南水北調(diào)東線一期工程生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究

陳小軍，孫夕明，張秀娟

（濟(jì)南市水利工程服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250000）

隨著科技進(jìn)步與社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境發(fā)展變化，人們?cè)趯?shí)際決策中需要處理的信息日益復(fù)雜與模糊，通常存在一定程度的知識(shí)缺乏或表現(xiàn)出一定程度的猶豫，使得做出準(zhǔn)確的決策更加困難。1986 年保加利亞學(xué)者ATANASSOV 引入非隸屬度概念到ZADEH 教授提出的傳統(tǒng)模糊集，提出了直覺(jué)模糊集（intuitionistic fuzzy sets，IFSs）的概念。由于IFSs 能夠從隸屬度和非隸屬度兩個(gè)維度更準(zhǔn)確地描述決策問(wèn)題中的模糊性本質(zhì)，在處理不確定性和模糊性MDAM 問(wèn)題時(shí)存在著較大的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者將VIKOR 法擴(kuò)展到直覺(jué)模糊環(huán)境下處理MDAM 問(wèn)題，取得了豐碩的研究成果[1]。

生態(tài)安全評(píng)價(jià)需要從定性與定量?jī)蓚€(gè)方面綜合分析，而各項(xiàng)指標(biāo)則均具有模糊性。模糊隸屬函數(shù)是解決該類(lèi)問(wèn)題的有效手段之一。然而，由于水資源系統(tǒng)和人類(lèi)思維的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的隸屬度已不能滿(mǎn)足實(shí)際決策需求。直覺(jué)模糊集從隸屬和非隸屬兩個(gè)角度綜合反映現(xiàn)實(shí)狀態(tài)，使評(píng)價(jià)信息更為客觀。擬結(jié)合直覺(jué)模糊度量與VIKOR多目標(biāo)決策方法，對(duì)南水北調(diào)東線一期工程的生態(tài)安全狀態(tài)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)及態(tài)勢(shì)分析，進(jìn)而提出調(diào)控策略。

1 評(píng)價(jià)過(guò)程

1.1 評(píng)價(jià)單元設(shè)置

南水北調(diào)東線工程利用江蘇省江水北調(diào)工程，擴(kuò)大規(guī)模，向北延伸，分水兩路，一路向北穿黃河后自流到天津；另一路向東經(jīng)新辟的膠東地區(qū)輸水干線接引黃濟(jì)青渠道，向膠東地區(qū)供水。

研究區(qū)域覆蓋范圍包含江蘇段，穿黃段和膠東輸水段，結(jié)合地域分布、調(diào)水影響及數(shù)據(jù)可獲取性等，選取11 個(gè)城市作為研究區(qū)。其中：駱馬湖以南（江蘇段）選擇淮安、揚(yáng)州2 市；駱馬湖以北（江蘇段）選擇徐州市；穿黃干線（山東段）選擇濟(jì)寧、聊城、德州3 市；膠東支線（山東段）選擇濟(jì)南、煙臺(tái)、濰坊、青島、威海5 市。

1.2 獲取指標(biāo)體系

根據(jù)壓力狀態(tài)相應(yīng)模型，結(jié)合文獻(xiàn)梳理和資料查閱，以南水北調(diào)工程?hào)|線一期工程實(shí)際情況為基礎(chǔ)，得到了30 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。在評(píng)價(jià)過(guò)程中，指標(biāo)數(shù)量過(guò)大容易造成維度災(zāi)難，此外權(quán)重分配可能會(huì)造成信息丟失，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性損失。本文利用粗糙集理論中的基于屬性重要度的屬性約簡(jiǎn)方法對(duì)以上獲取的指標(biāo)體系進(jìn)行冗余篩查與刪減，設(shè)置閾值90%，得到含有15 個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其重要度之和為91.6%[2]。

在PSR 框架下構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見(jiàn)表1。

1.3 劃分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

查閱各地市統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源公報(bào)和環(huán)境保護(hù)公報(bào)，獲取各指標(biāo)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行有效性檢驗(yàn)與異常分析，確定生態(tài)安全評(píng)價(jià)的原始數(shù)據(jù)，為模型構(gòu)建與實(shí)施提供準(zhǔn)備。參考以往研究和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定生態(tài)安全等級(jí)為五級(jí)（I 級(jí)，優(yōu)；II 級(jí)，良；III 級(jí)，中；IV 級(jí)，差；V 級(jí)，劣）。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際數(shù)據(jù)，劃分各指標(biāo)的等級(jí)范圍見(jiàn)表2。

表1 壓力-狀態(tài)-響應(yīng)指標(biāo)

1.4 獲取直覺(jué)模糊決策數(shù)

