建昌縣凌河源項(xiàng)目區(qū)流域水生態(tài)文明評價

楊天華

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

建昌縣凌河源項(xiàng)目區(qū)流域具有源短流急、坡陡山高、支流交錯等特征，經(jīng)濟(jì)社會與城鎮(zhèn)化迅速發(fā)展使得項(xiàng)目區(qū)很多支流面臨著一系列的生態(tài)環(huán)境問題，例如生態(tài)系統(tǒng)功能退化、水環(huán)境質(zhì)量下降、水資源短缺、山洪災(zāi)害頻發(fā)等。全面、科學(xué)地評價凌河源項(xiàng)目區(qū)水生態(tài)文明狀況，對于有效識別綜合治理方案存在的潛在問題，以及治理方案的優(yōu)選決策具有重要的顯示意義。

在水生態(tài)文明評價方面我國學(xué)者做了大量研究并取得了理想的成果，其中綜合評價方法的選擇和評價體系的構(gòu)建為目前研究的核心內(nèi)容。水生態(tài)文明城市評價標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施標(biāo)志著較為完善、系統(tǒng)的綜合評價體系的形成，標(biāo)準(zhǔn)明確提出了水景觀、水工程、水管理、水生態(tài)以及水資源的劃定準(zhǔn)則與評價框架；黃茁等[1]深入研究了水生態(tài)文明評價體系的構(gòu)建原則、等級劃分標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)選取方法、內(nèi)涵特征以及主要建設(shè)內(nèi)容等，并提出了能夠分級量化水生態(tài)文明程度的評價狀況指數(shù)法；任俊霖等[2]對長江經(jīng)濟(jì)帶省會城市的水生態(tài)文明建設(shè)水平運(yùn)用主成分分析法和指標(biāo)評價體系進(jìn)行測度分析；褚克堅(jiān)等[3]對長江下游丘陵庫群河網(wǎng)地區(qū)某城市水生態(tài)文明程度運(yùn)用模糊綜合模型進(jìn)行評價，其中隸屬度的計(jì)算利用柯西分布函數(shù)確定，評價體系各指標(biāo)權(quán)重采用層次分析法計(jì)算；黃顯峰等[4]以馬鞍山市為例，對投影尋蹤等級評價模型利用實(shí)數(shù)編碼的加速遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化并科學(xué)評價了該區(qū)域水生態(tài)文明狀況。在遵循科學(xué)性、合理性、系統(tǒng)性原則的基礎(chǔ)上水利部于2016年4月正式出臺了水生態(tài)文明城市建設(shè)評價導(dǎo)則，明確指出了應(yīng)結(jié)合監(jiān)督管理、用水行為、水文化、水環(huán)境、水生態(tài)以及水安全等各方面因素選擇評價指標(biāo)，要綜合考慮能夠反映不同區(qū)域差異的指標(biāo)和全國通用參數(shù)。雖然，國外對水生態(tài)文明內(nèi)涵與特征的研究還不夠系統(tǒng)、完善，但是在水環(huán)境和生態(tài)文明方面取得的研究成果對于建設(shè)水生態(tài)文明城市仍具有一定的借鑒價值。

綜上分析，國內(nèi)外學(xué)者主要集中在對城市水生態(tài)文明評價體系與計(jì)算方法的研究，而對于小流域生態(tài)建設(shè)的研究相對較少，主要表現(xiàn)在如下方面：現(xiàn)有研究通常是以城市為基本單元進(jìn)行水生態(tài)文明的評價，這種情況可對小流域水系的完整性特征產(chǎn)生割裂破壞；考慮到小流域水生態(tài)文明特征和獨(dú)特的地理?xiàng)l件，對于不同流域所建立的評價體系應(yīng)存在一定差異，例如防洪安全預(yù)警、水安全概念模糊等問題。對于定量與定性轉(zhuǎn)化模糊性、隨機(jī)性數(shù)據(jù)問題，云模型具有較好的適用性與科學(xué)性，在水安全、河湖健康評價、水利現(xiàn)代化等方面已得到廣泛的應(yīng)用，而在水生態(tài)文明建設(shè)方面的應(yīng)用研究還鮮有報道[5- 12]。因此，本文結(jié)合凌河源項(xiàng)目區(qū)小流域水環(huán)境、水生態(tài)、旱澇災(zāi)害頻繁以及完整的水系特征，分別從多個不同方面選擇評價指標(biāo)并建立評價體系與分級標(biāo)準(zhǔn)，對流域水生態(tài)文明程度利用云模型進(jìn)行綜合評價，可為小流域生態(tài)文明建設(shè)和綜合治理方案優(yōu)選決策提供借鑒與參考。

