模糊綜合評判在蓄滯洪區可持續發展水平評價中的應用

朱積軍，呂 輝，簡鴻福，羅 優

(1.豐城市豐東灌區管理局， 江西 豐城 331100；2.江西省水利科學研究院， 江西 南昌 330000；3.揚州大學 水利與能源動力工程學院, 江蘇 揚州 225127)

蓄滯洪區承擔著防洪和社會經濟發展的雙重功能，區內有大量人口居住，導致蓄滯洪區在洪水超標時行蓄洪水與區內經濟發展形成復雜尖銳的矛盾[1]。由于蓄滯洪區的運用，我國蓄滯洪區內居民的生活水平明顯低于周邊縣市的平均水平，嚴重制約著我國社會經濟的可持續發展。目前，國外學者對蓄滯洪區研究較少，國內學者在蓄滯洪區可持續發展現狀評價及發展模式方面做了相關研究。肖軍[2-3]對蓄滯洪區綜合利用與規劃進行了探討，提出在現狀防洪體系下加入生態景觀規劃，為蓄滯洪區綜合利用和可持續發展提供參考。葉明等[4]提出可將蓄滯洪區看作是一個由防洪、環境、資源、經濟和社會組成的復合系統，并且提出了一套蓄滯洪區可持續發展水平的評價指標體系。詹存衛等[5]探討了蓄滯洪區內經濟、社會、人口、資源和防洪之間的關系，闡述了蓄滯洪區復合系統發展的內涵，指出蓄滯洪區可持續發展與防洪減災是辯證統一的。張彬等[6]通過建立SWOT模型，系統分析了淮河蓄滯洪區的優勢、劣勢、威脅和機會，提出了蓄滯洪區防洪一經濟一生態協調發展的新模式。目前國內學者對蓄滯洪區的研究主要集中在蓄滯洪區復合系統的結構、指標體系及區內防洪減災與可持續發展之間的協調關系等方面的研究，對蓄滯洪區可持續發展水平的綜合評判方面的研究還較為少見。本文通過對清豐山溪蓄滯洪區內鴉豐、石灘、陳埠、白土4座子蓄滯洪區進行實地調研獲取大量數據資料，采用模糊綜合評判法[7]對清豐山溪蓄滯洪區可持續發展水平作出綜合評判，從而獲得一些有益的結論。

1 評價模型和方法

1.1 建立評價指標體系

采用層次分析法[1]構建蓄滯洪區可持續發展水平評價的指標體系，將可持續發展水平評價作為目標層，防洪、經濟、資源、人口、社會和環境六個子系統為準則層，選取淹沒風險度、人均避洪面積、農民人均可支配收入等18個指標組成指標層，如圖1所示。

圖1指標體系層次結構模型

1.2 確定指標權重系數

(1) 構造判斷矩陣。將同一層次的指標兩兩比較，采用1～9標度法用數值來表示各指標的相對重要程度，將全部比較結果構成判斷矩陣。

(2) 層次單排序及一致性檢驗。采用方根法編寫MATLAB程序求解各個判斷矩陣的最大特征值λmax及其對應的特征向量Mi，并對層次單排序進行一致性檢驗[8]，將特征向量Mi經歸一化處理后的結果作為層次單排序中的權重。

(3) 層次總排序及一致性檢驗。層次總排序是指計算同一層次所有元素對于目標層相對重要性的排序權重，當層次總排序的結果具有滿意的一致性時，可獲得指標權重系數矩陣W。

1.3 獲取單因素評價矩陣

在模糊綜合評價中，選擇或構造適當的模糊隸屬度函數是獲得合理的評價結果的關鍵步驟。由于各指標的含義、計量單位不同，必須構造合適的隸屬函數對指標數據進行標準化處理，常見的方法有向量規范法、線性變換法和極差變換法等線性構造方法[9]，也有非線性隸屬函數構造法，如高斯分布型、指數型[10-12]等。文中根據指標的調查情況及指標的本身特性分別建立各指標的隸屬度函數如下：

(1) 線性變換法構造隸屬函數：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(2) 指數型隸屬函數：

(6)

(7)

(3) 高斯分布型隸屬函數：

(8)

u(萬元GDP耗能)(x)=e-0.95x2，x≥0

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

u(青壯年文盲率)(x)=e-220x2， 0≤x≤100%

(15)

(16)

(17)

u(每千人擁有病床數)(x)=1-e-0.033x2，x≥0

(18)

