基于云模型的水環境治理PPP項目可持續性評價PPP項目為例
——以河南省許昌市水環境治理

汪倫焰,夏 晴,李慧敏,馬 瑩

(1.華北水利水電大學 水利學院,河南 鄭州450045;2.河南省水環境治理與生態修復院士工作站,河南 鄭州450002; 3.河南省水環境模擬與治理重點實驗室,河南 鄭州450045)

1 引言

隨著工業化、城市化進程的不斷推進,城市規模逐漸擴大、人口急劇增加、水環境污染與水生態系統破壞等問題日益突出,因此改善城市水環境成為城市快速發展道路中亟需解決的問題。在傳統環境治理模式中,政府全權負責環境治理的費用和管理工作,不僅導致政府巨大的財政壓力,還對政府的管理能力提出了嚴峻的挑戰。政府和社會資本的合作(PPP)模式,作為一種融資方式,更是一種治理方式,是提高環境公共產品與服務供給質量的有效途徑之一。

近年來,采用PPP模式的基礎設施項目在發展中國家受到了歡迎。我國對PPP型基礎設施的需求在增加,截至2018年9月底入庫(財政部)項目個數達到8287個,總金額達12.309萬億元。其中,城鎮水環境治理PPP項目的個數占比為9.6%,成交總金額占5.8%。

可持續發展理念自20世紀70年代首次提出以來,已成為包括我國在內的世界各國廣泛接受的全球經濟社會發展的核心概念和中軸原理。它強調經濟、社會和環境的協調發展,要求在滿足當代人需求的同時又不對后代人滿足其需要的能力構成危害的代際平衡[1]。在基礎設施建設行業,PPP模式被認為是實現可持續發展目標的潛在措施和手段[2],但由于社會資本的逐利性,導致社會資本只重視短期經濟效益,忽視了對經濟、社會與環境的長期影響,不利于可持續發展目標的實現,因此需要將可持續發展理念納入通過PPP模式交付的基礎設施項目中[3]。

對這一問題，有學者進行了深入研究。吳慶華認為PPP項目的可持續性包括兩方面含義：一是基礎設施PPP項目要與區域經濟發展水平相一致,能持續滿足消費者的長期有效需求,同時對社會、經濟、環境和資源可持續發展起促進作用;二是基礎設施PPP項目本身的發展是可持續的,即項目本身的耐用性、服務的市場性、維護的快捷性、需求的穩定性和使用的可持續性[4]。

可持續發展逐漸成為各國政府、組織和行業都渴望遵守的概念,但要使這一概念成為現實,需要對可持續發展進行評價,到底什么樣的發展是可持續的。可持續性評價成為幫助轉變成可持續的一種重要工具,因此本文采用云模型理論對水環境治理PPP項目進行可持續性評價。

2 模型構建

2.1 云模型基本理論

云模型是由Li L、Fam F、MaL[5]等于1995年提出的，它是一種基于概率論與模糊數學理論的特定結構算法所形成的定性概念到定量表示之間的相互轉換模型。

云模型定義與數字特征:假設U為一個定量論域,可用精確數值表示,C為U上的定性概念。若定量值x∈U,并且為定性概念C的一次隨機實現,對C的確定度μ(x)∈[0,1]是具有穩定傾向的隨機數,則稱x在論域U上的分布為“云”,每個x稱為一個“云滴”(x,μ(x))。云模型通過期望Ex、熵En和超熵He三個數字特征來共同表示一個定性概念。其中,期望Ex是定性概念中最具有代表性的“點”;熵En是表征定性概念不確定度的“量”,它不僅反映了定性概念云滴的離散程度,也是度量論域中能被概念接受的云滴的取值范圍;超熵He是云模型中“云滴”凝聚程度的反映[6]。

云發生器:本文主要采用正向云發生器和逆向云發生器。通過正向云發生器[7]將定性概念轉化為定量數值,具體過程主要為:將云模型的云滴數、期望熵和超熵依次輸入到發生器中,得到“云滴”在論域U中的定量數值以及其表示概念的確定度。正向云發生器需要滿足以下條件:一是X的分布滿足以E為均值、N2為方差的正態分布;二是正態隨機數N的分布滿足以N為均值、H2為方差的正態分布;三是X滿足對定性概念C的確定度。具體的計算公式為:

u=exp{-(x-E)2/[2(N′)2]}

(1)

通過逆向云發生器[8,9]將定量數值轉化為定性概念,利用統計的“云滴”來計算云模型的期望、熵和超熵,具體過程為:首先計算樣本的均值和方差,然后利用式(2)得到云模型的期望、熵和超熵。計算公式為：

(2)

