趙 瑾，李 茂，楊金娥，王艷俐，王玉才

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

河流在人類文明的形成和發(fā)展中有著決定性的作用[1]。隨著氣候變化和強人類活動對河流的影響，河流斷流、河水污染等一系列問題隨之出現(xiàn)，因此對河流治理和評價成為全球面臨的重要問題之一，受到學(xué)者的普遍關(guān)注[2-5]。甘肅長江流域作為長江上游重要的水源涵養(yǎng)地和甘肅南部重要的生態(tài)保障，其特有的生態(tài)環(huán)境資源，為“隴上江南”的發(fā)展提供了基礎(chǔ)保障。然而甘肅長江流域在支撐流域發(fā)展的同時，也同樣面臨著水資源失衡、水環(huán)境污染、水生態(tài)透支的水生態(tài)安全問題[6-7]。甘肅長江流域地處黃土高原和青藏高原交錯帶，是長江上游主要的水源涵養(yǎng)區(qū)，但因為地形復(fù)雜，水土流失嚴重的原因使其成為了長江流域環(huán)境脆弱區(qū)，阻礙了人類社會經(jīng)濟的高質(zhì)量發(fā)展[8]，然而從幸福河概念提出以來，學(xué)者們對該流域幸福河評價體系構(gòu)建相關(guān)的研究還較少，本文期望建立一個適宜于該流域的幸福河評價體系。

幸福是一個主觀的感受，不同的人對于幸福有不同的解讀。馬克思主義幸福論[9]認為，幸福是人們在實現(xiàn)物質(zhì)物質(zhì)生活和精神生活過程中得到的精神上的滿足。在幸福河的研究中，眾多學(xué)者也認為不能“在水言水”僅僅研究河流生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)該兼顧人類經(jīng)濟社會發(fā)展以及人水和諧共處兩方面。左其亭[10]等從人水和諧的角度出發(fā)，認為幸福河是指河流安全流暢、水資源供需相對平衡、河流生態(tài)系統(tǒng)健康。陳茂山[11]等人從河流自然屬性和社會屬性兩個方面出發(fā)，闡述了幸福河的內(nèi)涵，即能滿足人民群眾對美好生活的向往、能維持河流生態(tài)系統(tǒng)自身的健康、能實現(xiàn)流域高質(zhì)量發(fā)展。唐克旺[12]從心理學(xué)的角度出發(fā)，要求幸福河需要滿足人民的心理滿意度。劉蒨[13]從馬克思主義幸福觀的角度出發(fā)，認為幸福河需要滿足人類精神需求和物質(zhì)需求。中國水利水電科學(xué)研究院幸福河研究課題組[14]則從防洪保安全、優(yōu)質(zhì)水資源、宜居水環(huán)境、健康水生態(tài)、先進水文化5個層面解析了建設(shè)幸福河的需求，將幸福河定義為集安瀾、富民、宜居、生態(tài)以及文化的統(tǒng)稱。左其亭[15]等提出“單指標量化-多指標綜合-多準則集成(SMI-P)”的方法，對黃河流域2017年河流幸福程度進行研究。程常高[16]應(yīng)用變權(quán)理論和模糊綜合評價法，按照“目標-準則-指標”建立評價體系，對太湖流域開展幸福河湖評價研究。王何予[17]等在對漢江湖北省域的研究中采用幸福河指數(shù)(HRI)和可持續(xù)發(fā)展綜合指標(SDCI)兩種評價方法，驗證了評價結(jié)果的可靠性。目前，幸福河湖評價體系的研究尚處于起步階段，更多的是對于概念、內(nèi)涵方面進行理論討論，定量的分析較少。

基于上述背景，本文基于熵權(quán)-TOPSIS模型，以幸福河概念內(nèi)涵為基礎(chǔ)，從河流生態(tài)健康、持續(xù)供給、人水和諧3個方向構(gòu)建幸福河綜合評價指標體，并對長江流域甘肅省段進行綜合評價，以期為幸福河建設(shè)和評價提供思路。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