1 水生態(tài)文明評價體系

1.1 水生態(tài)文明的內(nèi)涵

水生態(tài)文明是指在實(shí)現(xiàn)人水和諧發(fā)展、水環(huán)境系統(tǒng)保護(hù)過程中人類創(chuàng)造的精神文明與物質(zhì)財富的綜合，它是體現(xiàn)社會文明進(jìn)步狀態(tài)與人水和諧程度的重要參數(shù)。因此，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水生態(tài)保護(hù)、水資源節(jié)約以及人水和諧相處為水生態(tài)文明內(nèi)涵的主要內(nèi)容，其中人水和諧作為水生態(tài)文明的核心不再局限于水系統(tǒng)自身的穩(wěn)定，還要考慮社會、經(jīng)濟(jì)與水環(huán)境之間的協(xié)調(diào)發(fā)展，簡單地以水生態(tài)保護(hù)作為水生態(tài)文明內(nèi)涵是不系統(tǒng)、不全面的。

1.2 評價體系與分級標(biāo)準(zhǔn)

建昌縣凌河源項(xiàng)目區(qū)小流域具有獨(dú)特的地理?xiàng)l件和水生態(tài)文明建設(shè)特征，現(xiàn)有水生態(tài)文明評價體系對山洪災(zāi)害防治措施、小流域防洪安全標(biāo)準(zhǔn)等方面內(nèi)容考慮得不夠全面，而導(dǎo)則明確提出水生態(tài)文明建設(shè)效果評價體系要綜合考慮監(jiān)督管理、用水行為、水文化、水環(huán)境、水生態(tài)以及水安全等各個方面內(nèi)容，而供水達(dá)標(biāo)率、防洪排澇達(dá)標(biāo)率等參數(shù)包含在水安全子系統(tǒng)內(nèi)。針對凌河源項(xiàng)目區(qū)小流域水資源供需矛盾突出、洪澇災(zāi)害頻發(fā)等實(shí)際情況，為提高水生態(tài)文明評價結(jié)果的客觀性、系統(tǒng)性，應(yīng)在評價體系中納入供水安全與防洪安全兩個子系統(tǒng)。另外，根據(jù)建昌縣水生態(tài)環(huán)境形勢嚴(yán)峻、水資源開發(fā)強(qiáng)度大、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展迅速等實(shí)際情況，在水生態(tài)文明評價過程中要重點(diǎn)考慮水生態(tài)與水環(huán)境。

鑒于此，本文在遵循定量與定向相結(jié)合、層次性、系統(tǒng)性、可獲取性原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)遼寧省水利廳發(fā)布的已有文件和相關(guān)通知，分別從水文化、水管理、水景觀、水生態(tài)、水環(huán)境、供水安全與防洪安全的角度建立了包含29項(xiàng)代表性指標(biāo)的評價體系。然后根據(jù)發(fā)展規(guī)劃綱要中的配套需求指標(biāo)與參數(shù)、發(fā)展規(guī)模、水生態(tài)文明建設(shè)評價導(dǎo)則、區(qū)域防洪與排澇標(biāo)準(zhǔn)等，結(jié)合實(shí)地考察調(diào)研結(jié)果與歷史資料將凌河源項(xiàng)目區(qū)小流域水生態(tài)文明狀況分為Ⅰ～V級5個標(biāo)準(zhǔn)，分別與優(yōu)、良、中、差、劣評語一一對應(yīng)，并確定了不同標(biāo)準(zhǔn)下各指標(biāo)取值范圍，具體見表1。

系統(tǒng)層中，B1～B6各參數(shù)權(quán)重分別為0.1430、0.1428、0.2142、0.2856、0.0714、0.1430，相應(yīng)的閥值區(qū)間依次為100～90、90～80、80～60、60～30、30～1。