根據(jù)所得指標(biāo)數(shù)據(jù)及劃分的各生態(tài)安全指標(biāo)范圍，計(jì)算各市各指標(biāo)相對(duì)于各等級(jí)的相對(duì)隸屬度，進(jìn)而得到直覺(jué)模糊決策矩陣。

1.5 直覺(jué)模糊VIKOR 評(píng)價(jià)排序

為了全面細(xì)致地評(píng)價(jià)總體的生態(tài)安全，利用所構(gòu)建的模型進(jìn)行多準(zhǔn)則決策排序。根據(jù)層次分析法與決策直覺(jué)模糊熵和散度[3]，求解各指標(biāo)的權(quán)重，見(jiàn)表3。計(jì)算群體效用值，個(gè)體后悔值和利益比率。按照評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行排序，進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估及演化分析。

表2 生態(tài)安全各指標(biāo)的等級(jí)范圍

表3 指標(biāo)權(quán)重

2 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

結(jié)合壓力指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)、相應(yīng)指標(biāo)和生態(tài)安全指標(biāo)，將2010—2018 年南水北調(diào)東線一期工程沿線總體情況進(jìn)行匯總，如圖1 示。其中，數(shù)字0-1 代表等級(jí)順序，表征該指標(biāo)的程度，越接近1，表示狀態(tài)越好，接近0 則相反。

圖1 南水北調(diào)東線一期工程沿線生態(tài)安全情況

由圖1 可知，南水北調(diào)東線一期工程沿線生態(tài)安全自2010 年起總體呈現(xiàn)逐漸提升的良性發(fā)展態(tài)勢(shì)，2013—2014 年，提升的程度較之前增大，2014—2015 年有略微的下降。從指標(biāo)來(lái)看，人均耕地面積和生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理業(yè)投資比例為主要擾動(dòng)因子。結(jié)合南水北調(diào)東線工程通水時(shí)間，可認(rèn)為南水北調(diào)東線一期工程對(duì)整個(gè)工程區(qū)域的生態(tài)安全具有正面的影響。壓力指標(biāo)波動(dòng)幅度較大，但自2011 年起呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，且2012年后壓力指標(biāo)逐漸平穩(wěn)，總體呈上升的趨勢(shì)。根據(jù)壓力指標(biāo)包括人均水資源量、用電總量、化肥施用強(qiáng)度等，由于經(jīng)濟(jì)及農(nóng)業(yè)發(fā)展所需的用電量及化肥施用量在2013 年前后差別不大，差異較大的指標(biāo)為水資源總量，所以認(rèn)為工程通水所帶來(lái)的水資源總量的增加使得工程區(qū)所受壓力趨于平穩(wěn)，且處于一個(gè)較好的狀態(tài)。狀態(tài)指標(biāo)包括工程污水排放量、地下水資源量等，由圖可知，狀態(tài)指標(biāo)起伏較大，且2014 年最低，后又逐步上升，說(shuō)明調(diào)水工程帶來(lái)的缺水地區(qū)的水資源的增加使得地下水得到補(bǔ)充，地下水量逐年增加。響應(yīng)指標(biāo)包括污水處理率、生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理業(yè)投資比例等，總體呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)，說(shuō)明政府對(duì)于生態(tài)環(huán)境的治理與保護(hù)越來(lái)越重視。

由于南水北調(diào)東線一期工程跨越了兩省，不同的區(qū)域、不同的自然狀況及取水區(qū)和供水區(qū)的情況都會(huì)有所不同，因此按照前文所分的4 段區(qū)域來(lái)分別分析生態(tài)安全情況，見(jiàn)表4～7。

表4 東線一期駱馬湖以南生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果

表5 東線一期駱馬湖以北生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果

表6 東線一期穿黃干線生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果

江蘇段駱馬湖以南區(qū)域大多為取水區(qū)，生態(tài)安全水平自2012 年起趨于平穩(wěn)；壓力指標(biāo)與生態(tài)安全指標(biāo)趨勢(shì)相似，生態(tài)安全形勢(shì)良好；狀態(tài)指標(biāo)較為平穩(wěn)，自2016 年開(kāi)始下降，且2018 年達(dá)到了最低水平，由于駱馬湖以南地區(qū)水資源量充沛，不存在地下水超采等情況，因此認(rèn)為是污水排放量增加；響應(yīng)指標(biāo)整體具有波動(dòng)，自2013年以后波動(dòng)趨于平緩。

