基于综合权重SMI-P 法的郑州市人水和谐度评价

张修宇，郑瑞强，周 莹，秦 天

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046； 2.石家庄市冶河灌区引岗服务中心，河北 石家庄 050200）

1 引 言

近几十年来，我国经济社会发展突飞猛进，但由此带来的环境污染问题日益严重，引起社会的广泛关注，实现人水和谐越来越成为全社会的普遍共识。 国内外学者对人水和谐有较多研究，例如：Falkenmark［1］基于生态系统与水之间的关系，提出了人水一体化的水资源管理新概念，对水与自然以及人类社会的关系进行了详细分析；Lautze 等［2］分析了气候变化与人类活动对水资源的影响，为人类社会合理利用水资源提出了建议；Simmons 等［3］对各种复杂因素下人水关系进行了探索，探讨了人与水共存的概念，表明个人、社会和生态三个层面存在复杂关系；Lake 等［4］分析了人类社会用水对于澳大利亚淡水系统的影响，发现气候变化等大规模生态系统驱动因素将成为改善水生态系统的主要障碍；左其亭等［5］构建了人水和谐评价量化研究框架和指标体系，并提出了相应的量化方法；王大洋等［6］利用SMI-P 法对2010—2015 年广西人水和谐情况进行了分析，结果发现广西区域人水和谐度呈现稳步上升趋势；李红艳等［7］以南水北调中线河南典型受水区为例，从人水和谐方面对南水北调中线运行效果进行评价，结果表明南水北调中线工程通水后相较于建设前和谐度整体上升；戴会超等［8］运用系统理论、可持续发展理论与和谐理论，对城市人水和谐内涵、城市人水系统的结构及运行机制和城市人水和谐评价进行系统研究，建立了城市人水和谐评价模型，其在南京市的应用结果表明建立的模型符合实际情况，满足实际应用需要。

笔者在综合考量人水和谐多种研究方法的基础上，采用左其亭［9］提出的单指标量化-多要素集合-多准则集成法（SMI-P）对2011—2020 年郑州市人水和谐度进行评价，该方法可以将具体指标、要素与评价目标之间的关系清晰地凸显出来，使评价结果更加科学合理。

2 研究方法

2.1 单指标量化

子和谐度（SHD）量化采用5 点分段法对每个指标进行分级，每个级别对应不同的和谐度，取（a，0）、（b，0.3）、（c，0.6）、（d，0.8）和（e，1.0）这5 个特征点（a、b、c、d、e分别对应某个指标的最差值、较差值、及格值、较好值和最好值），利用这5 个特征点得到某个指标的子和谐度及函数表达式，具体公式见文献［10］。

2.2 多要素综合

选取健康度、发展度和协调度作为人水和谐度的3 个评价指标，其计算公式分别为

式中：HED为健康度；DED为发展度；HAD为协调度；n1、n2、n3分别为健康度、发展度和协调度评价指标的个数；ωi为各个指标子和谐度的权重分别为健康度、发展度、协调度的子和谐度。

2.3 多准则集成

人水和谐度（HWED）的计算需要综合考虑健康度、发展度和协调度这3 个指标，公式为

HWED（T）＝HED（T）β1DED（T）β2HAD（T）β3（4）

式中：β1、β2、β3分别为T时刻的健康度HED（T）、发展度DED（T）和协调度HAD（T）的指数权重，依据区域的水系统、发展状况和协调程度进行确定。

T时刻的人水和谐度HWHD（T）∈［0，1］。 为了表达上的便利，把人水和谐度大致分为5 个等级（见表1）。

表1 人水和谐度等级划分

2.4 权重计算

鉴于单用一种方法确定权重会使最终得出的结果有一定的片面性，为减少人的主观性对研究结果的影响，使确定的权重科学合理，本文选择层次分析法与模糊变权法两者相结合的方法，确定综合权重。

（1）计算基础权重。 采用层次分析法［11］计算基础权重，先将评价指标分层，然后根据其重要程度两两对比，再构造判断矩阵，利用Yaahp 软件［12］进行处理，最后就可以得到各个指标的基础权重。

（2）计算综合权重。 常权法为权重计算时较为常用的方法，但其缺点是在权重确定后最终结果不会随评估值的变化而变化，这样容易使评估值比较低的指标被轻视。 模糊变权法［13］是对常权法进行的改进，其特点是在评估值进行改变的同时使其对应的指标权重进行实时变化，从而使得结果也随之发生改变，具体计算步骤如下。

①将选择的子指标μ1、μ2、…、μn进行无量纲化，μi∈［0，μm］，μm＝1，10，100 等。

②确定上边界权重ω0i：

式中：ω0i为μi＝0 时对应因素的上边界权重；ωm i、ωm j分别为判断矩阵中的第i行、第j列的基础权重。

③引入非负有界、不增可微的函数λi（μi），λi（μi）∈［0，μm］，λ0i和λmi分别为λi（μi）在定义域［0，μm］上取得的最小值和最大值。

④对上述函数进行归一化处理，得到变权权重，即综合权重。

3 应用实例

3.1 研究区概况

郑州市是河南省的省会和国家中心城市，在中原城市群中的地位显著，对于全国的发展具有重要作用。郑州市2020 年总人口为1 262.0 万人（年末），国内生产总值为12 003.04 亿元，工业总产值为3 145.69 亿元，农业总产值164.71 亿元；人均水资源占有量为68.06 m3，是 全 省 人 均 水 资 源 占 有 量354.49 m3的19.2%，是全国人均水资源占有量2 239.8 m3的3.04%，属于严重缺水地区。 目前河南省整体表现为水源利用效率较低［14］，水资源安全保障能力不足［15］。 本文以郑州市作为研究区域，选取2011—2020 年水资源利用效率综合评价指标进行人水和谐度评价，相关数据主要来源于《河南省水资源公报》《河南统计年鉴》《郑州市水资源公报》《郑州市统计年鉴》等。

