顧小涵，朱詩(shī)潔，毛勁喬

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

生態(tài)水利工程是在滿足防洪、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)、供水等方面需求的基礎(chǔ)上，綜合考慮水域生態(tài)系統(tǒng)健康和可持續(xù)發(fā)展的綜合性工程[1]，其規(guī)劃設(shè)計(jì)需滿足水利工程和生態(tài)學(xué)的原理。國(guó)內(nèi)外標(biāo)志性生態(tài)水利工程有萊茵河綜合治理工程、都江堰水利工程等[2]。鄱陽(yáng)湖是中國(guó)第一大淡水湖，而濱湖城市又是自然陸地、湖泊、城市生態(tài)的重要交匯區(qū)，因此環(huán)鄱陽(yáng)湖濱湖城市一直都是生態(tài)水利工程建設(shè)的熱點(diǎn)地區(qū)，該類工程建設(shè)與運(yùn)行的成效，對(duì)鄱陽(yáng)湖流域的水生態(tài)文明建設(shè)起著至關(guān)重要的作用。一般認(rèn)為，生態(tài)水利工程有利于促進(jìn)水生態(tài)保護(hù)和流域水系連通，有助于改善因城市建設(shè)和工業(yè)生產(chǎn)引發(fā)的水質(zhì)污染和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，但如何評(píng)價(jià)其對(duì)區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)的影響或改善度，需要進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)判。

生態(tài)評(píng)價(jià)方法可分為定性分析法、數(shù)學(xué)模型法、系統(tǒng)模型法和綜合評(píng)價(jià)法[3]。中國(guó)生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)是借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況逐步發(fā)展起來(lái)的，如吳澤斌[4]采用改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)了龍灘水電工程的生態(tài)環(huán)境影響，陳葉華等[5]采用水動(dòng)力模型定量評(píng)價(jià)了岳陽(yáng)市芭蕉湖-南湖連通工程的水系連通性，姚杰等[6]采用綜合主成分分析法評(píng)價(jià)了灌區(qū)節(jié)水改造工程的水利效益，均取得了較好效果。環(huán)鄱陽(yáng)湖城市生態(tài)系統(tǒng)是系統(tǒng)性和層次性都很強(qiáng)的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，涉及面較廣，選取正確的評(píng)價(jià)方法尤為重要。

作為典型的環(huán)鄱陽(yáng)湖濱湖城市，共青城市積極響應(yīng)國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的號(hào)召，大力推進(jìn)生態(tài)水利工程建設(shè)，主要包括河湖水系連通治理工程、生態(tài)修復(fù)工程、農(nóng)業(yè)節(jié)水工程等，但目前關(guān)于共青城市生態(tài)水利工程的研究還較少。該問(wèn)題具有涉及面廣、影響因素眾多、結(jié)構(gòu)關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)，因此本文擬采用主成分分析法，以共青城市為評(píng)價(jià)主體，綜合選取多項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)建立評(píng)價(jià)體系，構(gòu)建主成分分析模型，綜合衡量其水利工程效益，為環(huán)鄱陽(yáng)湖區(qū)域生態(tài)水利運(yùn)行管理提供技術(shù)參考。

1 基于主成分分析法的生態(tài)水利效益評(píng)價(jià)方法

1.1 主成分分析法原理

主成分分析法是一種將多維因子納入同一系統(tǒng)進(jìn)行定量化研究、理論比較完善的多元統(tǒng)計(jì)分析方法[7]，在簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)但保持原有信息的基礎(chǔ)上，將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)綜合指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)從高維度空間到低維度空間的轉(zhuǎn)換[8]，可以有效降低計(jì)算量。

1.2 具體步驟

1.2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

本文將濱湖城市生態(tài)水利評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分解為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層[9]，主要從經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)等多方面綜合考慮選取評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成評(píng)價(jià)指標(biāo)集。

1.2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)預(yù)處理

為消除各指標(biāo)量綱的影響，在構(gòu)建主成分分析模型之前需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即將量綱歸一化。先用取倒數(shù)的方法將負(fù)向指標(biāo)變換成正向指標(biāo)，之后利用標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化法將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)算公式見(jiàn)式(1)：

(1)

1.2.3適用性檢驗(yàn)

相關(guān)系數(shù)是反映標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)之間密切程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)[10]，其絕對(duì)值越大，表明變量之間相關(guān)性越密切，通過(guò)適用性檢驗(yàn)判斷原始變量之間的相關(guān)性，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的可行性，以及是否適合做主成分分析。

