基于熵權SMI-P法的疏勒河流域幸福河評價

楊金娥，王玉才，王艷俐，李 茂，趙 瑾

(甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

建設幸福河是新時期河流開發治理的新任務，全面考慮河流自身屬性、生態健康、人水和諧與經濟發展，是實現生態文明建設和區域經濟協調發展的重要保障，也是新時代中國治水事業的新標志。建立科學的幸福河評價體系對檢驗幸福河建設成果具有重要意義，對實現社會經濟可持續發展與修復河流生態協調發展有促進作用。關于幸福河的研究，已有大量學者從概念與內涵，評價體系構建，評價方法等方面進行了研究。

在幸福河內涵要義的解讀上，左其亭[1]等最先展開研究，在梳理總結不同領域對“幸福”的理解的基礎上，結合我國江河治理需求，提出“幸福河”是造福人民的河。陳茂山[2]等基于馬克思主義幸福觀，從人類幸福需求角度提出幸福河是讓人民有安全感、獲得感和滿足感的河流。唐克旺[3]從心理學角度解讀了幸福河的內涵，認為幸福河應是能夠給流域人民帶來幸福感的河流。艾廣章[4]認為幸福河既要維持河流自身的生態健康，也要保證人類社會可持續發展，是一種人與河流之間的動態平衡。朱法君[5]認為幸福河是健康的、有生命力的安瀾之河，是傳統治水模式的升級。解讀完幸福河的內涵，如何評價幸福河建設是否合格，以及通過哪些指標、方法去評價就成了需要解決的問題。眾多學者從“目標-準則-指標”層級關系框架出發，構建包含多種維度的“幸福河湖”評價體系。左其亭[1]、靳春玲[7]等以河流的安全、健康、供給、富民、和諧、文化、宜居這7個維度為基本框架建立幸福河評價指標體系。程常高[6]等從河流壓力狀態、經濟管理等方面構建評價指標體系。貢力[8]等基于ERG需求模型，從生存、生態、發展3個需求層級建立幸福河評價指標體系。在構建評價體系的同時學者們也提出了眾多評價方法并用于實例驗證。左其亭[1]等采用“單指標量化-多指標綜合-多準則集成”方法，對2017年黃河上中下游分段、支流渭河以及流經的9個省區開展幸福河評價。喬祺[9]等選取澧水為評價對象，基于序關系分析方法和物元可拓模型，完成其綜合評價。靳春玲[7]等基于G2-AEW-未確知測度理論的評價方法和障礙診斷模型，診斷分析阻礙黃河甘肅段、寧夏段、內蒙古段幸福河建設的障礙因子。王何予[10]等使用主客觀賦權方法，綜合幸福河指數和可持續發展指標，對湖北省縣(市)區漢江幸福河進行評價。

當前，在疏勒河流域尚缺少從幸福河建設角度展開的河流治理評價研究。本文結合現有成果，在明確幸福河的概念和內涵的基礎上，基于熵權SMI-P的評價方法，從水資源量、生態環境、社會經濟、和諧發展4個維度，構建疏勒河流域幸福河評價體系，初步評價疏勒河流域幸福河建設成果，為后續疏勒河流域的河流治理和幸福河評價體系建設提供參考。

1 研究區概況及數據來源

1.1 疏勒河流域概況

疏勒河流域是甘肅河西地區三大內陸河流域之一，地處河西走廊西端，是古絲綢之路上的重要綠洲，孕育了歷史底蘊豐厚的敦煌文化，也是“一帶一路”的核心節點。疏勒河屬于河西溫帶干旱區，干流全長670km，總流域面積17萬km2，水系形狀呈羽毛狀。從2010—2021年《甘肅省水資源公報》中相關特征數據可知，流域內多年平均降水量集中在54.3～173.9mm區間內，流域多年平均水資源總量為21.23億m3，用水量為16.72億m3。2021年，流域內總人口為47.76萬人，國內生產總值452.29億元，人均GDP為8.5萬元。

1.2 數據來源

幸福河評價指標的原始數據來源于2012—2021年《甘肅省水資源公報》《甘肅省水土保持公報》《甘肅水利發展年鑒》，部分指標由規范給定的公式間接計算得出。

2 研究方法

2.1 指標體系構建及分級

在對疏勒河流域水資源總量以及供水總量、生態環境健康程度、社會經濟發展狀況以及人水和諧發展進行綜合分析的基礎上，結合幸福河評價體系建設相關的規范和文獻[1][11-13]，綜合考慮評價指標的代表性、全面性、可操作性和易獲取性，構建出由水資源量、生態環境、社會經濟、和諧發展3個準則層，20個指標層的3層級綜合評價體系，如圖1所示。

圖1 幸福河評價體系框架圖

本文所提出的評價標準依據現有的相關文獻[1][11-12]、行業標準和國家標準[14-15]中所提出的指標標準以及向專家咨詢而得到幸福河評價指標標準見表1。將幸福河的評價結果劃分成最優、較優、及格、較差、最差5級。

