黃顯峰,賈永樂(lè),方國(guó)華

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

20世紀(jì)六七十年代,生態(tài)文明理念開(kāi)始萌芽[1]。2012年,十八大首次把生態(tài)文明建設(shè)納入“五位一體”總體布局。水生態(tài)文明是生態(tài)文明的重要組成部分[2],指人類在保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)人水和諧發(fā)展方面創(chuàng)造的物質(zhì)和精神財(cái)富的總和[3]。我國(guó)水資源量不足,水生態(tài)系統(tǒng)功能單一,水資源管理缺乏制度保障,水景觀公益性偏低,諸如此類問(wèn)題在一定程度上的持續(xù)存在,我國(guó)水生態(tài)文明建設(shè)將是一項(xiàng)艱巨且極富挑戰(zhàn)性的戰(zhàn)略任務(wù)。

以前城市建設(shè)規(guī)劃主要側(cè)重點(diǎn)在城市結(jié)構(gòu)調(diào)整、形態(tài)布局和藝術(shù)設(shè)計(jì)等方面,直到20世紀(jì)90年代初,城市水問(wèn)題才逐漸得到重視[4]。水利部于2013年和2014年分別發(fā)布了《關(guān)于加快開(kāi)展全國(guó)水生態(tài)文明城市建設(shè)試點(diǎn)工作的通知》和《關(guān)于開(kāi)展第二批全國(guó)水生態(tài)文明城市建設(shè)試點(diǎn)工作的通知》,共選取113個(gè)試點(diǎn)城市開(kāi)展水生態(tài)文明建設(shè)。但是,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)城市水生態(tài)文明的研究仍處于初步階段,存在的主要問(wèn)題有:城市水生態(tài)文明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容不夠明確;缺乏統(tǒng)籌自然-人類-水體的系統(tǒng)建設(shè)模式;未形成全面的城市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)體系[5]。

本文通過(guò)分析水生態(tài)文明城市的內(nèi)涵、特征和基本要求,構(gòu)建相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并鑒于水生態(tài)文明系統(tǒng)的復(fù)雜性[6],建立了基于投影尋蹤(project pursuit, PP)法的等級(jí)評(píng)價(jià)模型,力求全面、客觀、真實(shí)地反映我國(guó)城市水生態(tài)文明狀態(tài),旨在為我國(guó)城市水生態(tài)文明建設(shè)提供借鑒。

1 城市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法是依據(jù)某種指標(biāo)選取準(zhǔn)則,并結(jié)合評(píng)價(jià)區(qū)域具體情況,選擇一系列指標(biāo)構(gòu)成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,然后采用合適的數(shù)學(xué)分析方法對(duì)這些指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,從而得到一個(gè)綜合參數(shù),將此綜合參數(shù)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì),即可了解評(píng)價(jià)區(qū)域的現(xiàn)狀或閾值[7]。

筆者參照安徽省水利廳發(fā)布的《關(guān)于開(kāi)展水生態(tài)文明城市和水環(huán)境優(yōu)美鄉(xiāng)村建設(shè)試點(diǎn)工作的通知》,遵循系統(tǒng)性、可操作性、層次性、定量和定性評(píng)價(jià)相結(jié)合的原則[8],著眼于水安全、水生態(tài)、水管理、水景觀、水文化5個(gè)方面,構(gòu)建城市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

2 城市水生態(tài)文明等級(jí)評(píng)價(jià)模型

城市水生態(tài)文明等級(jí)評(píng)價(jià),就是根據(jù)一些具有代表性的指標(biāo)值,建立數(shù)學(xué)模型,對(duì)某個(gè)地區(qū)水生態(tài)文明所屬等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)判,為該地區(qū)的水生態(tài)文明建設(shè)提供決策依據(jù)。實(shí)際操作中采用的指標(biāo)往往是多維、非線性、不可公度的,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法易受到過(guò)于數(shù)字化的限制,難以找到數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律,而投影尋蹤法是一種處理非正態(tài)總體分布高維數(shù)據(jù)的探索性方法。本研究建立基于實(shí)數(shù)編碼的加速遺傳算法(real coded accelerating genetic algorithm,RAGA)的投影尋蹤等級(jí)評(píng)價(jià)模型,對(duì)城市水生態(tài)文明的和諧程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 投影尋蹤法的基本思想

