漢江流域水生態(tài)文明建設評價

李千珣，郭生練，鄧樂樂，田晶,王何予

(武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

隨著水生態(tài)環(huán)境保護工作的推進，通過單個治理項目以點到面催生流域整體治理效果已成為流域管理工作新常態(tài)[1-3]。局限于水生態(tài)文明概念之新，目前多以試點城市為對象開展研究，因此城鎮(zhèn)(縣)和省域尺度的研究成果較豐富[4-7]；反之，流域尺度的研究則較少。曲富國等[8]采用PSR模型評價了遼河流域在遼寧省內的生態(tài)文明建設水平；汪義杰等[9]采用熵值法與灰色關聯分析法，通過ArcGIS重點探討了流域生態(tài)文明建設分區(qū)的方法，并以桂江流域為例進行說明；嚴子奇等[10]以鄱陽湖流域為例，從自然、社會和人水關系三大系統(tǒng)出發(fā)，構建了包括25項指標的大湖流域水生態(tài)文明評價指標體系。目前，我國多以省、市、縣等行政單元為水生態(tài)文明建設的重點區(qū)域，以流域為出發(fā)點的水生態(tài)文明建設評價研究尚待加強。

漢江發(fā)源于秦嶺南麓，襄陽以上河流總體流向東，襄陽以下轉向東南，于武漢注入長江，干流全長1 577 km，流域面積約15.9萬km2。漢江上游黃金峽和丹江口水庫等是我國重要的水源地，南水北調中線和“引漢濟渭”跨流域調水工程，承擔著我國北方河南、河北、陜西和北京、天津的供水任務。2018年10月，國務院批復《漢江生態(tài)經濟帶發(fā)展規(guī)劃》[11]，為漢江流域及沿江省市的高質量發(fā)展帶來歷史性機遇。

以行政分區(qū)為評價單元，構建漢江流域水生態(tài)文明評價指標體系，結合AHP法和熵值法計算融合權重，采用模糊綜合評價法和灰色關聯度分析，評價2017年漢江流域水生態(tài)文明建設水平，旨在通過分析漢江流域現有水生態(tài)文明建設空間格局，探究流域內部水生態(tài)文明建設程度的空間差異性，識別重點建設地區(qū)及其重點建設方向，為漢江生態(tài)經濟帶建設發(fā)展規(guī)劃提供技術支撐。

1 流域水生態(tài)文明特征的指標表征

以流域為載體，自然與社會的交互作用滲透在產流、匯流、取水和用水的方方面面，水生態(tài)文明各項指標表征方式亦不盡相同。流域水生態(tài)文明既凸顯了整體的概念，又反映了內部諸環(huán)節(jié)乃至時空的差異化特征。因此，流域水生態(tài)文明特征可以歸納為如下三方面。

1.1 多系統(tǒng)特征

多系統(tǒng)可以基本概括為自然系統(tǒng)和社會系統(tǒng)。自然系統(tǒng)反映以水資源為主的自然稟賦，具體指標應向陸面產水過程及水循環(huán)等方面有所側重；社會系統(tǒng)既要反映流域內部經濟社會發(fā)展與水資源開發(fā)利用的制約關系及二者的現狀水平，又要評估水資源的可持續(xù)利用前景，同時還應對人水關系有充分體現。

1.2 多地貌特征

由于多系統(tǒng)的綜合性，流域水生態(tài)文明研究不應局限于水體，應上溯到產水區(qū)(山區(qū))、匯水區(qū)(丘陵)，后演進至耗水區(qū)(平原)，需涵蓋產匯流等一系列陸面水循環(huán)過程所涉及的相關地貌單元。流域水生態(tài)文明建設既要把握河流水體的特點，又要體現流域內不同地貌類型(以山區(qū)、平原、水域為主)的水生態(tài)文明程度。

1.3 多尺度特征

漢江流域所占國土面積較大，上、中、下游區(qū)域地理氣候特征及經濟社會發(fā)展水平差異明顯，考慮到多系統(tǒng)的綜合性和多地貌的復雜性，流域內部應劃分微、中、宏觀3種評價尺度。微觀尺度以指標為要素，反映評價單元的空間差異；中觀尺度從自然和社會兩方面反映水生態(tài)文明基本格局；宏觀尺度則從整體出發(fā)反映漢江流域水生態(tài)文明建設程度。

