趙晨程，高玉琴，劉 鉞，吳 迪

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

水生態(tài)文明是生態(tài)文明的重要組成部分[1]，也是河長(zhǎng)制實(shí)施的最終目標(biāo)。準(zhǔn)確定義生態(tài)河道，建立科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具有重要的指導(dǎo)意義和研究?jī)r(jià)值。

目前，在生態(tài)河道建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)方法等方面已有諸多研究。陳平等[2]認(rèn)為生態(tài)河道建設(shè)要重視整治后原有生物群落的恢復(fù)，構(gòu)建了5個(gè)指標(biāo)群的生態(tài)河道評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；高曉琴等[3]指出生態(tài)河道治理經(jīng)歷了自然型河道階段和生態(tài)型河道階段，河流生態(tài)修復(fù)需要同時(shí)考慮河床水體和河岸帶生態(tài)恢復(fù)的作用，兼顧河道安全和生態(tài)健康，將城市生態(tài)系統(tǒng)影響納入生態(tài)河道建設(shè)；左倬等[4]根據(jù)中國(guó)城市河道生態(tài)建設(shè)特點(diǎn)，選取濱岸帶生境、濱岸帶生物群落、河床生態(tài)環(huán)境、河床生物群落和特征指標(biāo)群5個(gè)一級(jí)指標(biāo)以及23個(gè)二級(jí)指標(biāo)，構(gòu)建城市河道生態(tài)符合指數(shù)的概念，定量描述城市河道生態(tài)水平；曹文彪等[5]使用基于層次分析法的模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)崇明島河流生態(tài)進(jìn)行研究；Reheman等[6]以Landsat遙感影像和水文數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，對(duì)比分析水利工程建設(shè)前后區(qū)域植被覆蓋變化特征，表明水利工程建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境有修復(fù)作用，促進(jìn)了水資源高效利用；熊坤楊[7]基于河道水質(zhì)、河道環(huán)境、河內(nèi)物種、生態(tài)需水量、水利功能、河道管理等6個(gè)指標(biāo)建立了較為系統(tǒng)的生態(tài)河道評(píng)價(jià)體系。

云模型是基于傳統(tǒng)概率統(tǒng)計(jì)和模糊數(shù)據(jù)衍生而來(lái)的定量、定性轉(zhuǎn)換模型，其數(shù)字特征可有效表現(xiàn)定性概念的定量特性[8]，兼顧事物的模糊性和隨機(jī)性。云模型評(píng)價(jià)方法在水利領(lǐng)域已應(yīng)用于流域綜合評(píng)價(jià)[9]、水資源保護(hù)效果評(píng)價(jià)[10]、河長(zhǎng)制考核評(píng)價(jià)[11]、低影響開(kāi)發(fā)措施綜合效益評(píng)價(jià)[12]等方面，而采用云模型對(duì)生態(tài)河道建設(shè)進(jìn)行評(píng)價(jià)的研究還不多見(jiàn)。本文以江蘇省宿遷市為例利用云模型對(duì)生態(tài)河道建設(shè)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 生態(tài)河道建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

生態(tài)河道建設(shè)主要依靠自然作用，通過(guò)少量人為方式，在符合河道基本水利功能的前提下維持河道的生態(tài)平衡和生物多樣性[13]，建設(shè)城市生態(tài)河道的目的是維持河道水質(zhì)、水量以及生態(tài)的有機(jī)統(tǒng)一[14]。生態(tài)河道建設(shè)應(yīng)重視發(fā)揮生態(tài)服務(wù)功能和完善生態(tài)保育功能，維持河道正常運(yùn)行的環(huán)境條件，為人類和自然提供生態(tài)服務(wù)；生態(tài)河道建設(shè)應(yīng)保證生態(tài)結(jié)構(gòu)完整性，當(dāng)生態(tài)河道建設(shè)發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)干擾問(wèn)題時(shí)，應(yīng)可及時(shí)恢復(fù)原生態(tài)結(jié)構(gòu)。

生態(tài)河道建設(shè)總體目標(biāo)為：有效保障水安全、永續(xù)利用水資源、保持水環(huán)境整潔優(yōu)美、保持水生態(tài)系統(tǒng)健康、傳承弘揚(yáng)水文化。我國(guó)應(yīng)從以下幾方面落實(shí)生態(tài)河道建設(shè)：建成防洪減災(zāi)體系，高效利用水資源，維護(hù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展，落實(shí)水資源管理制度，保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展；優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，減少污染排放，降低環(huán)境自凈負(fù)荷，治理河湖亂占、亂建、亂排的“三亂”現(xiàn)象；消除黑臭水體，溝通水系，涵養(yǎng)水源，修復(fù)河湖生態(tài)；保護(hù)、挖掘、弘揚(yáng)水文化，豐富水文化內(nèi)涵；實(shí)現(xiàn)河湖資源有序利用，完善河湖長(zhǎng)效管護(hù)體制機(jī)制。