投影尋蹤法是一種針對(duì)常規(guī)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)方法存在的形式化、數(shù)學(xué)化等局限性,提出由樣本數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)探索性數(shù)據(jù)的分析方法[9],其基本思想是以某種組合將高維數(shù)據(jù)投影到低維(1～3維)子空間上,通過(guò)極大(小)化某個(gè)投影指標(biāo),尋找出能反映高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征的投影,在低維空間上對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,以達(dá)到研究高維數(shù)據(jù)內(nèi)在聯(lián)系的目的[10]。投影尋蹤法能夠很好地排除無(wú)關(guān)投影方向的干擾,而且容易知道各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)整體綜合評(píng)分的影響程度(通過(guò)最佳投影向量中各個(gè)分量的相對(duì)大小體現(xiàn)),避免了人為確定指標(biāo)權(quán)重的不確定性和主觀性。

表1 城市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 投影尋蹤法的計(jì)算步驟

投影尋蹤模型的建模過(guò)程主要包括原始數(shù)據(jù)歸一化處理、構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)、優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)和等級(jí)評(píng)價(jià)幾部分。其中,通過(guò)優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)來(lái)尋求能最大程度暴露數(shù)據(jù)特征的投影方向是其核心內(nèi)容。

步驟1:對(duì)樣本評(píng)價(jià)指標(biāo)集進(jìn)行歸一化處理。設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)目為m,樣本的個(gè)數(shù)為n,由于各指標(biāo)的單位不盡一致,為統(tǒng)一其變化范圍都在0～1之間,可采用式(1)和式(2)進(jìn)行歸一化處理。

對(duì)于效益型指標(biāo):

(1)

對(duì)于成本型指標(biāo):

(2)

步驟2:構(gòu)造指標(biāo)函數(shù)。投影尋蹤法就是把m維數(shù)據(jù)綜合成以a=(a1,a2,…,am)為投影方向的一維投影值z(mì)i,從而完成高維數(shù)據(jù)向低維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化,即,

(3)

綜合投影指標(biāo)時(shí),要求投影值z(mì)i的散布特征應(yīng)為局部盡可能密集,整體上投影點(diǎn)團(tuán)之間盡可能散開(kāi)。因此,投影指標(biāo)函數(shù)可以表達(dá)為

Q(a)=SzDz

(4)

其中

(5)

(6)

步驟3:優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)。從投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)的計(jì)算公式可知,對(duì)于同一個(gè)樣本集,Q(a)只與投影方向a有關(guān),因此,可以通過(guò)求解Q(a)的最大值來(lái)估計(jì)最佳投影方向,即

maxQ(a)=SzDz

(7)

這是一個(gè)復(fù)雜的非線性有約束優(yōu)化問(wèn)題,本文擬采用RAGA來(lái)進(jìn)行求解。RAGA采用實(shí)數(shù)編碼,先初始化父代群體,并行進(jìn)行選擇、交叉、變異操作,再用第一次、第二次演化迭代所產(chǎn)生的優(yōu)秀個(gè)體這一子群體所對(duì)應(yīng)的變量變化區(qū)間作為變量新的初始變化區(qū)間, 重復(fù)前面的過(guò)程,如此加速循環(huán)直到最優(yōu)個(gè)體的目標(biāo)函數(shù)值小于某一設(shè)定值,或算法運(yùn)行達(dá)到預(yù)定加速次數(shù),這時(shí)把當(dāng)前群體中最佳個(gè)體或優(yōu)秀個(gè)體的平均值指定為RAGA的結(jié)果[12]。

步驟4:等級(jí)評(píng)價(jià)。把步驟3中求得的最佳投影方向a*代入式(3)中,可得到評(píng)價(jià)等級(jí)樣本點(diǎn)的投影值z(mì)i*,根據(jù)各等級(jí)值及其對(duì)應(yīng)的投影值建立評(píng)價(jià)模型y*=f(zi*),再把待評(píng)價(jià)樣本的投影值z(mì)*代入y*=f(zi*),即可得到待評(píng)價(jià)樣本的所屬等級(jí)。

3 實(shí)例研究

以馬鞍山市2012年城市水生態(tài)文明狀況為研究對(duì)象,應(yīng)用投影尋蹤等級(jí)評(píng)價(jià)模型對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。馬鞍山市位于安徽省最東部,屬長(zhǎng)江中下游沖積平原的蕪湖-馬鞍山丘陵水網(wǎng)平原區(qū),地處東經(jīng)117°53′～118°52′、北緯31°24′～32°02′,多年平均降雨量1 096 mm,平均氣溫15.6℃,區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)江東西貫穿,河道縱橫,湖泊眾多,試點(diǎn)區(qū)內(nèi)主要水系包括長(zhǎng)江右岸、采石河、慈湖河、雨山河、博望河、丹陽(yáng)新河、高潮河、永豐河等河流,以及石臼湖、雨山湖、秀山湖三大湖泊,具有生態(tài)功能的濕地總面積645 196 hm2。

