基于熵權(quán)SMI-P法的疏勒河流域幸福河評價

楊金娥，王玉才，王艷俐，李 茂，趙 瑾

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

建設(shè)幸福河是新時期河流開發(fā)治理的新任務(wù)，全面考慮河流自身屬性、生態(tài)健康、人水和諧與經(jīng)濟發(fā)展，是實現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)和區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的重要保障，也是新時代中國治水事業(yè)的新標(biāo)志。建立科學(xué)的幸福河評價體系對檢驗幸福河建設(shè)成果具有重要意義，對實現(xiàn)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展與修復(fù)河流生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展有促進作用。關(guān)于幸福河的研究，已有大量學(xué)者從概念與內(nèi)涵，評價體系構(gòu)建，評價方法等方面進行了研究。

在幸福河內(nèi)涵要義的解讀上，左其亭[1]等最先展開研究，在梳理總結(jié)不同領(lǐng)域?qū)Α靶腋！钡睦斫獾幕A(chǔ)上，結(jié)合我國江河治理需求，提出“幸福河”是造福人民的河。陳茂山[2]等基于馬克思主義幸福觀，從人類幸福需求角度提出幸福河是讓人民有安全感、獲得感和滿足感的河流。唐克旺[3]從心理學(xué)角度解讀了幸福河的內(nèi)涵，認為幸福河應(yīng)是能夠給流域人民帶來幸福感的河流。艾廣章[4]認為幸福河既要維持河流自身的生態(tài)健康，也要保證人類社會可持續(xù)發(fā)展，是一種人與河流之間的動態(tài)平衡。朱法君[5]認為幸福河是健康的、有生命力的安瀾之河，是傳統(tǒng)治水模式的升級。解讀完幸福河的內(nèi)涵，如何評價幸福河建設(shè)是否合格，以及通過哪些指標(biāo)、方法去評價就成了需要解決的問題。眾多學(xué)者從“目標(biāo)-準(zhǔn)則-指標(biāo)”層級關(guān)系框架出發(fā)，構(gòu)建包含多種維度的“幸福河湖”評價體系。左其亭[1]、靳春玲[7]等以河流的安全、健康、供給、富民、和諧、文化、宜居這7個維度為基本框架建立幸福河評價指標(biāo)體系。程常高[6]等從河流壓力狀態(tài)、經(jīng)濟管理等方面構(gòu)建評價指標(biāo)體系。貢力[8]等基于ERG需求模型，從生存、生態(tài)、發(fā)展3個需求層級建立幸福河評價指標(biāo)體系。在構(gòu)建評價體系的同時學(xué)者們也提出了眾多評價方法并用于實例驗證。左其亭[1]等采用“單指標(biāo)量化-多指標(biāo)綜合-多準(zhǔn)則集成”方法，對2017年黃河上中下游分段、支流渭河以及流經(jīng)的9個省區(qū)開展幸福河評價。喬祺[9]等選取澧水為評價對象，基于序關(guān)系分析方法和物元可拓模型，完成其綜合評價。靳春玲[7]等基于G2-AEW-未確知測度理論的評價方法和障礙診斷模型，診斷分析阻礙黃河甘肅段、寧夏段、內(nèi)蒙古段幸福河建設(shè)的障礙因子。王何予[10]等使用主客觀賦權(quán)方法，綜合幸福河指數(shù)和可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)，對湖北省縣(市)區(qū)漢江幸福河進行評價。

當(dāng)前，在疏勒河流域尚缺少從幸福河建設(shè)角度展開的河流治理評價研究。本文結(jié)合現(xiàn)有成果，在明確幸福河的概念和內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，基于熵權(quán)SMI-P的評價方法，從水資源量、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟、和諧發(fā)展4個維度，構(gòu)建疏勒河流域幸福河評價體系，初步評價疏勒河流域幸福河建設(shè)成果，為后續(xù)疏勒河流域的河流治理和幸福河評價體系建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 疏勒河流域概況

疏勒河流域是甘肅河西地區(qū)三大內(nèi)陸河流域之一，地處河西走廊西端，是古絲綢之路上的重要綠洲，孕育了歷史底蘊豐厚的敦煌文化，也是“一帶一路”的核心節(jié)點。疏勒河屬于河西溫帶干旱區(qū)，干流全長670km，總流域面積17萬km2，水系形狀呈羽毛狀。從2010—2021年《甘肅省水資源公報》中相關(guān)特征數(shù)據(jù)可知，流域內(nèi)多年平均降水量集中在54.3～173.9mm區(qū)間內(nèi)，流域多年平均水資源總量為21.23億m3，用水量為16.72億m3。2021年，流域內(nèi)總?cè)丝跒?7.76萬人，國內(nèi)生產(chǎn)總值452.29億元，人均GDP為8.5萬元。

