基于云模型的長株潭幸福河評價(jià)

黃垣森 唐德善 唐 彥

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098；2.河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，南京 210098)

人類的文明發(fā)源于河流，在污染日益嚴(yán)重的今天，如何在治河的同時(shí)給人民帶來福祉更具有現(xiàn)實(shí)意義.“幸福河”的提法，給河流治理指明了新的方向.在此之前，中國的河湖建設(shè)更加側(cè)重于河道治理，然而“幸福河”應(yīng)具備更加深刻的內(nèi)涵，強(qiáng)調(diào)在河流安全、河流健康的基礎(chǔ)上，應(yīng)滿足人民幸福感的心理需求.左其亭等[1，2]指出“幸福河湖”立足于國家重大戰(zhàn)略，是比“美麗河湖”內(nèi)涵更加豐富的建設(shè)目標(biāo)；唐克旺[3]認(rèn)為“幸福河”應(yīng)更加注重人們的心理感受，同時(shí)應(yīng)滿足發(fā)展的需求；韓宇平等[4]認(rèn)為黃河上游和中游的幸福河指數(shù)達(dá)到發(fā)展需求層次，下游的幸福河指數(shù)為基本需求層次；陳茂山等[5]綜合考慮人、河流、人與河流的關(guān)系3個(gè)角度構(gòu)建了指標(biāo)體系.前人從多角度解讀了幸福河的內(nèi)涵，初步探究了幸福河評價(jià)體系建設(shè)，但缺乏幸福河評價(jià)實(shí)例研究.另外，云模型作為可以轉(zhuǎn)換定量與定性之間的不確定性模型，還未被應(yīng)用于幸福河評價(jià).本文利用G1法與CRITIC法確定組合權(quán)重，基于云模型建立評價(jià)指標(biāo)體系展開實(shí)例評價(jià)，為我國后續(xù)幸福河建設(shè)提供參考.

1 幸福河指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建原則

指標(biāo)體系的建立不僅要反映河流的屬性指標(biāo)，還要揭示幸福河內(nèi)涵，反映人民的幸福感指標(biāo).從水安全、水資源、水生態(tài)、水產(chǎn)業(yè)、水環(huán)境等角度及需求出發(fā)，進(jìn)一步明確幸福河評價(jià)體系指標(biāo).

指標(biāo)體系應(yīng)滿足的原則有：獨(dú)立性、代表性、易得性、全面性.獨(dú)立性：各指標(biāo)之間相關(guān)程度較低，彼此不存在因果關(guān)系；代表性：所選指標(biāo)應(yīng)能夠最大程度的表示河流幸福度；易得性：指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取的難易程度；全面性：指標(biāo)能覆蓋河流幸福度評價(jià)的各個(gè)方面.

1.2 指標(biāo)體系構(gòu)建步驟

1)明確幸福河內(nèi)涵以及評價(jià)目標(biāo).

2)指標(biāo)初選：本文指標(biāo)體系擬建立5個(gè)準(zhǔn)則層，分別是防洪保安全、健康水生態(tài)、優(yōu)質(zhì)水資源、綠色水產(chǎn)業(yè)、宜居水環(huán)境.通過對前人相關(guān)研究文獻(xiàn)的閱讀并參考各地政府對河流評價(jià)的文件，運(yùn)用頻率分析法，統(tǒng)計(jì)文獻(xiàn)[1，3，6-8]及國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9，10]中出現(xiàn)頻率較高的各準(zhǔn)則層細(xì)化指標(biāo)，確定初選指標(biāo)集.

3)指標(biāo)篩選：運(yùn)用Delphi法對初選指標(biāo)集進(jìn)行指標(biāo)篩選，其中地表水達(dá)到或好于三類水體比例，河床安全穩(wěn)定程度在幸福度評價(jià)中被認(rèn)為同其他指標(biāo)關(guān)聯(lián)性較高或不易獲取被刪除，確定最終指標(biāo)體系.

