季曉翠, 王建群, 傅杰民

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098，2.寧波市奉化區(qū)水利規(guī)劃發(fā)展管理中心，浙江 寧波 315500)

濱海小流域一般具有山高坡陡、源短流急、獨流入海等特點，其下游受到潮水的頂托作用，內(nèi)河洪澇水難以外排入海。目前城市化發(fā)展迅速，很多濱海小流域都面臨著山洪災(zāi)害頻發(fā)、水資源短缺、水質(zhì)不斷惡化、生態(tài)系統(tǒng)功能退化等一系列生態(tài)環(huán)境問題。開展科學(xué)合理的濱海小流域水生態(tài)文明評價，對有效識別其發(fā)展進(jìn)程中的潛在問題，及時制定切實可行的小流域綜合治理方案具有重要意義。

目前，國內(nèi)對于水生態(tài)文明評價的研究已有諸多成果，其核心內(nèi)容往往集中在評價指標(biāo)體系構(gòu)建與綜合評價方法選擇兩個方面[1-3]。2012年，山東省正式公布DB37/T 2172—2012《山東省水生態(tài)文明城市評價標(biāo)準(zhǔn)》，提出了水資源、水生態(tài)、水管理、水工程、水景觀5個方面的評價框架和劃定準(zhǔn)則，形成了較為系統(tǒng)、完整的綜合評價指標(biāo)體系[4]。2013年，黃茁等[5-7]分別對水生態(tài)文明的內(nèi)涵、水生態(tài)文明城市建設(shè)的主要內(nèi)容、指標(biāo)體系構(gòu)建的原則以及指標(biāo)的選取和劃分等進(jìn)行了深入研究，并提出以評價狀況指數(shù)為基礎(chǔ)分級量化水生態(tài)文明程度的簡單方法。2015年，褚克堅等[8]構(gòu)建長江下游丘陵庫群河網(wǎng)地區(qū)的水生態(tài)文明評價體系，建立了以層次分析法確定權(quán)重、柯西分布函數(shù)計算隸屬度的模糊綜合評價模型對長江下游某市的水生態(tài)文明程度進(jìn)行評價研究。2016年，任俊霖等[9]以長江經(jīng)濟(jì)帶省會城市為基礎(chǔ)建立了水生態(tài)文明城市評價指標(biāo)體系，應(yīng)用主成分分析法對水生態(tài)文明建設(shè)水平展開測度分析；黃顯峰等[10]構(gòu)建馬鞍山市水生態(tài)文明評價指標(biāo)體系，提出了采用實數(shù)編碼的加速遺傳算法優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)的投影尋蹤等級評價模型。2016年4月，水利部遵循科學(xué)合理的原則劃定水生態(tài)文明評價的標(biāo)準(zhǔn)，正式出臺了SL/Z738—2016《水生態(tài)文明城市建設(shè)評價導(dǎo)則》(以下稱《導(dǎo)則》)，指出評價指標(biāo)的選取應(yīng)結(jié)合水安全、水生態(tài)、水環(huán)境、水文化、用水行為和監(jiān)督管理等多個方面，除確立全國通用的指標(biāo)外還需考慮不同區(qū)域之間差異的特色指標(biāo)[11]。國外的研究雖然沒有明確提出水生態(tài)文明的概念，但關(guān)于生態(tài)文明與水環(huán)境等方面的研究[12-14]對我國水生態(tài)文明評價研究具有一定的借鑒意義。

雖然水生態(tài)文明評價的研究成果已有許多，但是針對濱海小流域的研究仍存在空白，其存在的問題主要體現(xiàn)在：現(xiàn)有關(guān)于水生態(tài)文明的評價研究大多以城市作為研究單元，會割裂濱海小流域完整的水系特征；由于濱海小流域獨特的地理條件及水生態(tài)文明特征，已建指標(biāo)體系并不完全適用，例如水安全的概念模糊、防洪安全提醒不夠等。云模型[15]作為一種能夠較好兼顧數(shù)據(jù)隨機(jī)性與模糊性的定性與定量轉(zhuǎn)換模型，已應(yīng)用于水利現(xiàn)代化[16]、河湖健康[17]、水安全[18]等多類評價研究，但鮮見其應(yīng)用于水生態(tài)文明綜合評價。本文針對濱海小流域獨特的水生態(tài)文明建設(shè)特征，建立濱海小流域水生態(tài)文明綜合評價指標(biāo)體系，并提出基于云模型的綜合評價方法。

