辽宁省城市水生态文明建设评价

孙 良

(葫芦岛市水资源管理办公室，辽宁 葫芦岛 125000)

水生态文明是指在实现人水和谐发展、保护水生态系统方面创造的精神与物质财富的总和，它是组成生态文明的重要内容，并于2012年纳入“五位一体”建设总体布局。我国水生态文明建设过程中通常存在水资源管理保障制度不完善、水系统功能结构单一、水资源储量不足以及水景观公益性偏低等问题，因此未来建设发展时仍面临巨大的挑战[1- 6]。

城市形态布局、结构调整以及艺术设计等方面为以往城市建设规划的主要内容，城市水问题直至到20世纪90年代才逐渐引起人们的关注。针对城市水生态文明的相关研究目前还处于初始阶段，主要体现在：未形成较为系统、完善的水生态文明评价体系；水体-人类-自然系统构成的水生态模型缺乏统筹布局；实质性的水生态文明建设内容还不够明确等。

考虑到水生态文明系统的复杂性特征，本文在详细分析其基本要求、内涵特点以及人文景观的基础上，建立了包含29项代表性指标的评价体系，并利用投影寻踪法构造了评价模型，以期为更加客观、全面、科学地评价城市水生态文明状态提供借鉴和参考。

1 指标体系及等级划分

指标体系法是根据研究区域具体情况和指标选取的某种准则，选择具有代表性的评价指标，然后对这些指标的数据值利用合适的数学分析法进行处理，并最终得到综合参数，通过对比等级标准与综合参数的差值，客观、准确地反映该区域现状或水平。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，结合辽宁省水利厅发布的已有文件和通知，从水文化、管理、景观、安全以及水生态的角度建立了包含29项代表性指标的评价体系[7- 8]。

目前，国内外对水生态文明等级还未形成较为成熟、系统的划分标准，据此本文根据辽宁省自然地理环境和各区域条件，综合考虑该区域社会经济水平，将水生态文明建设等级划分为Ⅰ～Ⅴ的5个等级，分别为水生态文明状态理想、和谐、基本和谐、不和谐、极不和谐，各指标及其等级划分见表1。

表1中，C1～C3分别为城市防洪代表率、排涝达标率以及水质达标率；C4～C11分别为生态需水微尺度、水环境维护度、城市水面率、水生物种丰富度、织物配置合理性、回复之利率、水土流失治理率、林草覆盖率；C12～C18分别为万元GDP用水量、规模以上工业万元增加取水量、废污水排放达标率、城市污水回用率、供水管网漏损率、节水型社会普及率、水资源保护效果；C19～C21分别为工程达标情况、设施完稿度、水土保持“三同时”落实率、C22～C24分别为规划编报情况、水利工程管理到位率、制度建设情况、C25～C29分别为自然水景观、水利风景区、亲水岸线、水文化特色、水文普及情况。

表1 城市水生态文明评价指标体系及等级划分

为进一步提高本研究的适用性与普遍性，采取具体的数值作为定量指标的等级标准值与现状值，其中现状值数据来源于各区域的水利普查以及实地统计资料等，而等级标准值是结合相关文献以及研究区域实际状况而确定；对于定性指标的等级标准值与现状值数据，可通过表征相对于目标值的实现程度来实现，综合考虑专家评分和辽宁省水生态文明建设预期目标获取相应的目标值，并根据实地调查得到其现状值。按照式(1)作为实现程度f的计算方法。

(1)

式中，Gi1、Gi2—指标i在2015年的现状值和2018年的预期目标值。

2 基于投影寻踪法的评价模型

对城市水生态文明状态利用数学模型和具有代表性的指标值进行所属等级的综合评判，为本研究的主要思路。然而，用于城市水生态文明建设的评价指标通常具有不可公度、非线性、多维特征，考虑到数字化限制采用传统的数据分析法往往难以获取数据的内在规律，而在处理高维非正态分布方面投影寻踪法具有表现出较强的适用性。因此，本文对城市水生态文明的和谐程度评价时引入投影寻踪法，以期为更加客观、全面、科学的评价城市水生态文明状态提供借鉴和参考[9]。

2.1 投影寻踪理论

投影寻踪法是针对传统评价法存在的数学化、形式化等局限性问题，对探索性数据利用组合投影到低维子空间的方法驱动样本，该过程可不必对指标权重进行预先假定，因此可降低无关投影方向对评价结果的干扰，并避免主观性与指标权重不确定性对整体评价的不利影响[10]。

2.2 计算流程

根据遗传投影寻踪模型特点和函数特征可将计算流程分为以下步骤。

2.2.1 对各评价指标进行标准化归一处理

引入第j个指标在第i个评价方案中的评价值为x×(i，j)，评价指标和评价方案的数量分别为p和n，则研究方案集可表示为{x*(i，j)|i=1，2，Λ，n;j=1，2，Λ，p}。由于不同评价指标的量纲和单位存在一定的差异，为消除评价指标之间的不可通透性，需对各指标进行变化范围的标准化归一处理。对于评价值越大则价结果越优型指标可利用式(2)进行标准化归一处理。

(2)

对于评价值越小则结果越优型指标可采用式(3)进行标准化归一处理。

(3)

式中，xmin(j)、xmax(j)—样本中第j个指标的最小值和最大值。采用上述公式可将各评价指标值统一处理至0～1的范围之内。

2.2.2 建立投影函数

通过将{x(i，j)|j=1，2，Λ，p}的p维数据综合成一维投影值即为投影寻踪模型，其一维投影方向为a=(a(1)，a(2)，Λ，a(p))，投影公式如下：

(4)

