余亞麗，唐德善

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)

水資源保護(hù)是指為保護(hù)地表水、地下水的資源屬性，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用而采取的法律、行政、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)措施[1]。水資源關(guān)系到國計(jì)民生，是決定整個(gè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)是否能夠可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性資源。進(jìn)入21世紀(jì)以來，水資源保護(hù)在內(nèi)容上，從過去單純的水質(zhì)保護(hù)向水質(zhì)、水量、水生態(tài)并重轉(zhuǎn)變[2]。面對(duì)我國水資源數(shù)量緊張、水質(zhì)污染嚴(yán)重及生態(tài)環(huán)境退化的日趨嚴(yán)峻趨勢(shì)，急需我們加大對(duì)水資源的保護(hù)力度。加強(qiáng)水資源保護(hù)不僅需要建立健全相應(yīng)的制度和體系，而且需要一定的考核評(píng)價(jià)機(jī)制，從而能對(duì)水資源保護(hù)狀況進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源保護(hù)效果的掌控。劉穎秋[3]等利用灰色關(guān)聯(lián)度法，以初選指標(biāo)體系對(duì)省區(qū)水資源保護(hù)狀況進(jìn)行試評(píng)價(jià)，從評(píng)價(jià)和排序結(jié)果看，取得了預(yù)期成果，認(rèn)為此法基本可行；朱金峰[4]等采用基于最優(yōu)組合權(quán)重的灰色關(guān)聯(lián)度分析法對(duì)湖南省農(nóng)村水資源保護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，選出了4個(gè)與農(nóng)村水資源保護(hù)現(xiàn)狀關(guān)聯(lián)程度較大的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并用GM改進(jìn)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果可為農(nóng)村水資源保護(hù)提供決策依據(jù)。李正東[5]經(jīng)過對(duì)安慶市連續(xù)五年水資源量統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，對(duì)該市水資源變化特征進(jìn)行了分析，并系統(tǒng)評(píng)估了該市現(xiàn)狀水資源概況。前人對(duì)水資源保護(hù)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)及研究時(shí)，指標(biāo)評(píng)價(jià)體系主要以水質(zhì)為研究重點(diǎn)；本文從全面反映水資源保護(hù)狀況的角度出發(fā)，選取足夠全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并且通過篩選，構(gòu)建出更加全面合理的水資源保護(hù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。另外，前人的研究方法多以灰色關(guān)聯(lián)度為主，云模型尚未應(yīng)用于水資源保護(hù)狀況及效果研究，而云模型作為一種評(píng)價(jià)模型，將定性概念與定量的不確定性進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完全集成了模糊性與隨機(jī)性，為定性概念映射到定量數(shù)據(jù)中提供有效處理手段。本人在前人成果的基礎(chǔ)上，建立水資源保護(hù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和基于熵權(quán)的正態(tài)云模型，以安康市為實(shí)例對(duì)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行了運(yùn)用與討論。

1 水資源保護(hù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建原則

構(gòu)建水資源保護(hù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的目的，就是反映影響水資源保護(hù)各指標(biāo)之間相互作用的關(guān)系以及不同的指標(biāo)數(shù)值對(duì)于水資源保護(hù)發(fā)展的意義。指標(biāo)體系構(gòu)建原則不僅要結(jié)合我國水資源保護(hù)現(xiàn)狀和主要問題，還要處理好保護(hù)與發(fā)展的關(guān)系，從水量、水質(zhì)、水生態(tài)保護(hù)區(qū)域“三位一體”管控需求出發(fā)，進(jìn)一步明確區(qū)域水資源保護(hù)管控指標(biāo)。水資源保護(hù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建要重點(diǎn)遵循以下原則[6]：

(1)層次性：指標(biāo)體系具有層次分明、反映全面，既考慮了水資源利用現(xiàn)狀和開發(fā)利用前景；同時(shí)反映了水量和水質(zhì)之間的關(guān)系、水資源的條件、當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平與水資源的關(guān)系；

