汉江流域水生态文明建设评价

2022-11-15李千珣郭生练邓乐乐田晶王何予

南水北调与水利科技 2022年3期

李千珣，郭生练，邓乐乐，田晶,王何予

(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

随着水生态环境保护工作的推进，通过单个治理项目以点到面催生流域整体治理效果已成为流域管理工作新常态[1-3]。局限于水生态文明概念之新，目前多以试点城市为对象开展研究，因此城镇(县)和省域尺度的研究成果较丰富[4-7]；反之，流域尺度的研究则较少。曲富国等[8]采用PSR模型评价了辽河流域在辽宁省内的生态文明建设水平；汪义杰等[9]采用熵值法与灰色关联分析法，通过ArcGIS重点探讨了流域生态文明建设分区的方法，并以桂江流域为例进行说明；严子奇等[10]以鄱阳湖流域为例，从自然、社会和人水关系三大系统出发，构建了包括25项指标的大湖流域水生态文明评价指标体系。目前，我国多以省、市、县等行政单元为水生态文明建设的重点区域，以流域为出发点的水生态文明建设评价研究尚待加强。

汉江发源于秦岭南麓，襄阳以上河流总体流向东，襄阳以下转向东南，于武汉注入长江，干流全长1 577 km，流域面积约15.9万km2。汉江上游黄金峡和丹江口水库等是我国重要的水源地，南水北调中线和“引汉济渭”跨流域调水工程，承担着我国北方河南、河北、陕西和北京、天津的供水任务。2018年10月，国务院批复《汉江生态经济带发展规划》[11]，为汉江流域及沿江省市的高质量发展带来历史性机遇。

以行政分区为评价单元，构建汉江流域水生态文明评价指标体系，结合AHP法和熵值法计算融合权重，采用模糊综合评价法和灰色关联度分析，评价2017年汉江流域水生态文明建设水平，旨在通过分析汉江流域现有水生态文明建设空间格局，探究流域内部水生态文明建设程度的空间差异性，识别重点建设地区及其重点建设方向，为汉江生态经济带建设发展规划提供技术支撑。

1 流域水生态文明特征的指标表征

以流域为载体，自然与社会的交互作用渗透在产流、汇流、取水和用水的方方面面，水生态文明各项指标表征方式亦不尽相同。流域水生态文明既凸显了整体的概念，又反映了内部诸环节乃至时空的差异化特征。因此，流域水生态文明特征可以归纳为如下三方面。

1.1 多系统特征

多系统可以基本概括为自然系统和社会系统。自然系统反映以水资源为主的自然禀赋，具体指标应向陆面产水过程及水循环等方面有所侧重；社会系统既要反映流域内部经济社会发展与水资源开发利用的制约关系及二者的现状水平，又要评估水资源的可持续利用前景，同时还应对人水关系有充分体现。

1.2 多地貌特征

由于多系统的综合性，流域水生态文明研究不应局限于水体，应上溯到产水区(山区)、汇水区(丘陵)，后演进至耗水区(平原)，需涵盖产汇流等一系列陆面水循环过程所涉及的相关地貌单元。流域水生态文明建设既要把握河流水体的特点，又要体现流域内不同地貌类型(以山区、平原、水域为主)的水生态文明程度。

1.3 多尺度特征

汉江流域所占国土面积较大，上、中、下游区域地理气候特征及经济社会发展水平差异明显，考虑到多系统的综合性和多地貌的复杂性，流域内部应划分微、中、宏观3种评价尺度。微观尺度以指标为要素，反映评价单元的空间差异；中观尺度从自然和社会两方面反映水生态文明基本格局；宏观尺度则从整体出发反映汉江流域水生态文明建设程度。

2 评价指标体系

2.1 评价分区

根据所收集统计资料的细化程度，基于《全国水资源调查评价技术细则》[12]，以汉江主要流经地陕西、河南和湖北3省的地级行政区为评价单元，并对行政区内流域面积占比小于5%的行政区进行合并处理，其中，洛阳与三门峡合并，西安与宝鸡合并。此外，为统筹规划和简化计算，结合各行政区的实际情况，将神农架与十堰合并，将天门、潜江和仙桃合并为天潜沔地区，得到14个评价单元。具体分区见图1。

图1 汉江流域水生态文明建设评价分区Fig.1 Evaluation partitions of water ecological civilization construction of Han River basin