1.3 確定指標(biāo)權(quán)重

客觀賦權(quán)與主觀賦權(quán)法為確定指標(biāo)權(quán)重較為常用的兩種方法，其中層次分析法是通過將影響決策問題的各因素進(jìn)行分層處理，兩兩比較每層級中各元素相對于上一級的重要性，從而實(shí)現(xiàn)定性分析和定量評判決策者意見。運(yùn)用客觀賦權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重通常無法體現(xiàn)決策者的主觀意愿，且為提高評價結(jié)果的準(zhǔn)確性往往需要足夠的樣本數(shù)據(jù)，因此本文基于權(quán)重計(jì)算方法的實(shí)用性與可行性原則，對水生態(tài)文明評價各指標(biāo)權(quán)重利用專家咨詢的層次分析法確定。通過構(gòu)造判斷矩陣分析各指標(biāo)的相對重要性，根據(jù)一致性檢驗(yàn)結(jié)果確定最終的權(quán)重總排序，計(jì)算結(jié)果見表1。

2 基于云模型的水生態(tài)文明評價

2.1 云模型簡介

引入論域U的集合為U={x1,x2,,xn}，論域U上的定性概念表示為T，對于元素xi∈U存在相應(yīng)的隨機(jī)數(shù)μT(x)，因此x對應(yīng)于T的隸屬度即為云。對于任意元素xi均存在唯一的云滴(xi,μi)與之相對應(yīng)，即反映T的量值?？刹捎闷谕礒x、超熵He、熵En3個數(shù)字特征反映云模型定性概念T的定量特性，其中云滴群的云重心即定性概念利用Ex表征；而定性語言在數(shù)域中可被接受的區(qū)間即定性概念的模糊性采用En表征；超熵He，是反映En的不確定性程度以及云滴的凝聚程度的重要參數(shù)。

云模型通過定性規(guī)則云發(fā)生器可實(shí)現(xiàn)定量數(shù)據(jù)與定性概念之間的數(shù)字特征轉(zhuǎn)換，主要有條件云、正向云以及逆向云三種類型，其中正向云是實(shí)現(xiàn)云滴(xi,μi)與Ex、He、En之間定量與定性轉(zhuǎn)化的發(fā)生器；而逆向云是定量與定性轉(zhuǎn)化初始數(shù)據(jù)到Ex、He、En的發(fā)生器；條件云又可分為包含X與Y兩種類型云，它也是實(shí)現(xiàn)定量與定性之間相互轉(zhuǎn)化的條件，相對于正向云，其主要差異為需要設(shè)定相應(yīng)的輸入條件，通常情況下可設(shè)定y=μi、x=x0作為Y與X的輸入條件。

2.2 綜合評價流程

對流域水生態(tài)文明狀態(tài)利用云模型進(jìn)行綜合評價的主要流程：運(yùn)用層次分析法確定評價體系各指標(biāo)權(quán)重，然后結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定評價標(biāo)準(zhǔn)S=[Sij,min,Sij,max]；根據(jù)實(shí)地考察調(diào)研結(jié)果確定指標(biāo)值X(x=xi)，對云模型數(shù)字特征Ex、He、En利用下述公式進(jìn)行計(jì)算，確定相應(yīng)的隸屬度和評價等級，計(jì)算公式為：

表1 凌河源項(xiàng)目區(qū)小流域水生態(tài)文明評價體系與分級標(biāo)準(zhǔn)

(1)

式中，Ex,ij，En,ij—分別為在j評價等級下效益后評價指標(biāo)i的期望與熵值；Sij,max，Sij,min—分別為在j評價等級下效益后評價指標(biāo)i的上、下限；He—反映變量不確定程度的超熵，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)確定，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)本文云滴數(shù)m取1000，超熵取0.01。

根據(jù)計(jì)算得到的云模型3個數(shù)字特征和評價指標(biāo)值X(x=xi)，對不同評價等級的隸屬度利用X條件云進(jìn)行計(jì)算，其主要流程如下：

(2)

(3)

(2)按照上述流程進(jìn)行反復(fù)運(yùn)算，不同標(biāo)準(zhǔn)下的指標(biāo)隸屬度根據(jù)多次平均值確定。本研究對評價等級的確定運(yùn)用級別特征值法確定，從而有效避免按照最大隸屬度原則時模糊綜合法可能出現(xiàn)的非此即彼性的出現(xiàn)，該方法計(jì)算方法為：

針對Ⅰ～V級不同標(biāo)準(zhǔn)下的特征值Bj可選擇綜合評價閥值的上、下限值確定，計(jì)算方法為：

(4)

式中，Sij,max，Sij,min—分別代表不同評價標(biāo)準(zhǔn)中j等級的上、下限值。

根據(jù)各指標(biāo)隸屬度與級別特征值確定相應(yīng)的評價指標(biāo)值，然后對各子系統(tǒng)綜合評價值利用加權(quán)平均權(quán)重和指標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算，從而確定整個評價系統(tǒng)與準(zhǔn)則層的評價等級，計(jì)算方法分別如下：

