基于綜合權重SMI-P 法的鄭州市人水和諧度評價

張修宇，鄭瑞強，周 瑩，秦 天

（1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046； 2.石家莊市冶河灌區引崗服務中心，河北 石家莊 050200）

1 引 言

近幾十年來，我國經濟社會發展突飛猛進，但由此帶來的環境污染問題日益嚴重，引起社會的廣泛關注，實現人水和諧越來越成為全社會的普遍共識。 國內外學者對人水和諧有較多研究，例如：Falkenmark［1］基于生態系統與水之間的關系，提出了人水一體化的水資源管理新概念，對水與自然以及人類社會的關系進行了詳細分析；Lautze 等［2］分析了氣候變化與人類活動對水資源的影響，為人類社會合理利用水資源提出了建議；Simmons 等［3］對各種復雜因素下人水關系進行了探索，探討了人與水共存的概念，表明個人、社會和生態三個層面存在復雜關系；Lake 等［4］分析了人類社會用水對于澳大利亞淡水系統的影響，發現氣候變化等大規模生態系統驅動因素將成為改善水生態系統的主要障礙；左其亭等［5］構建了人水和諧評價量化研究框架和指標體系，并提出了相應的量化方法；王大洋等［6］利用SMI-P 法對2010—2015 年廣西人水和諧情況進行了分析，結果發現廣西區域人水和諧度呈現穩步上升趨勢；李紅艷等［7］以南水北調中線河南典型受水區為例，從人水和諧方面對南水北調中線運行效果進行評價，結果表明南水北調中線工程通水后相較于建設前和諧度整體上升；戴會超等［8］運用系統理論、可持續發展理論與和諧理論，對城市人水和諧內涵、城市人水系統的結構及運行機制和城市人水和諧評價進行系統研究，建立了城市人水和諧評價模型，其在南京市的應用結果表明建立的模型符合實際情況，滿足實際應用需要。

筆者在綜合考量人水和諧多種研究方法的基礎上，采用左其亭［9］提出的單指標量化-多要素集合-多準則集成法（SMI-P）對2011—2020 年鄭州市人水和諧度進行評價，該方法可以將具體指標、要素與評價目標之間的關系清晰地凸顯出來，使評價結果更加科學合理。

2 研究方法

2.1 單指標量化

子和諧度（SHD）量化采用5 點分段法對每個指標進行分級，每個級別對應不同的和諧度，取（a，0）、（b，0.3）、（c，0.6）、（d，0.8）和（e，1.0）這5 個特征點（a、b、c、d、e分別對應某個指標的最差值、較差值、及格值、較好值和最好值），利用這5 個特征點得到某個指標的子和諧度及函數表達式，具體公式見文獻［10］。

2.2 多要素綜合

選取健康度、發展度和協調度作為人水和諧度的3 個評價指標，其計算公式分別為

式中：HED為健康度；DED為發展度；HAD為協調度；n1、n2、n3分別為健康度、發展度和協調度評價指標的個數；ωi為各個指標子和諧度的權重分別為健康度、發展度、協調度的子和諧度。

2.3 多準則集成

人水和諧度（HWED）的計算需要綜合考慮健康度、發展度和協調度這3 個指標，公式為

HWED（T）＝HED（T）β1DED（T）β2HAD（T）β3（4）

式中：β1、β2、β3分別為T時刻的健康度HED（T）、發展度DED（T）和協調度HAD（T）的指數權重，依據區域的水系統、發展狀況和協調程度進行確定。

T時刻的人水和諧度HWHD（T）∈［0，1］。 為了表達上的便利，把人水和諧度大致分為5 個等級（見表1）。

表1 人水和諧度等級劃分

2.4 權重計算

鑒于單用一種方法確定權重會使最終得出的結果有一定的片面性，為減少人的主觀性對研究結果的影響，使確定的權重科學合理，本文選擇層次分析法與模糊變權法兩者相結合的方法，確定綜合權重。

（1）計算基礎權重。 采用層次分析法［11］計算基礎權重，先將評價指標分層，然后根據其重要程度兩兩對比，再構造判斷矩陣，利用Yaahp 軟件［12］進行處理，最后就可以得到各個指標的基礎權重。

（2）計算綜合權重。 常權法為權重計算時較為常用的方法，但其缺點是在權重確定后最終結果不會隨評估值的變化而變化，這樣容易使評估值比較低的指標被輕視。 模糊變權法［13］是對常權法進行的改進，其特點是在評估值進行改變的同時使其對應的指標權重進行實時變化，從而使得結果也隨之發生改變，具體計算步驟如下。

①將選擇的子指標μ1、μ2、…、μn進行無量綱化，μi∈［0，μm］，μm＝1，10，100 等。

②確定上邊界權重ω0i：

式中：ω0i為μi＝0 時對應因素的上邊界權重；ωm i、ωm j分別為判斷矩陣中的第i行、第j列的基礎權重。

③引入非負有界、不增可微的函數λi（μi），λi（μi）∈［0，μm］，λ0i和λmi分別為λi（μi）在定義域［0，μm］上取得的最小值和最大值。

④對上述函數進行歸一化處理，得到變權權重，即綜合權重。

3 應用實例

3.1 研究區概況

鄭州市是河南省的省會和國家中心城市，在中原城市群中的地位顯著，對于全國的發展具有重要作用。鄭州市2020 年總人口為1 262.0 萬人（年末），國內生產總值為12 003.04 億元，工業總產值為3 145.69 億元，農業總產值164.71 億元；人均水資源占有量為68.06 m3，是 全 省 人 均 水 資 源 占 有 量354.49 m3的19.2%，是全國人均水資源占有量2 239.8 m3的3.04%，屬于嚴重缺水地區。 目前河南省整體表現為水源利用效率較低［14］，水資源安全保障能力不足［15］。 本文以鄭州市作為研究區域，選取2011—2020 年水資源利用效率綜合評價指標進行人水和諧度評價，相關數據主要來源于《河南省水資源公報》《河南統計年鑒》《鄭州市水資源公報》《鄭州市統計年鑒》等。