2.2 構建水環境治理PPP項目的評價指標體系

構建評價指標體系:雖然現有大量研究提出了在實施基礎設施項目的過程中實踐可持續發展原則的各種方法和評價指標體系,但是大多數學者都是從可持續的三重底線——經濟、社會和環境三方面出發的[10-12],缺乏更加全面的評估指標,這對有效評估基礎設施項目的可持續性構成了障礙。例如，如何實現最終目標和如何進行管理會決定一個項目的成功或失敗,而項目目標的實現需要有效的項目管理,但以往的研究主要側重于項目中的環境可持續性方面,對項目中的其他方面例如項目管理可持續關注較少[13],因此不利于對項目的可持續評價。此外,Armanios認為如果我們要對可持續性有一個更完整和整體的看法,需要更多地考慮工程可持續[14]。

本文在設計水環境治理PPP項目可持續性評價指標體系時,借鑒前人的研究結果[11,12,15-17],分別從經濟、社會、資源與環境、工程和項目管理可持續的五個方面出發。其中,經濟可持續是指PPP項目要給社會資本帶來長期、穩定、合理的投資回報;社會可持續是指PPP項目要能給社會公眾提供優質的公共產品和服務,提高人們的生活質量,實施弱勢群體的技能培訓和能力提升,尋求代際公平;資源與環境可持續是指PPP項目要改善對城市的資源、環境的影響，提高居民的生活質量;工程可持續是指在工程的全壽命周期內,在保證工程質量的同時,最大限度地節約資源,包括節能、節材等,保護環境和減少污染,為人們提供優質環保的工程;項目管理可持續是指通過管理,維持項目的經濟可行性和使用最少資源的同時滿足利益相關者的需求,具體的評價指標體系見圖1。

確定指標權重:AHM是一種新的無結構決策層次分析方法。一般而論，AHM算法的權重只需要做加乘運算,算法簡單,同時又不需要做判斷矩陣的一致性檢驗。在解決指標之間相互影響的問題時,可以避免大量的計算,使決策和分析更容易實現。雖然AHM中的比較判斷矩陣通常難以求出,但是可由AHP的判斷矩陣A=(aij)n×n轉化得到[18]。具體的計算公式為:

(3)

uij滿足：

(4)

式中,aij表示按照1—9標度理論得出的第i比第j的相對重要值(表1);β表示常數,一般取1或2,本文取2;K表示AHP中1—9比例的標度，1/K表示其倒數。

由AHM的比較判斷矩陣可以計算出屬性的權重:wG=(wGu1,wGu2,…，wGun)T,而相對屬性的權向量計算公式為:

(5)

2.3 水環境治理PPP項目可持續性評價模型設計

定性評語集的云模型可表示為:首先，利用云模型賦予項目的可持續性一組評語集,將評語集劃分為五個級別:{弱,較弱,一般,較強,強}。其中，“弱”和“強”屬于單方面約束,“較弱、一般、較強”屬于雙邊約束。苫后，對雙邊約束評價通常選擇對稱云模型進行描述，云模型的數字特征可以通過以下公式獲得[19]。

(6)

式中,Amin和Amax分別為可持續評價級別下的評語取值邊界的下限值和上限值;k為常數,憑經驗取得。

一般而論，對單邊約束評價可用半云模型進行描述。分別用“0”和“10”來描述模型“弱”和“強”的評價,選擇對應的對稱云熵的1/2作為它們各自的熵,假設評語集的相應理論域為[0,10],則每個評語的相應區間和云模型數字特征值見表2[19]。

表2 每個評語的相應區間和云模型數字特征值

二級指標的云模型表示:鑒于水環境治理PPP項目涉及到的利益相關者較多、公益性較強等特點,為了全面考慮指標的可持續性,通過對不同類型的評價人員發放問卷,確定各指標的定性意見，使用逆向云發生器得到每個指標的云模型數字的特征值(Ex,En,He)。

一級指標的云模型確定:每個一級指標下的二級指標基本上是相互獨立的,各指標之間的相關性很低。因此,一級評價指標的綜合云可利用已確定的二級指標的云模型數字特征值來確定。

(7)

式中,ωi為各個二級指標的權重;(Exi,Eni,Hei)為各個二級指標云的數字特征值;n為評價指標的個數,i =1,2,…,n。

建立綜合云模型:借助虛擬云中的綜合云理論[19],生成綜合云模型,其數字特征可由5個一級評價指標的數字特征值進行計算,具體的計算公式為:

(8)

式中,ωi為每個一級指標的權重;(Exi,Eni,Hei)為各個一級指標的云模型的數字特征值;n為評價指標的個數,i =1,2,…,n。

利用綜合云模型的數字特征值繪制水環境治理PPP項目的可持續性評價云圖,可得到水環境治理PPP項目整體可持續性的具體信息,運用云模型理論對水環境治理PPP項目的可持續性進行評價。

