模糊综合评价模型在水生态文明评价中的应用

张翔宇，宋瑞明，刘姝芳，张凤燃，谷晓伟，程春晓

(1.黄河水利科学研究院，河南郑州450003；2.黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州450003)

2013年，水利部印发了《水利部关于加快推进水生态文明建设工作的意见》(水资源〔2013〕1号)，将十八大生态文明的理念与水利规划、建设、水资源管理、保护等各个方面相结合[1]，完善水生态保护格局，不断提高我国生态文明水平，使生态系统保持良性、健康的发展状态。为了加快推进这一工作，当年水利部联合地方政府，先后分两批在全国105个城市开展了水生态文明城市试点建设工作。

2017年，水利部对第一批45个试点城市开启验收工作，黄河水利科学研究院负责济南、郑州、西安、西宁、银川、张掖、乌海、许昌、邢台和邯郸等黄河流域及相关片区的十个试点城市的技术评估工作。在“绿水青山就是金山银山”理念的指引下，水生态文明建设发展深入，黄河流域及相关片区水生态文明城市建设试点成效显著，为全国实施水生态文明城市建设营造良好的氛围[2]。

1 水生态文明内涵

水资源是生态文明与生态环境的关键要素，水生态文明是生态文明建设的核心。如果水资源短缺或者受到污染，生态系统就难以维持健康状态与良性循环，无法保证可持续发展。自水利部出台水生态文明建设发展相关文件以来，国内开展了有关水生态文明的大量研究工作。左其亭[3]通过阐述水生态文明与生态文明的联系，认为应以实现水资源利用、经济社会发展、生态系统平衡三者的良性循环为目标，追求达到人水和谐的理想状态；詹卫华[4]指出最严格水资源管理制度是水生态文明建设的重要抓手，水生态文明建设指在水资源承载能力范围内，以不影响人类幸福生活为前提，人类对水生态环境的影响尽可能降至最低；唐克旺[5]从人类的行为和水生态系统健康状况两方面分析水生态文明建设的内涵，认为水生态文明是指人类在寻求自身发展与维护水生态系统平衡的同时所创造的物质和精神财富的总和。目前，研究者们已尝试从不同方面、不同领域对水生态文明进行内涵解读，虽然还没有达到统一共识，但是有普遍共识:水生态文明建设是生态文明建设的重要组成部分[6]和基础保障，是生态文明建设的核心，是治水理念的最高境界。

2 水生态文明评价模型

2.1 评价指标体系的建立

将试点城市水生态文明建设评价指标体系分为目标层、准则层和指标层。根据《中华人民共和国水利部办公厅》(办资源函[2017]201号)，并参考相关研究成果以及各地的实际情况，将城市水生态文明建设评价作为目标层，准则层为水生态、水安全、水环境、水管理、水文化与水资源六个体系，而指标层由20个指标组成。城市水生态文明评价指标体系见表1。

2.2 评价方法及应用步骤

目前已经有很多评价方法应用于水生态文明评价。如，集对分析、SMI-P[7]、未确知测度模型[8]等。本文利用模糊综合评价模型[9]进行评价。模糊综合评价是一种基于模糊数学的评价方法，根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，能较好地解决模糊的、难以量化的问题。

表1 城市水生态文明建设评价体系

2.2.1隶属度函数

为消除各特征值量纲、数量级不同的影响，对评价指标矩阵C进行规范化处理，对各评价指标分为望大型与望小型两个类型进行处理，从而得到隶属度矩阵[10]

rij=cijcimax+cimin，cij≥0

(1)

rij=1-cijcimax+cimin，cij≥0

(2)

其中，cij表示样本j对于i指标的评价值；cimax、cimin分别表示所有样本中第i指标的最大值与最小值；rij表示第j方案对于第i指标的隶属度值；由rij组成优属度矩阵Rm×n。

2.2.2权重计算

本文选用层次分析法(AHP)确定各指标权重[11]，通过多重比较分析各因素之间相对重要性，通过两两比较确定标度将人的主观判断标量化，并构建判断矩阵，计算指标权重并经过一致性检验，客观性较高[6]。

(1)构造判断矩阵。综合分析评价体系中的各因素之间的关系，构造各个因素之间相互联接的层次结构模型，将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、指标等层次[12]，在此基础之上进行定性和定量分析。建立层次分析模型后，考虑各层次元素之间的相对重要性，确定两个元素两两比较哪个重要，重要多少，求出它们之间的优劣关系，构造n维判断矩阵A。

(2)求最大特征值。利用方根法求各因素的权值，先计算判断矩阵每一行元素的乘积，再对每一行的乘积求n次方根；然后求判断矩阵特征向量，将方根向量正交化处理为W，并将判断矩阵与其进行矩阵运算，得到特征矩阵，从而得到最大特征值

λmax=∑ni=1(AWi)/(nWi)

(3)

(3)一致性检验。当判断矩阵不完全一致时，相应的判断矩阵的特征值也会发生变化，引入CI、RI、CR参数作为衡量判断矩阵偏离一致性的指标。即

CI=λmax-nn-1

(4)

CR=(CI/RI)<0.10

(5)

利用式(4)、(5)对判断矩阵进行一致性检验：RI为平均一致性指标可通过查询求得；CI越小表明判断矩阵一致性较好，当CR满足(5)式时，即认为判断矩阵具有满意的一致性，否则需要调整判断矩阵，直到一致性检验通过。

