基于云模型的長株潭幸福河評價

黃垣森 唐德善 唐 彥

(1.河海大學 水利水電學院，南京 210098；2.河海大學 計算機與信息學院，南京 210098)

人類的文明發源于河流，在污染日益嚴重的今天，如何在治河的同時給人民帶來福祉更具有現實意義.“幸福河”的提法，給河流治理指明了新的方向.在此之前，中國的河湖建設更加側重于河道治理，然而“幸福河”應具備更加深刻的內涵，強調在河流安全、河流健康的基礎上，應滿足人民幸福感的心理需求.左其亭等[1，2]指出“幸福河湖”立足于國家重大戰略，是比“美麗河湖”內涵更加豐富的建設目標；唐克旺[3]認為“幸福河”應更加注重人們的心理感受，同時應滿足發展的需求；韓宇平等[4]認為黃河上游和中游的幸福河指數達到發展需求層次，下游的幸福河指數為基本需求層次；陳茂山等[5]綜合考慮人、河流、人與河流的關系3個角度構建了指標體系.前人從多角度解讀了幸福河的內涵，初步探究了幸福河評價體系建設，但缺乏幸福河評價實例研究.另外，云模型作為可以轉換定量與定性之間的不確定性模型，還未被應用于幸福河評價.本文利用G1法與CRITIC法確定組合權重，基于云模型建立評價指標體系展開實例評價，為我國后續幸福河建設提供參考.

1 幸福河指標體系的構建

1.1 指標體系構建原則

指標體系的建立不僅要反映河流的屬性指標，還要揭示幸福河內涵，反映人民的幸福感指標.從水安全、水資源、水生態、水產業、水環境等角度及需求出發，進一步明確幸福河評價體系指標.

指標體系應滿足的原則有：獨立性、代表性、易得性、全面性.獨立性：各指標之間相關程度較低，彼此不存在因果關系；代表性：所選指標應能夠最大程度的表示河流幸福度；易得性：指標數據獲取的難易程度；全面性：指標能覆蓋河流幸福度評價的各個方面.

1.2 指標體系構建步驟

1)明確幸福河內涵以及評價目標.

2)指標初選：本文指標體系擬建立5個準則層，分別是防洪保安全、健康水生態、優質水資源、綠色水產業、宜居水環境.通過對前人相關研究文獻的閱讀并參考各地政府對河流評價的文件，運用頻率分析法，統計文獻[1，3，6-8]及國家相關標準[9，10]中出現頻率較高的各準則層細化指標，確定初選指標集.

3)指標篩選：運用Delphi法對初選指標集進行指標篩選，其中地表水達到或好于三類水體比例，河床安全穩定程度在幸福度評價中被認為同其他指標關聯性較高或不易獲取被刪除，確定最終指標體系.

1.3 指標體系

根據頻率分析法、Delphi法優選出5個準則層15個評價指標見表1.

表1 幸福河評價指標體系

2 幸福河評價模型的構建

幸福河評價在此前的研究中很少考慮過指標的模糊屬性.云模型理論常被用于決策評價等領域，該模型綜合了概率論與模糊集理論，通過算法可實現定量與定性的雙向轉化[11].在本文中運用正態云模型代替前人[1]采用的SMI-P法來確定隸屬度.

2.1 云模型理論

設C是定量論域U的定性概念，若?x∈U，x→μ(x)，μ(x)∈[0，1]，則x在U的分布構成云，(x，μ(x))被稱為云滴.

(1)

則x在U上的分布服從正態分布.

上述公式中的參數期望Ex、熵En、超熵He構成了云的數字特征，依次代表云滴分布的中間值、云滴可被C接受的取值范圍、云滴的離散程度.其計算公式如下：

(2)

式中：Cmax和Cmin分別代表區間上下限；k常根據經驗取常數，本文中統一取0.01.

若評價等級中區間無邊界值，則取相鄰區間公式計算.

(3)

2.2 G1-CRITIC確定組合權重

G1法由AHP法改進而來[12]，具有AHP法的優點，又避免了大量的計算和一致性檢驗.具體步驟見文獻[13].

常用的客觀賦權法一般都是通過指標變異性大小來確定權重，如評價中常用的熵權法，但CRITIC法不僅考慮了指標數據的變異性大小，還考慮了各指標之間的沖突性，故本文選用此方法來確定客觀權重，具體計算步驟見文獻[14].

綜合考慮G1法確定的主觀權重和CRITIC法確定的客觀權重，組成綜合權重.

ω=αωG1+(1-α)ωCRITIC

(4)

式中：α為權重分配系數，本文取0.5；ωG1和ωCRITIC分別為G1法與CRITIC法確定的權重.

2.3 評價等級

指標的評價等級目前尚無統一標準，但左其亭在文獻[1]中已做了深入研究，本文在此基礎上，根據文獻[6，7，15]中類似評價方向的標準劃分，咨詢專家意見，結合當地實際情況，確定各評價指標等級劃分，詳見表2，綜合評價等級見表3.