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本文根據(jù)中央、省、市關(guān)于生態(tài)文明建設(shè)的決策部署要求，參照《宿遷市生態(tài)河湖行動(dòng)計(jì)劃(2018—2020年)》，選擇水安全保障、水資源保護(hù)、水污染防治、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)、水文化建設(shè)、水工程管護(hù)、水制度創(chuàng)新8個(gè)方面的30項(xiàng)指標(biāo)，建立生態(tài)河道建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示，各指標(biāo)通過(guò)定量數(shù)值來(lái)體現(xiàn)，除底泥污染程度按5分制計(jì)算外，其余各指標(biāo)均以百分制計(jì)算。

圖1 生態(tài)河道建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 評(píng)價(jià)等級(jí)與標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)數(shù)值大小和相關(guān)評(píng)價(jià)文獻(xiàn)[2,5,9,11]將生態(tài)河道建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分為5個(gè)等級(jí)：不合格、合格、中等、良好和優(yōu)秀，評(píng)價(jià)指標(biāo)各等級(jí)數(shù)值范圍見(jiàn)表1。

表1 生態(tài)河道建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)與標(biāo)準(zhǔn)

2 基于云模型的生態(tài)河道建設(shè)評(píng)價(jià)模型

2.1 云模型理論

云模型概念最初由李德毅院士提出[15]，按機(jī)制可分為正向云發(fā)生器(forward cloud generator, FCG)、逆向云發(fā)生器(backward cloud generator, BCG)和條件云發(fā)生器，按不同形式隸屬函數(shù)可分為不同類型的云模型。正態(tài)分布現(xiàn)象在自然界極為普遍，許多大樣本統(tǒng)計(jì)量近似服從正態(tài)分布，正態(tài)云模型能反映和描述其中的模糊性和不確定性[16]，因此得到廣泛應(yīng)用。

正態(tài)云模型采用期望Ex、熵En、超熵He作為特征值。期望即數(shù)學(xué)期望，反映所有云滴的平均值，熵反映云滴之間的離散程度，超熵反映熵的不確定程度。云模型通過(guò)云發(fā)生器完成特征與云滴的互相轉(zhuǎn)換，F(xiàn)CG是定性轉(zhuǎn)向定量的過(guò)程，通過(guò)云的數(shù)字特征生成大量云滴和對(duì)應(yīng)的隸屬度；BCG則相反，通過(guò)定量的樣本(x)和確定度(μ)計(jì)算出云模型的定性概念(Ex，En，He)；條件云發(fā)生器以特定的X條件或Y條件作為規(guī)則產(chǎn)生隸屬度。

2.2 云模型計(jì)算指標(biāo)權(quán)重和指標(biāo)等級(jí)

收集若干專家對(duì)指標(biāo)賦予的權(quán)重，通過(guò)BCG求解每個(gè)項(xiàng)目的云數(shù)字特征(Ex，En，He)，通過(guò)FCG生成更多云滴，將確定度μ最大時(shí)對(duì)應(yīng)的x作為對(duì)應(yīng)指標(biāo)Ci的權(quán)重計(jì)算值[17]，對(duì)指標(biāo)的隸屬度進(jìn)行歸一化處理[18]?？紤]到最大隸屬度準(zhǔn)則可能造成評(píng)價(jià)結(jié)果信息損失，進(jìn)而影響評(píng)價(jià)效果，本文采用級(jí)別特征值法進(jìn)行評(píng)價(jià)等級(jí)判斷，即不合格、合格、中等、良好和優(yōu)秀分別為50、60、75、85和95，最后得到總體評(píng)分和評(píng)價(jià)等級(jí)。

2.3 云模型評(píng)價(jià)流程

將專家打分結(jié)果輸入云模型中，利用BCG生成相應(yīng)的云數(shù)字特征后，將獲取的云數(shù)字特征輸入FCG實(shí)現(xiàn)云滴的有效補(bǔ)充，依據(jù)生成的云數(shù)字特征評(píng)價(jià)生態(tài)河道建設(shè)情況?；谠颇Ｐ偷纳鷳B(tài)河道建設(shè)評(píng)價(jià)流程如圖2所示。

圖2 云模型生態(tài)河道建設(shè)評(píng)價(jià)流程

3 實(shí)例評(píng)價(jià)