2.2.3欧氏距离

存在y=(y1，y1，…，ym)T，其中yi=∨nj=1rij(i=1，2…，m)，yi表示所有方案中对第i个指标的隶属度最大值，y为最大隶属度矩阵；存在l=(l1，l2…lm)T，其中li=∧nj=1rij(i=1，2…，m)，li表示所有方案中对第i个指标隶属度的最小值，l为最小隶属度矩阵。

设系统中m个指标的权向量为w=(w1，w2，…，wm)，wi为目标i的权重；则第j个方案欧氏距离为

uj=1/1+∑mi=1(wi(rij-yi))p∑mi=1(wi(rij-li))p2p

(6)

其中，p为距离参数本文取p=2，uj表示样本j对于最优方案的相对隶属度即欧氏距离，可以根据uj的大小来判断各样本的优劣。

3 应用实例

根据工作安排，黄河水利科学研究院负责黄河流域及相关片区的济南、郑州、西安、西宁、银川、和张掖、乌海、许昌、邢台和邯郸等10个试点城市的技术评估工作。这些城市均位于我国北方干旱、半干旱地区，生态系统较为脆弱，水生态文明建设的难度较大；但这些城市又有着厚重的水文化，在中华文明历史文化的传承中扮演着举足轻重的角色。推进第一批试点城市的建设，将黄河流域对其周边地区产生显著的示范意义，为我国生态文明的建设提供有力保障。

本文利用上述模糊综合评价模型对黄河流域及相关片区的10个城市进行综合评价，与各城市的建设现状进行对比，分析评价模型的合理性，为后期水生态文明建设工作开展提供借鉴。

3.1 模型评价

根据各水生态文明城市试点总结报告，按照评价指标体系收集各试点的指标值，并利用隶属度函数求得隶属度矩阵。采用层次分析法对各层次元素的权重进行计算，依据各试点总结报告对准则层、指标层元素的覆盖程度以及专家对各元素的重视程度，对各层元素进行两两比较，构造出比较判断矩阵。经过一致性检验，得到各层次的权重向量。目标层A中各准则层的权重系数为权重向量WA=(0.12，0.10，0.14，0.35，0.09，0.20)。其次，各准则层中各指标权重系数构成的权重向量分别为：WB1=(0.69，0.31)；WB2=(0.70，0.30)；WB3=(0.51，0.16，0.33)；WB4=(0.22，0.07，0.10，0.06，0.19，0.19，0.16)；WB5=(0.38，0.62)；WB6=(0.25，0.25，0.25)。

通过欧氏贴近度计算公式可得到最终各试点城市的欧氏距离，欧氏距离越大表示该城市对于理想结果的隶属度越大，代表该城市在评价模型中表现的越为优异，各试点验收时的专家打分、欧氏距离以及相关排名情况见表2所示。

3.2 结果分析

由表2可以看出，各试点城市在水生态文明建设上取得了很大进展；但各城市也表现出了不同的变化程度。在试点验收中专家打分在92分以上的为西安、郑州、济南、许昌，评价结果中排在前四位的城市没有变化，但在排序上有一些小的变化。专家打分中西安排名最高，而评价结果中许昌排第一。在专家打分与评价结果中，西宁与张掖都排在后两位且排序无变化，说明这两个城市在水生态文明城市建设方面的表现不甚理想。其余四个城市乌海、银川、邯郸、邢台在打分与评价结果中仍位于5到8名，排名上有一些变化。

以上为各城市在水生态文明建设上的总体评价结果，下面分析各城市在各准则层中的表现，各试点城市在不同准则层中的评价结果见表3。

在各准则层中评价结果中，水生态方面许昌表现最优；水安全方面郑州、银川以及邯郸均表现优异，水源地安全保障达标率以及防洪达标率均达到100%；水环境济南排在首位，其三类水质河长比例为63.7%，入河排污口检测率达到100%；水管理以及水文化方面西安均为第一名；水资源利用方面乌海最为优异，其水功能区水质达标率为100%，超额完成三条红线控制指标。排序靠前的西安、郑州、济南、许昌4个城市均在不同体系中排在首位，其中西安在水资源管理方面与水文化的宣传普及中均表现优异。而张掖与西宁在各体系中整体表现较差，张掖在水生态治理方面有较大的提升空间，水土流失治理程度仅有14.2%，西宁则应加强对水生态文明的宣传力度，增加公共认知度，其防洪达标率只有82.3%，需要增加水安全措施以及加强对水环境的治理工作。

表2 水生态文明试点城市评价结果

表3 水生态文明试点城市各准则层评价结果

从以上分析可知，各试点城市在评价模型中的总体表现与专家打分结果相差不大，专家打分较高的几个城市在评价模型中表现也比较优异，评价结果靠后的城市专家打分也比较低。因而说明，评价模型较为合理，专家打分也比较客观公正。但城市间的排序的一些差别也反映出：一方面，由于专家在评估时的打分较为主观，实地勘察中的感官对分数有一定影响，而评价模型较为客观；另一方面，专家在对建设任务完成情况以及指标完成情况分析时，以各城市的实施方案为标准进行评估，而评价模型重点对比的是各城市间的优劣状况。

4 结 语

加快推进水生态文明建设，促进经济社会发展与水资源水环境承载能力相协调，实现水资源可持续利用，是我国生态文明的重要组成和基础保障。基于我国水生态文明发展现状和相关研究进展，对水生态文明内涵进行了解读；并依据政府指导文件以及相关研究成果，建立水生态文明评价体系，构建了模糊综合评价模型，采用层次分析法计算权重。最后通过计算得到评价结果，并通过对比分析得知，评价模型较为科学合理，具有一定的适用性，评价结果可为相关地区进一步推进水生态文明城市建设提供参考。