基于正態(tài)云模型的人水和諧度評價

楊 丹，唐德善，周 祎

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，用水需求不斷增加，水資源在開發(fā)利用過程中被嚴(yán)重破壞，水環(huán)境、水生態(tài)問題不斷凸顯，水危機(jī)開始制約人類社會的可持續(xù)發(fā)展。面對這些問題，人類開始積極主動地尋求人水關(guān)系的改善，強(qiáng)調(diào)水資源的可持續(xù)利用，走人水和諧道路。十八大以來，黨中央、國務(wù)院對長江生態(tài)的保護(hù)非常重視，強(qiáng)調(diào)推動長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展必須走生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展之路。近幾年全國各地都在進(jìn)行黑臭水體整治，并使用信息平臺實時公示整治進(jìn)度。這一系列的活動都是支撐社會可持續(xù)發(fā)展的重要保障。這種情況下，研究區(qū)域人水關(guān)系和諧度，分析其制約因素，形成一套完善的量化評價體系十分重要。

人水和諧度評價涉及諸多影響因子，是一個隨機(jī)性和模糊性較強(qiáng)的多目標(biāo)問題。目前，評價人水和諧度的常用方法主要有主成分分析法、模糊物元綜合評價法等。張金鑫等[1]利用云模型理論計算指標(biāo)權(quán)重，評價人水和諧度；戴會超等[2]從人水主觀感受度、人水和諧發(fā)展度、人水和諧協(xié)調(diào)度3個方面研究南京的人水和諧程度，研究結(jié)果表明南京人水和諧度逐年提高；孟令爽等[3]采用基于Spass 軟件的主成分分析法構(gòu)建了城市人水和諧度評價模型，對2011-2016 年北京市人水和諧度做出客觀評價；毛翠翠[4]從人文系統(tǒng)、水系統(tǒng)、人水系統(tǒng)相互作用3方面分析人水關(guān)系，提出一套人水關(guān)系評估模型評估2000-2009年河南省人水關(guān)系；沈金陽[5]構(gòu)建了基于系統(tǒng)-區(qū)域-部門和諧的人水和諧量度評價模型，對南寧市現(xiàn)狀人水和諧度進(jìn)行評價與分析。本文在已有的研究基礎(chǔ)上，深入分析人水和諧內(nèi)涵，通過正態(tài)云模型計算指標(biāo)隸屬度，結(jié)合博弈組合法確定權(quán)重，建立主客觀相結(jié)合的人水和諧度評價模型，定量計算人水和諧度，從而為人水和諧度評價提供一條可行的新途徑。

2 區(qū)域人水和諧度評價指標(biāo)體系

2.1 人水和諧內(nèi)涵

人類在從水環(huán)境汲取生存資源、與水環(huán)境互動過程中形成了人水系統(tǒng)，當(dāng)人水系統(tǒng)間達(dá)到相互協(xié)調(diào)的良性循環(huán)狀態(tài)[6-7]，即為人水和諧。人水和諧包括兩個方面：(1)人文系統(tǒng)和水系統(tǒng)全面發(fā)展，即人類社會高度發(fā)展，水系統(tǒng)不斷提高自我維持及更新能力；(2)人水系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展，即水資源能夠永久保障人類社會的可持續(xù)發(fā)展，人類能采取措施促進(jìn)水系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展。

2.2 評價指標(biāo)選取及分級標(biāo)準(zhǔn)