1.3 指標(biāo)體系

根據(jù)頻率分析法、Delphi法優(yōu)選出5個(gè)準(zhǔn)則層15個(gè)評價(jià)指標(biāo)見表1.

表1 幸福河評價(jià)指標(biāo)體系

2 幸福河評價(jià)模型的構(gòu)建

幸福河評價(jià)在此前的研究中很少考慮過指標(biāo)的模糊屬性.云模型理論常被用于決策評價(jià)等領(lǐng)域，該模型綜合了概率論與模糊集理論，通過算法可實(shí)現(xiàn)定量與定性的雙向轉(zhuǎn)化[11].在本文中運(yùn)用正態(tài)云模型代替前人[1]采用的SMI-P法來確定隸屬度.

2.1 云模型理論

設(shè)C是定量論域U的定性概念，若?x∈U，x→μ(x)，μ(x)∈[0，1]，則x在U的分布構(gòu)成云，(x，μ(x))被稱為云滴.

(1)

則x在U上的分布服從正態(tài)分布.

上述公式中的參數(shù)期望Ex、熵En、超熵He構(gòu)成了云的數(shù)字特征，依次代表云滴分布的中間值、云滴可被C接受的取值范圍、云滴的離散程度.其計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Cmax和Cmin分別代表區(qū)間上下限；k常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取常數(shù)，本文中統(tǒng)一取0.01.

若評價(jià)等級中區(qū)間無邊界值，則取相鄰區(qū)間公式計(jì)算.

(3)

2.2 G1-CRITIC確定組合權(quán)重

G1法由AHP法改進(jìn)而來[12]，具有AHP法的優(yōu)點(diǎn)，又避免了大量的計(jì)算和一致性檢驗(yàn).具體步驟見文獻(xiàn)[13].

常用的客觀賦權(quán)法一般都是通過指標(biāo)變異性大小來確定權(quán)重，如評價(jià)中常用的熵權(quán)法，但CRITIC法不僅考慮了指標(biāo)數(shù)據(jù)的變異性大小，還考慮了各指標(biāo)之間的沖突性，故本文選用此方法來確定客觀權(quán)重，具體計(jì)算步驟見文獻(xiàn)[14].

綜合考慮G1法確定的主觀權(quán)重和CRITIC法確定的客觀權(quán)重，組成綜合權(quán)重.

ω=αωG1+(1-α)ωCRITIC

(4)

式中：α為權(quán)重分配系數(shù)，本文取0.5；ωG1和ωCRITIC分別為G1法與CRITIC法確定的權(quán)重.

2.3 評價(jià)等級

指標(biāo)的評價(jià)等級目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但左其亭在文獻(xiàn)[1]中已做了深入研究，本文在此基礎(chǔ)上，根據(jù)文獻(xiàn)[6，7，15]中類似評價(jià)方向的標(biāo)準(zhǔn)劃分，咨詢專家意見，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，確定各評價(jià)指標(biāo)等級劃分，詳見表2，綜合評價(jià)等級見表3.

表2 幸福河評價(jià)指標(biāo)等級劃分

表3 幸福河綜合評價(jià)等級

采用下述公式計(jì)算綜合隸屬度、幸福河評價(jià)等級[8]：

(5)

(6)

式中：G為綜合隸屬度；g為各評價(jià)等級對應(yīng)分?jǐn)?shù)，從高至低依次為100、90、80、70、60；tg為g級隸屬度.

3 實(shí)例研究

長沙、株洲、湘潭3個(gè)城市呈品字形分布于湘江中下游，是湖南最具經(jīng)濟(jì)活力的板塊.早在2006年，國家就對湘江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶開發(fā)投入了大量的資金，長株潭在中部崛起戰(zhàn)略中起著重要支撐作用.本文從長株潭地區(qū)選取河流作為幸福河評價(jià)對象，瀏陽河(長沙)、萬豐河(株洲)、漣水河(湘潭)均為湘江的一級支流，將這3條河建設(shè)成造福人民的幸福河，對長株潭地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)、平衡生態(tài)保護(hù)與地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展、增強(qiáng)人民幸福感等方面有極其重要的作用.

