基于云模型的濱海小流域水生態文明評價

季曉翠, 王建群, 傅杰民

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098，2.寧波市奉化區水利規劃發展管理中心，浙江 寧波 315500)

濱海小流域一般具有山高坡陡、源短流急、獨流入海等特點，其下游受到潮水的頂托作用，內河洪澇水難以外排入海。目前城市化發展迅速，很多濱海小流域都面臨著山洪災害頻發、水資源短缺、水質不斷惡化、生態系統功能退化等一系列生態環境問題。開展科學合理的濱海小流域水生態文明評價，對有效識別其發展進程中的潛在問題，及時制定切實可行的小流域綜合治理方案具有重要意義。

目前，國內對于水生態文明評價的研究已有諸多成果，其核心內容往往集中在評價指標體系構建與綜合評價方法選擇兩個方面[1-3]。2012年，山東省正式公布DB37/T 2172—2012《山東省水生態文明城市評價標準》，提出了水資源、水生態、水管理、水工程、水景觀5個方面的評價框架和劃定準則，形成了較為系統、完整的綜合評價指標體系[4]。2013年，黃茁等[5-7]分別對水生態文明的內涵、水生態文明城市建設的主要內容、指標體系構建的原則以及指標的選取和劃分等進行了深入研究，并提出以評價狀況指數為基礎分級量化水生態文明程度的簡單方法。2015年，褚克堅等[8]構建長江下游丘陵庫群河網地區的水生態文明評價體系，建立了以層次分析法確定權重、柯西分布函數計算隸屬度的模糊綜合評價模型對長江下游某市的水生態文明程度進行評價研究。2016年，任俊霖等[9]以長江經濟帶省會城市為基礎建立了水生態文明城市評價指標體系，應用主成分分析法對水生態文明建設水平展開測度分析；黃顯峰等[10]構建馬鞍山市水生態文明評價指標體系，提出了采用實數編碼的加速遺傳算法優化投影指標函數的投影尋蹤等級評價模型。2016年4月，水利部遵循科學合理的原則劃定水生態文明評價的標準，正式出臺了SL/Z738—2016《水生態文明城市建設評價導則》(以下稱《導則》)，指出評價指標的選取應結合水安全、水生態、水環境、水文化、用水行為和監督管理等多個方面，除確立全國通用的指標外還需考慮不同區域之間差異的特色指標[11]。國外的研究雖然沒有明確提出水生態文明的概念，但關于生態文明與水環境等方面的研究[12-14]對我國水生態文明評價研究具有一定的借鑒意義。

雖然水生態文明評價的研究成果已有許多，但是針對濱海小流域的研究仍存在空白，其存在的問題主要體現在：現有關于水生態文明的評價研究大多以城市作為研究單元，會割裂濱海小流域完整的水系特征；由于濱海小流域獨特的地理條件及水生態文明特征，已建指標體系并不完全適用，例如水安全的概念模糊、防洪安全提醒不夠等。云模型[15]作為一種能夠較好兼顧數據隨機性與模糊性的定性與定量轉換模型，已應用于水利現代化[16]、河湖健康[17]、水安全[18]等多類評價研究，但鮮見其應用于水生態文明綜合評價。本文針對濱海小流域獨特的水生態文明建設特征，建立濱海小流域水生態文明綜合評價指標體系，并提出基于云模型的綜合評價方法。

1 評價指標體系

1.1 水生態文明的內涵

水生態文明是人類遵循人、水、自然、社會和諧相處的理念產生的物質和精神兩個層面成果的綜合，體現人水和諧的程度和文明進步的狀態。水生態文明的內涵包括人水和諧、節約水資源、保護水生態、兼顧經濟社會發展等4個方面[1]。水生態文明的核心是人水和諧，人水和諧的發展理念表明水生態文明的關注點不再局限于水生態系統這一載體自身的穩定，還包括水生態系統與經濟、社會系統的和諧共存[7]，僅將其簡單理解為保護水生態是片面的。

