基于组合赋权模型的小洪河流域生态补偿效果评价

孟 钰，张 宽，高富豪，管新建

(郑州大学水利科学与工程学院，郑州 450001)

近年来，随着水资源的大量开发利用，水环境、水生态保护问题已经成为制约经济社会发展的重要因素。流域生态补偿机制作为一种新兴的生态环境保护手段，能够协调社会经济发展与自然资源之间的关系，促进资源的有效配置，实现流域整体效益的最大化[1,2]。为检验流域生态补偿政策的实施效果，通过量化涉及生态补偿各方面的反馈效果，对生态补偿效果进行综合评价，有助于合理评估现有生态补偿政策的实用性，并对待建项目提出指导意见，对提高流域生态补偿资金使用效率、促进资源优化配置、完善水资源管理制度起到积极作用。

目前，关于生态补偿效果评价的研究，部分学者主要运用实地调查和对比分析方法，定性评价流域生态服务付费情况及生态补偿政策实施成效[3-5]。但是，生态补偿定性评价受到人为主观因素影响较大，且评估面较窄，因此，生态补偿效果定量评估为现今主要研究趋势。生态补偿效果定量评价通常从政策实施后的直接或间接影响与成效进行分析，通过建立与生态补偿相关的各方面影响情况的指标体系，来评价生态补偿对生态环境保护的有效性[6,7]。构建生态补偿效果评估指标体系是评估的关键与难点所在，目前学者们主要考虑实施生态补偿后对社会经济与生态环境的影响[8,9]。在我国许多流域，生态补偿政策的实施期限不长、政策体系不够完善，尚不能及时调查与统计生态补偿政策实施的直接效果。针对水环境生态补偿问题，国家已建设了较为完善的水质监测系统，依靠长系列社会经济发展与水环境监测统计数据，能够间接反映水环境生态补偿效果。

本文针对水环境生态补偿效果综合评估指标体系及综合评估方法进行研究。考虑生态补偿影响下，社会经济发展、污染排放及污染处理三个层面，构建生态补偿效果综合评估指标体系。建立基于层次分析与熵权理论的组合赋权综合评估模型，用于将综合评估指标体系中的多个指标转换为一个具有代表性的综合指数。选取河南省小洪河流域为研究实例，进行生态补偿实施前后的效果评价与分析。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

小洪河发源于河南省舞钢市伏牛山区，流经漯河市舞阳县、驻马店市西平、上蔡、平舆、新蔡四县，全长251 km，流域面积4 287 km2(113°37′～115°10′E，32°45′～33°26′N)。洪河作为淮河上游最大的支流，日益严重的水污染已成为该流域可持续发展的制约因素。2010年1月，河南省人民政府办公厅关于印发《河南省水环境生态补偿暂行办法》，对全省18个地市实施流域水环境生态补偿政策，驻马店行政区内的小洪河流域是其代表性试点之一。此外，为尽快解决小洪河污染问题，驻马店市加大了对流域水生态环境的整治力度，相继出台了多项措施对小洪河流域展开了全面的综合治理。本文的主要数据来源于2008-2015年《驻马店统计年鉴》与《驻马店市水资源公报》。

1.2 生态补偿效果综合评估指标体系

遵循科学性、代表性、可操作性与全面性指标筛选原则，结合专家意见与数据支撑情况，小洪河流域生态补偿效果受到社会经济发展、水污染排放与监管、水污染处理三个层面的影响。社会经济发展是城市进步的表现，但在社会经济发展的同时，不可避免地会带来用水增多、污染增排等水问题。小洪河流域现阶段实施的生态补偿政策主要致力于解决由于城镇生产、生活造成的水污染问题。污染排放与监测数据能够直观统计研究期内的水污染强度。污染处理水平反映了现阶段治污工艺发展水平。根据各层面特点与针对性，筛选出10个指标构建生态补偿效果综合评估指标体系，如表1所示。

1.3 基于层次分析与熵权理论的组合赋权综合评估模型

科学和合理的确定指标权重，对综合评估效果的可靠性和准确性具有重要意义。目前，针对权重的确定方法很多，主要分为两类：主观赋权法和客观赋权法。而两者各有优缺点，前者发挥主观经验优势，但客观性差；后者具有客观数据真实性，但缺乏专家经验。所以，本研究采用主客观结合的赋权方法-组合赋权，互补两者优劣性[10]。并分别选取主客观赋权中代表性的方法：层次分析和熵权理论。即先对指标数据进行标准