2.2 评价指标体系

对于汉江流域水生态文明评价指标的选取，须以水资源为重点评价对象，立足《汉江生态经济带发展规划》，考虑流域内不同区域间的差异性。从局部到整体，从流域的上、中、下游到流域全境，从单一地貌到多种地貌，既体现分区特色，又能够把握全局。此外，由于以行政区为评价单元，现行《水生态文明城市建设评价导则》[13]依然适用，应结合上述导则，吸纳汉江流域内4个国家水生态文明城市建设试点的技术和成果，在保证指标可靠性的同时，又具有一定创新性。经综合考虑，构建了包含1个目标层、2个系统层、9个准则层共计25项指标的汉江流域水生态文明评价指标体系，详见表1。

表1 汉江流域水生态文明建设评价指标体系Tab.1 The evaluation index system of water ecological civilization construction of Han River basin

3 评价方法

3.1 基于AHP法和熵值法的融合权重

现行赋权方法：或考虑主观赋权的一个侧面，如层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)；或考虑客观赋权的一个侧面，如熵值法。为规避单一赋权法的片面性，结合余建星等[14-15]的研究，计算基于AHP法和熵值法的融合权重。

3.1.1基于AHP法的指标主观权重

层次分析法是一种系统化、多准则分析决策方法，原理简单、结构清晰，具有将主观问题客观量化的优势[16-18]。根据AHP法基本原理，对汉江流域水生态文明建设评价指标集归一化，引入“1～9标度法”逐层比较元素间的重要性，构造判断矩阵，计算判断矩阵的最大特征根所对应的特征向量，若计算结果通过一致性检验，则所求即为该层元素相对于上层元素的权重。

3.1.2基于熵值法的专家客观权重

在信息论中，熵值是信息无序化程度的表达和度量[19-20]。设想存在一名理想专家，其构建的判断矩阵最公正，则与理想专家给定结果差距越大的评判专家所给结果的可信度就越低。若用熵表示该差距，可建立如下模型：

根据顾昌耀等[21]对传递熵的定义，这里用各专家的评分结果与a*的差异度大小eij来度量评判专家的准确性，则各专家的评价水平向量为Ei=(ei1,ei2,…,ein)，其中

(1)

式中：评价水平向量元素eij表示第i个专家对第j个指标的评分与全体专家评分均值的差异，并作标准化处理。eij反映了状态发生时信息D的平均准确度，故可视评价水平向量Ei=(ei1,ei2,…,ein)为信息D的传递向量。

当状态发生时信息D的熵值hj为

(2)

由此可得信息D的传递熵为

(3)

式中:H(D)表示信息D状态传递的不确定度，或称决策信息D的平均信息量。

该模型以专家所给评价结果的不确定性度量专家自身的评价能力，计算各专家的权重

(4)

3.1.3指标的加权融合权重

W=[w1,w2,…,wn]T=W′×W″

(5)

基于AHP法的指标主观权重由专家个人经验判断所得；基于熵值法的专家客观权重是以专家所给结果为依据对相对重要性的评判；融合权重则是以上两种权重的组合，结合了主客赋权法的优点，并回避了二者的不足。

3.2 模糊综合评价

陈守煜等[22-23]建立的模糊综合评价中，设系统有l个评价分区组成区域集，有n个指标组成对区域集进行评判的指标集，对其规格化得到对应的隶属度矩阵R=(rkj)l×n，简称优属度矩阵。

(6)

式中:uk表示第k个分区隶属于最优指标的隶属度；wj表示第j个指标的权重；p表示距离参数，当p=1时为海明距离,当p=2时为欧氏距离。

(7)

求解目标函数，使分区k的权距优距离平方与权距劣距离平方和最小，得第k个分区的隶属于最优分区的隶属度为

(8)

计算各分区与最优分区之间的欧氏距离，故取距离参数p=2，并以此为基准比较各分区的水生态文明建设水平。

3.3 灰色关联度分析

灰色关联度分析(gray relational analysis)也是一种常见的非确定性评价方法。该法通过比较数据序列曲线几何形状的相似程度，判断序列间的关联性大小，从而实现系统态势的量化分析[24]。设有参考序列Xo和比较序列Xs，两序列都包含l个时刻点，则在第k分区(k=1,2,…,l)两者关联系数和关联度的计算公式为

