基于模糊层次分析法的水生态文明综合评价——以四川省西充县为例

何海吉

(南充市西充县水务局，四川 西充 637200)

近年来，我国人民对美好生态环境的需求日益强烈，党的十九大报告明确指出“建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计”，而水又是生态的重要控制因素，因此有必要重视水生态文明评价工作，为水生态文明建设提供科学支撑[1- 2]。目前，国内外的水生态文明评价方法主要包括网络层次分析法[3]、改进熵权法[4]、随机森林回归算法[5]等，但此项研究尚处于起步阶段，未形成统一、全面而成熟的方法或标准。本文结合层次分析法和模糊评价法在水生态文明评价中的优点，对四川省南充市西充县近5年的水生态文明进行综合评价，为该地区水生态文明的建设规划与成效考核提供科学依据，并为相关研究或应用提供经验。

1 评价方法

1.1 研究区域概况

西充县位于四川省南充市，幅员面积1106km2，人口61.58万。全县流域面积在100km2以上河流有6条，年平均气温16.9℃，年降雨量980.8mm，无霜期300d以上。西充县生态环境良好，气候温和，是“四川省十大宜居城市”之一。作为全国生态文明示范工程试点县，近年来西充县生态治理成效显著，城乡环境不断改善，得到了社会的广泛认可，课题组对该地区生态文明建设的路径选择背景、基本做法与成效、经验与启示进行了详细的调研与总结，但尚缺乏一个针对水生态文明建设水平的定量式综合评价成果。

1.2 模糊层次分析法

层次分析法(Analytic Hierarchy Process，简称AHP)是将与决策有关的元素分解成目标、准则、指标、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法[7]；模糊评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法，主要根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价[6]。本文综合层次分析法和模糊评价法在水生态文明评价中的优点，采用层次分析法构建层次结构、确定指标权重值，再采用模糊评价法确定指标评价值。模糊层次分析法，第i年的水生态文明指数值Zi可表示为：

Zi=∑wjzij

(1)

式中，wj—第j个方案层指标的权重值；zij—第i年第j个方案层指标的评价值。

1.3 层次结构与指标论域

基于层次分析法构建水生态文明综合评价体系，本文借鉴崔东文与金波的研究成果[5]，从水资源、水环境等6个方面选取24个具有较强代表性的指标，构成水生态文明的综合评价层次结构，并根据该文献中的指标分级标准确定各指标的论域，论域是指某指标的常见最小值与最大值。

2 评价结果

2.1 方案层指标评价值

基于模糊评价法确定方案层各指标的评价值zij，其中模糊逻辑分析主要采用MATLAB的Fuzzy Logic工具箱。①定义指标层各指标的论域，输入数据见表1。②构建模糊逻辑隶属曲线以确定不同值在某一集合中的隶属度；本文建立“B”、“M”、和“G”3个集合，其中“B”表示不利于水生态文明，“M”表示中等，“G”表示有利于水生态文明；选用的隶属度方程为较为常用的“Gbellmf”方程。水资源开发利用率等6项指标的隶属曲线如图1所示；以水资源开发利用率指标为例，当实际值为41%时，该指标对“B”的隶属度约为0.15，对“M”的隶属度约为0.95，而对“G”的隶属度约为0.50。③输入西充县各指标层指标的实际数据，具体数据值主要来源于南充市和西充县水资源公报、国民经济和社会发展统计公报、相关总结报告与文献[8]等。④建立计算规则，即采用数字化与程序化的方式来表达和代替判断思维过程，本文选取常用的“IF-THEN”规则，可表达“若水资源开发利用率低、水资源稳定性强、水资源密度大、人均水资源多、河道生态基流用水保障率高，则水资源指标评价值大”等思维过程。⑤运行计算，得到西充县水生态文明准则层各指标的评价值，如图2所示。