1.2 數(shù)據(jù)來源

幸福河評價指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)來源于2012—2021年《甘肅省水資源公報》《甘肅省水土保持公報》《甘肅水利發(fā)展年鑒》，部分指標(biāo)由規(guī)范給定的公式間接計算得出。

2 研究方法

2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建及分級

在對疏勒河流域水資源總量以及供水總量、生態(tài)環(huán)境健康程度、社會經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r以及人水和諧發(fā)展進行綜合分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合幸福河評價體系建設(shè)相關(guān)的規(guī)范和文獻[1][11-13]，綜合考慮評價指標(biāo)的代表性、全面性、可操作性和易獲取性，構(gòu)建出由水資源量、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟、和諧發(fā)展3個準(zhǔn)則層，20個指標(biāo)層的3層級綜合評價體系，如圖1所示。

圖1 幸福河評價體系框架圖

本文所提出的評價標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)文獻[1][11-12]、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)[14-15]中所提出的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)以及向?qū)＜易稍兌玫叫腋：釉u價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)見表1。將幸福河的評價結(jié)果劃分成最優(yōu)、較優(yōu)、及格、較差、最差5級。

表1 幸福河評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 權(quán)重的確定

熵權(quán)法計算的權(quán)重客觀性較強，計算過程簡便，在初步建立評價體系時，采用熵權(quán)法確定指標(biāo)的權(quán)重，能夠較好地兼顧評價體系的效率和可信度。因此采用熵權(quán)法計算各指標(biāo)權(quán)重，步驟如下：

(1)根據(jù)選取的甘肅省疏勒河流域2010—2021年指標(biāo)數(shù)據(jù)，構(gòu)建由12個樣本，19個指標(biāo)組成的綜合評價初始數(shù)據(jù)矩陣。

={xij}m+n(0≤i≤m，0≤j≤n)

(1)

式中，xij—第i個樣本，第j項評價指標(biāo)數(shù)值。

(2)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

為使指標(biāo)體系中的數(shù)據(jù)具有可比性，消除正向指標(biāo)和逆向指標(biāo)之間的影響，需要先對各指標(biāo)按照如下公式進行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

正向指標(biāo)：

(2)

逆向指標(biāo)：

(3)

(3)計算單指標(biāo)下各樣本的值的比重qij

(4)

(4)計算第j項指標(biāo)的熵值Ej

(5)

(5)進行第j項指標(biāo)差異系數(shù)的計算Dj

對于第j項指標(biāo)而言，它的差異越大，熵值就越小，證明該指標(biāo)能夠在方案評價中起到越大的作用。

Dj=1-Ej

(6)

(6)計算第j項指標(biāo)權(quán)重wj

(7)

2.3 基于SMI-P法的幸福河評價

2.3.1單指標(biāo)量化

為了計算統(tǒng)一，使計算結(jié)果便于對比分析，在評價之前用模糊隸屬度函數(shù)法將指標(biāo)進行量化，以此減小各評價指標(biāo)的量綱差異。讓各類指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)一映射到[0，1]的區(qū)間內(nèi)，各指標(biāo)的特征節(jié)點值依次對應(yīng)指標(biāo)的隸屬度值，對應(yīng)的隸屬度值為1、0.8、0.6、0.3、0。根據(jù)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)，利用隸屬度計算公式計算出對應(yīng)指標(biāo)的隸屬度值。

2.3.2多指標(biāo)綜合

通過單指標(biāo)量化得到無量綱化的處理結(jié)果后，用多指標(biāo)綜合法計算出指標(biāo)的綜合評價結(jié)果。此方法是將各指標(biāo)的隸屬度值進行加權(quán)計算，由此可得出各準(zhǔn)則層的綜合得分，即水資源量指數(shù)(IWR)、生態(tài)環(huán)境指數(shù)(IEE)、社會經(jīng)濟指數(shù)(ISE)、和諧發(fā)展指數(shù)(IHD)。

相關(guān)計算公式為：

(8)

(9)

(10)

(11)

2.3.3多準(zhǔn)則集成

計算出各準(zhǔn)則層的綜合得分后，用多準(zhǔn)則集成的方法計算出幸福河指數(shù)，將水資源量、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟、和諧發(fā)展4個準(zhǔn)則層的得分進行加權(quán)計算，確定幸福指數(shù)(IHR)：

IHR=β1×IWR+β2×IEE+β3ISE+β4IHD

(12)

