合評(píng)價(jià)是一種基于模糊數(shù)學(xué)的評(píng)價(jià)方法，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，能較好地解決模糊的、難以量化的問(wèn)題。

表1 城市水生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)體系

2.2.1隸屬度函數(shù)

為消除各特征值量綱、數(shù)量級(jí)不同的影響，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣C進(jìn)行規(guī)范化處理，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)分為望大型與望小型兩個(gè)類(lèi)型進(jìn)行處理，從而得到隸屬度矩陣[10]

rij=cijcimax+cimin，cij≥0

(1)

rij=1-cijcimax+cimin，cij≥0

(2)

其中，cij表示樣本j對(duì)于i指標(biāo)的評(píng)價(jià)值；cimax、cimin分別表示所有樣本中第i指標(biāo)的最大值與最小值；rij表示第j方案對(duì)于第i指標(biāo)的隸屬度值；由rij組成優(yōu)屬度矩陣Rm×n。

2.2.2權(quán)重計(jì)算

本文選用層次分析法(AHP)確定各指標(biāo)權(quán)重[11]，通過(guò)多重比較分析各因素之間相對(duì)重要性，通過(guò)兩兩比較確定標(biāo)度將人的主觀判斷標(biāo)量化，并構(gòu)建判斷矩陣，計(jì)算指標(biāo)權(quán)重并經(jīng)過(guò)一致性檢驗(yàn)，客觀性較高[6]。

(1)構(gòu)造判斷矩陣。綜合分析評(píng)價(jià)體系中的各因素之間的關(guān)系，構(gòu)造各個(gè)因素之間相互聯(lián)接的層次結(jié)構(gòu)模型，將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、指標(biāo)等層次[12]，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析。建立層次分析模型后，考慮各層次元素之間的相對(duì)重要性，確定兩個(gè)元素兩兩比較哪個(gè)重要，重要多少，求出它們之間的優(yōu)劣關(guān)系，構(gòu)造n維判斷矩陣A。

(2)求最大特征值。利用方根法求各因素的權(quán)值，先計(jì)算判斷矩陣每一行元素的乘積，再對(duì)每一行的乘積求n次方根；然后求判斷矩陣特征向量，將方根向量正交化處理為W，并將判斷矩陣與其進(jìn)行矩陣運(yùn)算，得到特征矩陣，從而得到最大特征值

λmax=∑ni=1(AWi)/(nWi)

(3)

(3)一致性檢驗(yàn)。當(dāng)判斷矩陣不完全一致時(shí)，相應(yīng)的判斷矩陣的特征值也會(huì)發(fā)生變化，引入CI、RI、CR參數(shù)作為衡量判斷矩陣偏離一致性的指標(biāo)。即

CI=λmax-nn-1

(4)

CR=(CI/RI)<0.10

(5)

利用式(4)、(5)對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：RI為平均一致性指標(biāo)可通過(guò)查詢(xún)求得；CI越小表明判斷矩陣一致性較好，當(dāng)CR滿足(5)式時(shí)，即認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調(diào)整判斷矩陣，直到一致性檢驗(yàn)通過(guò)。

2.2.3歐氏距離

存在y=(y1，y1，…，ym)T，其中yi=∨nj=1rij(i=1，2…，m)，yi表示所有方案中對(duì)第i個(gè)指標(biāo)的隸屬度最大值，y為最大隸屬度矩陣；存在l=(l1，l2…lm)T，其中l(wèi)i=∧nj=1rij(i=1，2…，m)，li表示所有方案中對(duì)第i個(gè)指標(biāo)隸屬度的最小值，l為最小隸屬度矩陣。

設(shè)系統(tǒng)中m個(gè)指標(biāo)的權(quán)向量為w=(w1，w2，…，wm)，wi為目標(biāo)i的權(quán)重；則第j個(gè)方案歐氏距離為

uj=1/1+∑mi=1(wi(rij-yi))p∑mi=1(wi(rij-li))p2p

(6)