表1 生态补偿效果综合评估指标体系

Tab.1 Comprehensive evaluation index system ofecological compensation effect

目标层维度层指标层编号生态补偿效果综合评估指标体系经济社会发展层面(A)人均GDP/(元·人-1)A1污染排放与监测层面(B)人均COD排放强度/(t·人-1)万元GDP污染物排放量/(t·万元-1)单位工业产值污染物排放量/(t·万元-1)监测断面三类水及以上等级所占比例/%水功能区达标河长占比/%B1B2B3B4B5污染处理水平层面(C)生活污水处理率/t生活污水氨氮削减率/%工业废水COD处理率/%工业废水氨氮处理率/%C1C2C3C4

化处理，如式(1)、(2)所示，得到相对隶属度矩阵R=(rij)m×n，其中i=1～m，j=1～n,即共有m个评估对象，n个评估指标。结合组合权重确定每一评价对象综合指数，进而比较各评价对象的优劣。

越大越优型指标：rij=(xij-xmin)/(xmax-xmin)

(1)

越小越优型指标：rij=(xmax-xij)/(xmax-xmin)

(2)

式中：rij为第j个指标对第i个对象的相对隶属度；xmax、xmin分别为同一指标不同对象中的指标值xij中的最大值和最小值。

1.3.1 层次分析法

层次分析法(AHP)，是指通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序和总排序，将一个复杂的多目标评价问题分解为多指标(或准则、约束)的若干层次，以作为多指标、多方案优化评价的系统方法。AHP法能将难以全部量化处理的多指标评价问题数学化、系统化，计算简单，结果明确。层次分析法只考虑到各评价指标之间的比较，不考虑评估对象。

首先，建立结构、体系分明的指标评价体系，对同一层次的各指标进行两两比较，对应定义标度表，由此构造判断矩阵A，如下：

(3)

按式(4)计算每一个指标的权重值w(AHP)j：

(4)

由于成对比较的数量比较多，很难做到完全一致，故需要采用一致性检验来检验构造的判断矩阵的合理性，采用(5)～(7)进行一致性检验。

计算最大特征检验数λmax：

(5)

计算CI值：

CI=(λmax-n)/(n-1)

(6)

计算一致性比例CR，当CR小于0.1，即认为通过一致性矩阵：

CR=CI/RI

(7)

式中：RI取值根据层次阶数而定。

1.3.2 熵权法

熵是对系统无序程度的度量，当某项指标值无序程度越大，提供的信息量越大，所占权重也越大；反之，所占权重越小。熵权法是对复杂多指标体系进行定量评价的系统分析方法，是克服凭主观经验判断的不合理性的一种客观赋权法。

根据式(1)～(2)指标标准化处理结果，确定评价指标的熵值，计算如下：

(8)

(9)

式中：fij为第i个对象第j项指标的比重；Hj为各对象中第j项指标的熵值。

按式(10)计算各指标的客观权重值：

(10)

1.3.3 组合赋权综合指数

(1)组合权重。将综合指标的主观权重w(AHP)j和客观权重w(E)j，根据最小相对信息熵原理，用拉格朗日乘子法优化进行组合权重计算，如下：

(11)

(2)综合评价指数。将各指标标准化处理后的值rij和组合权重wj按式(12)进行合成运算，可得到各评价对象的综合评价指数Zi。

(12)

2 结果与分析

2.1 组合权重

采用层次分析法与熵权法，计算生态补偿效果综合评估指标体系中各指标的主观权重与客观权重，并根据式(11)得到组合权重值，结果如表2所示。根据主观权重计算结果，评估专家认为社会经济发展水平仍然是影响区域排污的主要因素，此外，水功能区是根据区域水资源属性与社会经济需求科学划分的水资源分级保护目标，其达标河长比是区域水环境质量的主要考核标准。根据客观权重计算结果，由指标历年数据结构特征，监测断面三类水占比与水功能区达标占比的客观权重较大，表明其数据序列在时间与空间上差异较大，随着生态环境保护意识提高及生态补偿政策普及，在污染排放与监测方面取得了有效进展。

2.2 小洪河流域生态补偿效果综合评估

根据综合评估指标体系中各指标组合权重，采用式(12)依次计算小洪河流域2008-2015年新品、上蔡、平舆、新蔡四县逐年的生态补偿效果综合指数，结果见表3与图1。

