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。
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。
1.2.1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。
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)。
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
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。
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。
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
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)
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。