其中，p為距離參數(shù)本文取p=2，uj表示樣本j對(duì)于最優(yōu)方案的相對(duì)隸屬度即歐氏距離，可以根據(jù)uj的大小來(lái)判斷各樣本的優(yōu)劣。

3 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)工作安排，黃河水利科學(xué)研究院負(fù)責(zé)黃河流域及相關(guān)片區(qū)的濟(jì)南、鄭州、西安、西寧、銀川、和張掖、烏海、許昌、邢臺(tái)和邯鄲等10個(gè)試點(diǎn)城市的技術(shù)評(píng)估工作。這些城市均位于我國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，水生態(tài)文明建設(shè)的難度較大；但這些城市又有著厚重的水文化，在中華文明歷史文化的傳承中扮演著舉足輕重的角色。推進(jìn)第一批試點(diǎn)城市的建設(shè)，將黃河流域?qū)ζ渲苓叺貐^(qū)產(chǎn)生顯著的示范意義，為我國(guó)生態(tài)文明的建設(shè)提供有力保障。

本文利用上述模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)黃河流域及相關(guān)片區(qū)的10個(gè)城市進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，與各城市的建設(shè)現(xiàn)狀進(jìn)行對(duì)比，分析評(píng)價(jià)模型的合理性，為后期水生態(tài)文明建設(shè)工作開(kāi)展提供借鑒。

3.1 模型評(píng)價(jià)

根據(jù)各水生態(tài)文明城市試點(diǎn)總結(jié)報(bào)告，按照評(píng)價(jià)指標(biāo)體系收集各試點(diǎn)的指標(biāo)值，并利用隸屬度函數(shù)求得隸屬度矩陣。采用層次分析法對(duì)各層次元素的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)各試點(diǎn)總結(jié)報(bào)告對(duì)準(zhǔn)則層、指標(biāo)層元素的覆蓋程度以及專(zhuān)家對(duì)各元素的重視程度，對(duì)各層元素進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造出比較判斷矩陣。經(jīng)過(guò)一致性檢驗(yàn)，得到各層次的權(quán)重向量。目標(biāo)層A中各準(zhǔn)則層的權(quán)重系數(shù)為權(quán)重向量WA=(0.12，0.10，0.14，0.35，0.09，0.20)。其次，各準(zhǔn)則層中各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)構(gòu)成的權(quán)重向量分別為：WB1=(0.69，0.31)；WB2=(0.70，0.30)；WB3=(0.51，0.16，0.33)；WB4=(0.22，0.07，0.10，0.06，0.19，0.19，0.16)；WB5=(0.38，0.62)；WB6=(0.25，0.25，0.25)。

通過(guò)歐氏貼近度計(jì)算公式可得到最終各試點(diǎn)城市的歐氏距離，歐氏距離越大表示該城市對(duì)于理想結(jié)果的隸屬度越大，代表該城市在評(píng)價(jià)模型中表現(xiàn)的越為優(yōu)異，各試點(diǎn)驗(yàn)收時(shí)的專(zhuān)家打分、歐氏距離以及相關(guān)排名情況見(jiàn)表2所示。

3.2 結(jié)果分析

由表2可以看出，各試點(diǎn)城市在水生態(tài)文明建設(shè)上取得了很大進(jìn)展；但各城市也表現(xiàn)出了不同的變化程度。在試點(diǎn)驗(yàn)收中專(zhuān)家打分在92分以上的為西安、鄭州、濟(jì)南、許昌，評(píng)價(jià)結(jié)果中排在前四位的城市沒(méi)有變化，但在排序上有一些小的變化。專(zhuān)家打分中西安排名最高，而評(píng)價(jià)結(jié)果中許昌排第一。在專(zhuān)家打分與評(píng)價(jià)結(jié)果中，西寧與張掖都排在后兩位且排序無(wú)變化，說(shuō)明這兩個(gè)城市在水生態(tài)文明城市建設(shè)方面的表現(xiàn)不甚理想。其余四個(gè)城市烏海、銀川、邯鄲、邢臺(tái)在打分與評(píng)價(jià)結(jié)果中仍位于5到8名，排名上有一些變化。