將以上3條河流作為實(shí)例研究對象，明確地區(qū)幸福河建設(shè)差距，對將湘江建設(shè)為造福人民的幸福河有示范和參考價(jià)值.

基于表1中指標(biāo)體系，對萬豐河、漣水河、瀏陽河進(jìn)行幸福河評價(jià)，評價(jià)年份為2019年.各指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于各市統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源公報(bào)、水環(huán)境質(zhì)量通報(bào)以及各市《“十三五”水利發(fā)展規(guī)劃》、對應(yīng)河流《“一河一策”實(shí)施方案》，定性指標(biāo)采用統(tǒng)計(jì)問卷形式，共發(fā)放60份問卷，回收有效問卷53份，分好、中、差三檔，按100分、80分、60分加權(quán)計(jì)算確定原始數(shù)據(jù)，問卷情況見表4.

表4 問卷情況匯總 (單位：人)

G1法確定權(quán)重以準(zhǔn)則層舉例：

B1>B4>B3>B2>B5?

X1>X2>X3>X4>X5

r2=1.5；r3=1.2；r4=1.2；r5=1.1

依照文獻(xiàn)[13]中方法可得

(ω1，ω2，ω3，ω4，ω5)=

(0.322，0.149，0.179，0.215，0.135)

采用文獻(xiàn)[4]中方法確定客觀權(quán)重，后依據(jù)公式(4)確定綜合權(quán)重，見表5.原始數(shù)據(jù)見表6.

表5 綜合權(quán)重

表6 原始指標(biāo)數(shù)據(jù)

ωG1=(0.140，0.182，0.068，0.081，0.090，0.090，0.032，0.051，0.066，0.039，0.027，0.037，0.044，0.026，0.028)

ωCRITIC=(0.049，0.038，0.038，0.038，0.037，0.214，0.039，0.108，0.063，0.114，0.072，0.050，0.038，0.054，0.049)

參照公式(2)計(jì)算15個(gè)指標(biāo)5個(gè)評價(jià)等級的云數(shù)字特征，以C54為例，Ex=(97.5，87.5，70，45，45)，En=(2.5，7.5，10，15，15)，He=0.01.一維云圖以C54為例，如圖1所示.

圖1 C54一維云圖

按照云模型計(jì)算步驟，本文生成2 000個(gè)云滴，由公式(1)、(3)可算得各指標(biāo)綜合隸屬度.依據(jù)公式(5)乘以準(zhǔn)則層權(quán)重可得各條河流對應(yīng)準(zhǔn)則層綜合隸屬度，依據(jù)公式(6)可得各準(zhǔn)則層最終評價(jià)得分，見表7，將表7繪成柱狀圖如圖2所示.依據(jù)公式(5)乘以各指標(biāo)權(quán)重，后采用公式(6)可得各條河流最終得分，見表8.

表7 幸福河各指標(biāo)評價(jià)得分

表8 河流最終得分

4 評價(jià)結(jié)果分析

根據(jù)表8最終得分與表3評價(jià)等級劃分對比可以看出，瀏陽河幸福度評價(jià)為優(yōu)秀，萬豐河、漣水河幸福河評價(jià)均為良好，且萬豐河距離幸福感優(yōu)秀的Ⅰ級距離不大，說明長株潭地區(qū)中長沙和株洲生態(tài)文明建設(shè)取得顯著的成效，發(fā)展與保護(hù)并重，河流給人民帶來的幸福感較充足.雖然漣水河評價(jià)等級為良好，但仍與兩條河流有較大差距，湘潭政府應(yīng)更加注重協(xié)調(diào)保護(hù)與發(fā)展的關(guān)系.