上述公式中，各指標特征值部分采用國家統計局發布的數據資料及相關政策、行業規范規定的數據標準。將各指標值代入上述公式，算出相應的指標隸屬度，得到單因素評價矩陣R。

1.4 做出綜合評判

評判向量C=W°R=(c1，c2，…cn)，即將指標權重系數矩陣W與單因素評價矩陣R通過運算符“°”進行數學運算。目前常用的運算方法有以下四種[13]：

(1)M(∧，∨)(主因素決定型)，將矩陣W的行與矩陣R的列對應元素先取小再取大得到最終結果。

(2)M(*,∨)(主因素突出型)，將矩陣W的行與矩陣R的列對應元素先乘再取大得到最終結果。

(3)M(∧，⊕)，將矩陣W的行與矩陣R的列對應元素先取小再求和，將求和結果與1比較取小值得到最終結果。

(4)M(*,+)(加權平均型)，將矩陣W與矩陣R做乘法運算得到最終結果。第四種運算方法對所有指標的影響程度均衡兼顧，不會忽略次要因素的影響，適用于蓄滯洪區可持續發展水平評價中考慮多因素起作用的情況。

采用公式(19)將前面已計算的指標權重系數矩陣W與指標單因素評價矩陣R進行運算，最后得到總的評價結果C。

加權平均型：

(19)

2 工程應用

2.1 建立評價指標體系

2.1.1 基本情況

蓄滯洪區是清豐山溪下游區域(豐城、南昌市轄區)防洪工程體系中的重要組成部分，由鴉豐、石灘、陳埠、白土4座子蓄滯洪區組成，位于贛江右岸、清豐山溪中上游，總面積73.11 km2。清豐山溪4座蓄滯洪區總集雨面積111.38 km2，總蓄洪面積為69.52 km2，有效蓄洪容積為2.0×108m3，涉及孫渡、榮塘、劍南、石灘、橋東、白土6個鄉鎮(街辦)。據統計，截止到2016年底，分洪區內有30個村委會、133個自然村、4.97萬人口、6 080 hm2耕地。分洪時133個自然村、4.97萬余人要安排轉移。

清豐山溪蓄滯洪區運用標準約20年一遇，運用機率約為15年一遇，當達到啟用條件時，分別在鴉豐聯圩、石灘聯圩、陳埠圩、白土圩選擇爆破點破口分洪。

2.1.2 淹沒風險度

根據《蓄滯洪區設計規范》[14](GB 50773—2012)，蓄滯洪區不同水深對應的淹沒風險度可按下式計算：

R=10×Φ×H/N

(20)

式中：R為淹沒風險度；Φ為淹沒歷時修正系數，1.0～1.3，計算取1.3；H為蓄滯洪區淹沒水深，計算取平均水深，m；N為運用標準(重現期，a)。

經計算，鴉豐、石灘、陳埠、白土4座子蓄滯洪區平均水深對應的淹沒風險度計算結果見表1。

2.1.3 指標體系

通過對清豐山溪蓄滯洪區實地調研獲取了大量數據，針對淹沒風險度、人均避洪面積、農民人均可支配收入等18個指標對這些數據進行統計分析，獲得了鴉豐、石灘、陳埠、白土4座子蓄滯洪區可持續發展水平評價指標體系的指標值，見表2。

表1 蓄滯洪區淹沒風險度計算表

注：表中淹沒水深值源自《清豐山溪蓄滯洪區安全建設工程可行性研究報告》。

表2 蓄滯洪區可持續發展水平評價指標體系

注：表中數據主要來自《豐城市2016年統計年鑒》及豐城市水利局提供的內部資料。

2.2 權重系數計算

利用層次分析法確定出各指標的層次單排序并通過一致性檢驗，最終得到指標權重系數矩陣W。

W=(w1，w2，…w18)T=(0.221，0.093，0.058，0.113，0.029，0.016，0.053，0.035，0.012，0.066，0.066，0.022，0.021，0.054，0.034，0.069，0.011，0.028)T。