甘肅長江流域位于甘肅南部，分嘉陵江(包括白龍江)和漢江2個水系，流域內(nèi)人口287×104人(2021年)，流域總面積3.85×104km2，涉及天水、隴南、甘南3市(州)。流域內(nèi)山大溝深，水資源較其他地區(qū)豐富，據(jù)《甘肅省水資源公報(2021)》統(tǒng)計，2021年降水量646.8mm，水資源總量114.37×108m3。

1.2 數(shù)據(jù)來源

幸福河評價指標的原始數(shù)據(jù)來源于2012—2021年《甘肅省水資源公報》《甘肅省水土保持公報》《甘肅水利發(fā)展年鑒》等。

2 研究方法

2.1 指標體系構(gòu)建

通過對甘肅長江流域河流生態(tài)健康情況、水資源持續(xù)供給能力以及人水和諧共處的綜合分析，結(jié)合幸福河評價體系建立相關(guān)的研究成果[18-21]及水資源實際使用情況，考慮甘肅長江流域各指標的易獲取性、可操作性、代表性以及定量與定性相統(tǒng)一的原則，構(gòu)建由生態(tài)健康、持續(xù)供給、人水和諧3個準則層，15個指標組成的“目標-準則-指標”3層級綜合評價體系，見表1。

表1 幸福河評價指標體系

2.2 權(quán)重計算

科學(xué)合理的計算評價指標的權(quán)重，對研究結(jié)果的可行度具有重要作用。在幸福河評價中，指標間關(guān)系復(fù)雜，運用單一的方法難以解釋各評價指標對幸福指數(shù)的影響程度，因此采用熵權(quán)法來計算權(quán)重，可以有效減少主觀因素的干擾，使賦權(quán)結(jié)果更加客觀。熵權(quán)法是一種常見的能克服主觀因素的客觀賦權(quán)法，是利用樣本數(shù)據(jù)在各評價對象中的差異性來確定權(quán)重的，熵是一個系統(tǒng)無序程度的度量，如果指標的信息熵越小，那么它提供的信息量就越大，在綜合評價中就會占更高的權(quán)重[22]。熵權(quán)法的計算步驟如下：

(1)搜集各評價指標的原始數(shù)據(jù)，構(gòu)建原始數(shù)據(jù)矩陣：

(1)

式中，aij—第i個評價對象的第j個指標的原始數(shù)據(jù)，i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；m—所選評價指標的總個數(shù)；n—評價對象總個數(shù)。

(2)收集到原始數(shù)據(jù)后，由于量綱不統(tǒng)一，需進行標準化處理，文中采用極差標準化法對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理。

對于越大越安全的正向指標：

(2)

對于越小越安全的負向指標：

(3)

對于選取的15項指標，廢污水排放總量、工業(yè)污水排放量、農(nóng)田灌溉用水量、工業(yè)用水量、居民生活用水量、耗水率、人口密度、單位工業(yè)增加值用水量8項指標屬于值越小幸福指數(shù)越高的負向指標，按照(3)式計算；其余7項指標按照(2)式計算。

(3)熵權(quán)法計算公式如下：

(4)

(5)

(6)

式中，m—評價指標個數(shù)，取16；n—評價年份數(shù)，取10；Ei—信息熵；fij—指標比重，當fij=0時，Ei=0；wi1—指標權(quán)重。

2.3 基于TOPSIS模型的幸福河評價

TOPSIS法能充分利用原始數(shù)據(jù)的信息，其結(jié)果能精確反映各評價方案之間的差距[23]。被廣泛用于水資源承載力研究[24]、城市土地利用績效評價研究[25]等。其通過對比各方案與理想解的歐氏距離來進行評價方案的優(yōu)劣排序，具有真實、直觀、可靠的優(yōu)點，而且對樣本資料沒有特殊要求。相較于傳統(tǒng)TOPSIS模型中采用的主觀賦權(quán)法，熵權(quán)-TOPSIS模型極大程度上克服了主觀因素帶來的影響。主要計算步驟如下：