1.2.4計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣R

將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，由式(3)計(jì)算相關(guān)系數(shù)，構(gòu)建相關(guān)系數(shù)矩陣R。

(2)

式中ρij——原變量xi與xj的相關(guān)系數(shù)，ρij=ρji(i=1，2，3，……，p；j=1，2，3，……，p)。

相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為：

(3)

1.2.5主成分分析

計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣R的特征值λi、方差貢獻(xiàn)率Bi和累積貢獻(xiàn)率Mm，方差貢獻(xiàn)率Bi表示各主成分的信息量，計(jì)算公式為：

(4)

累積貢獻(xiàn)率Mm反映了前m個(gè)主成分的信息綜合能力，計(jì)算公式為：

(5)

將每個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的特征值、方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率匯總成表，作為確定主成分的依據(jù)。

1.2.6計(jì)算因子載荷矩陣

進(jìn)一步計(jì)算所選主成分的標(biāo)準(zhǔn)化正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣，主成分載荷反映了主成分與原變量之間的相互關(guān)聯(lián)度，其計(jì)算公式為：

(6)

對(duì)于主成分因子載荷矩陣，相關(guān)系數(shù)(絕對(duì)值)越大，意味著主成分對(duì)該變量的代表性也越大，正值表示與該主成分正相關(guān)，負(fù)值則表示負(fù)相關(guān)。其中，主成分Fi的計(jì)算公式如下：

(7)

1.2.7綜合得分

加權(quán)求和計(jì)算綜合得分，權(quán)數(shù)wi為每個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率即每個(gè)主成分對(duì)應(yīng)特征值占提取的主成分的特征值之和的比重[11]，由指數(shù)模型計(jì)算得到最終的綜合分?jǐn)?shù)：

I=w1×F1+w2×F2

(8)

其中，主成分表示為式(9)：

(9)

式中uki——第i個(gè)主成分下第k個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的因子載荷系數(shù)；Zxk——第k個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

2 生態(tài)水利效益評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

2.1 研究區(qū)域概況

共青城位于江西省北部，鄱陽(yáng)湖西岸，具體地理位置見(jiàn)圖1。地勢(shì)西北高、東南低，屬長(zhǎng)江流域亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，溫暖濕潤(rùn)，年平均溫度16.7℃，年降雨量1 366 mm，年平均相對(duì)濕度78.79%。區(qū)域內(nèi)水系屬于鄱陽(yáng)湖水系，地表水資源量1.11億m3，地下水資源量0.32億m3。區(qū)域土壤類型主要為水稻土和紅壤土，地帶性植被主要為常綠闊葉林。截至2019年，共青城土地總面積310 km2，人口總數(shù)約22萬(wàn)，全年生產(chǎn)總值147.45億元，與2018年相比增長(zhǎng)8.6%。

圖1 共青城市行政區(qū)劃

2010年以來(lái)，隨著城市化進(jìn)程，城市工農(nóng)業(yè)廢水、生活污水排放量顯著增加，河湖連通性下降，珍珠河、南湖、鄱陽(yáng)河入水口斷面水質(zhì)已達(dá)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。2018年，共青城市生態(tài)水利工程正式投入運(yùn)行，包括水系連通工程、生態(tài)修復(fù)工程、農(nóng)業(yè)水利工程等，以實(shí)現(xiàn)南湖和東湖連通，促進(jìn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)良性水循環(huán)。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

生態(tài)水利的效應(yīng)是綜合性的，反映在經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)等多個(gè)方面。為增強(qiáng)區(qū)域生態(tài)水利效益評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀科學(xué)性，本文根據(jù)評(píng)價(jià)主體特性，確定適用性、層次性、可操作性、科學(xué)性和動(dòng)態(tài)性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取原則[12-14]，結(jié)合目標(biāo)分析法和理論分析法劃分評(píng)價(jià)體系，以共青城市生態(tài)水利效益評(píng)價(jià)為目標(biāo)層，準(zhǔn)則層選取經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境和社會(huì)三方面效益，指標(biāo)層包括20項(xiàng)具體評(píng)價(jià)指標(biāo)，共同構(gòu)成共青城市生態(tài)水利效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。表中指標(biāo)屬性涉及“+”“-”2種屬性，指標(biāo)屬性為“+”，表明指標(biāo)值越高，對(duì)共青城市生態(tài)水利效益越有利；指標(biāo)屬性為“-”，表明指標(biāo)值越低，對(duì)共青城市生態(tài)水利效益越有利。