3.1 江蘇省宿遷市生態(tài)河道基本情況

宿遷市位于江蘇省北部，地處淮、沂沭泗水系下游，有2區(qū)3縣，總面積8 555 km2。全市共有2 045條縣鄉(xiāng)以上河道、5 655條村級(jí)河道，近 8 000名河長(zhǎng)、警長(zhǎng)。至今已完成10條生態(tài)示范河道建設(shè)，整治骨干河道20余條，啟動(dòng)西南片區(qū)水環(huán)境規(guī)劃方案編制，開(kāi)展水環(huán)境治理。2018年全市年用水量控制在29.3億m3以內(nèi)，萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值用水量為101.3 m3。2018年完成重點(diǎn)水利工程投資4.44億元，區(qū)域防洪除澇能力得到進(jìn)一步增強(qiáng)。近年來(lái)大力推進(jìn)生態(tài)河道建設(shè)，提出“一核、兩湖、三片、四廊、多點(diǎn)”的概念[19]，市河長(zhǎng)制辦公室先后開(kāi)展5輪月督查、18輪河湖“三亂”專項(xiàng)督查，解決了一批歷史積累的問(wèn)題，為宿遷市水生態(tài)文明建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和民生改善提供了有力保障。

3.2 云模型指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

邀請(qǐng)10名專家對(duì)生態(tài)河道建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)打分，得到各一級(jí)指標(biāo)初始權(quán)重，通過(guò)云模型BCG計(jì)算每個(gè)樣本的特征值，通過(guò)FCG補(bǔ)充云滴，模擬1 000位專家的指標(biāo)權(quán)重，將均值作為最終權(quán)重結(jié)果，如表2所示，各一級(jí)指標(biāo)的云數(shù)字特征如表3所示。重復(fù)以上過(guò)程分別求出云模型各指標(biāo)在子體系中的權(quán)重以及在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的權(quán)重，如表4所示，各指標(biāo)體系權(quán)重云模型如圖3所示。

表2 一級(jí)指標(biāo)權(quán)重專家評(píng)估值及云模型計(jì)算值

表3 一級(jí)指標(biāo)云數(shù)字特征

表4 子體系各指標(biāo)云數(shù)字特征及權(quán)重

(a) 生態(tài)河道建設(shè)體系

3.3 云模型評(píng)價(jià)等級(jí)計(jì)算

根據(jù)宿遷市生態(tài)河道建設(shè)情況，通過(guò)條件云發(fā)生器計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)不同等級(jí)的隸屬度(表5)，最后通過(guò)級(jí)別特征值法[20]求出各評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)值，如表5所示。

表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)隸屬度和指標(biāo)評(píng)價(jià)值

3.4 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

由云模型指標(biāo)權(quán)重(表4)和指標(biāo)評(píng)價(jià)值(表5)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算可得2018年宿遷市生態(tài)河道建設(shè)綜合評(píng)價(jià)值為89.52，屬于良好水平，各子指標(biāo)體系B1～B8的綜合評(píng)價(jià)值分別為94.32、80.36、86.98、92.04、87.67、89.38、91.90、94.92，其中水資源保護(hù)子體系評(píng)價(jià)值較低，為80.36，其余在85～95之間。主要原因是宿遷市地表與地下水資源量較少，主要依賴上游來(lái)水，水資源開(kāi)發(fā)利用程度過(guò)高，遠(yuǎn)高于國(guó)際公認(rèn)的40%警戒線。此外，為改善生態(tài)河道狀況，還應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)村面源污染治理和船舶污染防治，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，從源頭減少污染物的排放，提升水生態(tài)承載力。

4 結(jié) 語(yǔ)

生態(tài)河道建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系需要結(jié)合水資源、水質(zhì)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境等因素，指標(biāo)多、涉及面廣，且不同河道間存在類型、結(jié)構(gòu)、功能上的差異，需要選擇易于理解、便于監(jiān)測(cè)、可操作性強(qiáng)的關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)表征河道生態(tài)健康的總體狀況。本文將云模型應(yīng)用于宿遷市生態(tài)河道建設(shè)評(píng)價(jià)，在建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重和評(píng)價(jià)等級(jí)，用級(jí)別特征值法計(jì)算最終評(píng)價(jià)值，驗(yàn)證了結(jié)果的合理性。正態(tài)云模型的適用性較廣泛，可以很好地處理等級(jí)邊界隸屬度問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算每個(gè)指標(biāo)在不同評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，綜合判定最終指標(biāo)等級(jí)，使得指標(biāo)等級(jí)隸屬度模糊化，邊界過(guò)渡自然，具有一定的實(shí)用價(jià)值。運(yùn)用云模型計(jì)算權(quán)重時(shí)，初始權(quán)重具有較強(qiáng)的主觀性，需要專家對(duì)實(shí)際情況有較深的理解，提高初始權(quán)重的客觀性，避免主觀意愿對(duì)結(jié)果造成較大影響。