2.3 隸屬度計算

將表2中各指標值代入式(1)—式(18)，計算結果見表3。

2.4 綜合評價

利用公式(20)將指標權重系數矩陣與指標單因素評價矩陣進行運算，得到C=W°R=(0.4659，0.4986，0.5355，0.5814)。

蓄滯洪區可持續發展水平根據隸屬度的大小，并結合實際經驗[15]，可分成5個等級，如表4所示。

由此可知，清豐山溪蓄滯洪區內鴉豐、石灘、陳埠、白土4個子蓄滯洪區的可持續發展水平評價結果見表5。

表3 指標隸屬度

表4 可持續發展水平等級劃分

表5 清豐山溪蓄滯洪區可持續發展水平綜合評價

2.5 結果分析

由表5可知，4座子蓄滯洪區可持續發展水平評價結果為一般，排序為：C白土>C陳埠>C石灘>C鴉豐；由調查資料可知，鴉豐、石灘、陳埠、白土4座子蓄滯洪區的區域面積比為：0.45∶0.39∶0.10∶0.07，人口數量比為：0.56∶0.32∶0.07∶0.05，分別用區域面積比、人口數量比與4座子蓄滯洪區可持續發展水平的評價結果進行加權平均，得到清豐山溪蓄滯洪區可持續發展水平的綜合評價結果為0.4873、0.4933，屬一般。因此，清豐山溪蓄滯洪區可持續發展水平綜合評價為一般，區內發展不均衡，評價結果基本符合區內建設現狀。

由圖2可知，隸屬度低于0.6的指標有淹沒風險度、人均GDP、人均可利用水資源量、每萬人擁有醫生數、每千人擁有病床數、萬元GDP耗能、農民人均可支配收入、人均可耕地面積、自然死亡率、人均居住面積、人均公共綠地面積等，其中，部分區域的前5個指標低于0.4，是影響清豐山溪蓄滯洪區可持續發展水平的主要因素。下面對這5個主要影響因子分析如下：

圖2指標隸屬度分布圖

(1) 清豐山溪蓄滯洪區設有鴉豐聯圩、石灘聯圩、陳埠聯圩和白土聯圩，其防御洪水能力約20年一遇，圩堤運用標準低，蓄滯洪區風險等級為中等～重度，淹沒風險度偏大，是造成淹沒風險度隸屬度偏低的重要原因。另外，淹沒歷時修正系數與蓄滯洪區淹沒歷時呈正相關關系[16]，文中按經驗值上限1.3 計算淹沒風險度可能造成計算值偏高，對計算結果有一定的影響。

(2) 4座子蓄滯洪區的人均GDP為20 698元～35 119元，遠低于國內均值(據國家統計局發布2016年我國人均GDP為53 680元)，這是由清豐山溪蓄滯洪區經濟產值主要以第三產業及農業為主、工業發展水平相對落后的現狀造成的。

(3) 根據國家統計局最新發布的《中國統計年鑒2018》顯示：2016年底我國人均可利用水資源量約2 348 m3/s，約為世界人均水平的28%，人均水資源量十分緊缺，而清豐山溪蓄滯洪區內人均可利用水資源量僅962.2 m3/s～2 367.6 m3/s，水資源分布不均勻且遠低于我國人均水平，是影響蓄滯洪區可持續發展水平的重要影響因子之一。

(4) 黨的十八大報告中提出，全面建成“小康社會”的基本標準之一為“每千人醫生數2.8人”，但清豐山溪蓄滯洪區該指標不足1人，與標準相差較遠；由發改投資〔2014〕2091號《關于加快推進健康與養老服務工程建設的通知》可知，2020年我國每千人病床數將達6張，目前，蓄滯洪區內該指標僅0.98～2.681張，與我國計劃標準差距較大。每萬人擁有醫生數、每千人擁有病床數是反映當地醫療資源和人們健康保障水平的重要指標，兩項指標值的嚴重偏小是造成清豐山溪蓄滯洪區可持續發展水平不高的重要原因。

3 結論與建議

(1) 利用層次分析法建立蓄滯洪區可持續發展水平評價的指標體系并計算權重系數，構造各指標的隸屬函數，利用模糊綜合評判法對蓄滯洪區可持續發展水平做出綜合評價，評價結果表明，清豐山溪蓄滯洪區可持續發展水平一般，區內發展不平衡，評價結果基本符合區內發展現狀，評價方法科學合理，具有一定的適用性。

(2) 建議清豐山溪蓄滯洪區加強防洪工程建設，提高聯圩防洪標準；利用好當地水環境資源，發展水文化，拓展旅游經濟新模式；增設相關水利工程，加強節水宣傳，通過合理調度水庫、渠道及河道水資源，解決人均水資源量不足、不均衡的問題；加大醫療資源的投入，為培養和引進醫療人才提供基礎平臺。