表2 幸福河評價指標等級劃分

表3 幸福河綜合評價等級

采用下述公式計算綜合隸屬度、幸福河評價等級[8]：

(5)

(6)

式中：G為綜合隸屬度；g為各評價等級對應分數，從高至低依次為100、90、80、70、60；tg為g級隸屬度.

3 實例研究

長沙、株洲、湘潭3個城市呈品字形分布于湘江中下游，是湖南最具經濟活力的板塊.早在2006年，國家就對湘江生態經濟帶開發投入了大量的資金，長株潭在中部崛起戰略中起著重要支撐作用.本文從長株潭地區選取河流作為幸福河評價對象，瀏陽河(長沙)、萬豐河(株洲)、漣水河(湘潭)均為湘江的一級支流，將這3條河建設成造福人民的幸福河，對長株潭地區生態文明建設、平衡生態保護與地區高質量發展、增強人民幸福感等方面有極其重要的作用.

將以上3條河流作為實例研究對象，明確地區幸福河建設差距，對將湘江建設為造福人民的幸福河有示范和參考價值.

基于表1中指標體系，對萬豐河、漣水河、瀏陽河進行幸福河評價，評價年份為2019年.各指標數據來源于各市統計年鑒、水資源公報、水環境質量通報以及各市《“十三五”水利發展規劃》、對應河流《“一河一策”實施方案》，定性指標采用統計問卷形式，共發放60份問卷，回收有效問卷53份，分好、中、差三檔，按100分、80分、60分加權計算確定原始數據，問卷情況見表4.

表4 問卷情況匯總 (單位：人)

G1法確定權重以準則層舉例：

B1>B4>B3>B2>B5?

X1>X2>X3>X4>X5

r2=1.5；r3=1.2；r4=1.2；r5=1.1

依照文獻[13]中方法可得

(ω1，ω2，ω3，ω4，ω5)=

(0.322，0.149，0.179，0.215，0.135)

采用文獻[4]中方法確定客觀權重，后依據公式(4)確定綜合權重，見表5.原始數據見表6.

表5 綜合權重

表6 原始指標數據

ωG1=(0.140，0.182，0.068，0.081，0.090，0.090，0.032，0.051，0.066，0.039，0.027，0.037，0.044，0.026，0.028)

ωCRITIC=(0.049，0.038，0.038，0.038，0.037，0.214，0.039，0.108，0.063，0.114，0.072，0.050，0.038，0.054，0.049)

參照公式(2)計算15個指標5個評價等級的云數字特征，以C54為例，Ex=(97.5，87.5，70，45，45)，En=(2.5，7.5，10，15，15)，He=0.01.一維云圖以C54為例，如圖1所示.

圖1 C54一維云圖

按照云模型計算步驟，本文生成2 000個云滴，由公式(1)、(3)可算得各指標綜合隸屬度.依據公式(5)乘以準則層權重可得各條河流對應準則層綜合隸屬度，依據公式(6)可得各準則層最終評價得分，見表7，將表7繪成柱狀圖如圖2所示.依據公式(5)乘以各指標權重，后采用公式(6)可得各條河流最終得分，見表8.

表7 幸福河各指標評價得分

表8 河流最終得分

4 評價結果分析

根據表8最終得分與表3評價等級劃分對比可以看出，瀏陽河幸福度評價為優秀，萬豐河、漣水河幸福河評價均為良好，且萬豐河距離幸福感優秀的Ⅰ級距離不大，說明長株潭地區中長沙和株洲生態文明建設取得顯著的成效，發展與保護并重，河流給人民帶來的幸福感較充足.雖然漣水河評價等級為良好，但仍與兩條河流有較大差距，湘潭政府應更加注重協調保護與發展的關系.

下文從5個準則層15個指標而言，根據表7、圖2分析長株潭地區建設幸福河的制約因素.

圖2 準則層得分

在河水流動暢通性方面，瀏陽河分數遠高于萬豐河和漣水河，為98.66分，處于優秀級別；萬豐河河水流動暢通性僅為74%，部分排水灌渠淤塞滲漏，雜草叢生，影響行洪；漣水河得分最低，河道內多違規建筑物，洪水期影響行洪，存在隱患.

在防洪達標率方面，僅瀏陽河處于良好，漣水河與萬豐河處于及格水平.漣水河得分最低，部分堤防由于農民開挖耕種，堤身變薄，威脅防洪安全.防洪安全是居民幸福的基礎，各市應繼續推進堤防的除險加固工程，提高防洪標準，疏浚河道，以此提高防洪能力.

