基于組合賦權(quán)模型的小洪河流域生態(tài)補(bǔ)償效果評(píng)價(jià)

孟 鈺，張 寬，高富豪，管新建

(鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001)

近年來，隨著水資源的大量開發(fā)利用，水環(huán)境、水生態(tài)保護(hù)問題已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素。流域生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制作為一種新興的生態(tài)環(huán)境保護(hù)手段，能夠協(xié)調(diào)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與自然資源之間的關(guān)系，促進(jìn)資源的有效配置，實(shí)現(xiàn)流域整體效益的最大化[1,2]。為檢驗(yàn)流域生態(tài)補(bǔ)償政策的實(shí)施效果，通過量化涉及生態(tài)補(bǔ)償各方面的反饋效果，對(duì)生態(tài)補(bǔ)償效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，有助于合理評(píng)估現(xiàn)有生態(tài)補(bǔ)償政策的實(shí)用性，并對(duì)待建項(xiàng)目提出指導(dǎo)意見，對(duì)提高流域生態(tài)補(bǔ)償資金使用效率、促進(jìn)資源優(yōu)化配置、完善水資源管理制度起到積極作用。

目前，關(guān)于生態(tài)補(bǔ)償效果評(píng)價(jià)的研究，部分學(xué)者主要運(yùn)用實(shí)地調(diào)查和對(duì)比分析方法，定性評(píng)價(jià)流域生態(tài)服務(wù)付費(fèi)情況及生態(tài)補(bǔ)償政策實(shí)施成效[3-5]。但是，生態(tài)補(bǔ)償定性評(píng)價(jià)受到人為主觀因素影響較大，且評(píng)估面較窄，因此，生態(tài)補(bǔ)償效果定量評(píng)估為現(xiàn)今主要研究趨勢(shì)。生態(tài)補(bǔ)償效果定量評(píng)價(jià)通常從政策實(shí)施后的直接或間接影響與成效進(jìn)行分析，通過建立與生態(tài)補(bǔ)償相關(guān)的各方面影響情況的指標(biāo)體系，來評(píng)價(jià)生態(tài)補(bǔ)償對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的有效性[6,7]。構(gòu)建生態(tài)補(bǔ)償效果評(píng)估指標(biāo)體系是評(píng)估的關(guān)鍵與難點(diǎn)所在，目前學(xué)者們主要考慮實(shí)施生態(tài)補(bǔ)償后對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的影響[8,9]。在我國許多流域，生態(tài)補(bǔ)償政策的實(shí)施期限不長、政策體系不夠完善，尚不能及時(shí)調(diào)查與統(tǒng)計(jì)生態(tài)補(bǔ)償政策實(shí)施的直接效果。針對(duì)水環(huán)境生態(tài)補(bǔ)償問題，國家已建設(shè)了較為完善的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，依靠長系列社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境監(jiān)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，能夠間接反映水環(huán)境生態(tài)補(bǔ)償效果。

本文針對(duì)水環(huán)境生態(tài)補(bǔ)償效果綜合評(píng)估指標(biāo)體系及綜合評(píng)估方法進(jìn)行研究。考慮生態(tài)補(bǔ)償影響下，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、污染排放及污染處理三個(gè)層面，構(gòu)建生態(tài)補(bǔ)償效果綜合評(píng)估指標(biāo)體系。建立基于層次分析與熵權(quán)理論的組合賦權(quán)綜合評(píng)估模型，用于將綜合評(píng)估指標(biāo)體系中的多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為一個(gè)具有代表性的綜合指數(shù)。選取河南省小洪河流域?yàn)檠芯繉?shí)例，進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償實(shí)施前后的效果評(píng)價(jià)與分析。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

