建昌县凌河源项目区流域水生态文明评价

杨天华

(辽宁省葫芦岛水文局，辽宁 葫芦岛 125000)

建昌县凌河源项目区流域具有源短流急、坡陡山高、支流交错等特征，经济社会与城镇化迅速发展使得项目区很多支流面临着一系列的生态环境问题，例如生态系统功能退化、水环境质量下降、水资源短缺、山洪灾害频发等。全面、科学地评价凌河源项目区水生态文明状况，对于有效识别综合治理方案存在的潜在问题，以及治理方案的优选决策具有重要的显示意义。

在水生态文明评价方面我国学者做了大量研究并取得了理想的成果，其中综合评价方法的选择和评价体系的构建为目前研究的核心内容。水生态文明城市评价标准的颁布实施标志着较为完善、系统的综合评价体系的形成，标准明确提出了水景观、水工程、水管理、水生态以及水资源的划定准则与评价框架；黄茁等[1]深入研究了水生态文明评价体系的构建原则、等级划分标准、指标选取方法、内涵特征以及主要建设内容等，并提出了能够分级量化水生态文明程度的评价状况指数法；任俊霖等[2]对长江经济带省会城市的水生态文明建设水平运用主成分分析法和指标评价体系进行测度分析；褚克坚等[3]对长江下游丘陵库群河网地区某城市水生态文明程度运用模糊综合模型进行评价，其中隶属度的计算利用柯西分布函数确定，评价体系各指标权重采用层次分析法计算；黄显峰等[4]以马鞍山市为例，对投影寻踪等级评价模型利用实数编码的加速遗传算法进行优化并科学评价了该区域水生态文明状况。在遵循科学性、合理性、系统性原则的基础上水利部于2016年4月正式出台了水生态文明城市建设评价导则，明确指出了应结合监督管理、用水行为、水文化、水环境、水生态以及水安全等各方面因素选择评价指标，要综合考虑能够反映不同区域差异的指标和全国通用参数。虽然，国外对水生态文明内涵与特征的研究还不够系统、完善，但是在水环境和生态文明方面取得的研究成果对于建设水生态文明城市仍具有一定的借鉴价值。

综上分析，国内外学者主要集中在对城市水生态文明评价体系与计算方法的研究，而对于小流域生态建设的研究相对较少，主要表现在如下方面：现有研究通常是以城市为基本单元进行水生态文明的评价，这种情况可对小流域水系的完整性特征产生割裂破坏；考虑到小流域水生态文明特征和独特的地理条件，对于不同流域所建立的评价体系应存在一定差异，例如防洪安全预警、水安全概念模糊等问题。对于定量与定性转化模糊性、随机性数据问题，云模型具有较好的适用性与科学性，在水安全、河湖健康评价、水利现代化等方面已得到广泛的应用，而在水生态文明建设方面的应用研究还鲜有报道[5- 12]。因此，本文结合凌河源项目区小流域水环境、水生态、旱涝灾害频繁以及完整的水系特征，分别从多个不同方面选择评价指标并建立评价体系与分级标准，对流域水生态文明程度利用云模型进行综合评价，可为小流域生态文明建设和综合治理方案优选决策提供借鉴与参考。

1 水生态文明评价体系

1.1 水生态文明的内涵

水生态文明是指在实现人水和谐发展、水环境系统保护过程中人类创造的精神文明与物质财富的综合，它是体现社会文明进步状态与人水和谐程度的重要参数。因此，社会经济发展、水生态保护、水资源节约以及人水和谐相处为水生态文明内涵的主要内容，其中人水和谐作为水生态文明的核心不再局限于水系统自身的稳定，还要考虑社会、经济与水环境之间的协调发展，简单地以水生态保护作为水生态文明内涵是不系统、不全面的。