(2)相關(guān)性：指標(biāo)體系反映了經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、水資源承載力、水環(huán)境承載力這些狀態(tài)指標(biāo)相互聯(lián)系性；

(3)針對(duì)性：指標(biāo)體系應(yīng)能反映目前或潛在存在的主要水資源保護(hù)水平；

(4)可評(píng)價(jià)性：水資源保護(hù)指標(biāo)體系中選取的指標(biāo)都能夠定量化進(jìn)行評(píng)價(jià)，不僅給出了所選取指標(biāo)的定義和內(nèi)容，還給出了計(jì)算公式，且各個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)資料便于查、引和檢索。

1.2 指標(biāo)體系的構(gòu)建步驟

(1)明確水資源保護(hù)效果評(píng)價(jià)目標(biāo)與內(nèi)容；

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)的初選：通過對(duì)水資源保護(hù)評(píng)價(jià)內(nèi)容的層次分解，參考現(xiàn)代水資源保護(hù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、水資源可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)[7]、水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[8]，選取那些使用頻率較高的指標(biāo)建立一個(gè)概念上的指標(biāo)體系；

(3)評(píng)價(jià)指標(biāo)的初步篩選：運(yùn)用Delphi法對(duì)概念指標(biāo)體系進(jìn)行初步篩選，去除一些在專家領(lǐng)域認(rèn)為評(píng)價(jià)作用性較小或者出現(xiàn)評(píng)價(jià)重復(fù)性的一些指標(biāo)，得到初步指標(biāo)[9]；

(4)評(píng)價(jià)指標(biāo)的最終篩選。使用主成分分析法：使用少數(shù)關(guān)聯(lián)性較低主成分指標(biāo)，通過將這些指標(biāo)進(jìn)行線性組合來表示多個(gè)實(shí)測(cè)指標(biāo)。

1.3 指標(biāo)體系建立

依照前文所述的指標(biāo)體系的構(gòu)建所需要遵循的原則和對(duì)應(yīng)的步驟，本文建立了如表1所示的指標(biāo)體系，其中包括3個(gè)準(zhǔn)則層、共計(jì)16個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表1 水資源保護(hù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation index system of water resources protection effect

2 評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

正態(tài)云模型主要用來計(jì)算隸屬度。正態(tài)云模型通過由期望、熵、超熵三者構(gòu)成的特定的結(jié)構(gòu)發(fā)生器，生成定性概念的定量轉(zhuǎn)換值，這種特定結(jié)構(gòu)把精確確定隸屬函數(shù)放寬到了構(gòu)造正態(tài)隸屬度分布的期望函數(shù)，充分考慮了隸屬度的不確定性，從而更具有普適性。

2.1 云模型分析

2.1.1 云的定義

設(shè)U是一個(gè)用精確數(shù)值表示的定量論域，C是U上的定性概念，若定量值x∈U,且x是定性概念C的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，x對(duì)C的確定度μ(x)∈[0,1]，是具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)，即μ(x)為x對(duì)C的隸屬度[10]。若x→μ(x)

x∈U,x→μ(x)

其中：μ(x)∈[0,1]

則x在論域上U的分布成為云，序?qū)?x,μ(x))稱為云滴。

首先，所有x∈U到區(qū)間[0,1]的映射是一對(duì)多的轉(zhuǎn)換，x對(duì)C的隸屬度是一個(gè)概率分布，而非固定值[11]。云定義的獨(dú)特之處在于僅僅使用3個(gè)數(shù)值就可以勾畫出由成千上萬的云滴構(gòu)成的云[12]。