3.2 人水和諧度評價指標體系構建及分級

通過對鄭州市的水資源系統和人文系統進行分析，選取20 項指標構建鄭州市人水和諧度評價指標體系（見表2），將指標分為正向指標（越大越和諧）和負向指標（越小越和諧），并對這些指標進行分級（見表3）。 其中：健康度準則層包括4 項指標，涵蓋了水資源狀況和生態環境狀況；發展度準則層包括9 項指標，涵蓋經濟發展水平、技術發展水平、社會發展水平、發展安全保障4 個方面；協調度準則層包括7 項指標，涵蓋水對人文系統的服務功能、人對水系統的開發保護和水資源管理水平以及公眾意識等方面。

表2 人水和諧度評價指標體系

表3 評價指標分級

3.3 子和諧度計算

根據單指標量化和表3 中指標體系的分級，可以得到各指標的子和諧度范圍為［0，1］，2011—2020 年各指標子和諧度計算結果見表4。

表4 2011—2020 年各指標子和諧度

續表4

3.4 權重計算

根據各指標的子和諧度，利用層次分析法得出基礎權重，再采用模糊變權法確定各指標的綜合權重，結果見表5。

表5 各指標的綜合權重

3.5 人水和諧度計算及結果分析

根據SMI-P 法，利用式（1）～式（4）計算得到鄭州市2011—2020 年的健康度、發展度、協調度及人水和諧度。 在確定健康度、發展度、協調度這三者的權重時，認為它們對于人水和諧度的重要程度相同，取其權重各占1／3，計算結果見表6。

表6 鄭州市人水和諧度計算結果

由表6 可以看出，健康度在2011—2020 年呈現為波動上升趨勢，其中在2016—2017 年的下降幅度最大（0.099），這與2017 年比2016 年水資源總量減少、萬元GDP 廢水排放量和廢水總排放量增多有很大關系，廢水排放量增多會導致地表水受到一定污染，從而造成水質達標率下降，進一步造成健康度下降。 在2019—2020 年的上升幅度最大（0.201），且2020 年的健康度達到近10 a 的最高值0.659；2020 年與2019 年相比，萬元GDP 廢水排放量與廢水排放總量減少，水資源總量增加，在一定程度上使地表水自凈能力增強，水質達標率上升，進一步提高了健康度。

發展度除在2014 年、2016 年、2019 年略有下降外，2011—2020 年其他年份均處于上升趨勢，從2011年的0.757 增長到2020 年的0.812，增幅為7.31%，表明鄭州市近10 a 的發展處于穩步上升的趨勢，并在2020 年發展度達到了最大值0.812，發展度快速增長的趨勢與近些年來鄭州市的快速發展相對應。

協調度在2011—2020 年呈現波動上升趨勢，除了2013 年和2020 年略有降低外，其余年份均在穩步上升，并在2019 年達到了最高值0.487，這表明鄭州市近些年在大力發展經濟的同時采取了一定措施消除對水資源帶來的負面影響，成效顯著。

人水和諧度除在2012 年、2017 年及2019 年略有下降外，在其他年份均為上升趨勢，總體表現為在波動中上升，特別在2019—2020 年增長幅度最大（0.073），并且在2020 年人文系統與水系統達到了較為和諧的等級。 總的來看，在2020 年達到較為和諧的等級與2020 年健康度的上升具有十分密切的關系，說明人類活動減少可以改善人與自然的關系。 但人水和諧問題是一個長期問題，不同時期的處理方案側重點應有所不同，應當根據具體情況找到工作重點進而制定相應的處理方案。

建議鄭州市下一步在以下3 方面加大努力：①健康度方面，遵循“綠水青山就是金山銀山”的綠色發展理念，落實生態環境保護政策，從減少廢水排放量、增加水資源量這兩方面為切入點制定應對措施；②發展度方面，不以破壞環境為代價謀求經濟快速發展，在保持經濟社會高質量發展的同時，修復破壞的生態環境，提高用水效率和增強用水保障；③協調度方面，提高相關部門水資源管理利用水平，注意經濟社會發展過程中對水系統的開發與保護，保證水資源的可持續利用，維持人文系統與水系統之間的相對平衡，促進人水關系和諧發展。

4 結 論

根據人水和諧度評價結果，鄭州市人水和諧度從2011 年的0.549 提高到2020 年的0.637，整體呈現為波動中上升的趨勢，說明鄭州市人水和諧度得到了提升。 廢水排放量過多與人均水資源量不足是目前影響鄭州市人水和諧的主要因素。 鄭州市下一步應加大水資源和水生態保護力度，從減少廢水排放量和增加人均水資源量這兩方面出發，采取相應措施，提高用水效率和增強用水保障，努力改善人水關系、提高人水和諧度。