ξos(k)=

(9)

(10)

4 评价结果

研究数据主要来自于2017年3个省份及所涉及各行政单元的水资源公报、环境质量状况公报、国民经济和社会发展统计公报、国土资源公报、统计年鉴、部门报告等政府官方渠道。由于指标D25“生态环境公众满意度”2017年统计数据不可得，按照可比性原则采用2016年数据。

结合5位专家所确定的判断矩阵，基于AHP法和熵值法计算得汉江流域水生态文明评价指标的融合权重见表2。将所得结果代入公式(9)，根据模糊综合评价计算步骤，求得各分区隶属于最优分区的隶属度Uk及排序见表3。

表2 基于AHP法和熵值法的融合权重Tab.2 The fusion weights based on AHP method and entropy method

表3 评价分区隶属度及排序Tab.3 Membership degree and ranking of evaluation partitions

按隶属度越大越优原则，采用Jenks自然断裂分类法[25]划分优、良、中、较差、差5个级别，对比各分区的水生态文明建设水平，具体结果见图2。由图2可知：商洛、十堰和安康的评价等级均达到优；襄阳、武汉和宝鸡均达到良。通过灰色关联度的分析可知：在自然与社会2个系统中，汉江流域水生态文明建设与社会系统的关联度较高，达0.844；在3种自然地貌单元中，其与水域单元的关联度最高，达0.698，山区单元次之；在6类人水关系子系统中，其与水安全子系统的关联度最高，达0.745，与水环境、水节约和水生态子系统的关联度次之；其与全体评价对象的灰色关联度均在0.6以上。结果表明汉江流域水生态文明建设具有较强的社会属性，并侧重于流域水资源的安全保障、环境治理和节约教育，主要通过转变生产和生活方式，实现人与自然的和谐。

图2 汉江流域水生态文明建设综合评价Fig.2 Comprehensive evaluation of water ecological civilization construction of Han River basin

在综合评价的基础上，分系统和单元逐层分析见图3。对于自然系统，安康和汉中的评价等级达到优，商洛、十堰和襄阳均达到良。由图3(a)～3(c)可知，山区、平原和水域子系统的评价结果与自然系统相近。其中，自然系统与水域子系统的灰色关联度最高，达0.810 4，与平原和山区子系统的关联度次之。这说明：以汉江流域源头汉中、安康和商洛为代表，自然禀赋较好，水系发达，水量充沛，森林覆盖率高，自然系统建设水平也随之较高；与之相对以天潜沔、孝感、驻马店和随州为代表的汉江中下游地区，水污染严重，水质优良度低，自然系统建设水平也较为落后。

图3 汉江流域水生态文明建设分层评价Fig.3 Hierarchy evaluation of water ecological civilization construction of Han River basin

对于社会系统：商洛和十堰的评级等级达到优；宝鸡、武汉、安康和襄阳均达到良。在其下设6类人水关系子系统中：社会系统与水安全子系统的灰色关联度最高，达0.734；水环境与水节约子系统次之。由图3(d)～3(i)可知，汉江流域经济社会发展的核心区域位于汉江中下游，以湖北省中南部的江汉平原为主，该区不仅工农业发达，在省内社会生产中占有重要地位，而且是汉江生态经济带发展规划的重中之重。然而，粗放型经济增长模式和结构性、布局性污染等问题在汉江中下游地区日渐凸显，已经达到了不容忽视的地步。

综上所述，目前汉江流域水生态文明建设呈中下游相对领先，上游略有滞后的空间格局,其中：以汉中、安康和商洛为代表的汉江水源地及上游地区，自身禀赋占据优势，水资源丰富，水生态保护较好，但人水互动较少，集中表现在水安全、水环境和水节约3个方面，具体到指标如“排水管道长度”“污水处理率”“公共供水管网漏损率”等与其他行政单元差距较大，较为落后；以十堰、武汉和襄阳为代表的汉江中下游地区，经济社会发展迅速，虽然在经济和人口的刺激下，水资源开发强度大，水污染严重，资源压力与日俱增，生态环境质量较差，“生态环境公众满意度”较低，但是治水、用水、爱水、护水宣传教育普遍，节水意识较强，水生态文明理念深入人心，人水互动频繁，水生态文明建设程度较高。