3.2 人水和谐度评价指标体系构建及分级

通过对郑州市的水资源系统和人文系统进行分析，选取20 项指标构建郑州市人水和谐度评价指标体系（见表2），将指标分为正向指标（越大越和谐）和负向指标（越小越和谐），并对这些指标进行分级（见表3）。 其中：健康度准则层包括4 项指标，涵盖了水资源状况和生态环境状况；发展度准则层包括9 项指标，涵盖经济发展水平、技术发展水平、社会发展水平、发展安全保障4 个方面；协调度准则层包括7 项指标，涵盖水对人文系统的服务功能、人对水系统的开发保护和水资源管理水平以及公众意识等方面。

表2 人水和谐度评价指标体系

表3 评价指标分级

3.3 子和谐度计算

根据单指标量化和表3 中指标体系的分级，可以得到各指标的子和谐度范围为［0，1］，2011—2020 年各指标子和谐度计算结果见表4。

表4 2011—2020 年各指标子和谐度

续表4

3.4 权重计算

根据各指标的子和谐度，利用层次分析法得出基础权重，再采用模糊变权法确定各指标的综合权重，结果见表5。

表5 各指标的综合权重

3.5 人水和谐度计算及结果分析

根据SMI-P 法，利用式（1）～式（4）计算得到郑州市2011—2020 年的健康度、发展度、协调度及人水和谐度。 在确定健康度、发展度、协调度这三者的权重时，认为它们对于人水和谐度的重要程度相同，取其权重各占1／3，计算结果见表6。

表6 郑州市人水和谐度计算结果

由表6 可以看出，健康度在2011—2020 年呈现为波动上升趋势，其中在2016—2017 年的下降幅度最大（0.099），这与2017 年比2016 年水资源总量减少、万元GDP 废水排放量和废水总排放量增多有很大关系，废水排放量增多会导致地表水受到一定污染，从而造成水质达标率下降，进一步造成健康度下降。 在2019—2020 年的上升幅度最大（0.201），且2020 年的健康度达到近10 a 的最高值0.659；2020 年与2019 年相比，万元GDP 废水排放量与废水排放总量减少，水资源总量增加，在一定程度上使地表水自净能力增强，水质达标率上升，进一步提高了健康度。

发展度除在2014 年、2016 年、2019 年略有下降外，2011—2020 年其他年份均处于上升趋势，从2011年的0.757 增长到2020 年的0.812，增幅为7.31%，表明郑州市近10 a 的发展处于稳步上升的趋势，并在2020 年发展度达到了最大值0.812，发展度快速增长的趋势与近些年来郑州市的快速发展相对应。

协调度在2011—2020 年呈现波动上升趋势，除了2013 年和2020 年略有降低外，其余年份均在稳步上升，并在2019 年达到了最高值0.487，这表明郑州市近些年在大力发展经济的同时采取了一定措施消除对水资源带来的负面影响，成效显著。

人水和谐度除在2012 年、2017 年及2019 年略有下降外，在其他年份均为上升趋势，总体表现为在波动中上升，特别在2019—2020 年增长幅度最大（0.073），并且在2020 年人文系统与水系统达到了较为和谐的等级。 总的来看，在2020 年达到较为和谐的等级与2020 年健康度的上升具有十分密切的关系，说明人类活动减少可以改善人与自然的关系。 但人水和谐问题是一个长期问题，不同时期的处理方案侧重点应有所不同，应当根据具体情况找到工作重点进而制定相应的处理方案。

建议郑州市下一步在以下3 方面加大努力：①健康度方面，遵循“绿水青山就是金山银山”的绿色发展理念，落实生态环境保护政策，从减少废水排放量、增加水资源量这两方面为切入点制定应对措施；②发展度方面，不以破坏环境为代价谋求经济快速发展，在保持经济社会高质量发展的同时，修复破坏的生态环境，提高用水效率和增强用水保障；③协调度方面，提高相关部门水资源管理利用水平，注意经济社会发展过程中对水系统的开发与保护，保证水资源的可持续利用，维持人文系统与水系统之间的相对平衡，促进人水关系和谐发展。

4 结 论

根据人水和谐度评价结果，郑州市人水和谐度从2011 年的0.549 提高到2020 年的0.637，整体呈现为波动中上升的趋势，说明郑州市人水和谐度得到了提升。 废水排放量过多与人均水资源量不足是目前影响郑州市人水和谐的主要因素。 郑州市下一步应加大水资源和水生态保护力度，从减少废水排放量和增加人均水资源量这两方面出发，采取相应措施，提高用水效率和增强用水保障，努力改善人水关系、提高人水和谐度。