3 案例分析

3.1 項目簡介

3.2 許昌市水環境治理PPP項目可持續性評價

數據收集:本文選取可持續發展領域、水環境治理領域專家共10位,通過信函方式邀請各位專家對許昌市水環境治理PPP項目可持續的相對權重做出客觀分析和判斷。根據專家們對評估指標之間的重要性進行兩兩對比打分,采用AHM計算權重值結果(表3)。同時，選取項目參與人員(包括政府、社會資本、咨詢公司等人員)作為問卷調研對象,采用9標度的李克特量表收集被調研者對每個二級指標進行可持續評價。其中,1表示項目的可持續性弱,3表示項目的可持續性較弱,5表示項目的可持續性一般,7表示項目的可持續性較強,9表示項目的可持續性強。共發放問卷200份,回收有效問卷124份,問卷回收率為62%。

水環境治理PPP項目二級指標的云模型表示:我們對回收的問卷進行了數據處理,并使用逆向云發生器得到每個二級指標的云模型數字特征值,結果見表3。

表3 每個二級指標的云模型數字特征值及相應權重

表4 每個一級指標的云模型數字特征值

環境治理PPP項目一級指標的云模型確定:將每個一級指標下的各二級指標的數字特征值和權重代入式(7),進行綜合云計算,得到5個一級指標的云模型數字特征值,見表4。

水環境治理PPP項目綜合云模型:通過式(8)對虛擬云中的各個一級指標進行綜合云計算,可得到許昌市水環境治理PPP項目綜合可持續性評價的云模型數字特征值 (6.3388,1.6224,0.5785)。

水環境治理PPP項目可持續發展水平的確定:在許昌市水環境治理PPP項目綜合可持續性評價的綜合云模型數字特征值中,He=0.5785。為了比較每個評論的集成云模型和相應的云,我們首先調整了表中的k值,并且取k=0.3。然后,將綜合云模型的數字特征值和每個評語的相應云模型數字特征值輸入到正向云發生器中,再利用Matlab軟件畫出相應的云圖,具體見圖2。該項目的整體可持續性處于“一般”和“較強”水平之間,更接近“較強”的水平。

圖2 整體可持續云圖

我們將5個一級指標的數字特征值(即經濟可持續B1、社會可持續B2、資源與環境可持續B3、工程可持續B4、項目管理可持續B5)和每個一級指標的數字特征值輸入到云模型中,并利用Matlab軟件繪制出相應的經濟可持續、社會可持續、資源與環境可持續、工程可持續和項目管理可持續的云圖,見圖3—7。

圖3 經濟可持續云圖

圖4 社會可持續云圖

圖5 資源與環境可持續云圖

圖6 工程可持續云圖

圖7 項目管理可持續云圖

從圖3—5中可見,經濟可持續、社會可持續、資源與環境可持續處于“一般”和“較強”水平之間,更接近“較強”水平，而圖6—7的工程可持續、項目管理可持續更接近于“一般”水平,說明項目在工程和管理方面仍然存在著一些不足,可持續性有待提高。此外,通過表2中每個二級指標的云模型數字特征值發現,在工程可持續方面,工程配套設施完備性和工程可更新改造的能力分值較低;而在項目管理可持續方面,人力資源的專業性分值較低。

通過分析可見，這些信息可為提高項目可持續提供指導。因此,今后應更加重視水環境治理PPP項目在工程和項目管理方面,通過完善工程配套設施和注重工程的可更新改造能力,并在管理方面采取各種積極措施,通過各種形式的學習和培訓來提升項目管理人員的素質。

4 結論與討論

4.1 結論

本文將可持續發展的思想融入基礎設施項目的理念受到了人們的廣泛關注,在考慮實施時,應適當評估其可持續性表現。隨著國家對水污染問題的關注,出現了越來越多的水環境治理PPP項目。為了這些項目持續健康地發展,應對這些項目進行可持續評價。

本文從經濟、社會、資源與環境、工程和項目管理五個方面構建了水環境治理PPP項目可持續性評價指標體系，并在此基礎上,利用云模型對每個項目的可持續性進行了評價。為了證明評價方法的可行性,本文對河南省許昌市水環境治理PPP項目進行了相關案例分析。實證研究結果表明,許昌市水環境PPP項目整體可持續性處于“一般”和“較強”水平之間,更接近于“較強”水平;經濟可持續、社會可持續、資源與環境可持續高于工程可持續性和項目管理可持續。

4.2 討論

本文提出了通過完善工程配套設施、注重工程的可更新改造能力、提高管理人員的素質等來提高工程可持續性和項目管理的可持續水平。本文提出的指標體系可以幫助綜合考慮可持續發展的多維度,運用云模型對項目進行評價,實現定性評價到定量表示之間的轉換,通過“云滴”圖能直觀簡單地反映出評估項目的可持續性程度,為水環境治理PPP項目的可持續性評價提供了有益的借鑒。可持續的水環境治理PPP項目,不僅有助于實現水環境的長效治理,對城市實現可持續發展也具有非常重要的意義。