張 成

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

近年來(lái)隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展[1]，各地區(qū)都在推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化發(fā)展，在新城不斷建設(shè)的過(guò)程中，生態(tài)文明建設(shè)顯得異常重要[2]。城市水生態(tài)文明建設(shè)[3]是我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的重點(diǎn)方向。目前，我國(guó)多地均開(kāi)展國(guó)家級(jí)或省級(jí)試點(diǎn)城市的建設(shè)[4]。我國(guó)天然水資源的特點(diǎn)為水資源總量大，可持續(xù)利用的淡水資源約占全球人均水資源的百分之六，人均利用的水資源僅僅約為目前全球世界水平的四分之一，水資源配置[5- 7]嚴(yán)重不均。本文將圍繞某城市水生態(tài)文明建設(shè)展開(kāi)詳細(xì)研究，建立城市水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)模型，分析該城市10個(gè)管轄區(qū)內(nèi)水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，為城市生態(tài)文明建設(shè)提供指導(dǎo)性意見(jiàn)。

1 城市水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)

城市水生態(tài)系統(tǒng)[8- 10]是由水系統(tǒng)和人文系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)中的各影響因素組合而成的復(fù)雜的大系統(tǒng)，這些因素彼此之間相互作用、影響和制約。本文將建立以城市水生態(tài)系統(tǒng)健康具體指標(biāo)與具體評(píng)價(jià)對(duì)象特征為基礎(chǔ)的Water-Human-Health評(píng)價(jià)模型，確定研究對(duì)象，通過(guò)基于海明貼近度的模糊物元法計(jì)算相關(guān)影響指標(biāo)的數(shù)值，分析計(jì)算結(jié)果對(duì)其健康水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的權(quán)重計(jì)算

權(quán)重是表明各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在評(píng)價(jià)模型中的重要程度，本文擬采用組合權(quán)重分析法來(lái)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的權(quán)重。首先由主觀經(jīng)驗(yàn)法確定主觀權(quán)重，通過(guò)建立層次模型的樹(shù)形結(jié)構(gòu)，列出判斷矩陣A=(aij)n×n，確定權(quán)向量W=(w1，w2，…，wn)T，采用Matlab軟件計(jì)算出特征值λ1，具體計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)特征值進(jìn)行一致性[11]檢驗(yàn)，確定特征值之間是否有顯著性差異，本文利用一致性指標(biāo)CI和隨機(jī)一致性指標(biāo)RI來(lái)判斷矩陣的一致性。

(3)

式中，n—判斷矩陣的階數(shù)。

平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI是通過(guò)多次循環(huán)計(jì)算隨機(jī)判斷矩陣特征值來(lái)取得，在Matlab中循環(huán)次數(shù)超過(guò)10萬(wàn)余次，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，一般常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值。由此可得一致性比率CR為：

(4)

當(dāng)CR>0.1時(shí)，表明一致性檢驗(yàn)不通過(guò)，必須重新進(jìn)行賦值后再判斷矩陣；當(dāng)CR<0.1時(shí)，則通過(guò)一致性檢驗(yàn)。求得主觀權(quán)重后再通過(guò)熵權(quán)法計(jì)算客觀權(quán)重，構(gòu)建具體指標(biāo)原始數(shù)據(jù)判斷矩陣：

(5)

式中，m—評(píng)價(jià)指標(biāo)，n—樣本數(shù)；xij—第i各指標(biāo)第j個(gè)樣本的原始數(shù)值。

將指標(biāo)原始數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化：

正向指標(biāo)：

(6)

逆向指標(biāo)：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化后確定組合權(quán)重為：

(12)

1.2 基于海明貼進(jìn)度的模糊物元計(jì)算

以城市水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)為目標(biāo)，選取n個(gè)樣本數(shù)據(jù)，與m維模糊物元組合，構(gòu)建復(fù)合物元：

(13)

式中，Rmn—n個(gè)樣本的m維復(fù)合物元；ci—第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

將復(fù)合物元值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理并確定從優(yōu)隸屬度，得到標(biāo)準(zhǔn)模糊物元：

(14)

式中，ui0—第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的模糊量值。

利用貼近度表示評(píng)價(jià)樣本模糊子集與標(biāo)準(zhǔn)樣本模糊子集之間的相似程度，通過(guò)多準(zhǔn)則集成系統(tǒng)計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象的健康狀況。

(15)