以上為各城市在水生態(tài)文明建設(shè)上的總體評(píng)價(jià)結(jié)果，下面分析各城市在各準(zhǔn)則層中的表現(xiàn)，各試點(diǎn)城市在不同準(zhǔn)則層中的評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

在各準(zhǔn)則層中評(píng)價(jià)結(jié)果中，水生態(tài)方面許昌表現(xiàn)最優(yōu)；水安全方面鄭州、銀川以及邯鄲均表現(xiàn)優(yōu)異，水源地安全保障達(dá)標(biāo)率以及防洪達(dá)標(biāo)率均達(dá)到100%；水環(huán)境濟(jì)南排在首位，其三類(lèi)水質(zhì)河長(zhǎng)比例為63.7%，入河排污口檢測(cè)率達(dá)到100%；水管理以及水文化方面西安均為第一名；水資源利用方面烏海最為優(yōu)異，其水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為100%，超額完成三條紅線控制指標(biāo)。排序靠前的西安、鄭州、濟(jì)南、許昌4個(gè)城市均在不同體系中排在首位，其中西安在水資源管理方面與水文化的宣傳普及中均表現(xiàn)優(yōu)異。而張掖與西寧在各體系中整體表現(xiàn)較差，張掖在水生態(tài)治理方面有較大的提升空間，水土流失治理程度僅有14.2%，西寧則應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水生態(tài)文明的宣傳力度，增加公共認(rèn)知度，其防洪達(dá)標(biāo)率只有82.3%，需要增加水安全措施以及加強(qiáng)對(duì)水環(huán)境的治理工作。

表2 水生態(tài)文明試點(diǎn)城市評(píng)價(jià)結(jié)果

表3 水生態(tài)文明試點(diǎn)城市各準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)結(jié)果

從以上分析可知，各試點(diǎn)城市在評(píng)價(jià)模型中的總體表現(xiàn)與專(zhuān)家打分結(jié)果相差不大，專(zhuān)家打分較高的幾個(gè)城市在評(píng)價(jià)模型中表現(xiàn)也比較優(yōu)異，評(píng)價(jià)結(jié)果靠后的城市專(zhuān)家打分也比較低。因而說(shuō)明，評(píng)價(jià)模型較為合理，專(zhuān)家打分也比較客觀公正。但城市間的排序的一些差別也反映出：一方面，由于專(zhuān)家在評(píng)估時(shí)的打分較為主觀，實(shí)地勘察中的感官對(duì)分?jǐn)?shù)有一定影響，而評(píng)價(jià)模型較為客觀；另一方面，專(zhuān)家在對(duì)建設(shè)任務(wù)完成情況以及指標(biāo)完成情況分析時(shí)，以各城市的實(shí)施方案為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，而評(píng)價(jià)模型重點(diǎn)對(duì)比的是各城市間的優(yōu)劣狀況。

4 結(jié) 語(yǔ)

加快推進(jìn)水生態(tài)文明建設(shè)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與水資源水環(huán)境承載能力相協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，是我國(guó)生態(tài)文明的重要組成和基礎(chǔ)保障?；谖覈?guó)水生態(tài)文明發(fā)展現(xiàn)狀和相關(guān)研究進(jìn)展，對(duì)水生態(tài)文明內(nèi)涵進(jìn)行了解讀；并依據(jù)政府指導(dǎo)文件以及相關(guān)研究成果，建立水生態(tài)文明評(píng)價(jià)體系，構(gòu)建了模糊綜合評(píng)價(jià)模型，采用層次分析法計(jì)算權(quán)重。最后通過(guò)計(jì)算得到評(píng)價(jià)結(jié)果，并通過(guò)對(duì)比分析得知，評(píng)價(jià)模型較為科學(xué)合理，具有一定的適用性，評(píng)價(jià)結(jié)果可為相關(guān)地區(qū)進(jìn)一步推進(jìn)水生態(tài)文明城市建設(shè)提供參考。