表1 幸福河評價指標標準

2.2 權重的確定

熵權法計算的權重客觀性較強，計算過程簡便，在初步建立評價體系時，采用熵權法確定指標的權重，能夠較好地兼顧評價體系的效率和可信度。因此采用熵權法計算各指標權重，步驟如下：

(1)根據選取的甘肅省疏勒河流域2010—2021年指標數據，構建由12個樣本，19個指標組成的綜合評價初始數據矩陣。

={xij}m+n(0≤i≤m，0≤j≤n)

(1)

式中，xij—第i個樣本，第j項評價指標數值。

(2)數據的標準化處理

為使指標體系中的數據具有可比性，消除正向指標和逆向指標之間的影響，需要先對各指標按照如下公式進行標準化處理：

正向指標：

(2)

逆向指標：

(3)

(3)計算單指標下各樣本的值的比重qij

(4)

(4)計算第j項指標的熵值Ej

(5)

(5)進行第j項指標差異系數的計算Dj

對于第j項指標而言，它的差異越大，熵值就越小，證明該指標能夠在方案評價中起到越大的作用。

Dj=1-Ej

(6)

(6)計算第j項指標權重wj

(7)

2.3 基于SMI-P法的幸福河評價

2.3.1單指標量化

為了計算統一，使計算結果便于對比分析，在評價之前用模糊隸屬度函數法將指標進行量化，以此減小各評價指標的量綱差異。讓各類指標數據統一映射到[0，1]的區間內，各指標的特征節點值依次對應指標的隸屬度值，對應的隸屬度值為1、0.8、0.6、0.3、0。根據指標的原始數據，利用隸屬度計算公式計算出對應指標的隸屬度值。

2.3.2多指標綜合

通過單指標量化得到無量綱化的處理結果后，用多指標綜合法計算出指標的綜合評價結果。此方法是將各指標的隸屬度值進行加權計算，由此可得出各準則層的綜合得分，即水資源量指數(IWR)、生態環境指數(IEE)、社會經濟指數(ISE)、和諧發展指數(IHD)。

相關計算公式為：

(8)

(9)

(10)

(11)

2.3.3多準則集成

計算出各準則層的綜合得分后，用多準則集成的方法計算出幸福河指數，將水資源量、生態環境、社會經濟、和諧發展4個準則層的得分進行加權計算，確定幸福指數(IHR)：

IHR=β1×IWR+β2×IEE+β3ISE+β4IHD

(12)

式中，β1、β2、β3、β4—目標層下各個準則層對應的權重，準則層權重總和為1。根據前人研究，將幸福指數劃分為5個等級[1]，對評價結果進行等級判別，見表2：

表2 幸福河等級劃分

2.4 障礙度模型

為進一步探討影響幸福河評價的主要障礙因子，通過因子貢獻度、指標偏差度計算障礙度值，計算公式如下：

(13)

(14)

3 結果分析

3.1 指標幸福指數計算

根據所獲取的各指標原始數據，按照單指標量化方法計算得到介于[0，1]之間的指標層幸福指數，結果見表3。

表3 2010—2021年各指標幸福指數

3.2 權重計算及分析

如圖2所示為熵權法計算得到的指標權重雷達圖，由圖2可知，水資源利用率(A1)、人均水資源量(A3)、地下水開發利用程度(A5)、地下水供水占比(B1)、萬元GDP廢污水年排放總量(B2)、水質優劣程度(B4)、高效節水灌溉面積比例(C1)所占權重分別為9.5%、6.4%、7.2%、10.3%、7.5%、8.7%、6.4%，累積權重為56.0%，是疏勒河流域幸福河評價的主要影響指標；耗水率(A4)、城鎮化率(C2)、單方水GDP(C3)、單位工業增加值用水量(C5)、水法律法規建設程度(D2)、水文化的挖掘及保護程度(D3)所占權重分別為5.8%、5.3%、5.7%、4.3%、5.0%、5.3%，累積權重為31.4%，是疏勒河流域幸福河評價的次要影響指標。

圖2 疏勒河指標權重雷達

3.3 疏勒河流域幸福河評價

通過構建的熵權-SMI-P模型計算出2010—2021年疏勒河流域河流綜合幸福指數，結果如圖3所示。由圖3可知，2010—2021年疏勒河流域幸福河指數值在0.770～0.850，疏勒河流域綜合幸福指數經歷了上升-下降-上升的過程，其中2013年和2016年的綜合幸福指數較低，分別為0.776、0.770，這與和諧發展準則層綜合得分較低有關，此時幸福河概念尚未提出，缺少對于該方面的法律與法規建設。