2.1.2 云的數(shù)字特征

云的3個(gè)數(shù)字特征分別是期望Ex、熵En、超熵He。

(1)期望Ex是云滴在論域空間分布的期望，是這個(gè)概念量化后最典型的樣本。

(2)熵En表示論域空間可被定性概念接受的云滴的取值范圍。通常,熵越大,概念越模糊性、隨機(jī)性也越大,確定性量化越難[13]。

(3)超熵He是熵的熵。超熵越大,云滴的離散度越大,隸屬度的隨機(jī)性越大。

2.1.3 正態(tài)云模型

(1)

則稱x在論域U上的分布為正態(tài)云。

正態(tài)云的生成算法[14]為：

(1)生成以Ex為期望值、En為標(biāo)準(zhǔn)差的正態(tài)隨機(jī)數(shù)xi。

(4)重復(fù)以上步驟，直至生成n個(gè)云滴為止，此處n取值3 000，n個(gè)云滴會(huì)形成隸屬度云圖；在步驟(3)中，運(yùn)用X條件正態(tài)云模型，會(huì)得到每個(gè)指標(biāo)的隸屬度云圖，可用來幫助快速確定某一個(gè)年份的某個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)原始數(shù)據(jù)確定對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度。以指標(biāo)C35為例：如圖1所示。

圖1 2013年萬元GDP用水量一維云圖Fig.1 One-dimensional cloud of Water consumption per ten thousand yuan of GDP in 2013

2.1.4 云發(fā)生器

云發(fā)生器是通過軟件編程或者硬件輸出的方式生成云的算法[15]。

云模型的云發(fā)生器包括兩種：正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器。其中，條件云發(fā)生器是一種特殊的正向云發(fā)生器，分為X條件云發(fā)生器(圖2)和Y條件云發(fā)生器，即由已知的期望Ex，熵En，超熵He，根據(jù)已知特定條件來產(chǎn)生隸屬度。

圖2 X-條件云發(fā)生器Fig.2 X-Conditional cloud generator

2.1.5 云模型參數(shù)的選取

本文云模型參數(shù)的選取按照下面公式計(jì)算：

(2)

式中：Cmin和Cmax分別是區(qū)間的上限和下限；k是常數(shù)，可由試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)所得，本文取0.001。

對(duì)于沒有最大邊界值的區(qū)間，如xi∈(Cig，+∞)，而該數(shù)值對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)因子等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為Ⅰ(0，a)、Ⅱ(a,b)、Ⅲ(b，c)、Ⅳ(c，+∞)，則：

(3)

2.2 評(píng)價(jià)模型構(gòu)建過程：

(1)步驟一： 數(shù)據(jù)歸一化處理。設(shè)對(duì)有n個(gè)待評(píng)價(jià)的方案，每個(gè)方案用m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來描述，則有方案的指標(biāo)特征值矩陣X=(xij)m×n(i=1,2，…，m；j=1,2，…，n)。

對(duì)特征值矩陣按照下式進(jìn)行歸一化得到相對(duì)優(yōu)屬度矩陣R=(rij)m×n。

效益型：

(4)

成本型：

(5)

式中：sup(Xij)，inf(Xij)分別為同一指標(biāo)下不同方案的指標(biāo)值Xij中的最大值和最小值。

(2)步驟二： 熵權(quán)法確定權(quán)重。對(duì)于n個(gè)待評(píng)價(jià)的方案，m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，按照傳統(tǒng)的熵概念可定義指標(biāo)的熵為：

(6)

其中：

(7)

當(dāng)rij=0時(shí)，lnfij沒有意義。為了使lnfij有意義，對(duì)fij修正為：

(8)

因此，第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)Xi定義為：

(9)

(10)

(11)

式中：ωi為指標(biāo)層相對(duì)權(quán)重。

(4)步驟四：等級(jí)評(píng)價(jià)。根據(jù)已有的資料和各項(xiàng)前人的研究成果[16-19]，結(jié)合實(shí)例研究的具體情況，將水資源保護(hù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分如表2，評(píng)價(jià)等級(jí)得分分級(jí)為表3。