小洪河發(fā)源于河南省舞鋼市伏牛山區(qū)，流經(jīng)漯河市舞陽縣、駐馬店市西平、上蔡、平輿、新蔡四縣，全長251 km，流域面積4 287 km2(113°37′～115°10′E，32°45′～33°26′N)。洪河作為淮河上游最大的支流，日益嚴(yán)重的水污染已成為該流域可持續(xù)發(fā)展的制約因素。2010年1月，河南省人民政府辦公廳關(guān)于印發(fā)《河南省水環(huán)境生態(tài)補(bǔ)償暫行辦法》，對(duì)全省18個(gè)地市實(shí)施流域水環(huán)境生態(tài)補(bǔ)償政策，駐馬店行政區(qū)內(nèi)的小洪河流域是其代表性試點(diǎn)之一。此外，為盡快解決小洪河污染問題，駐馬店市加大了對(duì)流域水生態(tài)環(huán)境的整治力度，相繼出臺(tái)了多項(xiàng)措施對(duì)小洪河流域展開了全面的綜合治理。本文的主要數(shù)據(jù)來源于2008-2015年《駐馬店統(tǒng)計(jì)年鑒》與《駐馬店市水資源公報(bào)》。

1.2 生態(tài)補(bǔ)償效果綜合評(píng)估指標(biāo)體系

遵循科學(xué)性、代表性、可操作性與全面性指標(biāo)篩選原則，結(jié)合專家意見與數(shù)據(jù)支撐情況，小洪河流域生態(tài)補(bǔ)償效果受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水污染排放與監(jiān)管、水污染處理三個(gè)層面的影響。社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展是城市進(jìn)步的表現(xiàn)，但在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，不可避免地會(huì)帶來用水增多、污染增排等水問題。小洪河流域現(xiàn)階段實(shí)施的生態(tài)補(bǔ)償政策主要致力于解決由于城鎮(zhèn)生產(chǎn)、生活造成的水污染問題。污染排放與監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠直觀統(tǒng)計(jì)研究期內(nèi)的水污染強(qiáng)度。污染處理水平反映了現(xiàn)階段治污工藝發(fā)展水平。根據(jù)各層面特點(diǎn)與針對(duì)性，篩選出10個(gè)指標(biāo)構(gòu)建生態(tài)補(bǔ)償效果綜合評(píng)估指標(biāo)體系，如表1所示。

1.3 基于層次分析與熵權(quán)理論的組合賦權(quán)綜合評(píng)估模型

科學(xué)和合理的確定指標(biāo)權(quán)重，對(duì)綜合評(píng)估效果的可靠性和準(zhǔn)確性具有重要意義。目前，針對(duì)權(quán)重的確定方法很多，主要分為兩類：主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。而兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，前者發(fā)揮主觀經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)，但客觀性差；后者具有客觀數(shù)據(jù)真實(shí)性，但缺乏專家經(jīng)驗(yàn)。所以，本研究采用主客觀結(jié)合的賦權(quán)方法-組合賦權(quán)，互補(bǔ)兩者優(yōu)劣性[10]。并分別選取主客觀賦權(quán)中代表性的方法：層次分析和熵權(quán)理論。即先對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)

表1 生態(tài)補(bǔ)償效果綜合評(píng)估指標(biāo)體系

Tab.1 Comprehensive evaluation index system ofecological compensation effect

目標(biāo)層維度層指標(biāo)層編號(hào)生態(tài)補(bǔ)償效果綜合評(píng)估指標(biāo)體系經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展層面(A)人均GDP/(元·人-1)A1污染排放與監(jiān)測層面(B)人均COD排放強(qiáng)度/(t·人-1)萬元GDP污染物排放量/(t·萬元-1)單位工業(yè)產(chǎn)值污染物排放量/(t·萬元-1)監(jiān)測斷面三類水及以上等級(jí)所占比例/%水功能區(qū)達(dá)標(biāo)河長占比/%B1B2B3B4B5污染處理水平層面(C)生活污水處理率/t生活污水氨氮削減率/%工業(yè)廢水COD處理率/%工業(yè)廢水氨氮處理率/%C1C2C3C4

化處理，如式(1)、(2)所示，得到相對(duì)隸屬度矩陣R=(rij)m×n，其中i=1～m，j=1～n,即共有m個(gè)評(píng)估對(duì)象，n個(gè)評(píng)估指標(biāo)。結(jié)合組合權(quán)重確定每一評(píng)價(jià)對(duì)象綜合指數(shù)，進(jìn)而比較各評(píng)價(jià)對(duì)象的優(yōu)劣。

越大越優(yōu)型指標(biāo)：rij=(xij-xmin)/(xmax-xmin)