在水土流失綜合治理率方面，三河皆位于良好水平，漣水河水土流失治理率為75%，但沿河干流開發強度過大，且缺乏水土保持防護措施，湘潭市接下來應開展水土流失綜合治理、推廣清潔型小流域治理、增加水土流失監測點等措施；萬豐河水土流失治理率為79%，主要原因是該地區為南方紅壤丘陵區，水力侵蝕嚴重，且局部人為水土流失問題突出；瀏陽河該指標得分最高，因近幾年生產建設項目水土保持責任落實到位，綠色生態屏障建設達標.要提高水生態質量，不僅要從工程措施上提高綠色覆蓋率，增加監測點，還要在非工程措施上責任到人，嚴格控制人為水土流失問題.

在河流生態護岸比率方面，瀏陽河處于優秀，萬豐河和漣水河處于良好.護岸措施能對河道進行一定程度上的美化，萬豐河和漣水河應在采取工程措施的基礎上，將植物與土木工程結合在一起，增強視覺“軟效果”，營造美麗生態環境.

在水功能區水質達標率方面，瀏陽河水功能區水質達標率已經達到100%，說明長沙市水源保護區規范化建設與綜合整治取得了重大進展；而萬豐河和漣水河較瀏陽河有顯著差距，株洲市和湘潭市還有部分黑臭水體，工農業垃圾和生活垃圾堆放在河湖岸線，河道內有違章建筑.水質達標率提高需要各地政府明確水環境保護紅線規劃，明確水源涵養地、生態濕地區，拆除違法建筑，合理設置排污口.

在生態基流量方面，漣水河表現較好，上游水府廟水庫多年平均流量68.5 m3/s，基本滿足生態基流需求；瀏陽河與萬豐河表現較差，湘潭市與長沙市應在滿足正常生產生活用水的同時，全流域調度用水，優化水資源配置，確保干流最小生態流量.

在萬元工業增加值用水量方面，3條河得分差距較大，漣水河得分處于較差水平，萬元工業增加值用水量高達62.6 m3，遠高于全國平均水平38.4 m3，說明湘潭市節水潛力巨大，湘潭市應注重節水型工業建設，關停一批高耗水的企業，優化工業用水結構[7].

在農田灌溉水有效利用系數方面，僅漣水河處于良好，其余兩者均為優秀.漣水河灌溉用水系數為0.55，略低于全國平均水平0.559，湘潭市應實行最為嚴格的水資源管理制度，加大節水投入，提高用水效率.

在污水集中處理率方面，漣水河距離瀏陽河及萬豐河有較大差距，僅處于及格水平.漣水河沿岸農村人口較多，其產生的生活污水和固體廢棄物較多，對地下水造成的潛在威脅不可忽視，應進一步推進城鎮和鄉村污水管網建設，盡快落實污水處理設施.

在測土配方施肥技術覆蓋率方面，萬豐河得分遠低于漣水河與瀏陽河，處于較差水平，其測土配方施肥技術覆蓋率僅為41%，遠低于另外兩條河流，主要農作物化肥、農藥使用量較高，株洲市應大力推薦美麗鄉村建設，處理生活垃圾和農業面源污染，推動農村環境綜合整治，從根源上治理水污染.

在規模化畜禽養殖污染處理率方面，萬豐河與瀏陽河得分已接近優秀，漣水河處于及格水平.湘潭市應推行農牧結合，利用沼氣，將畜禽糞尿進行無害化處理、資源化利用.

在景觀多樣性指數方面，3條河流均處于良好水平，說明各條河流在景觀打造上已有顯著成效.

在河流親水性程度方面，萬豐河與瀏陽河均處于良好，僅漣水河為及格，離良好僅有微小的差距.漣水河濱水景觀設計可考慮設置親水平臺，給居民提供觀光休閑需求.

在水生態文明普及度方面，3條河流得分均接近滿分，可見長株潭政府水生態文明宣傳效果顯著.

在公眾對河流幸福滿意度方面，3條河均處于良好水平，但距離優秀仍有不小差距，各地政府應以人民為中心，注重人們的幸福感受，將水利建設與生態園林結合，給人民提供旅游觀光場所，滿足人民對美好生活的向往.

5 結 論

1)前人在幸福河評價的研究當中，很少考慮將云模型作為評價模型，本文運用該模型對長株潭地區幸福河進行評價，考慮到幸福河評價指標的模糊性和隨機性，并選用G1-CRITIC法充分利用數據的沖突性、變異性來確定權重，找出了3條河流幸福河建設的制約因素.

2)3條河流均為湘江一級支流，其幸福河建設制約因素可為湘江幸福河建設提供參考和依據，即在湘江風光帶建設的基礎上，加強堤防達標建設，清除道違章建筑；沿江工程要結合采取水土保持措施；優化用水結構，提高用水效率；加大水生態文明宣傳，給人們提供休閑場所.

3)建議后續研究可考慮從時間維度上對幸福河建設進行評價，更加立體、全面地找出工作薄弱點和制約因素.