1 評價指標(biāo)體系

1.1 水生態(tài)文明的內(nèi)涵

水生態(tài)文明是人類遵循人、水、自然、社會和諧相處的理念產(chǎn)生的物質(zhì)和精神兩個層面成果的綜合，體現(xiàn)人水和諧的程度和文明進(jìn)步的狀態(tài)。水生態(tài)文明的內(nèi)涵包括人水和諧、節(jié)約水資源、保護(hù)水生態(tài)、兼顧經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展等4個方面[1]。水生態(tài)文明的核心是人水和諧，人水和諧的發(fā)展理念表明水生態(tài)文明的關(guān)注點不再局限于水生態(tài)系統(tǒng)這一載體自身的穩(wěn)定，還包括水生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)、社會系統(tǒng)的和諧共存[7]，僅將其簡單理解為保護(hù)水生態(tài)是片面的。

1.2 評價指標(biāo)體系及分級標(biāo)準(zhǔn)

濱海小流域因其特殊的地理條件，具有獨特的水生態(tài)文明建設(shè)的特征，目前已有的水生態(tài)文明評價指標(biāo)體系中，對濱海小流域防洪安全的考慮不夠，對山洪災(zāi)害防治措施也沒有評價[3,5-7]。而《導(dǎo)則》從水安全、水生態(tài)、水環(huán)境、水文化、用水行為和監(jiān)督管理等6方面構(gòu)建了城市水生態(tài)文明建設(shè)的效果評價指標(biāo)體系，其中的水安全包括防洪排澇達(dá)標(biāo)率和供水達(dá)標(biāo)率等指標(biāo)。由于濱海小流域洪澇災(zāi)害頻發(fā)、水資源供需矛盾嚴(yán)峻，因此將防洪安全與供水安全作為評價指標(biāo)體系的兩個子系統(tǒng)，可使評價結(jié)果更為客觀。另外，濱海小流域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、開發(fā)強度大、水生態(tài)環(huán)境形勢嚴(yán)峻，因此水環(huán)境與水生態(tài)也是水生態(tài)文明評價的重點對象?；诖耍疚淖裱陀^性、獨立性、系統(tǒng)性、可操作性和層次性的原則，構(gòu)建了濱海小流域水生態(tài)文明綜合評價指標(biāo)體系，包括防洪安全、供水安全、水環(huán)境、水生態(tài)、水文化及水管理6個方面29項單項指標(biāo)(表1)。根據(jù)防洪和區(qū)域除澇標(biāo)準(zhǔn)、水生態(tài)文明城市建設(shè)評價導(dǎo)則、國家和地方的發(fā)展規(guī)劃綱要中發(fā)展規(guī)模以及配套的各種需求指標(biāo)和參數(shù)等，參考國內(nèi)外已有的研究成果[5-8]，結(jié)合歷史資料與實地考察調(diào)研結(jié)果，確定各評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，將濱海小流域的水生態(tài)文明狀況劃分為Ⅰ(優(yōu))、Ⅱ(良)、Ⅲ(中)、Ⅳ(差)、Ⅴ(劣)5個等級，并確定了分級標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表1濱海小流域水生態(tài)文明評價指標(biāo)體系及指標(biāo)權(quán)重

表2 濱海小流域水生態(tài)文明綜合評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

1.3 指標(biāo)權(quán)重確定

指標(biāo)權(quán)重確定通常采用的方法有主觀賦權(quán)(如專家咨詢法等)和客觀賦權(quán)(如熵權(quán)法等)兩類。層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是將決策問題的有關(guān)影響因素分層，通過每一層元素之間的兩兩比較，對決策者的主觀判斷進(jìn)行量化并進(jìn)行定量與定性分析的決策方法[19]。考慮到客觀賦權(quán)需要足夠樣本數(shù)據(jù)，且不能體現(xiàn)決策者的主觀意識，綜合各種方法的可操作性與實用性，本文采用應(yīng)用廣泛的基于專家咨詢的層次分析法確定權(quán)重。通過專家咨詢構(gòu)建判斷矩陣，分析求得各指標(biāo)權(quán)重，然后對其進(jìn)行一致性檢驗確定最終結(jié)果。結(jié)果見表1括號中的數(shù)據(jù)。