(1)

越小越優(yōu)型指標(biāo)：rij=(xmax-xij)/(xmax-xmin)

(2)

式中：rij為第j個(gè)指標(biāo)對(duì)第i個(gè)對(duì)象的相對(duì)隸屬度；xmax、xmin分別為同一指標(biāo)不同對(duì)象中的指標(biāo)值xij中的最大值和最小值。

1.3.1 層次分析法

層次分析法(AHP)，是指通過定性指標(biāo)模糊量化方法算出層次單排序和總排序，將一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)評(píng)價(jià)問題分解為多指標(biāo)(或準(zhǔn)則、約束)的若干層次，以作為多指標(biāo)、多方案優(yōu)化評(píng)價(jià)的系統(tǒng)方法。AHP法能將難以全部量化處理的多指標(biāo)評(píng)價(jià)問題數(shù)學(xué)化、系統(tǒng)化，計(jì)算簡單，結(jié)果明確。層次分析法只考慮到各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的比較，不考慮評(píng)估對(duì)象。

首先，建立結(jié)構(gòu)、體系分明的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，對(duì)同一層次的各指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，對(duì)應(yīng)定義標(biāo)度表，由此構(gòu)造判斷矩陣A，如下：

(3)

按式(4)計(jì)算每一個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值w(AHP)j：

(4)

由于成對(duì)比較的數(shù)量比較多，很難做到完全一致，故需要采用一致性檢驗(yàn)來檢驗(yàn)構(gòu)造的判斷矩陣的合理性，采用(5)～(7)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

計(jì)算最大特征檢驗(yàn)數(shù)λmax：

(5)

計(jì)算CI值：

CI=(λmax-n)/(n-1)

(6)

計(jì)算一致性比例CR，當(dāng)CR小于0.1，即認(rèn)為通過一致性矩陣：

CR=CI/RI

(7)

式中：RI取值根據(jù)層次階數(shù)而定。

1.3.2 熵權(quán)法

熵是對(duì)系統(tǒng)無序程度的度量，當(dāng)某項(xiàng)指標(biāo)值無序程度越大，提供的信息量越大，所占權(quán)重也越大；反之，所占權(quán)重越小。熵權(quán)法是對(duì)復(fù)雜多指標(biāo)體系進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的系統(tǒng)分析方法，是克服憑主觀經(jīng)驗(yàn)判斷的不合理性的一種客觀賦權(quán)法。

根據(jù)式(1)～(2)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值，計(jì)算如下：

(8)

(9)

式中：fij為第i個(gè)對(duì)象第j項(xiàng)指標(biāo)的比重；Hj為各對(duì)象中第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值。

按式(10)計(jì)算各指標(biāo)的客觀權(quán)重值：

(10)

1.3.3 組合賦權(quán)綜合指數(shù)

(1)組合權(quán)重。將綜合指標(biāo)的主觀權(quán)重w(AHP)j和客觀權(quán)重w(E)j，根據(jù)最小相對(duì)信息熵原理，用拉格朗日乘子法優(yōu)化進(jìn)行組合權(quán)重計(jì)算，如下：

(11)

(2)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。將各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的值rij和組合權(quán)重wj按式(12)進(jìn)行合成運(yùn)算，可得到各評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Zi。

(12)

2 結(jié)果與分析

2.1 組合權(quán)重

采用層次分析法與熵權(quán)法，計(jì)算生態(tài)補(bǔ)償效果綜合評(píng)估指標(biāo)體系中各指標(biāo)的主觀權(quán)重與客觀權(quán)重，并根據(jù)式(11)得到組合權(quán)重值，結(jié)果如表2所示。根據(jù)主觀權(quán)重計(jì)算結(jié)果，評(píng)估專家認(rèn)為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平仍然是影響區(qū)域排污的主要因素，此外，水功能區(qū)是根據(jù)區(qū)域水資源屬性與社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求科學(xué)劃分的水資源分級(jí)保護(hù)目標(biāo)，其達(dá)標(biāo)河長比是區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的主要考核標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)客觀權(quán)重計(jì)算結(jié)果，由指標(biāo)歷年數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征，監(jiān)測斷面三類水占比與水功能區(qū)達(dá)標(biāo)占比的客觀權(quán)重較大，表明其數(shù)據(jù)序列在時(shí)間與空間上差異較大，隨著生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)提高及生態(tài)補(bǔ)償政策普及，在污染排放與監(jiān)測方面取得了有效進(jìn)展。