人水和諧度評價指標(biāo)應(yīng)本著科學(xué)、合理、客觀、全面的宗旨進(jìn)行選取。王梅等[8]從區(qū)域人水發(fā)展、區(qū)域人水協(xié)調(diào)、區(qū)域人水和諧主觀感受3個維度出發(fā)選取評價指標(biāo)；莫崇勛等[9]從水系統(tǒng)健康程度、人文系統(tǒng)發(fā)展程度和人水系統(tǒng)協(xié)調(diào)程度3方面出發(fā)，選取評價指標(biāo)。本文參考已有的評價指標(biāo)體系，在實地調(diào)查、專家咨詢、文獻(xiàn)查閱等基礎(chǔ)上，基于人水和諧的概念及內(nèi)涵，從人文系統(tǒng)發(fā)展、水系統(tǒng)健康、人水系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)3方面對其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，針對人水相互作用狀態(tài)制定一套區(qū)域人水和諧度評價指標(biāo)體系[10-12]。該指標(biāo)體系包含13項定量指標(biāo)和3項定性指標(biāo)，其中定量指標(biāo)均通過統(tǒng)計年鑒、水資源公報等公開數(shù)據(jù)資料確定，定性指標(biāo)采用問卷調(diào)查等方法確定。本文在充分收集研究區(qū)域?qū)嶋H資料的前提下，將人水和諧度評價標(biāo)準(zhǔn)劃分為5個等級，各等級標(biāo)準(zhǔn)均參照《中華人民共和國水污染防治法》《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB12/356-2008)等有關(guān)國家、地區(qū)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，或類似研究區(qū)域的研究成果[13-14]。具體指標(biāo)和分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 區(qū)域人水和諧度評價指標(biāo)體系及分級標(biāo)準(zhǔn)

3 區(qū)域人水和諧度評價模型

基于正態(tài)云模型的人水和諧度評價模型的計算步驟為：(1)利用博弈論組合賦權(quán)法確定評價指標(biāo)權(quán)重；(2)按照已知的數(shù)字特征，利用正向云發(fā)生器對各個指標(biāo)進(jìn)行云滴生成，得到對應(yīng)5級標(biāo)準(zhǔn)的隸屬云圖；(3)將評價指標(biāo)實際值輸入X條件云發(fā)生器，得到各指標(biāo)隸屬度集合，多次運(yùn)用得到綜合隸屬度，結(jié)合各指標(biāo)權(quán)重，即可確定人水和諧度評價的綜合結(jié)果。

3.1 指標(biāo)權(quán)重確定

主觀賦權(quán)法采用AHP(層次分析法)，客觀賦權(quán)法采用熵權(quán)法。其中AHP(層次分析法)是通過構(gòu)造重要性判斷矩陣，計算判斷矩陣的最大特征值以及對應(yīng)的正交化特征向量來確定權(quán)重和方案的優(yōu)劣性[17]；熵權(quán)法的權(quán)重僅取決于實際數(shù)據(jù)的離散性，若數(shù)據(jù)離散程度較大，則該指標(biāo)所占權(quán)重越大。具體計算步驟如下[18]：

(1)m個評價樣本的n個評價指標(biāo)構(gòu)成評價矩陣，對矩陣進(jìn)行歸一化處理；

(2)確定各項指標(biāo)的熵值，其中g(shù)=1,2,…,m;i=1,2,…,n：

(1)

(3)確定各項指標(biāo)的權(quán)重：

(2)

3.2 云模型計算隸屬度

3.2.1 云模型基本理論 云模型通過3個數(shù)字特征即期望Ex、熵值En和超熵He來反映定性概念的整體特征，每生成一個云滴，就隨機(jī)實現(xiàn)了一次定性到定量的映射，生成次數(shù)越多，云特征就越顯著。其中隸屬云呈正態(tài)或半正態(tài)分布的正態(tài)云模型具有普遍適用性[19-20]。

云發(fā)生器主要分為正向云發(fā)生器、逆向云發(fā)生器、X條件云發(fā)生器、Y條件云發(fā)生器4種[21]，其中正向云發(fā)生器是已知云模型數(shù)字特征形成云滴的過程；X條件云發(fā)生器是已知數(shù)字特征和1個云滴數(shù)值X0，求得該條件下云滴隸屬度μ0的過程，算法步驟如下：

(1)利用計算機(jī)生成隨機(jī)數(shù)算法，按正態(tài)分布特征(En,He)生成正態(tài)隨機(jī)數(shù)En*。

(2)根據(jù)隸屬度公式(3)得到隸屬度μ(x)：

(3)

(3)重復(fù)以上步驟，直到產(chǎn)生N個云滴。

3.2.2 數(shù)字特征確定 對于云模型的數(shù)字特征可以采用邊界約束法來進(jìn)行計算，設(shè)指標(biāo)i的某一等級區(qū)間為[Bmin,Bmax]，云模型的特征值可利用公式(4)計算[22-23]：