2 云模型評價方法

2.1 云模型理論

設(shè)集合U={x1,x2,…,xn}，稱U為一個論域，T是U上的定性概念，任意元素xi∈U，均有隨機(jī)數(shù)μT(x)與之對應(yīng)，即x對T的隸屬度，稱為云。其中每一個xi對應(yīng)一個云滴(xi,μi)，即T的一次數(shù)量體現(xiàn)[20]。云模型定性概念T的定量特性用3個數(shù)字特征值來表示，分別為期望Ex、熵En和超熵He。Ex是云滴分布的中心，反映數(shù)據(jù)的整體特征；En反映T的不確定性，代表云的跨度；He反映En的不確定性，代表云的厚度[21]。云模型通過云發(fā)生器實現(xiàn)定性與定量之間的轉(zhuǎn)化，常見的云發(fā)生器有逆向云、正向云以及條件云發(fā)生器[22]。正向云是將(Ex,En,He)轉(zhuǎn)換為系列云滴(xi,μi)的定性到定量的發(fā)生器；逆向云是將初始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成(Ex,En,He)的定量到定性的發(fā)生器；條件云又包括X和Y條件云，也是定性與定量的轉(zhuǎn)換，與正向云的區(qū)別在于條件云需另外設(shè)定特定的輸入條件，X和Y條件云的輸入條件分別為x=x0和y=μi。

2.2 基于云模型的綜合評價

基于云模型的綜合評價過程具體如下：①確定指標(biāo)體系與權(quán)重；②確定各指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)S=[Sij,min,Sij,max]；③依據(jù)評價對象狀況確定指標(biāo)值X(x=xi)；④計算云的數(shù)字特征值(Ex,ij,En,ij,He)[26]；⑤計算隸屬度；⑥確定評價等級。

云的數(shù)字特征值計算公式為

(1)

式中Sij,max、Sij,min分別為第i指標(biāo)在第j等級中的上下限；Ex,ij為第i指標(biāo)在j等級中的期望；En,ij為第i指標(biāo)在j等級中的熵；He為超熵，一般由試驗得到或依據(jù)經(jīng)驗取值。

已知評價指標(biāo)值X(x=xi)及計算所得的云的3個數(shù)字特征值(Ex,ij,En,ij,He)，選擇X條件云計算隸屬度，計算步驟如下：

(2)

步驟2：計算指標(biāo)隸屬度μij(x)：

(3)

步驟3：重復(fù)m次(本文取m=1 000)，取平均，即為最終指標(biāo)隸屬度。

為避免傳統(tǒng)的模糊綜合評價法應(yīng)用最大隸屬度準(zhǔn)則造成的評價結(jié)果的“非此亦彼性”，采用級別特征值法確定評價等級，計算步驟如下：

表3 2016年翔鶴潭江流域水生態(tài)文明現(xiàn)狀評價指標(biāo)值及隸屬度

步驟1：確定級別特征值Bj，以Ⅰ(優(yōu))、Ⅱ(良)、Ⅲ(中)、Ⅳ(差)、Ⅴ(劣)5個等級的綜合評價閾值上下限的均值為每一級別的特征值：

(4)

式中Sj,max、Sj,min分別綜合評價標(biāo)準(zhǔn)中第j評價等級中的上下限。

步驟2：確定各指標(biāo)評價值Zi，以級別特征值與各指標(biāo)隸屬度的乘積之和表示：

(5)

步驟3：確定準(zhǔn)則層及整體評價等級，指標(biāo)評價值與權(quán)重加權(quán)平均計算各子系統(tǒng)及綜合評價值Z，結(jié)合分級標(biāo)準(zhǔn)劃分評價等級。

(6)