2.2 小洪河流域生態(tài)補(bǔ)償效果綜合評(píng)估

根據(jù)綜合評(píng)估指標(biāo)體系中各指標(biāo)組合權(quán)重，采用式(12)依次計(jì)算小洪河流域2008-2015年新品、上蔡、平輿、新蔡四縣逐年的生態(tài)補(bǔ)償效果綜合指數(shù)，結(jié)果見表3與圖1。

表2 基于層次分析法與熵權(quán)法的組合權(quán)重計(jì)算結(jié)果

Tab.2 Results of combination weights based on analytichierarchy process and entropy methods

指標(biāo)主觀權(quán)重w(AHP)j客觀權(quán)重w(E)j組合權(quán)重wj人均GDP0.1210.0940.112人均COD排放強(qiáng)度0.1030.1060.110萬元GDP污染物排放量0.0910.1350.116單位工業(yè)產(chǎn)值污染物排放量0.1120.1190.121監(jiān)測斷面三類水及以上等級(jí)所占比例0.0820.1510.116水功能區(qū)達(dá)標(biāo)河長占比0.1310.1480.146生活污水處理率0.0970.0810.092生活污水氨氮削減率0.0830.0550.071工業(yè)廢水COD處理率0.0820.0550.070工業(yè)廢水氨氮處理率0.0980.0560.078

表3 小洪河流域各縣生態(tài)補(bǔ)償效果綜合指數(shù)計(jì)算結(jié)果

Tab.3 Comprehensive indicators of ecological compensation effectof four counties in the Xiaohong River Basin

生態(tài)補(bǔ)償政策實(shí)施階段年份生態(tài)補(bǔ)償效益綜合指數(shù)西平上蔡平輿新蔡未實(shí)施20080.112 0.292 0.242 0.415 20090.243 0.403 0.370 0.519 實(shí)施初期20100.347 0.475 0.434 0.557 20110.375 0.520 0.480 0.581 實(shí)施中期20120.425 0.580 0.517 0.619 20130.492 0.650 0.591 0.66820140.576 0.685 0.643 0.72420150.673 0.788 0.690 0.769

圖1 小洪河流域各縣綜合生態(tài)補(bǔ)償效果時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.1 Time variation trend of comprehensive ecological compensation effect in the Xiaohong River Basin

根據(jù)表3與圖1所示，在時(shí)間變化趨勢(shì)上，小洪河流域生態(tài)補(bǔ)償效果總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，表明流域整體補(bǔ)償效果越來越好。小洪河流域生態(tài)補(bǔ)償政策實(shí)施大致分為三個(gè)階段，第一階段2008-2009年，國家提出流域生態(tài)補(bǔ)償政策，但小洪河流域還未實(shí)施。該階段內(nèi)各縣綜合補(bǔ)償效果值均偏小。各縣仍以大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)為主，甚至不惜犧牲生態(tài)環(huán)境，從而導(dǎo)致水環(huán)境質(zhì)量降低、生態(tài)系統(tǒng)退化或破壞等。第二階段2010-2011年，小洪河流域生態(tài)補(bǔ)償政策實(shí)施初期。河南省政府于2010年出臺(tái)《河南省水環(huán)境生態(tài)補(bǔ)償暫行辦法》，開始試行小洪河流域生態(tài)補(bǔ)償政策[11]。政府生態(tài)補(bǔ)償資金主要用于水污染防治技術(shù)改進(jìn)、河流水量與水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)等方面，也獎(jiǎng)勵(lì)能夠達(dá)到水環(huán)境質(zhì)量考核標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)，但政府在管理上仍存在較大難度，流域總體補(bǔ)償效果不是很明顯，綜合指數(shù)增長緩慢。第三階段2012-2015年，小洪河流域生態(tài)補(bǔ)償政策實(shí)施中期。2012年，河南省環(huán)保廳、財(cái)政廳、水利廳聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于河南省水環(huán)境生態(tài)補(bǔ)償暫行辦法的補(bǔ)充通知》，提出階梯式生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)[11]。根據(jù)地表水水質(zhì)濃度標(biāo)準(zhǔn)與地區(qū)水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)，以COD與氨氮為考核指標(biāo)，制定不同補(bǔ)償級(jí)別，并設(shè)立對(duì)應(yīng)補(bǔ)償資金，有效提高了補(bǔ)償效率。因此，自2012年起，小洪河流域內(nèi)各縣市生態(tài)補(bǔ)償效果穩(wěn)步上升。