1.2 評價指標體系及分級標準

濱海小流域因其特殊的地理條件，具有獨特的水生態文明建設的特征，目前已有的水生態文明評價指標體系中，對濱海小流域防洪安全的考慮不夠，對山洪災害防治措施也沒有評價[3,5-7]。而《導則》從水安全、水生態、水環境、水文化、用水行為和監督管理等6方面構建了城市水生態文明建設的效果評價指標體系，其中的水安全包括防洪排澇達標率和供水達標率等指標。由于濱海小流域洪澇災害頻發、水資源供需矛盾嚴峻，因此將防洪安全與供水安全作為評價指標體系的兩個子系統，可使評價結果更為客觀。另外，濱海小流域社會經濟發展迅速、開發強度大、水生態環境形勢嚴峻，因此水環境與水生態也是水生態文明評價的重點對象。基于此，本文遵循客觀性、獨立性、系統性、可操作性和層次性的原則，構建了濱海小流域水生態文明綜合評價指標體系，包括防洪安全、供水安全、水環境、水生態、水文化及水管理6個方面29項單項指標(表1)。根據防洪和區域除澇標準、水生態文明城市建設評價導則、國家和地方的發展規劃綱要中發展規模以及配套的各種需求指標和參數等，參考國內外已有的研究成果[5-8]，結合歷史資料與實地考察調研結果，確定各評價指標分級標準，將濱海小流域的水生態文明狀況劃分為Ⅰ(優)、Ⅱ(良)、Ⅲ(中)、Ⅳ(差)、Ⅴ(劣)5個等級，并確定了分級標準(表2)。

表1濱海小流域水生態文明評價指標體系及指標權重

表2 濱海小流域水生態文明綜合評價指標分級標準

1.3 指標權重確定

指標權重確定通常采用的方法有主觀賦權(如專家咨詢法等)和客觀賦權(如熵權法等)兩類。層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是將決策問題的有關影響因素分層，通過每一層元素之間的兩兩比較，對決策者的主觀判斷進行量化并進行定量與定性分析的決策方法[19]。考慮到客觀賦權需要足夠樣本數據，且不能體現決策者的主觀意識，綜合各種方法的可操作性與實用性，本文采用應用廣泛的基于專家咨詢的層次分析法確定權重。通過專家咨詢構建判斷矩陣，分析求得各指標權重，然后對其進行一致性檢驗確定最終結果。結果見表1括號中的數據。

2 云模型評價方法

2.1 云模型理論

設集合U={x1,x2,…,xn}，稱U為一個論域，T是U上的定性概念，任意元素xi∈U，均有隨機數μT(x)與之對應，即x對T的隸屬度，稱為云。其中每一個xi對應一個云滴(xi,μi)，即T的一次數量體現[20]。云模型定性概念T的定量特性用3個數字特征值來表示，分別為期望Ex、熵En和超熵He。Ex是云滴分布的中心，反映數據的整體特征；En反映T的不確定性，代表云的跨度；He反映En的不確定性，代表云的厚度[21]。云模型通過云發生器實現定性與定量之間的轉化，常見的云發生器有逆向云、正向云以及條件云發生器[22]。正向云是將(Ex,En,He)轉換為系列云滴(xi,μi)的定性到定量的發生器；逆向云是將初始數據轉換成(Ex,En,He)的定量到定性的發生器；條件云又包括X和Y條件云，也是定性與定量的轉換，與正向云的區別在于條件云需另外設定特定的輸入條件，X和Y條件云的輸入條件分別為x=x0和y=μi。

2.2 基于云模型的綜合評價

基于云模型的綜合評價過程具體如下：①確定指標體系與權重；②確定各指標評價標準S=[Sij,min,Sij,max]；③依據評價對象狀況確定指標值X(x=xi)；④計算云的數字特征值(Ex,ij,En,ij,He)[26]；⑤計算隸屬度；⑥確定評價等級。

云的數字特征值計算公式為

(1)

式中Sij,max、Sij,min分別為第i指標在第j等級中的上下限；Ex,ij為第i指標在j等級中的期望；En,ij為第i指標在j等級中的熵；He為超熵，一般由試驗得到或依據經驗取值。

已知評價指標值X(x=xi)及計算所得的云的3個數字特征值(Ex,ij,En,ij,He)，選擇X條件云計算隸屬度，計算步驟如下：

(2)

步驟2：計算指標隸屬度μij(x)：

(3)