表7 東線一期膠東支線生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果

江蘇段駱馬湖以北多為受水區(qū)，生態(tài)安全指標(biāo)與壓力指標(biāo)趨勢(shì)相似，且與駱馬湖以南段較為相似，自2012 年開(kāi)始區(qū)域平緩，且處于較好水平；狀態(tài)指標(biāo)趨勢(shì)逐步上升，說(shuō)明污水排放量有所減少，地下水資源量增加；響應(yīng)指標(biāo)波動(dòng)趨勢(shì)較大，且于2014 年達(dá)到最大，之后又下降，但生態(tài)安全指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)和壓力指標(biāo)皆處于較好的狀態(tài)，這說(shuō)明在2014 年以后，駱馬湖以北地區(qū)生態(tài)安全水平穩(wěn)定向好，不需要在治理問(wèn)題上投資過(guò)多的費(fèi)用。南水北調(diào)東線一期工程于2013 年底通水，可認(rèn)為南水北調(diào)工程對(duì)江蘇段駱馬湖以北地區(qū)的生態(tài)安全水平具有正面的影響。

與江蘇段不同，山東段穿黃干線的生態(tài)安全指標(biāo)與響應(yīng)指標(biāo)趨勢(shì)較為相似，雖整體呈現(xiàn)向好的趨勢(shì)，但具有一定的波動(dòng)。2015 年以后的水平明顯高于2013 年以前的水平，說(shuō)明生態(tài)環(huán)境正在向好的方向發(fā)展，且政府對(duì)于生態(tài)環(huán)境治理的投資與生態(tài)安全情況相對(duì)應(yīng)。壓力指標(biāo)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，并逐漸趨于平穩(wěn)，說(shuō)明南水北調(diào)東線工程對(duì)于外部環(huán)境的壓力越來(lái)越小；狀態(tài)指標(biāo)于2014 年之前處于下降的趨勢(shì)，之后便逐步上升，考慮到山東穿黃段存在地下水壓采的情況，可認(rèn)為在2013 年南水北調(diào)東線工程通水后，山東穿黃段地下水資源量得到了補(bǔ)充，使得狀態(tài)指標(biāo)情況逐步上升，且生態(tài)安全情況也平穩(wěn)向好。與穿黃段相似，膠東半島段的生態(tài)安全指標(biāo)的情況與響應(yīng)指標(biāo)較為一致，皆為向好的趨勢(shì)；壓力指標(biāo)于2012 年之后趨于平穩(wěn)；狀態(tài)指標(biāo)于2014 年后開(kāi)始上升，趨勢(shì)大體與穿黃段類(lèi)似，可認(rèn)為造成這種趨勢(shì)的原因也相同。

總體來(lái)看，南水北調(diào)東線一期工程區(qū)域生態(tài)安全情況是逐步向好的，四個(gè)地區(qū)均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，其中2011 年以后江蘇段的駱馬湖以南和駱馬湖以北兩個(gè)地區(qū)均大幅度上升；2015 年以后，山東段穿黃段和膠東半島段兩個(gè)地區(qū)開(kāi)始上升。結(jié)合南水北調(diào)東線工程實(shí)際，2011 年為工程建設(shè)期，還未正式通水，江蘇段和山東段分別作為供水地區(qū)和受水地區(qū)，都要保證工程水質(zhì)及生態(tài)的安全，所以在調(diào)水之前便開(kāi)始了水質(zhì)及生態(tài)的整治。通水后，江蘇省生態(tài)安全情況平穩(wěn)向好，山東省由于地下水資源得到了補(bǔ)充，于2015 年開(kāi)始有再次上升的趨勢(shì)，生態(tài)安全情況再次得到提高。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文主要結(jié)合壓力狀態(tài)響應(yīng)模型篩選生態(tài)安全影響因子，構(gòu)建多指標(biāo)直覺(jué)模糊VIKOR 評(píng)價(jià)排序模型，針對(duì)東線一期工程的生態(tài)安全變化情況進(jìn)行評(píng)估分析。結(jié)果表明：南水北調(diào)東線一期工程沿線生態(tài)安全自2010 年起總體呈現(xiàn)逐漸提升的良性發(fā)展態(tài)勢(shì)。江蘇段駱馬湖以南區(qū)域大多為取水區(qū)，生態(tài)安全水平自2012 年起趨于平穩(wěn)；江蘇段駱馬湖以北多為受水區(qū)，生態(tài)安全指標(biāo)趨勢(shì)與駱馬湖以南段較為相似；山東段穿黃干線的生態(tài)安全指標(biāo)雖整體呈現(xiàn)向好的趨勢(shì)，但具有一定的波動(dòng)，2015 年以后的水平明顯高于2013 年以前的水平，說(shuō)明生態(tài)環(huán)境正向好的方向發(fā)展，且政府對(duì)于生態(tài)環(huán)境治理的投資與生態(tài)安全情況相對(duì)應(yīng)；膠東半島段的生態(tài)安全指標(biāo)的情況與響應(yīng)指標(biāo)較為一致，皆為向好的趨勢(shì)。總體可認(rèn)為南水北調(diào)東線一期工程對(duì)整個(gè)工程區(qū)域的生態(tài)安全具有正面的影響。