2 評價指標體系

2.1 評價分區(qū)

根據所收集統(tǒng)計資料的細化程度，基于《全國水資源調查評價技術細則》[12]，以漢江主要流經地陜西、河南和湖北3省的地級行政區(qū)為評價單元，并對行政區(qū)內流域面積占比小于5%的行政區(qū)進行合并處理，其中，洛陽與三門峽合并，西安與寶雞合并。此外，為統(tǒng)籌規(guī)劃和簡化計算，結合各行政區(qū)的實際情況，將神農架與十堰合并，將天門、潛江和仙桃合并為天潛沔地區(qū)，得到14個評價單元。具體分區(qū)見圖1。

圖1 漢江流域水生態(tài)文明建設評價分區(qū)Fig.1 Evaluation partitions of water ecological civilization construction of Han River basin

2.2 評價指標體系

對于漢江流域水生態(tài)文明評價指標的選取，須以水資源為重點評價對象，立足《漢江生態(tài)經濟帶發(fā)展規(guī)劃》，考慮流域內不同區(qū)域間的差異性。從局部到整體，從流域的上、中、下游到流域全境，從單一地貌到多種地貌，既體現分區(qū)特色，又能夠把握全局。此外，由于以行政區(qū)為評價單元，現行《水生態(tài)文明城市建設評價導則》[13]依然適用，應結合上述導則，吸納漢江流域內4個國家水生態(tài)文明城市建設試點的技術和成果，在保證指標可靠性的同時，又具有一定創(chuàng)新性。經綜合考慮，構建了包含1個目標層、2個系統(tǒng)層、9個準則層共計25項指標的漢江流域水生態(tài)文明評價指標體系，詳見表1。

表1 漢江流域水生態(tài)文明建設評價指標體系Tab.1 The evaluation index system of water ecological civilization construction of Han River basin

3 評價方法

3.1 基于AHP法和熵值法的融合權重

現行賦權方法：或考慮主觀賦權的一個側面，如層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)；或考慮客觀賦權的一個側面，如熵值法。為規(guī)避單一賦權法的片面性，結合余建星等[14-15]的研究，計算基于AHP法和熵值法的融合權重。

3.1.1基于AHP法的指標主觀權重

層次分析法是一種系統(tǒng)化、多準則分析決策方法，原理簡單、結構清晰，具有將主觀問題客觀量化的優(yōu)勢[16-18]。根據AHP法基本原理，對漢江流域水生態(tài)文明建設評價指標集歸一化，引入“1～9標度法”逐層比較元素間的重要性，構造判斷矩陣，計算判斷矩陣的最大特征根所對應的特征向量，若計算結果通過一致性檢驗，則所求即為該層元素相對于上層元素的權重。

3.1.2基于熵值法的專家客觀權重

在信息論中，熵值是信息無序化程度的表達和度量[19-20]。設想存在一名理想專家，其構建的判斷矩陣最公正，則與理想專家給定結果差距越大的評判專家所給結果的可信度就越低。若用熵表示該差距，可建立如下模型：

根據顧昌耀等[21]對傳遞熵的定義，這里用各專家的評分結果與a*的差異度大小eij來度量評判專家的準確性，則各專家的評價水平向量為Ei=(ei1,ei2,…,ein)，其中

(1)

式中：評價水平向量元素eij表示第i個專家對第j個指標的評分與全體專家評分均值的差異，并作標準化處理。eij反映了狀態(tài)發(fā)生時信息D的平均準確度，故可視評價水平向量Ei=(ei1,ei2,…,ein)為信息D的傳遞向量。

當狀態(tài)發(fā)生時信息D的熵值hj為

(2)

由此可得信息D的傳遞熵為

(3)

式中:H(D)表示信息D狀態(tài)傳遞的不確定度，或稱決策信息D的平均信息量。

該模型以專家所給評價結果的不確定性度量專家自身的評價能力，計算各專家的權重

(4)

3.1.3指標的加權融合權重

W=[w1,w2,…,wn]T=W′×W″

(5)