步驟3：重復m次(本文取m=1 000)，取平均，即為最終指標隸屬度。

為避免傳統的模糊綜合評價法應用最大隸屬度準則造成的評價結果的“非此亦彼性”，采用級別特征值法確定評價等級，計算步驟如下：

表3 2016年翔鶴潭江流域水生態文明現狀評價指標值及隸屬度

步驟1：確定級別特征值Bj，以Ⅰ(優)、Ⅱ(良)、Ⅲ(中)、Ⅳ(差)、Ⅴ(劣)5個等級的綜合評價閾值上下限的均值為每一級別的特征值：

(4)

式中Sj,max、Sj,min分別綜合評價標準中第j評價等級中的上下限。

步驟2：確定各指標評價值Zi，以級別特征值與各指標隸屬度的乘積之和表示：

(5)

步驟3：確定準則層及整體評價等級，指標評價值與權重加權平均計算各子系統及綜合評價值Z，結合分級標準劃分評價等級。

(6)

式中fi為各指標權重。

3 實例應用

3.1 區域概況

翔鶴潭江流域是位于浙江省寧波市奉化區境內的一個典型的濱海小流域。翔鶴潭江發源于奉化區裘村鎮北部的白巖山，河道自北向南流入象山港海灣，流域出口斷面有集擋潮與排澇于一體的橫江閘工程，橫江閘以上流域面積49.23 km2。翔鶴潭江流域地形屬于浙東盆地低山地區和沿海丘陵平原的交界地區，地處港灣半山區，東、西、北為低山，南為狹長谷口，地勢向南傾斜。翔鶴潭江流域范圍涵蓋裘村鎮中心城區及鄉村，涉及13個社區或鄉村。流域地處東南沿海，屬于亞熱帶季風氣候，年平均降水量為1 500.9 mm且年內分配不均，年平均氣溫為16.6℃。流域內共有9座水庫，其中2座大型水庫(嶺下、銀豐)，7座小(Ⅱ)型水庫，庫容共322.3萬m2，集水面積9.2 km2，灌溉總面積11 472 hm2。翔鶴潭濕地是流域內最大的濕地，占地約5 000 hm2，受濕地內部農業開發及水產養殖的影響，其原始屬性正逐漸消失。

3.2 水生態文明綜合評價

應用本文所提出的濱海小流域水生態文明綜合評價方法對翔鶴潭江流域2016年的水生態文明狀況進行綜合評價。所用指標涉及的有關數據來源于實地踏勘、采樣分析、調查、水資源公報、有關規劃報告等。按照綜合評價方法步驟進行計算，He根據經驗取0.01，得到2016年翔鶴潭江流域水生態文明評價指標值及各指標隸屬度見表3，綜合評價結果見表4。

由表4可見，2016年翔鶴潭江流域的水生態文明綜合評價值為64.96，依據表2的指標分級標準，翔鶴潭江流域水生態文明整體狀況一般，最終等級為Ⅲ級。準則層各評價值從高到低依次為防洪安全(81.32)、水管理(79.88)、供水安全(73.77)、水生態(64.86)、水文化(55.84)、水環境(41.40)，其中防洪安全狀況良好，為Ⅱ級；供水安全、水生態及水

表4 2016年翔鶴潭江流域水生態文明綜合評價結果

管理整體狀況一般，為Ⅲ級；水環境、水文化問題最為嚴重，為Ⅳ級。由表3可見，供水安全方面的農業供水保證率、水環境方面的水功能區水質達標率與廢污水達標處理率、水生態方面的河湖生態護岸比例與濱海濕地保留率以及水文化方面的水利工程景觀比例均屬Ⅴ級，水管理方面的水資源監控能力指數及公共供水管網漏損率為Ⅳ級。結合相關規劃報告與實地踏勘成果，該結果與實際情況基本相符。

4 結 語

針對濱海小流域獨特的水生態文明建設特點，提出了濱海小流域水生態文明綜合評價指標體系和基于云模型的綜合評價方法，較為全面地考慮了濱海小流域的完整的水系特征和水生態文明建設特點，解決了已有指標體系水安全內涵界定不清的問題，突出了防洪、除澇和山洪災害防治等方面的評價。基于云模型的水生態文明綜合評價方法，可以兼顧評價的隨機性與模糊性，尤其對于閾值附近數據的等級劃分，與傳統方法對比其優勢更為明顯。翔鶴潭江濱海小流域的實例分析表明，提出的綜合評價方法能夠有效甄別水生態文明建設的潛在問題，為濱海小流域或其他同類區域的研究提供了新的手段。