表1 共青城市生態(tài)水利效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3 評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

根據(jù)HJ 192—2015《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合評(píng)價(jià)區(qū)域的實(shí)際特征，將生態(tài)水利效應(yīng)影響下的城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和各評(píng)價(jià)指標(biāo)由高到低劃分為5個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量描述如下。①Ⅰ級(jí)：城市生態(tài)環(huán)境優(yōu)良，各類系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)發(fā)展，環(huán)境污染控制和城市生態(tài)建設(shè)頗有成效；②Ⅱ級(jí)：城市生態(tài)環(huán)境良好，各類系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)性較好，污染控制和城市生態(tài)建設(shè)效果較好；③Ⅲ級(jí)：城市生態(tài)環(huán)境一般，各類系統(tǒng)之間基本能協(xié)調(diào)發(fā)展，城市生態(tài)建設(shè)程度一般；④Ⅳ級(jí)：城市存在明顯的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，需要大力加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)；⑤Ⅴ級(jí)：城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡劣，不利于人類長(zhǎng)期生存和發(fā)展。

2.4 數(shù)據(jù)來(lái)源

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自《共青城市總體規(guī)劃(2012—2030)》《共青城2019年政府工作報(bào)告》《九江統(tǒng)計(jì)年鑒——2019》《共青城市生態(tài)市建設(shè)規(guī)劃(2012—2020)》《共青城市低碳城市試點(diǎn)實(shí)施方案》《共青城統(tǒng)計(jì)月報(bào)》，遙感圖像來(lái)源于美國(guó)USGS官網(wǎng)發(fā)布的2018年10月3日至2018年10月10日、類型為L(zhǎng)andsat Level-1的遙感圖像。水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間范圍為2018年11月至2019年9月，選取溶解氧、pH、高錳酸鹽、氨氮、總磷5個(gè)最常見(jiàn)、易于采集數(shù)據(jù)的地表水水質(zhì)指標(biāo)，以便采用水質(zhì)污染綜合指數(shù)[18]進(jìn)行量化。

2.5 主成分分析法應(yīng)用

依據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.3的占總系數(shù)的92.0%，表明原始變量大多數(shù)之間的相關(guān)性很強(qiáng)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化可行，適合做主成分分析。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣R的特征值λi、方差貢獻(xiàn)率Bi和累積貢獻(xiàn)率Mm，匯總見(jiàn)表2。

表2 共青城市生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)的特征值和貢獻(xiàn)率

提取特征值大于1或者累積貢獻(xiàn)率大于85%的因子為主成分，表中前兩項(xiàng)的特征值大于1且累計(jì)貢獻(xiàn)率為97.521%，大于85%，表明前兩項(xiàng)作為主成分有較高的可信度，可以基本涵蓋全部數(shù)據(jù)的信息，因此選取前兩項(xiàng)作為共青城市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的主成分因子。加權(quán)求和計(jì)算綜合得分，將各指標(biāo)等級(jí)和實(shí)測(cè)值的綜合得分匯總見(jiàn)表3，最終得到2019年共青城市生態(tài)評(píng)價(jià)得分為1.253 8，質(zhì)量等級(jí)隸屬Ⅲ級(jí)。

表3 綜合得分

2.6 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

水利工程建設(shè)和運(yùn)行對(duì)河流生態(tài)環(huán)境的功能和系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生影響[19]，進(jìn)而影響周邊區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)。對(duì)共青城市開(kāi)展生態(tài)水利效益評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，在鄱陽(yáng)湖生態(tài)水利工程影響下的共青城市2019年生態(tài)水利效益評(píng)價(jià)得分為1.253 8，整體質(zhì)量等級(jí)歸屬Ⅲ級(jí)，各類系統(tǒng)之間基本能協(xié)調(diào)發(fā)展，城市生態(tài)建設(shè)程度一般，具體反映在各準(zhǔn)則層的評(píng)價(jià)指標(biāo)上，由圖2可以得到以下結(jié)論。