1.2 评价体系与分级标准

建昌县凌河源项目区小流域具有独特的地理条件和水生态文明建设特征，现有水生态文明评价体系对山洪灾害防治措施、小流域防洪安全标准等方面内容考虑得不够全面，而导则明确提出水生态文明建设效果评价体系要综合考虑监督管理、用水行为、水文化、水环境、水生态以及水安全等各个方面内容，而供水达标率、防洪排涝达标率等参数包含在水安全子系统内。针对凌河源项目区小流域水资源供需矛盾突出、洪涝灾害频发等实际情况，为提高水生态文明评价结果的客观性、系统性，应在评价体系中纳入供水安全与防洪安全两个子系统。另外，根据建昌县水生态环境形势严峻、水资源开发强度大、经济社会发展迅速等实际情况，在水生态文明评价过程中要重点考虑水生态与水环境。

鉴于此，本文在遵循定量与定向相结合、层次性、系统性、可获取性原则的基础上，根据辽宁省水利厅发布的已有文件和相关通知，分别从水文化、水管理、水景观、水生态、水环境、供水安全与防洪安全的角度建立了包含29项代表性指标的评价体系。然后根据发展规划纲要中的配套需求指标与参数、发展规模、水生态文明建设评价导则、区域防洪与排涝标准等，结合实地考察调研结果与历史资料将凌河源项目区小流域水生态文明状况分为Ⅰ～V级5个标准，分别与优、良、中、差、劣评语一一对应，并确定了不同标准下各指标取值范围，具体见表1。

系统层中，B1～B6各参数权重分别为0.1430、0.1428、0.2142、0.2856、0.0714、0.1430，相应的阀值区间依次为100～90、90～80、80～60、60～30、30～1。

1.3 确定指标权重

客观赋权与主观赋权法为确定指标权重较为常用的两种方法，其中层次分析法是通过将影响决策问题的各因素进行分层处理，两两比较每层级中各元素相对于上一级的重要性，从而实现定性分析和定量评判决策者意见。运用客观赋权法确定指标权重通常无法体现决策者的主观意愿，且为提高评价结果的准确性往往需要足够的样本数据，因此本文基于权重计算方法的实用性与可行性原则，对水生态文明评价各指标权重利用专家咨询的层次分析法确定。通过构造判断矩阵分析各指标的相对重要性，根据一致性检验结果确定最终的权重总排序，计算结果见表1。

2 基于云模型的水生态文明评价

2.1 云模型简介

引入论域U的集合为U={x1,x2,,xn}，论域U上的定性概念表示为T，对于元素xi∈U存在相应的随机数μT(x)，因此x对应于T的隶属度即为云。对于任意元素xi均存在唯一的云滴(xi,μi)与之相对应，即反映T的量值。可采用期望值Ex、超熵He、熵En3个数字特征反映云模型定性概念T的定量特性，其中云滴群的云重心即定性概念利用Ex表征；而定性语言在数域中可被接受的区间即定性概念的模糊性采用En表征；超熵He，是反映En的不确定性程度以及云滴的凝聚程度的重要参数。

云模型通过定性规则云发生器可实现定量数据与定性概念之间的数字特征转换，主要有条件云、正向云以及逆向云三种类型，其中正向云是实现云滴(xi,μi)与Ex、He、En之间定量与定性转化的发生器；而逆向云是定量与定性转化初始数据到Ex、He、En的发生器；条件云又可分为包含X与Y两种类型云，它也是实现定量与定性之间相互转化的条件，相对于正向云，其主要差异为需要设定相应的输入条件，通常情况下可设定y=μi、x=x0作为Y与X的输入条件。

2.2 综合评价流程

对流域水生态文明状态利用云模型进行综合评价的主要流程：运用层次分析法确定评价体系各指标权重，然后结合当地实际情况和有关标准确定评价标准S=[Sij,min,Sij,max]；根据实地考察调研结果确定指标值X(x=xi)，对云模型数字特征Ex、He、En利用下述公式进行计算，确定相应的隶属度和评价等级，计算公式为：

表1 凌河源项目区小流域水生态文明评价体系与分级标准

(1)

式中，Ex,ij，En,ij—分别为在j评价等级下效益后评价指标i的期望与熵值；Sij,max，Sij,min—分别为在j评价等级下效益后评价指标i的上、下限；He—反映变量不确定程度的超熵，可根据经验或实验确定，根据相关文献本文云滴数m取1000，超熵取0.01。