(4)

若超熵計算值過小，可直接取經(jīng)驗值0.01或0.05。

4 實例研究

宿遷市地處江蘇省西北部，淮河、沂沭泗中下游流域，南與淮安毗鄰，東與連云港接壤，北與徐州市相連，西與安徽省交界，下轄沭陽、泗陽、泗洪3個縣和宿城區(qū)、宿豫區(qū)。境內(nèi)河湖水系眾多，南臨洪澤湖，北接駱馬湖，擁有古黃河等10條流域性河道和39座小水庫，容納上游約210×104km2面積的洪水，素有“洪水走廊”之稱。宿遷市多年平均水資源總量約23.189×108m3，但人均占有量僅424.5 m3，過境水量豐富卻無法調(diào)蓄，屬于缺水型城市。近些年宿遷市各行各業(yè)迅速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)實力顯著提升，生活生產(chǎn)等方面對水資源的需求量越來越大，水質(zhì)型缺水日益加劇，水資源供需平衡較差，需水滿意度較低。因此人水和諧度研究十分必要。根據(jù)表1 的評價指標(biāo)體系，查閱宿遷市2018年統(tǒng)計年鑒以及2017水資源公報等數(shù)據(jù)資料，宿遷市2014-2017年人水和諧度評價指標(biāo)實際值見表2。

表2 2013-2017年宿遷市人水和諧度各評價指標(biāo)實際值

4.1 評價模型應(yīng)用

利用信息熵法按照公式(1)、(2)計算各評價指標(biāo)的客觀權(quán)重。在主、客觀權(quán)重的基礎(chǔ)上按照博弈論原理進(jìn)行最優(yōu)化計算，得出綜合權(quán)重W，具體結(jié)果見表3。

表3 宿遷市人水和諧度各評價指標(biāo)權(quán)重

按照公式(4)計算各指標(biāo)5個等級對應(yīng)的云模型特征數(shù)字。以指標(biāo)C1為例，其5級標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字特征Ex=(9.50，5.00，2.50，1.50，0.50)，En=(2.1231，1.6985，0.4246，0.4246，0.4246)，He=(0.2123，0.1699，0.0425，0.0425，0.0425)，利用MATLAB編寫正態(tài)云發(fā)生器得到對應(yīng)5級標(biāo)準(zhǔn)的生態(tài)環(huán)境用水率隸屬云圖，如圖1所示。

圖1 5個評價等級的生態(tài)環(huán)境用水率(C1)隸屬云圖

以2017年為例，根據(jù)隸屬度公式(3)及指標(biāo)實測值，運(yùn)行X條件云發(fā)生器N=2 000次，得到指標(biāo)平均隸屬度(見表4)。再結(jié)合組合權(quán)重得到人水和諧度綜合評價值。2013-2017年宿遷市人水和諧度評價結(jié)果見表5。

表4 2017年宿遷市人水和諧度各評價指標(biāo)不同評價等級的平均隸屬度

4.2 評價結(jié)果分析

根據(jù)表5可直觀看出，宿遷市2013-2017年人水和諧度總體呈穩(wěn)定上升趨勢，其中2017年為人水和諧度的峰值年份，參考各年份指標(biāo)的實際數(shù)值，2017年的全覆蓋水功能區(qū)全年期達(dá)標(biāo)率、建成區(qū)綠化覆蓋率、河岸親水景觀舒適度、人均 GDP等指標(biāo)均為5年內(nèi)的最大值，表明宿遷市堅持依法管水，全面落實最嚴(yán)格水資源管理制度，扎實推進(jìn)河長制工作取得良好成效。2013-2017年人水和諧度與各評價指標(biāo)均同為上升趨勢，證明了評價結(jié)果是可靠的，也表明該人水和諧度評價模型是合理可行的。