基于AHP法的指標主觀權重由專家個人經驗判斷所得；基于熵值法的專家客觀權重是以專家所給結果為依據對相對重要性的評判；融合權重則是以上兩種權重的組合，結合了主客賦權法的優(yōu)點，并回避了二者的不足。

3.2 模糊綜合評價

陳守煜等[22-23]建立的模糊綜合評價中，設系統(tǒng)有l(wèi)個評價分區(qū)組成區(qū)域集，有n個指標組成對區(qū)域集進行評判的指標集，對其規(guī)格化得到對應的隸屬度矩陣R=(rkj)l×n，簡稱優(yōu)屬度矩陣。

(6)

式中:uk表示第k個分區(qū)隸屬于最優(yōu)指標的隸屬度；wj表示第j個指標的權重；p表示距離參數，當p=1時為海明距離,當p=2時為歐氏距離。

(7)

求解目標函數，使分區(qū)k的權距優(yōu)距離平方與權距劣距離平方和最小，得第k個分區(qū)的隸屬于最優(yōu)分區(qū)的隸屬度為

(8)

計算各分區(qū)與最優(yōu)分區(qū)之間的歐氏距離，故取距離參數p=2，并以此為基準比較各分區(qū)的水生態(tài)文明建設水平。

3.3 灰色關聯度分析

灰色關聯度分析(gray relational analysis)也是一種常見的非確定性評價方法。該法通過比較數據序列曲線幾何形狀的相似程度，判斷序列間的關聯性大小，從而實現系統(tǒng)態(tài)勢的量化分析[24]。設有參考序列Xo和比較序列Xs，兩序列都包含l個時刻點，則在第k分區(qū)(k=1,2,…,l)兩者關聯系數和關聯度的計算公式為

ξos(k)=

(9)

(10)

4 評價結果

研究數據主要來自于2017年3個省份及所涉及各行政單元的水資源公報、環(huán)境質量狀況公報、國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報、國土資源公報、統(tǒng)計年鑒、部門報告等政府官方渠道。由于指標D25“生態(tài)環(huán)境公眾滿意度”2017年統(tǒng)計數據不可得，按照可比性原則采用2016年數據。

結合5位專家所確定的判斷矩陣，基于AHP法和熵值法計算得漢江流域水生態(tài)文明評價指標的融合權重見表2。將所得結果代入公式(9)，根據模糊綜合評價計算步驟，求得各分區(qū)隸屬于最優(yōu)分區(qū)的隸屬度Uk及排序見表3。

表2 基于AHP法和熵值法的融合權重Tab.2 The fusion weights based on AHP method and entropy method

表3 評價分區(qū)隸屬度及排序Tab.3 Membership degree and ranking of evaluation partitions

按隸屬度越大越優(yōu)原則，采用Jenks自然斷裂分類法[25]劃分優(yōu)、良、中、較差、差5個級別，對比各分區(qū)的水生態(tài)文明建設水平，具體結果見圖2。由圖2可知：商洛、十堰和安康的評價等級均達到優(yōu)；襄陽、武漢和寶雞均達到良。通過灰色關聯度的分析可知：在自然與社會2個系統(tǒng)中，漢江流域水生態(tài)文明建設與社會系統(tǒng)的關聯度較高，達0.844；在3種自然地貌單元中，其與水域單元的關聯度最高，達0.698，山區(qū)單元次之；在6類人水關系子系統(tǒng)中，其與水安全子系統(tǒng)的關聯度最高，達0.745，與水環(huán)境、水節(jié)約和水生態(tài)子系統(tǒng)的關聯度次之；其與全體評價對象的灰色關聯度均在0.6以上。結果表明漢江流域水生態(tài)文明建設具有較強的社會屬性，并側重于流域水資源的安全保障、環(huán)境治理和節(jié)約教育，主要通過轉變生產和生活方式，實現人與自然的和諧。

圖2 漢江流域水生態(tài)文明建設綜合評價Fig.2 Comprehensive evaluation of water ecological civilization construction of Han River basin