采用加權(quán)平均法，等級(jí)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別對(duì)應(yīng)g=100、90、80、60，計(jì)算公式如下：

(12)

式中：tg是g等級(jí)的隸屬度；k取常數(shù)。

表2 水資源保護(hù)評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分Tab.2 Classification of evaluation indexs of water resources protection

表3 評(píng)價(jià)等級(jí)得分分級(jí)Tab.3 Evaluation grade score grading

3 實(shí)例研究

安康位于陜西省東南部，北依秦嶺，南靠巴山，漢江橫貫東西，是南水北調(diào)中線工程的核心水源區(qū)，承擔(dān)著“一江清水供北京”的光榮使命和政治責(zé)任。近幾年來國家對(duì)安康市水資源保護(hù)投入了大量資金，以期保護(hù)好漢江帶水資源。因此，對(duì)安康市近幾年的水資源保護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)有著重要的意義，為下一步實(shí)際工作的展開起著指導(dǎo)性作用。

根據(jù)安康市統(tǒng)計(jì)局，安康市生態(tài)環(huán)境局，安康市人民政府等網(wǎng)站所公布的安康市統(tǒng)計(jì)年鑒、漢江干流及其主要支流年度水環(huán)境質(zhì)量通報(bào)、安康國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、安康市環(huán)境質(zhì)量公報(bào)等文件，得到安康市2013-2017年指標(biāo)數(shù)據(jù)(其中：集中式飲用水源地為安康市中心城區(qū)共監(jiān)測(cè)的2個(gè)在用市級(jí)集中式生活飲用水水源及15個(gè)在用縣級(jí)集中式生活飲用水水源)，具體數(shù)據(jù)見表4。

運(yùn)用公式(4)、(5)對(duì)表4中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理；運(yùn)用式(6)～(9)計(jì)算所得的客觀權(quán)重值為表5。運(yùn)用式(2)、(3)得水資源保護(hù)評(píng)價(jià)云模型數(shù)字特征為表6。 運(yùn)用X條件云發(fā)生器得綜合隸屬度見表7。

對(duì)于每個(gè)年份，將每個(gè)指標(biāo)所屬的4個(gè)等級(jí)的相對(duì)隸屬度數(shù)值與4個(gè)分值等級(jí)100分、90分、80分、60分應(yīng)用式(12)一一映射，得到2013-2017年對(duì)應(yīng)的16個(gè)指標(biāo)得分情況為表8。

表4 2013-2017年安康市評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)Table.4 Evaluation indicators raw dater of Ankang from 2013 to 2017

表5 指標(biāo)權(quán)重Tab.5 Index weight

表6 云模型數(shù)字特征Tab.6 Cloud model digital features

表7 綜合隸屬度Tab.7 Comprehensive membership

表8 2013-2017年各個(gè)指標(biāo)的得分情況Tab.8 The score of each index from 2013 to 2019

對(duì)于每個(gè)年份，將表7中的綜合隸屬度值代入式(12)中，k取1，得2013-2017年各個(gè)準(zhǔn)則層得分情況為表9，匯成折線圖如圖3。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

總的評(píng)級(jí)結(jié)果為：安康市2013-2017年安康市水資源保護(hù)評(píng)價(jià)結(jié)果均為良好，且2013的總體評(píng)價(jià)結(jié)果要優(yōu)于2014年；而從2014年始，每年的水資源保護(hù)評(píng)價(jià)綜合得分呈上升趨勢(shì)。

表9 2013-2017年水資源保護(hù)評(píng)價(jià)得分Tab.9 Water resource protection evaluation score from 2013 to 2017

圖3 水資源保護(hù)效果評(píng)價(jià)得分 Fig.3 Water resources protection effect evaluation score

2014年得分突然低于2013年原因是當(dāng)年單位面積水資源量大幅度降低、人均水資源量減少，而這兩項(xiàng)指標(biāo)降低的原因是當(dāng)?shù)厮Y源總量的減少。