就水生態(tài)文明現(xiàn)狀而言,馬鞍山市基本形成了3個(gè)相互獨(dú)立的城市防洪堤圈,但堤防建設(shè)還未達(dá)標(biāo),現(xiàn)有城市防洪的內(nèi)河慈湖河、采石河堤防只能防御10年一遇的洪水,城區(qū)水系普遍存在淤積,暴雨積水情況嚴(yán)重;飲用水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)率穩(wěn)定保持在100%,過(guò)境長(zhǎng)江水質(zhì)基本處于Ⅱ類,但仍有較多市區(qū)河流水質(zhì)屬于V類甚至劣V類;用水效率總體不高,同時(shí)雨水、再生水等非傳統(tǒng)水源的利用程度較低,城市污水處理能力不足,城市供水管道漏損率較高;初步建成了市區(qū)水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng),但飲用水源地、水功能區(qū)等水量水質(zhì)自動(dòng)測(cè)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)尚未完善,基層水資源管理服務(wù)水平低,專業(yè)技術(shù)力量薄弱;采石磯國(guó)家級(jí)風(fēng)景區(qū)已經(jīng)形成,并舉辦了具有本地特色的中國(guó)李白詩(shī)歌節(jié)等水文化活動(dòng),然而水文化載體建設(shè)相對(duì)滯后。

3.1 城市水生態(tài)文明等級(jí)劃分

目前對(duì)城市水生態(tài)文明等級(jí)劃分還沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)。本文立足國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)社會(huì)水平,結(jié)合馬鞍山市的區(qū)位條件和自然地理環(huán)境,確定理想、和諧、基本和諧、不和諧、極不和諧等5個(gè)等級(jí)以及馬鞍山市各項(xiàng)現(xiàn)狀指標(biāo)值(表2)。

為了能使本次研究更具普適性,對(duì)于可定量的指標(biāo)(C1,C2,C3,C6,C9,C10,C11,C12,C13,C14,C15,C16,C20,C21)的現(xiàn)狀值和等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值均使用具體數(shù)值?，F(xiàn)狀值來(lái)源于實(shí)地調(diào)查統(tǒng)計(jì)及地區(qū)水利普查等有關(guān)資料,等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值從相關(guān)研究文獻(xiàn)[3,13-16]獲得。對(duì)于定性指標(biāo)(C4,C5,C7,C8,C17,C18,C19,C22,C23,C24,C25,C26,C27,C28,C29),其現(xiàn)狀值和等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值均采用相對(duì)于目標(biāo)值的實(shí)現(xiàn)程度來(lái)表征,現(xiàn)狀值是通過(guò)實(shí)地調(diào)查得到，目標(biāo)值是根據(jù)馬鞍山市水生態(tài)文明城市建設(shè)試點(diǎn)的預(yù)期目標(biāo)并結(jié)合專家評(píng)分得到,評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)參見(jiàn)《安徽省水生態(tài)文明城市和水環(huán)境優(yōu)美鄉(xiāng)村評(píng)價(jià)暫行辦法》。實(shí)現(xiàn)程度f(wàn)可參照式(8)計(jì)算:

表2 馬鞍山市2012年現(xiàn)狀值及評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分

%i=1,2,…,p

(8)

式中:Ci表示第i個(gè)指標(biāo)2012年的現(xiàn)狀值;Gi為第i個(gè)指標(biāo)在2016年應(yīng)達(dá)到的預(yù)期目標(biāo)值。

3.2 綜合等級(jí)評(píng)價(jià)模型的應(yīng)用

3.2.1 評(píng)價(jià)過(guò)程

按照前述的步驟,用Matlab編寫(xiě)投影尋蹤模型程序,其中C13,C14,C16屬于成本型指標(biāo),其他的都為效益型指標(biāo)。在RAGA優(yōu)化過(guò)程中,確定初始種群規(guī)模為400,加速次數(shù)為20,變異概率為0.8,交叉概率為0.8。運(yùn)行此程序,得到最佳投影向量a*=(0.179 0, 0.171 2, 0.179 6, 0.192 7, 0.194 4, 0.192 3, 0.184 1, 0.197 6, 0.199 0, 0.182 5, 0.175 6, 0.180 8, 0.183 3, 0.172 6, 0.196 3, 0.182 9, 0.186 0, 0.170 9, 0.187 7, 0.186 0, 0.198 9, 0.189 4, 0.188 7,0.187 5, 0.189 5, 0.183 6, 0.195 5, 0.182 7, 0.169 5),Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)對(duì)應(yīng)的投影值分別為5.379 7、4.684 0、3.589 6、2.504 3、0,馬鞍山市2012年現(xiàn)狀投影值為4.266 5。