下文從5個(gè)準(zhǔn)則層15個(gè)指標(biāo)而言，根據(jù)表7、圖2分析長株潭地區(qū)建設(shè)幸福河的制約因素.

圖2 準(zhǔn)則層得分

在河水流動暢通性方面，瀏陽河分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于萬豐河和漣水河，為98.66分，處于優(yōu)秀級別；萬豐河河水流動暢通性僅為74%，部分排水灌渠淤塞滲漏，雜草叢生，影響行洪；漣水河得分最低，河道內(nèi)多違規(guī)建筑物，洪水期影響行洪，存在隱患.

在防洪達(dá)標(biāo)率方面，僅瀏陽河處于良好，漣水河與萬豐河處于及格水平.漣水河得分最低，部分堤防由于農(nóng)民開挖耕種，堤身變薄，威脅防洪安全.防洪安全是居民幸福的基礎(chǔ)，各市應(yīng)繼續(xù)推進(jìn)堤防的除險(xiǎn)加固工程，提高防洪標(biāo)準(zhǔn)，疏浚河道，以此提高防洪能力.

在水土流失綜合治理率方面，三河皆位于良好水平，漣水河水土流失治理率為75%，但沿河干流開發(fā)強(qiáng)度過大，且缺乏水土保持防護(hù)措施，湘潭市接下來應(yīng)開展水土流失綜合治理、推廣清潔型小流域治理、增加水土流失監(jiān)測點(diǎn)等措施；萬豐河水土流失治理率為79%，主要原因是該地區(qū)為南方紅壤丘陵區(qū)，水力侵蝕嚴(yán)重，且局部人為水土流失問題突出；瀏陽河該指標(biāo)得分最高，因近幾年生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持責(zé)任落實(shí)到位，綠色生態(tài)屏障建設(shè)達(dá)標(biāo).要提高水生態(tài)質(zhì)量，不僅要從工程措施上提高綠色覆蓋率，增加監(jiān)測點(diǎn)，還要在非工程措施上責(zé)任到人，嚴(yán)格控制人為水土流失問題.

在河流生態(tài)護(hù)岸比率方面，瀏陽河處于優(yōu)秀，萬豐河和漣水河處于良好.護(hù)岸措施能對河道進(jìn)行一定程度上的美化，萬豐河和漣水河應(yīng)在采取工程措施的基礎(chǔ)上，將植物與土木工程結(jié)合在一起，增強(qiáng)視覺“軟效果”，營造美麗生態(tài)環(huán)境.

在水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率方面，瀏陽河水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率已經(jīng)達(dá)到100%，說明長沙市水源保護(hù)區(qū)規(guī)范化建設(shè)與綜合整治取得了重大進(jìn)展；而萬豐河和漣水河較瀏陽河有顯著差距，株洲市和湘潭市還有部分黑臭水體，工農(nóng)業(yè)垃圾和生活垃圾堆放在河湖岸線，河道內(nèi)有違章建筑.水質(zhì)達(dá)標(biāo)率提高需要各地政府明確水環(huán)境保護(hù)紅線規(guī)劃，明確水源涵養(yǎng)地、生態(tài)濕地區(qū)，拆除違法建筑，合理設(shè)置排污口.

在生態(tài)基流量方面，漣水河表現(xiàn)較好，上游水府廟水庫多年平均流量68.5 m3/s，基本滿足生態(tài)基流需求；瀏陽河與萬豐河表現(xiàn)較差，湘潭市與長沙市應(yīng)在滿足正常生產(chǎn)生活用水的同時(shí)，全流域調(diào)度用水，優(yōu)化水資源配置，確保干流最小生態(tài)流量.