a)經(jīng)濟(jì)效益層面，生態(tài)水利工程建設(shè)運(yùn)行增加了投資機(jī)遇。人均GDP指標(biāo)達(dá)到Ⅰ級(jí)水平，土地開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度指標(biāo)位于Ⅲ級(jí)水平，共青城土地開(kāi)發(fā)利用程度中等；可利用水資源指標(biāo)偏Ⅴ級(jí)，盡管工程優(yōu)化了水資源配置，增加了區(qū)域水資源總量，但是人口增長(zhǎng)和圍湖造田等因素還是造成了人均水資源量趨于下降；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)偏Ⅲ級(jí)，表明農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)程度適中；經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整指標(biāo)位于Ⅳ級(jí)水平，表明工程建設(shè)運(yùn)行促進(jìn)了科技和服務(wù)業(yè)的發(fā)展，改善了第三產(chǎn)業(yè)占比。

b)生態(tài)環(huán)境效益層面，隨著共青城生態(tài)水利工程的投入運(yùn)行，共青城努力推進(jìn)低碳城市試點(diǎn)方案，加大廢水處理力度，取得了成效；水質(zhì)達(dá)標(biāo)率指標(biāo)位于Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)之間，區(qū)域水質(zhì)狀況有所改善；共青城市耕地面積占比較高，鄱陽(yáng)湖農(nóng)業(yè)生態(tài)水利工程增加了灌溉水源，適量灌溉有利于加速有機(jī)化合物的溶解和吸收，從而減少農(nóng)藥化肥的使用量；空氣質(zhì)量指標(biāo)介于Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)之間，空氣質(zhì)量狀況良好；土壤質(zhì)量指標(biāo)處于Ⅰ級(jí)水平，底棲生物物種多樣性指標(biāo)和濕地分布情況指標(biāo)都處于Ⅴ級(jí)，除了已經(jīng)建設(shè)的濕地保護(hù)區(qū)之外，其他地區(qū)濕地分布較少，濕地保護(hù)力度不足；得益于水系連通工程，水系連通程度指標(biāo)Ⅰ級(jí)，區(qū)域內(nèi)水系交錯(cuò)，地表水資源充足；生態(tài)修復(fù)工程增加植被覆蓋，植被覆蓋度指標(biāo)Ⅱ級(jí)，區(qū)域植被資源充足；區(qū)域降水量指標(biāo)Ⅲ級(jí)，在全國(guó)范圍內(nèi)屬于中等水平。

c)社會(huì)效益層面，共青城人口密度指標(biāo)偏Ⅳ級(jí)，人口密集度不高，在城市承載力之內(nèi)；人居環(huán)境指標(biāo)介于Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)之間，表征在生態(tài)水利概念的輻射下，共青城政府注重生態(tài)建設(shè)，加大環(huán)境保護(hù)力度；區(qū)域旅游觀光指標(biāo)Ⅱ級(jí)，生態(tài)水利工程有助于營(yíng)造旅游資源，有利于綠色發(fā)展；防洪減災(zāi)指標(biāo)偏Ⅳ級(jí)，通過(guò)建設(shè)圩堤除險(xiǎn)加固工程，共青城防汛條件大大改善，防洪效益顯著。

a)經(jīng)濟(jì)效益準(zhǔn)則層的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)

b)生態(tài)環(huán)境效益準(zhǔn)則層的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)

c)社會(huì)效益準(zhǔn)則層的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)圖2 評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)

3 結(jié)論

針對(duì)環(huán)鄱陽(yáng)湖濱湖城市的生態(tài)水利工程效益開(kāi)展評(píng)價(jià)，構(gòu)建了包含經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)環(huán)境效益、社會(huì)效益3個(gè)方面、20項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的生態(tài)水利效益評(píng)價(jià)體系，利用主成分分析模型開(kāi)展了定性與定量相結(jié)合的評(píng)價(jià)研究。以共青城為典型案例，進(jìn)行模型應(yīng)用與方法研究，結(jié)果表明共青城生態(tài)環(huán)境等級(jí)隸屬Ⅲ級(jí)，區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平良好，生態(tài)城市建設(shè)和社會(huì)保障制度較為完善。以此為依托，共青城應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，改善經(jīng)濟(jì)發(fā)展環(huán)境，深化綠色發(fā)展。本文提出的生態(tài)水利效益評(píng)價(jià)體系及主成分分析模型，能兼顧多指標(biāo)的綜合效應(yīng)，適用于濱湖城市的生態(tài)水利效益定量評(píng)價(jià)，為生態(tài)水利建設(shè)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)手段。