根据计算得到的云模型3个数字特征和评价指标值X(x=xi)，对不同评价等级的隶属度利用X条件云进行计算，其主要流程如下：

(2)

(3)

(2)按照上述流程进行反复运算，不同标准下的指标隶属度根据多次平均值确定。本研究对评价等级的确定运用级别特征值法确定，从而有效避免按照最大隶属度原则时模糊综合法可能出现的非此即彼性的出现，该方法计算方法为：

针对Ⅰ～V级不同标准下的特征值Bj可选择综合评价阀值的上、下限值确定，计算方法为：

(4)

式中，Sij,max，Sij,min—分别代表不同评价标准中j等级的上、下限值。

根据各指标隶属度与级别特征值确定相应的评价指标值，然后对各子系统综合评价值利用加权平均权重和指标值进行计算，从而确定整个评价系统与准则层的评价等级，计算方法分别如下：

(5)

(6)

3 实例应用

3.1 项目区概况

建昌县凌河源项目区总面积328.12km2，主要包括11条小流域共涉及11个乡镇，其中水土流失面积194.69km2，林业、经济林与果园、农业用地、水域面积、难利用土地分别为17641.74、1332.76、10691.19、529.66、5019hm2。项目区属于大陆性季风气候带，年降水量557mm，径流深159mm，降水量年内分配不均匀且年际变化较大，60%以上降雨集中在7—9月。气候特征为温差较大、日照充足、春季干旱、雨热同期。项目区水土流失严重，截至2012年仍有4826hm2水土流失区域，其中强度、中度、轻度水土流失面积分别为1163、1721、1942hm2，小流域土壤侵蚀模数3280t/km2·a。

3.2 水生态文明评价

对建昌县凌河源项目区2017年水生态文明状况运用文中所建立的云模型综合法进行评价，各指标数据来源于当地规划报告、水资源公报、实地调查、采样分析、地质勘测等。根据相关文献和经验设定He为0.01，建昌县凌河源项目区2017年水生态文明各指标隶属度与指标值见表2。其中准则层B1～B6评价值分别为81.35、73.78、41.45、65.85、55.82、79.78，所属等级依次为Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅲ级，目标层最终的综合评价值为65.82。根据表1不同标准下取值区间可认为建昌县凌河源项目区2017年水生态文明状态属于一般水平，隶属于Ⅲ级。准则层各参数隶属于Ⅱ级的有防洪安全指标处于良好水平，隶属于Ⅲ级一般水平的指标有水管理、水生态和供水安全，隶属于Ⅳ级较严重水平的参数有水文化与水环境。

表2 建昌县凌河源项目区2017年水生态文明评价指标值与隶属度

根据表2各项指标计算结果可知，隶属于V级标准的参数主要有水文化方面的水利工程景观、水生态方面的湿地保留率与生态岸坡比、水环境方面的废污水处理代表率与水功能区水质达标率、供水方面的农业供水保证率，供水管网漏损率和水资源监控能力指数处于Ⅳ级。结合现场勘测结果和当地规划发展公报，该评价结果基本反映了项目区水生态文明的实际状况，基于云模型的综合评价法表现出较好的实用性与科学性。

4 结论

结合建昌县凌河源项目区水生态文明特点，分别从6个方面选择29项典型指标并建立综合评价体系与分级标准，基于云模型的评价法更加全面地考虑了水生态文明的建设特点和项目区小流域完整的水系特征，不仅更好地突出了山洪灾害防治、防洪排涝等方面问题，而且有效解决了水安全内涵不清的问题。云模型综合评价法综合考虑了水生态文明评价的模糊性与随机性特征，相对于传统方法具有明显的优势与适用性。建昌县凌河源项目区实例研究表明，建昌县凌河源项目区2017年水生态文明状态属于一般水平，隶属于Ⅲ级，更加科学、准确地识别了项目建设过程中存在的问题，可为其他类似项目生态文明建设提供一定参考依据。