(1)用上文中處理完后的標準化數(shù)據(jù)構(gòu)建標準化評價矩陣：

(7)

式中，C—標準化評價矩陣；cij—第i個評價對象第j個評價指標的標準化數(shù)值。

(2)對標準化矩陣進行處理，構(gòu)建決策矩陣：

(8)

式中，cnm—第n個評價對象第m個評價指標的標準化數(shù)值；wm—指標權(quán)重。

(3)確定有限方案中的最優(yōu)以及最劣方案。

最優(yōu)方案為：

(9)

最劣方案為：

(10)

(4)計算各評價對象與最優(yōu)方案及最劣方案之間的歐式距離。

與最優(yōu)方案的加權(quán)歐式距離為：

(11)

與最劣方案的加權(quán)歐式距離為：

(12)

(5)計算各評價對象與最優(yōu)方案之間的相對貼近程度，參照以下公式：

(13)

式中，Si—第i個評價對象的河流幸福程度與理想解的接近程度，取值范圍為[0，1]，值越大說明越貼近最優(yōu)方案。

基于前人成果，文中將貼近度劃分為5個等級，分別代表5種狀態(tài)，具體分級見表2。

表2 幸福河評價等級標準

2.4 構(gòu)建障礙度模型

為了進一步診斷影響河流幸福程度的主要障礙因子，引入障礙度模型，通過各指標的貢獻度、指標偏差度來計算障礙度值，具體公式如下：

(14)

Ij=1-yj

(15)

式中，Oj—第j個指標的障礙度；Ij—指標的偏離程度。

2.5 綜合幸福指數(shù)計算

(1)基于建立的熵權(quán)-TOPSIS模型和評價指標體系，收集所需數(shù)據(jù)，利用極差標準化法對數(shù)據(jù)進行量化統(tǒng)一的處理。

(2)依據(jù)熵權(quán)法計算各指標所占權(quán)重，計算結(jié)果如圖1所示。

圖1 幸福河評價體系指標權(quán)重

(3)以相對貼近度的計算結(jié)果作為河流綜合幸福指數(shù)，評級標準見表2。

(4)由障礙度計算得出各年份影響甘肅長江流域幸福河建設(shè)的主要障礙因子。

3 結(jié)果分析

3.1 權(quán)重計算及分析

對于標準化的數(shù)據(jù)采用公式(4)—(6)進行計算，得各指標權(quán)重值如圖1所示。

從圖1可以看出，工業(yè)增加值、人均GDP、牲畜數(shù)量、糧食產(chǎn)量所占權(quán)重分別為13.47%、9.85%、9.82%、9.62%，累計權(quán)重為42.76%，是甘肅長江流域河流幸福指數(shù)的主要影響指標；水功能區(qū)水質(zhì)達標率、人均水資源量、單位工業(yè)增加值分別占比8.13%、7.33%、7.31%，是甘肅長江流域河流幸福指數(shù)的次要影響指標。

3.2 幸福河相對貼近度計算及分析

首先根據(jù)標準化矩陣及其權(quán)重構(gòu)造出加權(quán)決策矩陣，再計算出正(負)理想解，代入式(11)—(12)中求得幸福河各評價指標與正、負理想解間的歐氏距離，然后代入式中求解出各年份的相對貼近度，以貼近度代表河流幸福指數(shù)，見表3。

表3 幸福河綜合評價綜合幸福指數(shù)

由幸福河綜合評價貼近度表可知，甘肅長江流域河流貼近度從0.456上升至0.591，幸福程度呈上升趨勢。為了進一步分析甘肅長江流域2012—2021年幸福河變化特點，分別計算生態(tài)健康、持續(xù)供給、人水和諧3個準則層的貼近度，見表4。

表4 準則層幸福指數(shù)