下面從3個(gè)系統(tǒng)層次進(jìn)行總結(jié)。

從水資源系統(tǒng)層面來看，得分情況與水資源保護(hù)評(píng)價(jià)綜合得分分布趨勢(shì)一致：2014-2016年連續(xù)三年當(dāng)?shù)厮Y源總量相較于2013年和2017年均保持較低水平，這三年時(shí)期內(nèi)，當(dāng)?shù)厮Y源總量保持較低水平，說明這段時(shí)期的水資源涵養(yǎng)條件較差。但同時(shí)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出：安康市2014-2017年連續(xù)四年：水資源開發(fā)利用程度、單位面積水資源量、人均水資源量、水資源年供需平衡指數(shù)四項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)得分均呈現(xiàn)逐年增加趨勢(shì)，說明整個(gè)“十二五”期間，安康市全力推進(jìn)縣城供水管網(wǎng)改造工程，全力推進(jìn)防洪工程建設(shè)，大力推進(jìn)投資建設(shè)農(nóng)村供水工程對(duì)整個(gè)水資源系統(tǒng)起到了促進(jìn)作用。

從水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)層面來看，得分情況從2013年到2017年基本呈穩(wěn)定上升趨勢(shì)。水土流失治理率、植被覆蓋率等指標(biāo)持續(xù)改善說明安康市連續(xù)5年來，大力開展水土流失治理、完成數(shù)公里中小河流新修加固堤防治理任務(wù)等項(xiàng)目為水土流失治理起到了持續(xù)促進(jìn)作用。另外，從評(píng)價(jià)結(jié)果來看，水質(zhì)綜合污染指數(shù)、集中式飲用水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)率4項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)基本穩(wěn)定變優(yōu)、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率連續(xù)5年保持穩(wěn)定優(yōu)秀，說明該市進(jìn)一步推進(jìn)的漢江水質(zhì)保護(hù)工作及各縣生態(tài)保護(hù)工作直接影響了水質(zhì)的極大改善。污徑比、生態(tài)環(huán)境用水率兩項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)不穩(wěn)定說明該市需要進(jìn)一步多措并舉綜合整治城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)河道環(huán)境，同時(shí)需要進(jìn)一步的建設(shè)和完善污水處理設(shè)施來改善該市水環(huán)境。

從社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)來看，得分從2013-2017年基本呈穩(wěn)定上升趨勢(shì)。安康市連續(xù)五年來大力開展農(nóng)田水利建設(shè)，和統(tǒng)計(jì)結(jié)果灌溉水利用系數(shù)連續(xù)五年持續(xù)增長(zhǎng)結(jié)果吻合；安康市持續(xù)開展工業(yè)用水節(jié)能降耗工作，在保持全市GDP連年增長(zhǎng)的情況下，2015-2017年年工業(yè)用水量均低于2013年、2014年年工業(yè)用水量。工業(yè)用水重復(fù)利用率、萬元GDP用水量?jī)身?xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果均呈優(yōu)化趨勢(shì)。

4.2 建 議

(1)選取的水資源保護(hù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)反映問題全面且對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)易獲取，因此該評(píng)價(jià)體系具有普適性，可進(jìn)一步為其他省市行政區(qū)域及其他中小流域水資源保護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)提供參考。

(2)熵權(quán)法作為權(quán)重的計(jì)算方法，主要體現(xiàn)了數(shù)據(jù)的客觀性；可考慮加入決策者主觀權(quán)重考量因素，主客觀權(quán)重結(jié)合以此確定組合權(quán)重，以更加全面的評(píng)價(jià)水資源保護(hù)效果，為下一步水資源保護(hù)決策提供理論支持。

(3)良好，優(yōu)秀等得分等級(jí)的劃分有待于進(jìn)一步嚴(yán)謹(jǐn)化。

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