在綜合評價的基礎上，分系統(tǒng)和單元逐層分析見圖3。對于自然系統(tǒng)，安康和漢中的評價等級達到優(yōu)，商洛、十堰和襄陽均達到良。由圖3(a)～3(c)可知，山區(qū)、平原和水域子系統(tǒng)的評價結果與自然系統(tǒng)相近。其中，自然系統(tǒng)與水域子系統(tǒng)的灰色關聯度最高，達0.810 4，與平原和山區(qū)子系統(tǒng)的關聯度次之。這說明：以漢江流域源頭漢中、安康和商洛為代表，自然稟賦較好，水系發(fā)達，水量充沛，森林覆蓋率高，自然系統(tǒng)建設水平也隨之較高；與之相對以天潛沔、孝感、駐馬店和隨州為代表的漢江中下游地區(qū)，水污染嚴重，水質優(yōu)良度低，自然系統(tǒng)建設水平也較為落后。

圖3 漢江流域水生態(tài)文明建設分層評價Fig.3 Hierarchy evaluation of water ecological civilization construction of Han River basin

對于社會系統(tǒng)：商洛和十堰的評級等級達到優(yōu)；寶雞、武漢、安康和襄陽均達到良。在其下設6類人水關系子系統(tǒng)中：社會系統(tǒng)與水安全子系統(tǒng)的灰色關聯度最高，達0.734；水環(huán)境與水節(jié)約子系統(tǒng)次之。由圖3(d)～3(i)可知，漢江流域經濟社會發(fā)展的核心區(qū)域位于漢江中下游，以湖北省中南部的江漢平原為主，該區(qū)不僅工農業(yè)發(fā)達，在省內社會生產中占有重要地位，而且是漢江生態(tài)經濟帶發(fā)展規(guī)劃的重中之重。然而，粗放型經濟增長模式和結構性、布局性污染等問題在漢江中下游地區(qū)日漸凸顯，已經達到了不容忽視的地步。

綜上所述，目前漢江流域水生態(tài)文明建設呈中下游相對領先，上游略有滯后的空間格局,其中：以漢中、安康和商洛為代表的漢江水源地及上游地區(qū)，自身稟賦占據優(yōu)勢，水資源豐富，水生態(tài)保護較好，但人水互動較少，集中表現在水安全、水環(huán)境和水節(jié)約3個方面，具體到指標如“排水管道長度”“污水處理率”“公共供水管網漏損率”等與其他行政單元差距較大，較為落后；以十堰、武漢和襄陽為代表的漢江中下游地區(qū)，經濟社會發(fā)展迅速，雖然在經濟和人口的刺激下，水資源開發(fā)強度大，水污染嚴重，資源壓力與日俱增，生態(tài)環(huán)境質量較差，“生態(tài)環(huán)境公眾滿意度”較低，但是治水、用水、愛水、護水宣傳教育普遍，節(jié)水意識較強，水生態(tài)文明理念深入人心，人水互動頻繁，水生態(tài)文明建設程度較高。

5 結論與展望

本文評價了2017年漢江流域水生態(tài)文明建設水平，評價結果與漢江流域現狀基本一致，與2018年末所驗收漢江流域內4個國家水生態(tài)文明城市建設試點情況相吻合，結果表明：

漢江流域水生態(tài)文明建設具有較強的社會屬性，二者灰色關聯度達0.844。由于漢江中下游地區(qū)社會系統(tǒng)建設水平高于上游地區(qū)，故漢江流域水生態(tài)文明建設呈中下游相對領先，上游略有滯后的空間格局。

導致漢江上下游地區(qū)水生態(tài)文明建設有所差距的主要因素在水安全、水環(huán)境和水節(jié)約3個方面。漢江水源地及上游地區(qū)應加強水資源安全保障，加大水環(huán)境整治資金投入和整改力度，并積極普及節(jié)水教育。

漢江水源地及上游地區(qū)自然稟賦占優(yōu)，與之相比，中下游地區(qū)在水生態(tài)保護和水文化弘揚兩方面尚有較大發(fā)展空間。

值得說明，本文所提出的指標及分層方法僅是初步探討，尚待修改和完善。在指標的選擇方面，具體到某個指標的代表性還有待斟酌，并且水生態(tài)文明建設程度只有相對優(yōu)劣之分，不存在絕對文明與否的截然界限。研究旨在通過評價和分析漢江流域水生態(tài)文明建設現狀水平，為漢江生態(tài)經濟帶建設發(fā)展規(guī)劃提供技術支撐。