在萬元工業(yè)增加值用水量方面，3條河得分差距較大，漣水河得分處于較差水平，萬元工業(yè)增加值用水量高達(dá)62.6 m3，遠(yuǎn)高于全國平均水平38.4 m3，說明湘潭市節(jié)水潛力巨大，湘潭市應(yīng)注重節(jié)水型工業(yè)建設(shè)，關(guān)停一批高耗水的企業(yè)，優(yōu)化工業(yè)用水結(jié)構(gòu)[7].

在農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)方面，僅漣水河處于良好，其余兩者均為優(yōu)秀.漣水河灌溉用水系數(shù)為0.55，略低于全國平均水平0.559，湘潭市應(yīng)實(shí)行最為嚴(yán)格的水資源管理制度，加大節(jié)水投入，提高用水效率.

在污水集中處理率方面，漣水河距離瀏陽河及萬豐河有較大差距，僅處于及格水平.漣水河沿岸農(nóng)村人口較多，其產(chǎn)生的生活污水和固體廢棄物較多，對地下水造成的潛在威脅不可忽視，應(yīng)進(jìn)一步推進(jìn)城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村污水管網(wǎng)建設(shè)，盡快落實(shí)污水處理設(shè)施.

在測土配方施肥技術(shù)覆蓋率方面，萬豐河得分遠(yuǎn)低于漣水河與瀏陽河，處于較差水平，其測土配方施肥技術(shù)覆蓋率僅為41%，遠(yuǎn)低于另外兩條河流，主要農(nóng)作物化肥、農(nóng)藥使用量較高，株洲市應(yīng)大力推薦美麗鄉(xiāng)村建設(shè)，處理生活垃圾和農(nóng)業(yè)面源污染，推動農(nóng)村環(huán)境綜合整治，從根源上治理水污染.

在規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖污染處理率方面，萬豐河與瀏陽河得分已接近優(yōu)秀，漣水河處于及格水平.湘潭市應(yīng)推行農(nóng)牧結(jié)合，利用沼氣，將畜禽糞尿進(jìn)行無害化處理、資源化利用.

在景觀多樣性指數(shù)方面，3條河流均處于良好水平，說明各條河流在景觀打造上已有顯著成效.

在河流親水性程度方面，萬豐河與瀏陽河均處于良好，僅漣水河為及格，離良好僅有微小的差距.漣水河濱水景觀設(shè)計(jì)可考慮設(shè)置親水平臺，給居民提供觀光休閑需求.

在水生態(tài)文明普及度方面，3條河流得分均接近滿分，可見長株潭政府水生態(tài)文明宣傳效果顯著.

在公眾對河流幸福滿意度方面，3條河均處于良好水平，但距離優(yōu)秀仍有不小差距，各地政府應(yīng)以人民為中心，注重人們的幸福感受，將水利建設(shè)與生態(tài)園林結(jié)合，給人民提供旅游觀光場所，滿足人民對美好生活的向往.

5 結(jié) 論

1)前人在幸福河評價(jià)的研究當(dāng)中，很少考慮將云模型作為評價(jià)模型，本文運(yùn)用該模型對長株潭地區(qū)幸福河進(jìn)行評價(jià)，考慮到幸福河評價(jià)指標(biāo)的模糊性和隨機(jī)性，并選用G1-CRITIC法充分利用數(shù)據(jù)的沖突性、變異性來確定權(quán)重，找出了3條河流幸福河建設(shè)的制約因素.

2)3條河流均為湘江一級支流，其幸福河建設(shè)制約因素可為湘江幸福河建設(shè)提供參考和依據(jù)，即在湘江風(fēng)光帶建設(shè)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)堤防達(dá)標(biāo)建設(shè)，清除道違章建筑；沿江工程要結(jié)合采取水土保持措施；優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)，提高用水效率；加大水生態(tài)文明宣傳，給人們提供休閑場所.

3)建議后續(xù)研究可考慮從時(shí)間維度上對幸福河建設(shè)進(jìn)行評價(jià)，更加立體、全面地找出工作薄弱點(diǎn)和制約因素.