式中fi為各指標(biāo)權(quán)重。

3 實例應(yīng)用

3.1 區(qū)域概況

翔鶴潭江流域是位于浙江省寧波市奉化區(qū)境內(nèi)的一個典型的濱海小流域。翔鶴潭江發(fā)源于奉化區(qū)裘村鎮(zhèn)北部的白巖山，河道自北向南流入象山港海灣，流域出口斷面有集擋潮與排澇于一體的橫江閘工程，橫江閘以上流域面積49.23 km2。翔鶴潭江流域地形屬于浙東盆地低山地區(qū)和沿海丘陵平原的交界地區(qū)，地處港灣半山區(qū)，東、西、北為低山，南為狹長谷口，地勢向南傾斜。翔鶴潭江流域范圍涵蓋裘村鎮(zhèn)中心城區(qū)及鄉(xiāng)村，涉及13個社區(qū)或鄉(xiāng)村。流域地處東南沿海，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均降水量為1 500.9 mm且年內(nèi)分配不均，年平均氣溫為16.6℃。流域內(nèi)共有9座水庫，其中2座大型水庫(嶺下、銀豐)，7座小(Ⅱ)型水庫，庫容共322.3萬m2，集水面積9.2 km2，灌溉總面積11 472 hm2。翔鶴潭濕地是流域內(nèi)最大的濕地，占地約5 000 hm2，受濕地內(nèi)部農(nóng)業(yè)開發(fā)及水產(chǎn)養(yǎng)殖的影響，其原始屬性正逐漸消失。

3.2 水生態(tài)文明綜合評價

應(yīng)用本文所提出的濱海小流域水生態(tài)文明綜合評價方法對翔鶴潭江流域2016年的水生態(tài)文明狀況進(jìn)行綜合評價。所用指標(biāo)涉及的有關(guān)數(shù)據(jù)來源于實地踏勘、采樣分析、調(diào)查、水資源公報、有關(guān)規(guī)劃報告等。按照綜合評價方法步驟進(jìn)行計算，He根據(jù)經(jīng)驗取0.01，得到2016年翔鶴潭江流域水生態(tài)文明評價指標(biāo)值及各指標(biāo)隸屬度見表3，綜合評價結(jié)果見表4。

由表4可見，2016年翔鶴潭江流域的水生態(tài)文明綜合評價值為64.96，依據(jù)表2的指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，翔鶴潭江流域水生態(tài)文明整體狀況一般，最終等級為Ⅲ級。準(zhǔn)則層各評價值從高到低依次為防洪安全(81.32)、水管理(79.88)、供水安全(73.77)、水生態(tài)(64.86)、水文化(55.84)、水環(huán)境(41.40)，其中防洪安全狀況良好，為Ⅱ級；供水安全、水生態(tài)及水

表4 2016年翔鶴潭江流域水生態(tài)文明綜合評價結(jié)果

管理整體狀況一般，為Ⅲ級；水環(huán)境、水文化問題最為嚴(yán)重，為Ⅳ級。由表3可見，供水安全方面的農(nóng)業(yè)供水保證率、水環(huán)境方面的水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率與廢污水達(dá)標(biāo)處理率、水生態(tài)方面的河湖生態(tài)護(hù)岸比例與濱海濕地保留率以及水文化方面的水利工程景觀比例均屬Ⅴ級，水管理方面的水資源監(jiān)控能力指數(shù)及公共供水管網(wǎng)漏損率為Ⅳ級。結(jié)合相關(guān)規(guī)劃報告與實地踏勘成果，該結(jié)果與實際情況基本相符。

4 結(jié) 語

針對濱海小流域獨特的水生態(tài)文明建設(shè)特點，提出了濱海小流域水生態(tài)文明綜合評價指標(biāo)體系和基于云模型的綜合評價方法，較為全面地考慮了濱海小流域的完整的水系特征和水生態(tài)文明建設(shè)特點，解決了已有指標(biāo)體系水安全內(nèi)涵界定不清的問題，突出了防洪、除澇和山洪災(zāi)害防治等方面的評價?；谠颇Ｐ偷乃鷳B(tài)文明綜合評價方法，可以兼顧評價的隨機(jī)性與模糊性，尤其對于閾值附近數(shù)據(jù)的等級劃分，與傳統(tǒng)方法對比其優(yōu)勢更為明顯。翔鶴潭江濱海小流域的實例分析表明，提出的綜合評價方法能夠有效甄別水生態(tài)文明建設(shè)的潛在問題，為濱海小流域或其他同類區(qū)域的研究提供了新的手段。