阜阳市幸福河湖评价及障碍因子识别

杨 兰,潘争伟,邱海鹏,王德健,李 鑫

(1. 蚌埠学院 土木与水利工程学院,安徽 蚌埠 233030;2. 哈尔滨工程大学 烟台研究院,山东 烟台 265503)

2019 年9 月18 日,习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上发出了“让黄河成为造福人民的幸福河”的伟大号召[1],为新时代的河湖管理提出了新的目标和要求。 迄今为止,幸福河湖的研究已经取得了一些成果,左其亭等[2-3]基于我国江河历史及治理需求,提出了幸福河的定义和判断准则,确定了幸福河评价指标体系。 陈茂山等[4]从洪水有效防御、供水安全可靠、水生态健康、水环境良好等6 个方面提出了幸福河评价指标体系和评价方法。 幸福河研究课题组[5]通过深入分析幸福河的内涵,构建了幸福河湖指数及其指标体系。 王子悦等[6]基于需求层次理论,采用熵权物元模型对长三角2018 年的幸福河情况作了评价分析;黄垣森等[7]基于云模型,对长株潭万丰河、涟水河、浏阳河2019 年的幸福河作了评价分析。 上述研究主要以幸福河湖概念和内涵等理论研究为主,但缺乏全面的基于时间序列的幸福河湖综合评价及影响因子的研究。 因此,建立一整套包含幸福河湖评价指标体系及评价模型构建、幸福河湖障碍因子识别的理论与基于时间序列的应用模式体系,可为区域幸福河湖建设及生态保护和高质量发展提供技术支撑。

本研究结合学者们建立的长三角、长株潭、黄河[8-9]、太湖[10]等流域的幸福河评价等指标体系,基于熵权法和TOPSIS 耦合模型,从水资源供给、水资源利用、水环境治理、水生态环境、水经济发展5 个方面对阜阳市2012—2021 年的幸福河湖情况进行综合评价,并采用障碍度模型识别影响阜阳市幸福河湖的主要障碍因子,根据主要障碍因子,提出相应的幸福河湖建设对策,以期为阜阳市的幸福河湖建设工作提供参考。

1 指标体系及等级标准构建

幸福河湖评价指标体系的建立要能体现出河流的属性指标,同时也要能反映人民的幸福感[11]。 本研究基于幸福河湖的基本概念和内涵,并结合研究区域的实际情况,从水资源供给、水资源利用、水环境治理、水生态环境、水经济发展5个准则层出发,遵循数学科学性、独立性、完整性、可获取性等原则的基础上,选取了15 个指标作为幸福河湖评价指标体系,如图1 所示。

幸福河湖评价指标目前尚无统一的等级划分标准,结合已有研究成果及幸福河湖评价导则,将幸福河湖等级划分为5 个级别[12],Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级分别代表河湖幸福程度为优、良、中、差、极差,评价指标等级划分标准如表1所示。

图1 幸福河湖评价指标体系

表1 幸福河湖评价指标等级划分

2 幸福河湖评价模型及障碍因素诊断模型的构建

2.1 基于熵权法的指标权重确定

本研究采用熵权法确定幸福河湖评价指标的权重,熵权法根据各指标的变异程度来确定指标的权重,可减小权重确定过程中由主观因素引起的偏差,使结果更加符合实际情况[13]。 熵权法具体步骤如下:

(1)评价指标标准化

假定有n个指标,每个指标有m个样本,第j个指标的第i个样本的原始值记为,用极差标准化方式对进行标准化处理,得到各指标的标准化值。

对于正向指标:

对于逆向指标:

(2)计算指标熵值

式中:Pij——第j个指标的第i个评价对象的特征比重,

(3)确定指标熵权值

式中:wj——第j个指标的权重。

2.2 基于TOPSIS 模型的幸福河湖评价模型

TOPSIS 模型根据指标权重及其标准化结果,确定评价对象的正、负理想解,通过计算每个评价对象与正、负理想解之间的欧氏距离,进一步得到评价对象与理想值之间的贴近度,从而对评价对象进行优劣评价[14-15]。 TOPSIS 模型计算过程简单,且评价结果可靠,被广泛应用于生态文明建设的各领域效益评价[16-17],其具体计算方法如下:

(1)确定加权决策矩阵Z

将熵权法得到的权重值wj乘以标准化矩阵X,可得到加权决策矩阵Z。

(2)确定正理想解和负理想解

(3)计算评价指标到正负理想解的欧氏距离

(4)计算相对贴近度

式中:Ci——幸福河湖相对贴近度,其值在[0,1]之间,Ci值越大,说明幸福河湖评价值越高;反之,则幸福河湖评价值越小。 幸福河湖评价等级标准如表2 所示。

表2 幸福河湖评价等级标准

2.3 障碍因素诊断模型

为了更好地建设区域幸福河湖,提高幸福河湖等级,引入障碍因素诊断模型对幸福河湖主要影响因素进行识别,找出影响幸福河湖的主要障碍因子,有利于提出有针对性的改善措施,从而提高和完善幸福河湖建设情况。 障碍因素诊断模型具体计算方法如下:

式中:Tj——因子贡献度,表示单个指标对总体目标的影响程度,可取指标权重值wj;Sij——指标偏离度,是第i个样本中第j个指标与幸福河湖最优目标的差距;Pij——障碍度,指第i个样本中第j个指标对幸福河湖的影响度。

3 实例应用

3.1 研究区概况

阜阳市位于安徽省西北部,淮河中游,属暖温带半湿润季风气候,特殊的地理位置使阜阳市具有南北气候过渡带的气候特征。 阜阳市境内有淮河、颍河、泉河、茨淮新河、洪河、黑茨河等众多河流,多年平均降水量963.5 mm,年平均降水日数为101.1 d,降雨集中在每年6 月—8 月,7 月最多。 阜阳市供水水源比较单一,受上游降雨、用水、排污等,尤其是枯水期的影响,人民生活、生产、生态用水矛盾及突发性水污染问题比较突出,是一个集资源型缺水、水质型缺水及工程型缺水于一体的典型缺水城市[18]。

3.2 数据来源

本研究通过查阅《安徽省统计年鉴》《阜阳市统计年鉴》《阜阳市水资源公报》《阜阳市环境状况公报》等,获得阜阳市2012—2021 年的各指标数据值,对阜阳市的幸福河湖情况作了评价。

3.3 阜阳市幸福河湖评价

根据熵权法的具体步骤,确定指标属性,将阜阳市2012—2021 年的各指标数据带入公式(1)~(4),可分别得到指标标准化值、熵值及熵权值,计算得到各准则层及指标的子系统权重、系统权重如表3 所示。

表3 指标权重

根据熵权法确定的标准化矩阵和指标权重,依次根据公式(5)~(9),可得加权决策矩阵、正负理想解、正负欧氏距离和相对贴近度,进一步分析得到阜阳市2012—2021 年的幸福河湖评价等级,如表4 所示。

表4 阜阳市幸福河湖评价结果

为了进一步分析幸福河湖的变化原因,分别根据各指标所在系统权重及标准化结果,对水资源供给、水资源利用、水环境治理、水生态环境、水经济发展5 个子系统的相对贴近度作了计算,子系统相对贴近度的变化趋势如图2所示。

图2 2012—2021 年阜阳市各子系统贴近度变化

由表4 和图2 的结果分析可得,2012—2021年,阜阳市的幸福河湖建设水平保持稳定上升,由2012 年的Ⅴ级(极差)逐渐增长为2020 年的Ⅰ级(优)和2021 年的Ⅱ级(良),说明随着生态文明建设、河湖长制建设等工作的进一步落实,生态与经济互动双赢发展,阜阳市河湖健康治理工作成效比较显著。 在子系统中,除水资源供给子系统与年降水量密切相关,贴近度随降水量变化波动较大,其余子系统的贴近度在2012—2021 年基本都呈稳定增长趋势。