表4中生態(tài)健康層面的貼近度整體趨勢也在上升，但波動較為明顯，其中2018年貼近度最高，為0.89，究其原因可能是2016年末，河長制[26]全面推行開來，河流治理能力提升，流域內(nèi)水功能區(qū)水質(zhì)得到了明顯提升，廢污水亂排亂放的問題也得以緩解，致使流域內(nèi)生態(tài)健康貼近度達到最大值；最小值出現(xiàn)在2014年，其原因可能為工業(yè)生產(chǎn)和生活中污水排放量增大，居民工礦用地快速擴張，水域面積有所減少，水質(zhì)也出現(xiàn)下降。持續(xù)供給層面貼近度最小值出現(xiàn)在2016年，其原因可能是2016年降雨量相比其他年份是最少的，僅有473mm，年降雨量的減少直接導(dǎo)致了人均水資源量和工業(yè)用水量的減少，且相比其他年份而言，生態(tài)用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水會更高，最大值出現(xiàn)在2020年，為0.65，可能是因為2020年降雨量充足，且農(nóng)村自來水普及率持續(xù)提高，以旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)為抓手，推進實施了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，提高了農(nóng)業(yè)的質(zhì)量效益。人水和諧側(cè)面貼近度也呈上升趨勢，從2012年0.46上升至2021年的0.61，最大值為2021年，此年間人均GDP首次突破2萬元，單位工業(yè)增加值用水量相比其他年份也下降了，最小值出現(xiàn)在2018年，為0.26。

3.3 障礙因子計算及分析

采用公式(14)—(15)計算出2012—2021年間甘肅長江流域幸福河綜合評價各指標的障礙度，如圖2所示。同時統(tǒng)計出每年障礙度排序前3的主要指標，見表5。由圖2和表5可知，生態(tài)健康對甘肅長江流域幸福河影響逐漸減小，而人水和諧的影響卻逐年增加。2012年時主要為耗水率、農(nóng)田灌溉用水量和人均GDP；2014年因為河流水質(zhì)較差，工礦面積增加等原因，障礙因子主要是河流生態(tài)健康層面；2015、2016年障礙因子為人均水資源量和工業(yè)增加值；最后幾年的障礙因子主要為糧食產(chǎn)量、牲畜數(shù)量以及居民生活用水量，集中在持續(xù)供給和人水和諧2個層面。近10年間，影響甘肅長江流域幸福河的主要障礙因子從生態(tài)健康層面轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌麅蓚€層面，表明了地方政府在河道治理、污染物排放控制、農(nóng)村自來水普及等方面的建設(shè)取得了顯著的效果。

圖2 2012—2021年甘肅長江流域幸福河障礙度

表5 2012—2021年甘肅長江流域幸福河主要障礙因子排序

綜上所述，甘肅長江流域河流幸福程度有上升趨勢，但仍有不足之處，在人水和諧準則方面還需要加強，農(nóng)田灌溉用水量、糧食產(chǎn)量、牲畜數(shù)量三者間存在矛盾。雖然2018年之后耕地面積增長了近1倍，但有效灌溉面積、糧食產(chǎn)量卻呈下降趨勢，今后更需發(fā)展節(jié)水理念，貫徹落實節(jié)約集約用地、嚴守耕地紅線，保障國家糧食安全的政策措施。

4 結(jié)論

(1)從幸福河的概念內(nèi)涵出發(fā)，從生態(tài)健康、持續(xù)供給、人水和諧3個方面選取15項指標，基于熵權(quán)-TOPSIS模型，建立綜合評價體系，有效地避免了賦權(quán)過程中主觀因素的影響，指標體系全面，數(shù)據(jù)容易獲取，具有一定的適用性。

(2)將評價體系應(yīng)用于甘肅長江流域幸福河評價中，結(jié)果表明，有7年處于基本幸福等級，3年處于提升幸福等級，河流幸福指數(shù)呈上升趨勢，影響該流域幸福河建設(shè)的主要障礙因子從生態(tài)健康層面轉(zhuǎn)變?yōu)槿怂椭C層面。

(3)幸福河評價體系的研究尚處于起步階段，本文對甘肅長江流域幸福河建設(shè)有一定借鑒意義，但考慮數(shù)據(jù)易獲取性使得評價指標不夠全面。