根據(jù)各等級(jí)最佳投影特征值,繪制投影特征值散點(diǎn)圖(圖1),建立城市水生態(tài)文明等級(jí)評(píng)價(jià)模型y*，再對(duì)所建立的評(píng)價(jià)模型進(jìn)行誤差分析,見(jiàn)表3。

y*=-0.001(z*)3-0.104 2(z*)2-

0.147 7z*+5.002 8

(9)

圖1 各等級(jí)水生態(tài)文明投影特征值與等級(jí)關(guān)系

經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算值絕對(duì)誤差相對(duì)誤差/%11.03680.03683.6821.9221-0.0779-3.8933.08370.08372.7943.9637-0.0363-0.9155.00280.00280.06

從表3可以看出,依據(jù)投影特征值與等級(jí)值之間的關(guān)系擬合出的評(píng)價(jià)模型平均絕對(duì)誤差為0.047 5,平均相對(duì)誤差為2.27%,表明所建立的等級(jí)評(píng)價(jià)模型精度較高,可以用來(lái)進(jìn)行城市水生態(tài)文明程度的評(píng)價(jià)。將馬鞍山市2012年現(xiàn)狀投影值z(mì)*=4.266 5代入式(9)中,求得對(duì)應(yīng)的y*=2.40,即馬鞍山市水生態(tài)文明現(xiàn)狀等級(jí)為Ⅲ級(jí),處于基本和諧的狀態(tài),符合實(shí)際情況,也證明了該模型非常適于用來(lái)進(jìn)行城市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)。

另外,最佳投影方向各分量的大小,實(shí)質(zhì)上反映了各參評(píng)指標(biāo)對(duì)城市水生態(tài)文明等級(jí)的貢獻(xiàn)度,值越大表示對(duì)應(yīng)的指標(biāo)對(duì)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度越大(圖2)。

3.2.2 評(píng)價(jià)成果分析

圖2 各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)等級(jí)的貢獻(xiàn)率

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,馬鞍山市2012年水生態(tài)文明總體上達(dá)到基本和諧,但部分指標(biāo)的單項(xiàng)等級(jí)還很低,仍有較大的提升空間。跡地恢復(fù)治理率、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持“三同時(shí)”落實(shí)率、植物配置合理性、城市污水處理回用率4項(xiàng)指標(biāo)對(duì)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果影響最大,在實(shí)際工作中應(yīng)及時(shí)恢復(fù)城內(nèi)既有工礦跡地植被,做好水土保持的方案申報(bào)、實(shí)施和驗(yàn)收工作,合理配置河道和塘庫(kù)沿岸水生植物,新建污水處理廠、完善污水管網(wǎng)建設(shè)，以增強(qiáng)城市污水的處理能力,提高用水效率。水環(huán)境維護(hù)度、生態(tài)需水維持度、城市水面率、自然水景觀這幾項(xiàng)指標(biāo)對(duì)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果影響次之,說(shuō)明水生態(tài)環(huán)境仍然是建設(shè)重點(diǎn),要盡量維持原有的水域不被破壞,加強(qiáng)對(duì)生態(tài)濕地、湖泊等自然水景觀的保護(hù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于水生態(tài)文明城市建設(shè)的理念和基本要求,從水資源安全、水生態(tài)、水管理、水景觀、水文化等5個(gè)方面,構(gòu)建了29項(xiàng)指標(biāo)組成的城市水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,立足國(guó)內(nèi)外的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平和國(guó)家有關(guān)短中期規(guī)劃,制定了5個(gè)等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。構(gòu)建了投影尋蹤等級(jí)評(píng)價(jià)模型,由評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值樣本計(jì)算得到的最佳投影方向,反映了各單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)水生態(tài)文明整體狀態(tài)的影響程度,對(duì)實(shí)際工作有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。通過(guò)將投影尋蹤等級(jí)評(píng)價(jià)模型應(yīng)用于馬鞍山市2012年水生態(tài)文明現(xiàn)狀評(píng)價(jià),所得評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況相符,直接驗(yàn)證了模型是可行的,且精度較高,可以推廣應(yīng)用于同類區(qū)域城市水生態(tài)文明現(xiàn)狀評(píng)價(jià)。

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