在空間變化趨勢(shì)上，代表年各縣生態(tài)補(bǔ)償綜合指數(shù)空間對(duì)比如圖2所示。研究時(shí)段初期，西平(0.112)的補(bǔ)償效果相對(duì)較差，新蔡(0.415)最好，上蔡(0.292)、平輿(0.242)居中。新蔡地處流域下游，且是小洪河與汝河交匯處，水資源量較豐，且汝河水質(zhì)較好，能夠改善新蔡整體的水環(huán)境質(zhì)量。此外，新蔡是河南省直管縣，河南省在財(cái)政上對(duì)新蔡各方面發(fā)展的支持力度較大。西平較為特殊，一方面，在生態(tài)補(bǔ)償政策實(shí)施前，西平大力發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)，GDP歷年在四縣中居首位，且2008-2012年GDP年增長率均在19%左右，不可避免對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重負(fù)面影響[12]。另一方面，西平位于駐馬店市邊界處，與平頂山市相接，受到上游平頂山市的排污影響。由于生態(tài)補(bǔ)償政策實(shí)施仍處于探索階段，相鄰市之間的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)與管理還需完善，補(bǔ)償力度與落實(shí)情況仍需加強(qiáng)。可見，為全面落實(shí)生態(tài)補(bǔ)償，需要完善不同空間尺度的生態(tài)補(bǔ)償政策，合理制定縣級(jí)、市級(jí)、省級(jí)之間的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)與管理制度。研究時(shí)段后期，四縣綜合補(bǔ)償效果逐漸接近，上蔡(0.788)已趕超新蔡(0.769)，且西平(0.673)已趕上平輿(0.690)水平。表明生態(tài)補(bǔ)償政策實(shí)施后，流域兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)，防止上游排污導(dǎo)致下游生態(tài)損害等現(xiàn)象，上下游之間聯(lián)動(dòng)治理，共同維護(hù)生態(tài)環(huán)境健康，有效縮短了各縣水環(huán)境質(zhì)量差異。

圖2 小洪河流域各縣綜合生態(tài)補(bǔ)償效果代表年空間分布Fig.2 Spatial distribution of comprehensive ecological compensation effect of different representative years in the Xiaohong River Basin

3 結(jié) 語

由于生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)與方式的復(fù)雜性，一些問題并不能在補(bǔ)償前預(yù)料到，而生態(tài)補(bǔ)償效果評(píng)價(jià)能夠反饋生態(tài)補(bǔ)償政策實(shí)施效果，為生態(tài)補(bǔ)償政策的完善與改進(jìn)提供參考。本文選取了能夠反應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、污染排放與監(jiān)測、污染處理水平三個(gè)層面的10個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建生態(tài)補(bǔ)償效果綜合評(píng)估指標(biāo)體系。運(yùn)用基于層次分析與熵權(quán)的組合賦權(quán)模型將綜合評(píng)估指標(biāo)體系中的若干指標(biāo)轉(zhuǎn)換為一個(gè)具有代表性的綜合指數(shù)。將上述理論與方法運(yùn)用到小洪河流域的實(shí)例研究中，結(jié)果表明，隨著生態(tài)補(bǔ)償政策的完善與實(shí)施，小洪河流域的生態(tài)補(bǔ)償效果綜合指數(shù)呈逐漸增長趨勢(shì)，補(bǔ)償效果越來越好。但是，由于生態(tài)補(bǔ)償政策仍處于探索階段，在污染排放管理與污水處理技術(shù)上還有很大的改進(jìn)空間，此外，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系也還需要進(jìn)一步協(xié)調(diào)。