2 工程概況

該城市位于我國(guó)西南某省中部偏北地區(qū)[12]，處于我國(guó)東部向西部高原過(guò)渡的地帶，在城市所轄區(qū)域內(nèi)喀斯特地貌發(fā)育，面積約為6831km2，占總面積的85.102%，在該市所在的省份中占比最高。市轄六區(qū)、三縣以及代管一個(gè)縣級(jí)市共計(jì)10個(gè)行政區(qū)。從地理?xiàng)l件來(lái)看，該城市界于長(zhǎng)江流域與珠江流域的分水嶺的過(guò)渡地帶，全市范圍內(nèi)水系發(fā)育成熟，境內(nèi)河流長(zhǎng)度超過(guò)一定數(shù)值或流域面積大于相應(yīng)劃分?jǐn)?shù)值的河道近百條。以2013年為例[13]，當(dāng)?shù)囟嗄昶骄乇硭Y源量為45.15億m3，2013年全年供用水總量為10.46億m3。全市水資源的開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，水資源利用占比情況如圖2所示。

圖1 2013年該城市水資源開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)圖

圖2 2013年該城市水資源利用占比圖

3 城市水生態(tài)文明建設(shè)分析

3.1 權(quán)重計(jì)算

將該城市所轄屬的10個(gè)行政區(qū)進(jìn)行計(jì)算單元?jiǎng)澐?。定義研究期的區(qū)間范圍為2005—2013年連續(xù)9年，以城市水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況為研究對(duì)象建立模型并展開(kāi)評(píng)價(jià)。在針對(duì)模型分析計(jì)算的過(guò)程中，通過(guò)變量組合法和賦權(quán)法共同確定研究對(duì)象各項(xiàng)指標(biāo)的平均權(quán)重。以基本準(zhǔn)則層為計(jì)算單元，分別計(jì)算出城市水系統(tǒng)和城市人文系統(tǒng)中各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1—2。

3.2 健康指數(shù)計(jì)算

模型分析計(jì)算方法采用基于模糊數(shù)學(xué)的新型模糊物元分析法[13]。利用海明貼近度作為各個(gè)研究水系統(tǒng)指標(biāo)的健康狀況指數(shù)，主要包括城市水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況指數(shù)(UWEHI)、水系統(tǒng)健康狀況指數(shù)(WSHI)、人文系統(tǒng)健康狀況指數(shù)(HSHI)。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3計(jì)算結(jié)果可知，該城市健康指數(shù)從數(shù)值大小來(lái)看，水系統(tǒng)健康指數(shù)值最大，城市水生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)次之，人文系統(tǒng)健康指數(shù)值最小，表明該城市屬于人文系統(tǒng)相對(duì)滯后的城市。水系統(tǒng)健康指數(shù)(WSHI)在研究期間呈上下波動(dòng)的變化規(guī)律，但整體表現(xiàn)為逐年減少的趨勢(shì)，可明顯觀測(cè)到指數(shù)值在2008—2011年下降率較大。城市水生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)(UWEHI)在研究期間也呈現(xiàn)出上下波動(dòng)規(guī)律，波動(dòng)范圍相比水系統(tǒng)健康指數(shù)小且總體是呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明在研究期內(nèi)該城市水生態(tài)系統(tǒng)狀況逐步好轉(zhuǎn)。其中健康指數(shù)的最大平均值為0.52，最大值出現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為2012年。人文系統(tǒng)健康指數(shù)(HSHI)在研究期內(nèi)逐年遞增，2007年后其增長(zhǎng)率較大。綜合三個(gè)健康指數(shù)情況表明，該城市水生態(tài)系統(tǒng)健康水平表現(xiàn)為逐年提升的趨勢(shì)。

圖3 城市水生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)變化圖

表1 某城市各區(qū)水系統(tǒng)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

表2 某城市各區(qū)人文系統(tǒng)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

根據(jù)指數(shù)分析結(jié)果并結(jié)合某城市10個(gè)轄區(qū)的實(shí)際情況可知，在加強(qiáng)城市生態(tài)文明建設(shè)中應(yīng)該大力推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)的建設(shè)；探索巖溶地區(qū)、喀斯特地區(qū)水資源利用與保護(hù)的新模式；在經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步增長(zhǎng)的條件下加大對(duì)水利行業(yè)的財(cái)政投入，推動(dòng)城市人文健康水平的提升。

4 結(jié)論

以某城市的水生態(tài)為分析樣本，建立WHH評(píng)價(jià)模型，通過(guò)分析可知在2005—2013年研究期中，該城市人文系統(tǒng)健康狀況指數(shù)逐年穩(wěn)步提升；水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況指數(shù)的變化規(guī)律隨研究期增長(zhǎng)逐年增加，水系統(tǒng)健康指數(shù)變化規(guī)律呈現(xiàn)短期波動(dòng)但整體趨向于適度下降趨勢(shì)。分析結(jié)果與該城市實(shí)際情況基本吻合，驗(yàn)證了本文創(chuàng)建的城市水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究模型的可行性。研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步加強(qiáng)該城市水生態(tài)文明建設(shè)具有指導(dǎo)性意義，并為不同城市的水生態(tài)文明建設(shè)提供了參考模型及方法。