圖3 疏勒河2010—2021年綜合幸福指數得分

對比不同年份中準則層綜合得分可知，和諧發展準則層綜合指數呈現逐年增長的趨勢，然而綜合指數數值較小，雖是制約流域幸福河建設的關鍵準則層，是未來幸福河建設的重點，但對于分析流域整體幸福河建設的影響因素來說可將其忽略。基于此可得：2013年綜合指數較低的原因在于生態環境準則層綜合得分較低，說明有關部門在促進疏勒河流域經濟發展時并未對產業結構、生態環境、城市建設等提出要求，對生態環境重視不足，這是限制居民獲得幸福感的主要原因；《最嚴格水資源管理制度》在2013年頒布實施，但其所產生的效應很難立刻顯現出來，眾多因素使得2013年綜合指數較低。2016年除和諧發展準則層外，評價年內綜合得分較低的準則層是水資源量準則層，生態環境準則層綜合指數上升至較高水平，說明疏勒河流域在保證社會經濟發展的前提下，落實的相關政策對于生態環境的治理提升是有效的，但是不能做到平衡發展，故流域內居民的幸福感和獲得感提升較慢。

2012—2013年幸福指數下降，這與水資源量準則層和生態環境準則層綜合得分下降有關，2020年幸福綜合指數較高，為0.850，這與幸福河建設提出后，越來越重視水文化、生態保護方面的建設，和諧發展準則層綜合得分上升有關。在2019年之前，尚未提出幸福河建設，疏勒河流域的幸福河指數呈現先降低后上升的變化趨勢，表明疏勒河流域在追求社會經濟發展時，居民對河流安全供給的重視高于對流域生態健康，此前的發展在一定程度上不能全面滿足人們對于河流幸福感的需求。2016—2021年，疏勒河流域的幸福指數呈現上升趨勢，以2016年作為基準，幸福指數累計上升8.0%；在幸福河建設提出以前即2016—2018年，疏勒河流域的幸福指數雖體現出上升趨勢，累計值為3.34%，上升趨勢較慢，年增長值約為1.11%，自2019年提出并建設幸福河以來，疏勒河流域的幸福指數上升趨勢明顯，2019—2021年上升累積值為2016年幸福指數的7.0%，年均值為2.33%，說明幸福河建設對疏勒河流域幸福指數提升有顯著成效，對加快流域內的社會經濟高質量發展有積極作用。

3.4 障礙因子計算及分析

對疏勒河流域的幸福程度進行障礙度模型分析如圖4所示。由圖得出在2010年影響疏勒河流域幸福綜合評價的最主要準則因素是和諧發展，其次是社會經濟與生態環境，影響疏勒河流域幸福綜合評價的最主要指標因素是河流親水性程度、水法律法規建設程度、公眾對河流幸福滿意度。主要原因是，在2010年關于河流的法律法規建設程度較低，人與河流的親水性較差，河流建設與公眾滿意度較低。到2013年，影響疏勒河流域幸福綜合評價的最主要準則因素是生態環境，影響疏勒河流域幸福綜合評價的最主要指標因素是水源地水質合格率、水功能區水質達標率，主要原因可能是2010年以來，社會經濟快速發展，導致生態環境遭到不同程度破壞，在《最嚴格水資源管理制度》實施以前，對于該方面的重視程度不夠。在2021年影響疏勒河流域幸福綜合評價的主要準則因素是水資源量，其次是社會經濟。影響疏勒河流域幸福綜合評價的最主要指標因素是高效節水灌溉面積比例、單方水GDP、產水系數、人均水資源量、耗水率、地下水開發利用程度。考慮的原因是隨著社會經濟的發展，人們對水資源的開發利用加劇，水資源利用效率較高，但缺乏與之配套的水資源保護、管理的政策和措施，導致人均水資源量急劇下降，從2010年的6013.70m3/人跌至2021年的1685.14m3/人，供需水矛盾加劇。高效節水灌溉面積比例也較2020年驟減，從一定程度上增加了農業用水量，進而影響耗水率，占流域總用水量比例大，在保證必要的生產生活所需用水的前提下，地下水開發利用程度也隨之提高。

圖4 疏勒河流域幸福河障礙度分析

4 結論

該評價體系基于幸福河湖的內涵，以前人研究成果為基礎，選擇內陸河流域的典型河流——疏勒河，從水資源量、生態環境、社會經濟、和諧發展4個準則設立19個指標體系，構建熵權-SMI-P模型，對該流域進行幸福河湖綜合評價研究，得出以下結論。

(1)2010—2021年間疏勒河流域綜合幸福指數從0.770上升到0.850，幸福程度整體向好。其中，自幸福河建設提出的2019年后，綜合幸福指數上升速率變快，成效顯著。

(2)2021年制約疏勒河流域幸福河建設的主要影響因子是人均水資源量、地下水開發利用程度以及高效節水灌溉面積比例，在后續幸福河建設的過程中應予以重點考慮。

(3)水資源量、生態環境、社會經濟、和諧發展構成的疏勒河幸福評價體系，能夠較好地反映疏勒河流域的實際發展情況，評價結果與實際相符，具有一定的適用性，該模型可作為初步評價疏勒河幸福河建設成果的模型使用。