表1 水生态文明综合评价层次结构与元素论域

图1 水生态文明评价指标隶属曲线

图2 西充县水生态文明准则层指标评价值

水资源要素受自然气候条件的影响较大，因此西充县的水资源状况在近5年中没有呈现出清晰的变化趋势。近年来，西充县乡镇污水处理站等项目相继建成运行，水环境呈现明显改善趋势；城南湿地公园等生态项目陆续开发完成，自2013年以来水生生物条件也略有提升；升钟灌区等建设管理工作不断推行，提高了西充县的水利用效率；相关部门的生态责任不断彰显，水管理能力有所加强；生态文明建设各项主题活动实施到位，提高了群众的生态文化素养。综上，模糊评价结果与实际情况吻合度较高，评价结果较为可信。

2.2 方案层指标权重值

采用层次分析法确定各方案层指标的权重值wj。

(1)建立方案层各指标之间的成对比较矩阵，见表2；成对比较矩阵实质上是两个指标相对重要性的定量化表达，例如，第1行第2列和第2行第1列的数值分别为1/3和3，其含义为“水环境”指标比“水资源”相对于水生态文明略重要。

表2 水生态文明综合评价成对比较矩阵

(2)对成对比较矩阵进行一致性检验，相关方程为：

(2)

(3)

式中，CI—矩阵的不一致程度指标，该值越大，矩阵的不一致性越严重；λmax(A)—矩阵A的最大特征值；n—矩阵的阶数；RI—平均随机一致性指标，可根据矩阵阶数查表得到；CR—矩阵的随机一致性比率，当CR小于0.1时，判定成对比较矩阵具有满意的一致性，否则就要对矩阵进行调整。

采用MATLABR软件的“Eigs”命令计算表2所示矩阵的最大特征根为6.6285，计算得CI值为0.1257，查得RI值为1.26，最终得CR值为0.0998，该值小于0.1，满足要求。

(3)计算方案层各指标的权重值。采用MATLAB的“Eigs”命令得到表2所示矩阵的特征向量，该向量对应于各指标的分量见表3。对特征向量值进行标准化处理，即取各分量的绝对值并使各分量之和等于1，得到权向量(表3)。权向量对应于各评价指标的分量值即是各指标的权重值wj。

2.3 水生态文明综合评价

根据图2所示的zij值和表3所示的wj值，利用公式(1)得到西充县水生态文明的综合评价结果，如图3实线所示。根据图3可知，西充县的水生态文明指数从2012年的0.654上升至2016年的0.734，距离理想状态(指数为1)尚存距离，但总体呈现上升趋势；该指数的滑动平均值也逐年增大，因此可以认为西充县近5年来水生态文明建设水平不断提升。在实际情况中，2012年随着全国生态文明示范工程试点县项目的全面实施，西充县坚持生态优先，充分发挥自然条件和生态资源的比较优势，生态治理成效显著，因此，评价结果与实际情况基本保持一致又对实际发展状况进行了定量表达，具有较强的参考价值。西充县水生态文明指数的线性趋势线斜率为0.0196，该值可表示近5年来西充县水生态文明水平的提升速度，但趋势线的最大似然系数相对较低，说明线性趋势线不足以准确表达西充县近5年中具体各年份的水生态文明变化情况。二次多项式拟合方程的最大似然系数高达0.9947，拟合度较高，可用于定量地代表近5年的水生态文明发展水平；该方程中二次项系数为正，说明西充县先水生态文明的进步速度也在不断提升。

图3 西充县水生态文明综合评价结果

3 结语

基于模糊层次分析法对西充县2012～2016年的水生态文明水平进行综合评价，结果表明，该地区的水生态文明水平总体呈现不断提升的趋势，且进步速度也在逐渐加快，与实际情况基本保持一致。但是，西充县的水生态文明水平距离理想状态尚有差距，因此可重点加强水生生物生境和水文化等薄弱环节的改进，并兼顾水资源、水环境、水利用和水管理等方面的提高，有步骤、有计划地提升该地区的水生态文明水平。