表5 2013-2017年宿遷市人水和諧度評價結(jié)果

在上述實例研究中可以通過最大隸屬度原則判斷2017年各評價指標(biāo)等級，具體判斷結(jié)果見表6。

表6 基于最大隸屬度確定的2017年宿遷市人水和諧度各指標(biāo)層評價等級

由表6可知，雖然2017年宿遷市整體人水和諧度評價等級為Ⅰ級，但分項指標(biāo)仍存在不和諧情況，如生態(tài)環(huán)境用水率、人口密度、萬元工業(yè)增加值用水量、化學(xué)需氧量排放量4項指標(biāo)的和諧度等級為Ⅲ級，單位面積水資源量、建成區(qū)綠化覆蓋率、城鎮(zhèn)化率和水資源管理水平4項指標(biāo)的和諧度等級為Ⅱ級，還有較大的提升空間。故宿遷市應(yīng)緊抓薄弱環(huán)節(jié)，針對短板著重治理，為此提出以下幾點(diǎn)建議：

(1)宿遷市多年平均水資源總量為23.189×108m3，相對較豐富，多年平均年降水量為915.3 mm，過境水資源量較大，但單位面積水資源量及人均水資源量較少，應(yīng)完善涉水規(guī)劃體系，嚴(yán)格取水管理，強(qiáng)化地下水水量與水位雙控管理，積極做好水資源費(fèi)的增收作用，實行階梯水價，全面落實最嚴(yán)格水資源制度，確保水資源總量。

(2)宿遷市水體化學(xué)需氧量較省內(nèi)其他城市有一定差距，說明水質(zhì)污染情況有待改善，需要加強(qiáng)河道保護(hù)，啟動生態(tài)河道建設(shè)，對淤積嚴(yán)重、水質(zhì)惡化的河道展開集中整治，通過河道清淤、打通阻水埂壩、鋪設(shè)生態(tài)護(hù)坡等手段，改善河道水環(huán)境，同時加強(qiáng)飲用水水源保護(hù)，嚴(yán)格入河排污口監(jiān)督管理，實施污水干管和提升泵站工程，對市內(nèi)污水處理廠進(jìn)行提升改造，加快建設(shè)城鎮(zhèn)及農(nóng)村污水處理設(shè)施，從源頭把控水質(zhì)。

(3)宿遷市2017年萬元工業(yè)增加值用水量為49 m3，低于國內(nèi)平均值58.3 m3，明顯高于同期的江蘇省平均值36.7 m3，與國際低于15 m3的頂尖水平差距較大。宿遷市應(yīng)優(yōu)化工業(yè)用水資源，應(yīng)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，根據(jù)政府相關(guān)政策及企業(yè)生產(chǎn)情況，關(guān)、停、并、轉(zhuǎn)一些高耗水、高污染的中小型企業(yè)，創(chuàng)建節(jié)水型工業(yè)。

5 結(jié) 論

(1)本文將云模型、博弈論組合權(quán)重與區(qū)域人水和諧度評價相結(jié)合，建立了基于正態(tài)云的人水和諧度評價模型。該模型通過正向云發(fā)生器計算隸屬度，對人水和諧進(jìn)行定量評價，信息熵法可根據(jù)研究區(qū)域的數(shù)據(jù)離散程度客觀確定指標(biāo)權(quán)重，AHP可根據(jù)專家重要性判斷得出主觀權(quán)重，博弈論可均衡優(yōu)化權(quán)重，云模型可將定性轉(zhuǎn)化為定量，并充分考慮人水系統(tǒng)的模糊性及其隨機(jī)性，從而為人水和諧度評價提供一條科學(xué)合理的新路徑。

(2)利用模型對宿遷市2013-2017年人水和諧評價指標(biāo)實際值進(jìn)行計算分析，判斷各年份人水和諧度等級，分析得出評價結(jié)果貼近研究區(qū)域?qū)嶋H情況，表明該評價模型合理可行，可適用于其他區(qū)域人水和諧度評價。

(3)根據(jù)評價模型中單一指標(biāo)的和諧度等級可以清晰看出被評價區(qū)域在人水和諧方面的不足之處，并以此為導(dǎo)向，針對制約因素提出對應(yīng)整改措施，這對于研究區(qū)域進(jìn)行下一步水利工作，推動人水關(guān)系進(jìn)一步和諧化具有重要意義。