式中，β1、β2、β3、β4—目標(biāo)層下各個準(zhǔn)則層對應(yīng)的權(quán)重，準(zhǔn)則層權(quán)重總和為1。根據(jù)前人研究，將幸福指數(shù)劃分為5個等級[1]，對評價結(jié)果進行等級判別，見表2：

表2 幸福河等級劃分

2.4 障礙度模型

為進一步探討影響幸福河評價的主要障礙因子，通過因子貢獻度、指標(biāo)偏差度計算障礙度值，計算公式如下：

(13)

(14)

3 結(jié)果分析

3.1 指標(biāo)幸福指數(shù)計算

根據(jù)所獲取的各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)，按照單指標(biāo)量化方法計算得到介于[0，1]之間的指標(biāo)層幸福指數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 2010—2021年各指標(biāo)幸福指數(shù)

3.2 權(quán)重計算及分析

如圖2所示為熵權(quán)法計算得到的指標(biāo)權(quán)重雷達圖，由圖2可知，水資源利用率(A1)、人均水資源量(A3)、地下水開發(fā)利用程度(A5)、地下水供水占比(B1)、萬元GDP廢污水年排放總量(B2)、水質(zhì)優(yōu)劣程度(B4)、高效節(jié)水灌溉面積比例(C1)所占權(quán)重分別為9.5%、6.4%、7.2%、10.3%、7.5%、8.7%、6.4%，累積權(quán)重為56.0%，是疏勒河流域幸福河評價的主要影響指標(biāo)；耗水率(A4)、城鎮(zhèn)化率(C2)、單方水GDP(C3)、單位工業(yè)增加值用水量(C5)、水法律法規(guī)建設(shè)程度(D2)、水文化的挖掘及保護程度(D3)所占權(quán)重分別為5.8%、5.3%、5.7%、4.3%、5.0%、5.3%，累積權(quán)重為31.4%，是疏勒河流域幸福河評價的次要影響指標(biāo)。

圖2 疏勒河指標(biāo)權(quán)重雷達

3.3 疏勒河流域幸福河評價

通過構(gòu)建的熵權(quán)-SMI-P模型計算出2010—2021年疏勒河流域河流綜合幸福指數(shù)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，2010—2021年疏勒河流域幸福河指數(shù)值在0.770～0.850，疏勒河流域綜合幸福指數(shù)經(jīng)歷了上升-下降-上升的過程，其中2013年和2016年的綜合幸福指數(shù)較低，分別為0.776、0.770，這與和諧發(fā)展準(zhǔn)則層綜合得分較低有關(guān)，此時幸福河概念尚未提出，缺少對于該方面的法律與法規(guī)建設(shè)。

圖3 疏勒河2010—2021年綜合幸福指數(shù)得分

對比不同年份中準(zhǔn)則層綜合得分可知，和諧發(fā)展準(zhǔn)則層綜合指數(shù)呈現(xiàn)逐年增長的趨勢，然而綜合指數(shù)數(shù)值較小，雖是制約流域幸福河建設(shè)的關(guān)鍵準(zhǔn)則層，是未來幸福河建設(shè)的重點，但對于分析流域整體幸福河建設(shè)的影響因素來說可將其忽略?；诖丝傻茫?013年綜合指數(shù)較低的原因在于生態(tài)環(huán)境準(zhǔn)則層綜合得分較低，說明有關(guān)部門在促進疏勒河流域經(jīng)濟發(fā)展時并未對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生態(tài)環(huán)境、城市建設(shè)等提出要求，對生態(tài)環(huán)境重視不足，這是限制居民獲得幸福感的主要原因；《最嚴格水資源管理制度》在2013年頒布實施，但其所產(chǎn)生的效應(yīng)很難立刻顯現(xiàn)出來，眾多因素使得2013年綜合指數(shù)較低。2016年除和諧發(fā)展準(zhǔn)則層外，評價年內(nèi)綜合得分較低的準(zhǔn)則層是水資源量準(zhǔn)則層，生態(tài)環(huán)境準(zhǔn)則層綜合指數(shù)上升至較高水平，說明疏勒河流域在保證社會經(jīng)濟發(fā)展的前提下，落實的相關(guān)政策對于生態(tài)環(huán)境的治理提升是有效的，但是不能做到平衡發(fā)展，故流域內(nèi)居民的幸福感和獲得感提升較慢。