其中,2020 年由于降水量充沛,为水资源供给和水资源利用提供了有利的保障,同时区域水质、经济、生态等方面稳步提升,故2020 年贴近度在2012—2021 年达到最高值0.826,达到幸福河湖Ⅰ级。 2019 年,阜阳市发生严重干旱,年降水量仅552.1 mm,为10 年间最低值,不到2020 年的1/2;子系统中,除水经济发展贴近度有所增长外,其余子系统贴近度在2019 年均有所降低,水资源供给子系统降低最为明显;水资源利用率、工业用水强度、空气质量优良率、农田灌溉单位面积耗水量等多项指标值负增长较为明显。 2021 年同2020 年相比,幸福河湖等级由Ⅰ级(优)下降为Ⅱ级(良),贴近度较2020 年降低0.053 7,究其主要原因是降水量较2020 年少,导致人均水资源量、农田灌溉单位面积耗水量等指标负向增长。 2017年降水量为十年间最大值,故水资源供给子系统贴近度也最大,其余各子系统的值在2017 年也均有大幅提升,幸福河湖贴近度较2016 年增加较多,幸福河湖等级增加为Ⅱ级。

3.4 阜阳市幸福河湖障碍因子识别

根据熵权法得到的标准化矩阵及指标权重,根据公式(10) ~ (12) 可依次计算出阜阳市2012—2021 年幸福河湖评价指标的障碍度,计算结果如表5 所示。

表5 阜阳市幸福河湖障碍度

通过对2012—2021 年阜阳市幸福河湖指标障碍度排序可以看出,2012—2021 年,幸福河湖障碍影响因子不尽相同,但是大多集中在水资源利用、水环境治理、水生态发展3 个准则层。 除2019 年降水量极少,人口急剧增加,水资源供给准则层的3 个指标障碍度较高,其他年份水资源供给子系统障碍度均较低。 水资源供给障碍度虽然总体较低,但水资源总量过少会直接影响其他准则层的部分指标,如水资源开发利用率、空气质量优良率、生态环境用水率等。 2012 年,各指标障碍度相差不大,在水资源利用、水质、生态、经济发展等方面均较为薄弱,障碍度较大的因素为生态环境用水率、农田灌溉单位面积耗水量和污水处理达标率。 2013—2016 年,生态环境用水率对幸福河湖建设影响最大,随着对生态文明建设重视度的提高,该指标障碍度在2016 年后开始下降。 2017—2020 年,幸福河湖建设水平主要受空气质量优良率、工业用水强度的影响。 结合地区实际情况,随着工业经济的大力发展,阜阳市空气污染较为严重,工业污染排放量较大,工业用水强度较大。 2021 年,主要受到人均用水量、空气质量优良率、农田灌溉单位面积耗水量的影响。

综上分析,为了进一步提高阜阳市幸福河湖建设水平,亟需根据主要障碍因子采取相应的措施。 在水资源总量方面,通过合理配置水资源可增加水资源总量,同时控制水资源开发利用率,过高的水资源开发利用率会造成水资源短缺等问题,不利于社会经济的发展。 针对空气质量方面,可加强工业源、扬尘源、移动源和生活源管控,做好秋季秸秆禁烧,大力发展风电等新能源和清洁能源替代,持续改善空气质量。 在工业用水方面,建立和完善循环用水、分质用水系统,提高工业用水重复率;改革工业生产工艺和用水工艺,以达到工业节水。 在生活用水方面,大力推行生活节水器具,加大节水宣传力度,鼓励居民使用再生水,提高人民的节水意识。 在农业用水方面,根据地区特点,合理确定种植结构,同时采用滴灌、喷灌等节水灌溉方式,减少灌溉用水量。

4 结论

本研究构建了幸福河湖评价指标体系及评价模型、障碍因子诊断模型,对安徽省阜阳市2012—2021 年的幸福河湖情况进行了综合评价,主要结论如下:

(1)基于本研究构建的幸福河湖评价指标体系,采用熵权法和TOPSIS 模型对阜阳市2012—2021 年的幸福河湖情况进行综合评价,结果表明阜阳市幸福河湖建设水平在稳步提升。

(2)通过采用障碍因素诊断模型分析阜阳市幸福河湖建设的制约因素,水资源总量在一定程度上会对评价结果有较大的影响,制约幸福河湖发展的因素主要集中在水资源利用和水生态环境2 个准则层。 2017—2021 年,影响阜阳市幸福河湖建设最为显著的因子为空气质量优良率和工业用水强度。

(3)在阜阳市今后幸福河湖建设工作中,应继续践行“两山”理念,加快推动阜阳市绿色低碳发展,加大工业、农业、居民生活节水力度,进一步改善污水管网建设,持续改善水环境质量,为阜阳市未来经济社会发展提供保障。