式中，a—单位长度向量。

样本可根据一维散布图{z(i)|i=1，2，Λ，n}的散布密度进行优选。投影值z(i)在进行综合投影时其散布特征应满足以下条件：应尽可能的促使局部投影点保持密集或凝聚成若干个点团；投影点团在整体投影上尽量保持散开。据此，可采用下式作为投影指标函数：

Q(a)=SzDz

(5)

式中，Sz、Dz—投影值z(i)的标准差和局部密度，其计算公式分别如下：

(6)

(7)

式中，Ez—投影值序列的均值；R—局部密度的窗口半径，可利用经验公式进行求解通常为αSz，其中α为0.1、0.01或0.001等，可结合在区间内投影点的分布状况进行调整。

R值既不能使得窗口内投影点平均个数太少，也不能使得它随n的增加而增大过多，并以此减少滑动平均偏差。单位阶跃函数为u(R-rij)，其中距离为rij=|z(i)-z(j)|，若R-rij≥0则与其对应的函数值为1；若R-rij<0则与其对应的函数值为0。

2.2.3 优化投影函数

投影指标函数Q(a)在方案集确定的条件下仅随投影方向a的改变而发生变化，因此可依据投影方向作为数据特征状况，即出现可能性最大的方向即为高维数据特征最佳投影方向。利用最大化估计法可对投影方向的最佳方向进行求解，可采用下式进行目标函数的求解：

max:Q(a)=SzDz

(8)

其约束条件为：

(9)

采用传统的求解方法法对上述非线性复杂优化问题进行处理时较为困难，因此本研究采用加速遗传算法RAGA对上述问题可进行有效的、简便的求解。其基本理论依据是利用优胜劣汰的体制机制以及染色体交叉互换原理对各参数指标数值进行寻优求解。

2.2.4 评价等级的确定

3 实例应用

辽宁省位于我国东北地区西南部，占地面积14.8万km2，属于温带、寒温带大陆性季风气候，冬冷干燥漫长，夏季多雨炎热，全年降水量在600～900mm之间，受地形地貌、地质结构以及地势特征等条件影响，区域内各地区气候特征存在一定差异，降雨量和流经量分布不均匀，其中东南部水资源面积较大。地形地貌结构类型较多且错综复杂，地势构造层次由东向西逐渐降低表现低山丘陵和平原区，境内大小河流纵横交错，试点区水系主要有大凌河、辽河、浑河、太子河和绕阳河等。

在水生态文明建设方面，辽宁省各区域初步形成了相互独立的防洪堤圈，但境内大部分区域的堤防建设还未达到标准要求，城区水系淤积现象严重，并且在暴雨及强降雨时更加明显。饮用水水质达标率基本满足100%要求，过境水质大部分区域达到Ⅱ类标准，但是仍存在许多河流的水质在Ⅴ类水平。境内用水效率较低，并且对非传统水源的再生水、雨水的利用程度不高，个别城市的供水管道陈旧、失修并具有较好的漏损率。区域内雨情自动测报系统基本建成，但尚未形成较为完善的水功能区、饮用水源地等姿容测报调度系统，水资源管理专业技术力量薄弱，整体服务水平较低[11]。

3.1 评价过程

利用Matlab软件编写投影寻踪模型，并按照文中所述计算步骤，分别对成本型、效益型指标进行求解。初步设定样本遗传变异概率和交叉概率均为0.8，加速次数为20，初始种群规模为500。按照以上设定运行程序，最终得到最佳投影向量a*及其对应于Ⅰ～Ⅴ级别的投影值，分别为5.3826、4.6820、3.5672、2.4061、0，2014年辽宁省现状投影值为4.2518。然后利用各等级最佳投影特征值可建立评价模型式(9)，通过对模型误差进行分析，验证模型的可行性与可靠性，结果见表2。

y*=-0.001(z*)3-0.1048(z*)2-0.1485z*+5.0142

(10)

表2 投影寻踪模型误差分析

3.2 结果分析

根据表2计算结果可知，所建立的投影寻踪模型各等级值与投影特征值之间的拟合平均绝对误差、相对误差分别为0.0460、2.24%，由此说明该模型具有较高的精度与准确性，在城市水生态文明程度分析时具有良好的适用性与可行性。将2014现状年辽宁省投影值z*为4.2518输入模型，得到y*值为2.50，辽宁省现状年水生态文明处于基本和谐状态，该评价结果与研究区域实际状况基本相符。并且，根据各指标分量在最佳投影方向的大小可反映该指标对最终评价结果的影响程度。虽然2014年辽宁省水生态文明基于基本和谐状态，但部分指标之间的等级水平仍存在较大差异，研究可为促进该区域水资源配置与实施自然水景观保护措施提供一定决策依据与参考[12]。

4 结论

本文结合辽宁省社会经济发展水平和已有文献资料，建立了城市水生态文明建设指标体系和分级标准，再利用投影寻踪法建立评判模型，并对辽宁省2014现状年进行客观、科学评价，得出结论如下：

(1)所建立的投影寻踪模型各等级值与投影特征值之间的拟合平均绝对误差、相对误差分别为0.0460、2.24%，由此说明该模型具有较高的精度与准确性，在城市水生态文明程度分析时具有良好的适用性与可行性。

(2)辽宁省现状年水生态文明处于基本和谐状态，该评价结果与研究区域实际状况基本相符，并且，根据各指标分量在最佳投影方向的大小可反映该指标对最终评价结果的影响程度。