基于改进G1-和谐度方程的兰州市水生态文明评价

贡 力， 逯晔坤， 靳春玲， 祁英弟， 路瑞琴， 马梦含

(兰州交通大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 730070)

1 研究背景

水生态文明是人类遵循人、水、自然、社会和谐发展这一客观规律，并贯穿于经济社会发展和“自然-人工”水循环的全过程，反映了社会人水和谐程度和文明进步状态[1-2]。开展水生态文明建设，加快实施水资源管理制度、合理调配水资源、保证供水安全、倡导节约用水、减少污染以及治理生态环境，彻底解决人民长期承受的“水多之患”、“水少之怕”、“水脏之忧”等问题，就必须建立水生态文明评价体系，这一体系是水资源管理领域的一种新思想新理念,也是面对国家生态文明评价大形势下水利行业的一个重要响应。

自从水生态文明建设发展战略实施以来，国内学者相继开展了大量研究并取得了较大进展，不仅在内涵方面进行了深层次的研究，而且从多角度建立了指标评价及评价方法[3～8]。例如：左其亭[9]以生态文明理念为基础，对水生态文明建设的关键问题作出分析并提出具体建议；刘海娇等[10]从水资源开发利用、水生态环境保护、水景观营造和水管理保障4方面构建评价指标体系，并建立了熵权和可拓相结合的水生态文明评价模型；王富强等[11]从最严格水资源管理、水资源优化配置等方面构建了评价指标体系，以郑州市为例进行了水生态文明城市建设相关评价；黄显峰等[12]考虑了水生态文明建设的5个相关方面构建了评价指标体系并建立基于实数编码的加速遗传算法的投影寻踪评价模型；王浩[13]以“自然-社会”二元多过程的演变规律为核心，从防洪抗旱、高效供水、水生态、水文化和水管理五大体系出发，对水生态文明建设关键问题进行研究；张丛林等[14]针对我国目前水问题，通过生态弹性力、资源承载力和环境承载力对水生态文明制度体系进行研究；皮家骏等[15]从水资源、水生态、水利用、水管理和水文化方向利用PSR模型构建指标体系，利用物元模型对南昌市水生态文明进行评价。

综上所述，水生态文明建设评价中，指标体系的建立对水生态文明建设评价尤为关键。而兰州市生态环境脆弱，黄河作为兰州市重要水资源来源，对兰州市水生态文明进行评价，有利于其生态环境建设、经济结构调整和产业转型升级，其水生态文明构建与城市经济发展密不可分。要在充分掌握水生态文明内涵的基础上建立指标体系，重点评价水生态文明变化趋势，以及各指标在生态文明建设过程中的状况和特点，找出明显关键制约因素，以制定针对性措施推进生态文明建设。

本文以兰州市水生态文明建设评价为目标，构建兰州市水生态文明评价指标体系，提出改进G1-HDE的综合评价方法对兰州市水生态文明进行评价，确定其水生态文明程度，从而全面把控兰州市水生态文明建设方向，为其进一步开展水生态文明建设提供参考。

2 数据与方法

2.1 数据来源及处理

本文研究采用数据主要来源于：(1)《甘肃省统计年鉴》《甘肃省水资源公报》《甘肃省水利发展统计公报》；(2)《甘肃省生态保护与建设规划(2014-2020)》和《兰州市十三五环境保护规划》。

各指标数据的处理根据参考文献[1]进行确定。

2.2 构建兰州市水生态文明评价指标体系及分级阈值

兰州市水生态文明评价指标体系的建立充分考虑到城市水生态文明建设的实践需求，将水安全、水生态、水环境、水节约、水监管、水文化6个方面作为评价指标体系的准则层，并对上述6个准则选取18个典型指标，从而构建兰州市水生态文明评价指标体系(见图1)并确定各指标等级划分阈值(见参考文献[1])。

图1 兰州市水生态文明评价指标体系

2.3 改进G1赋权法

主观赋权法G1是专家或决策者根据自我掌握信息和偏好，人为确定权重的方法，其缺乏实际数据，具有一定的随意性[16]。因此，本文提出采用改进G1赋权方法确定权重[17-18]。首先通过熵权法确定兰州市水生态文明的各评价指标的权重大小，代替G1法中人为主观确定各指标的序关系，对于其权重相同的指标采用专家评判确定相对序关系；其次运用变异系数法计算兰州市水生态文明各评价指标的变异系数，通过相邻指标的变异系数之比确定兰州市水生态文明各评价指标的重要性程度，代替G1法中人为主观确定相邻指标重要性程度的方法；最后采用G1法中权重的计算方法确定兰州市水生态文明评价指标的权重。改进G1法权重的确定修正了G1法主观及随意的特点，权重的确定更加灵活和客观。计算步骤如下：

(1)熵权法确定各评价指标权重大小。数据处理及计算步骤如下：

正向指标：

(1)

负向指标：

(2)

计算评价指标的熵值ej，确定各评价指标的权重ωj，即：

(3)

(4)

(2)根据权重大小确定评价指标的重要性程度排序关系。

通过上述确定的评价指标的权重大小，继而构建指标的序关系，记为：

X1>X2>…>Xk-1>Xk>Xk+1>…>Xn

(5)

(3)确定评价指标的变异系数值。

计算评价指标的标准差：

(6)

计算评价指标的变异系数：

(7)

(4)采用评价指标的变异系数值确定相邻指标Xk-1与Xk的重要性程度rk：

(8)