(5)

(6)

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目區(qū)概況

建昌縣凌河源項(xiàng)目區(qū)總面積328.12km2，主要包括11條小流域共涉及11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其中水土流失面積194.69km2，林業(yè)、經(jīng)濟(jì)林與果園、農(nóng)業(yè)用地、水域面積、難利用土地分別為17641.74、1332.76、10691.19、529.66、5019hm2。項(xiàng)目區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候帶，年降水量557mm，徑流深159mm，降水量年內(nèi)分配不均勻且年際變化較大，60%以上降雨集中在7—9月。氣候特征為溫差較大、日照充足、春季干旱、雨熱同期。項(xiàng)目區(qū)水土流失嚴(yán)重，截至2012年仍有4826hm2水土流失區(qū)域，其中強(qiáng)度、中度、輕度水土流失面積分別為1163、1721、1942hm2，小流域土壤侵蝕模數(shù)3280t/km2·a。

3.2 水生態(tài)文明評價

對建昌縣凌河源項(xiàng)目區(qū)2017年水生態(tài)文明狀況運(yùn)用文中所建立的云模型綜合法進(jìn)行評價，各指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于當(dāng)?shù)匾?guī)劃報告、水資源公報、實(shí)地調(diào)查、采樣分析、地質(zhì)勘測等。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)定He為0.01，建昌縣凌河源項(xiàng)目區(qū)2017年水生態(tài)文明各指標(biāo)隸屬度與指標(biāo)值見表2。其中準(zhǔn)則層B1～B6評價值分別為81.35、73.78、41.45、65.85、55.82、79.78，所屬等級依次為Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅲ級，目標(biāo)層最終的綜合評價值為65.82。根據(jù)表1不同標(biāo)準(zhǔn)下取值區(qū)間可認(rèn)為建昌縣凌河源項(xiàng)目區(qū)2017年水生態(tài)文明狀態(tài)屬于一般水平，隸屬于Ⅲ級。準(zhǔn)則層各參數(shù)隸屬于Ⅱ級的有防洪安全指標(biāo)處于良好水平，隸屬于Ⅲ級一般水平的指標(biāo)有水管理、水生態(tài)和供水安全，隸屬于Ⅳ級較嚴(yán)重水平的參數(shù)有水文化與水環(huán)境。

表2 建昌縣凌河源項(xiàng)目區(qū)2017年水生態(tài)文明評價指標(biāo)值與隸屬度

根據(jù)表2各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果可知，隸屬于V級標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)主要有水文化方面的水利工程景觀、水生態(tài)方面的濕地保留率與生態(tài)岸坡比、水環(huán)境方面的廢污水處理代表率與水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、供水方面的農(nóng)業(yè)供水保證率，供水管網(wǎng)漏損率和水資源監(jiān)控能力指數(shù)處于Ⅳ級。結(jié)合現(xiàn)場勘測結(jié)果和當(dāng)?shù)匾?guī)劃發(fā)展公報，該評價結(jié)果基本反映了項(xiàng)目區(qū)水生態(tài)文明的實(shí)際狀況，基于云模型的綜合評價法表現(xiàn)出較好的實(shí)用性與科學(xué)性。

4 結(jié)論

結(jié)合建昌縣凌河源項(xiàng)目區(qū)水生態(tài)文明特點(diǎn)，分別從6個方面選擇29項(xiàng)典型指標(biāo)并建立綜合評價體系與分級標(biāo)準(zhǔn)，基于云模型的評價法更加全面地考慮了水生態(tài)文明的建設(shè)特點(diǎn)和項(xiàng)目區(qū)小流域完整的水系特征，不僅更好地突出了山洪災(zāi)害防治、防洪排澇等方面問題，而且有效解決了水安全內(nèi)涵不清的問題。云模型綜合評價法綜合考慮了水生態(tài)文明評價的模糊性與隨機(jī)性特征，相對于傳統(tǒng)方法具有明顯的優(yōu)勢與適用性。建昌縣凌河源項(xiàng)目區(qū)實(shí)例研究表明，建昌縣凌河源項(xiàng)目區(qū)2017年水生態(tài)文明狀態(tài)屬于一般水平，隸屬于Ⅲ級，更加科學(xué)、準(zhǔn)確地識別了項(xiàng)目建設(shè)過程中存在的問題，可為其他類似項(xiàng)目生態(tài)文明建設(shè)提供一定參考依據(jù)。