2012—2013年幸福指數(shù)下降，這與水資源量準(zhǔn)則層和生態(tài)環(huán)境準(zhǔn)則層綜合得分下降有關(guān)，2020年幸福綜合指數(shù)較高，為0.850，這與幸福河建設(shè)提出后，越來越重視水文化、生態(tài)保護方面的建設(shè)，和諧發(fā)展準(zhǔn)則層綜合得分上升有關(guān)。在2019年之前，尚未提出幸福河建設(shè)，疏勒河流域的幸福河指數(shù)呈現(xiàn)先降低后上升的變化趨勢，表明疏勒河流域在追求社會經(jīng)濟發(fā)展時，居民對河流安全供給的重視高于對流域生態(tài)健康，此前的發(fā)展在一定程度上不能全面滿足人們對于河流幸福感的需求。2016—2021年，疏勒河流域的幸福指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，以2016年作為基準(zhǔn)，幸福指數(shù)累計上升8.0%；在幸福河建設(shè)提出以前即2016—2018年，疏勒河流域的幸福指數(shù)雖體現(xiàn)出上升趨勢，累計值為3.34%，上升趨勢較慢，年增長值約為1.11%，自2019年提出并建設(shè)幸福河以來，疏勒河流域的幸福指數(shù)上升趨勢明顯，2019—2021年上升累積值為2016年幸福指數(shù)的7.0%，年均值為2.33%，說明幸福河建設(shè)對疏勒河流域幸福指數(shù)提升有顯著成效，對加快流域內(nèi)的社會經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展有積極作用。

3.4 障礙因子計算及分析

對疏勒河流域的幸福程度進行障礙度模型分析如圖4所示。由圖得出在2010年影響疏勒河流域幸福綜合評價的最主要準(zhǔn)則因素是和諧發(fā)展，其次是社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境，影響疏勒河流域幸福綜合評價的最主要指標(biāo)因素是河流親水性程度、水法律法規(guī)建設(shè)程度、公眾對河流幸福滿意度。主要原因是，在2010年關(guān)于河流的法律法規(guī)建設(shè)程度較低，人與河流的親水性較差，河流建設(shè)與公眾滿意度較低。到2013年，影響疏勒河流域幸福綜合評價的最主要準(zhǔn)則因素是生態(tài)環(huán)境，影響疏勒河流域幸福綜合評價的最主要指標(biāo)因素是水源地水質(zhì)合格率、水功能區(qū)水質(zhì)達標(biāo)率，主要原因可能是2010年以來，社會經(jīng)濟快速發(fā)展，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境遭到不同程度破壞，在《最嚴格水資源管理制度》實施以前，對于該方面的重視程度不夠。在2021年影響疏勒河流域幸福綜合評價的主要準(zhǔn)則因素是水資源量，其次是社會經(jīng)濟。影響疏勒河流域幸福綜合評價的最主要指標(biāo)因素是高效節(jié)水灌溉面積比例、單方水GDP、產(chǎn)水系數(shù)、人均水資源量、耗水率、地下水開發(fā)利用程度?？紤]的原因是隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對水資源的開發(fā)利用加劇，水資源利用效率較高，但缺乏與之配套的水資源保護、管理的政策和措施，導(dǎo)致人均水資源量急劇下降，從2010年的6013.70m3/人跌至2021年的1685.14m3/人，供需水矛盾加劇。高效節(jié)水灌溉面積比例也較2020年驟減，從一定程度上增加了農(nóng)業(yè)用水量，進而影響耗水率，占流域總用水量比例大，在保證必要的生產(chǎn)生活所需用水的前提下，地下水開發(fā)利用程度也隨之提高。

圖4 疏勒河流域幸福河障礙度分析

4 結(jié)論

該評價體系基于幸福河湖的內(nèi)涵，以前人研究成果為基礎(chǔ)，選擇內(nèi)陸河流域的典型河流——疏勒河，從水資源量、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟、和諧發(fā)展4個準(zhǔn)則設(shè)立19個指標(biāo)體系，構(gòu)建熵權(quán)-SMI-P模型，對該流域進行幸福河湖綜合評價研究，得出以下結(jié)論。

(1)2010—2021年間疏勒河流域綜合幸福指數(shù)從0.770上升到0.850，幸福程度整體向好。其中，自幸福河建設(shè)提出的2019年后，綜合幸福指數(shù)上升速率變快，成效顯著。

(2)2021年制約疏勒河流域幸福河建設(shè)的主要影響因子是人均水資源量、地下水開發(fā)利用程度以及高效節(jié)水灌溉面積比例，在后續(xù)幸福河建設(shè)的過程中應(yīng)予以重點考慮。

(3)水資源量、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟、和諧發(fā)展構(gòu)成的疏勒河幸福評價體系，能夠較好地反映疏勒河流域的實際發(fā)展情況，評價結(jié)果與實際相符，具有一定的適用性，該模型可作為初步評價疏勒河幸福河建設(shè)成果的模型使用。