(5)通过G1法确定各评价指标的最终权重。

根据上述确定的rk确定第n个评价指标的权重，即：

(9)

依据权重ωn的值计算第n-1,n-2,…,3,2个指标的权重值为：

ωk-1=rkωk(k=n,n-1,…,3,2)

(10)

2.4 和谐度方程评价方法

和谐度方程(harmony degree equation，简称HDE)是左其亭[19]于2009年为定量表达和谐程度而首次提出的，并对和谐度方程进行了系统介绍，构建了以“和谐”为理念进行定量研究的一套方法理论体系[20]。随后左其亭等[21-23]及有关学者[24-25]对和谐度方程评价方法及应用进行了详细描述，使和谐度方程在综合评价问题中能够灵活应用，其评价结果更为可靠、符合实际。

2.4.1 和谐度方程(harmony degree equation)

(1)单因素和谐度方程：

HDk=a·i-b·j

(11)

(2)多因素和谐度方程：

(12)

式中：各参数意义及确定方式见文献[26]。

2.4.2 兰州市水生态文明评价标准的确定 通过方程式(12)将改进G1法赋权确定的兰州市水生态文明评价指标的权重和和谐度方程确定的评价指标和谐度值进行加权平均计算，确定出兰州市水生态文明的和谐度值，对比表1兰州市水生态文明和谐度值划分标准确定最终文明程度。通过上述评价方法的介绍说明，兰州市水生态文明评价流程见图2。

表1 兰州市水生态文明和谐度值划分标准

图2 兰州市水生态文明评价流程

3 结果分析与讨论

3.1 兰州市水生态文明评价指标权重的确定

根据处理的数据，采用改进G1法计算兰州市水生态文明各评价指标权重，计算结果见表2。

3.2 兰州市水生态文明评价指标和谐度计算

按照和谐度参数计算方法，确定各指标参数值。其中和谐参数计算采用模糊思想，将和谐参数划分为0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1，依次与指标等级Ⅴ～Ⅰ相对应进行计算。兰州市各指标2014-2017的和谐参数计算结果见表3。

采用和谐度方程(公式11)，计算兰州市各指标2014-2017年和谐度值，结果见表4。

3.3 确定兰州市水生态文明和谐程度

根据多因素和谐度方程(公式12)确定兰州市水生态文明和谐度值，并对照表1确定出兰州市水生态文明程度见表5。

3.4 讨论

(1)通过指标权重计算(见表2)可以发现水生态的纵向连通性指数、水监管的用水总量控制达标情况和水生态文明建设重视度权重最高，对兰州市水生态文明程度的影响最为显著。兰州市水生态文明评价中准则层的重要性依次为水监管、水文化、水生态、水安全、水节约和水环境，准则层从6个方面充分反映了“人、水”之间和谐发展对水生态文明建设的客观规律，继而对今后兰州市水生态文明建设提出合理有效的把控要素。

表2 兰州市水生态文明各指标权重的计算结果

(2)2014-2017年兰州市水生态文明各评价指标的和谐度值见图3。由图3得出：从2014-2017年和谐度值为负的指标逐渐减少，同时各指标和谐度值整体上升趋势明显；生态基流量满足程度、废水达标处理率，水生态文明建设公众认知度及水环境质量公众满意度的和谐度值从极不文明上升趋势显著，得到了一定的改善；至2017年水域空间率和谐度值依旧为负值，故应重点分析原因，确定其对水生态文明的影响性，后期应纳入重点考察因素。

(3)兰州市水生态文明程度计算结果(见表5)表明，其水生态-文明程度从2014-2017年依次为极不文明、不文明、一般文明、显著文明，呈现稳步上升趋势，与实际情况一致。主要因为近年来兰州市积极响应水生态文明建设，不断突出水生态文明建设的重要性，科学编制《兰州市水生态文明建设综合规划》和《兰州市水生态文明建设试点实施方案》，以兰州市重要水资源黄河为载体，科学规划兰州水系，改善城市供水结构，合理布局生产、生活和生态用水工程，控制污染物，打造两岸湿地等景观建设，从而增强了人与水环境的和谐发展。

表3 2014-2017年兰州市水生态文明各评价指标和谐参数值

表4 2014-2017年兰州市水生态文明各评价指标和谐度值

图3 2014-2017年兰州市水生态文明各评价指标和谐度值

表5 2014-2017年兰州市水生态文明程度

4 结 论

(1)本文提出兰州市水生态文明评价对建立黄河上、中、下游整体性、系统性发展具有一定作用。兰州市水生态文明评价是打造黄河生态经济带重要因素，从水安全、水生态、水环境、水节约、水监管、水文化6方面及18个具有代表性的指标构成评价指标体系，尽可能体现兰州市水生态文明状况。兰州市水生态文明评价具有一定的模糊性和不可量化性，随着发展阶段的不同将具有不同的侧重点，应需在研究中更加完善指标体系，提出不同时段的相关特点，更好地指导兰州市水生态文明评价。

(2)采用改进G1-HDE的综合评价模型进行水生态文明评价，并以兰州市为例进行分析，得出水监管和水文化两方面在兰州市水生态文明评价中较弱，在今后工作中应加强这两方面建设，以提高人们对水生态文明的重视度。通过综合评价得出兰州市2014-2017年水生态文明程度逐渐提高，与实际情况相吻合，证明了此模型具有一定的适用性。