表2 基于层次分析法与熵权法的组合权重计算结果

Tab.2 Results of combination weights based on analytichierarchy process and entropy methods

指标主观权重w(AHP)j客观权重w(E)j组合权重wj人均GDP0.1210.0940.112人均COD排放强度0.1030.1060.110万元GDP污染物排放量0.0910.1350.116单位工业产值污染物排放量0.1120.1190.121监测断面三类水及以上等级所占比例0.0820.1510.116水功能区达标河长占比0.1310.1480.146生活污水处理率0.0970.0810.092生活污水氨氮削减率0.0830.0550.071工业废水COD处理率0.0820.0550.070工业废水氨氮处理率0.0980.0560.078

表3 小洪河流域各县生态补偿效果综合指数计算结果

Tab.3 Comprehensive indicators of ecological compensation effectof four counties in the Xiaohong River Basin

生态补偿政策实施阶段年份生态补偿效益综合指数西平上蔡平舆新蔡未实施20080.112 0.292 0.242 0.415 20090.243 0.403 0.370 0.519 实施初期20100.347 0.475 0.434 0.557 20110.375 0.520 0.480 0.581 实施中期20120.425 0.580 0.517 0.619 20130.492 0.650 0.591 0.66820140.576 0.685 0.643 0.72420150.673 0.788 0.690 0.769

图1 小洪河流域各县综合生态补偿效果时间变化趋势Fig.1 Time variation trend of comprehensive ecological compensation effect in the Xiaohong River Basin

根据表3与图1所示，在时间变化趋势上，小洪河流域生态补偿效果总体上呈现上升趋势，表明流域整体补偿效果越来越好。小洪河流域生态补偿政策实施大致分为三个阶段，第一阶段2008-2009年，国家提出流域生态补偿政策，但小洪河流域还未实施。该阶段内各县综合补偿效果值均偏小。各县仍以大力发展经济为主，甚至不惜牺牲生态环境，从而导致水环境质量降低、生态系统退化或破坏等。第二阶段2010-2011年，小洪河流域生态补偿政策实施初期。河南省政府于2010年出台《河南省水环境生态补偿暂行办法》，开始试行小洪河流域生态补偿政策[11]。政府生态补偿资金主要用于水污染防治技术改进、河流水量与水质监控系统建设等方面，也奖励能够达到水环境质量考核标准的地区，但政府在管理上仍存在较大难度，流域总体补偿效果不是很明显，综合指数增长缓慢。第三阶段2012-2015年，小洪河流域生态补偿政策实施中期。2012年，河南省环保厅、财政厅、水利厅联合发布《关于河南省水环境生态补偿暂行办法的补充通知》，提出阶梯式生态补偿标准[11]。根据地表水水质浓度标准与地区水质保护目标，以COD与氨氮为考核指标，制定不同补偿级别，并设立对应补偿资金，有效提高了补偿效率。因此，自2012年起，小洪河流域内各县市生态补偿效果稳步上升。

在空间变化趋势上，代表年各县生态补偿综合指数空间对比如图2所示。研究时段初期，西平(0.112)的补偿效果相对较差，新蔡(0.415)最好，上蔡(0.292)、平舆(0.242)居中。新蔡地处流域下游，且是小洪河与汝河交汇处，水资源量较丰，且汝河水质较好，能够改善新蔡整体的水环境质量。此外，新蔡是河南省直管县，河南省在财政上对新蔡各方面发展的支持力度较大。西平较为特殊，一方面，在生态补偿政策实施前，西平大力发展社会经济，GDP历年在四县中居首位，且2008-2012年GDP年增长率均在19%左右，不可避免对生态环境造成严重负面影响[12]。另一方面，西平位于驻马店市边界处，与平顶山市相接，受到上游平顶山市的排污影响。由于生态补偿政策实施仍处于探索阶段，相邻市之间的生态补偿标准与管理还需完善，补偿力度与落实情况仍需加强。可见，为全面落实生态补偿，需要完善不同空间尺度的生态补偿政策，合理制定县级、市级、省级之间的补偿标准与管理制度。研究时段后期，四县综合补偿效果逐渐接近，上蔡(0.788)已赶超新蔡(0.769)，且西平(0.673)已赶上平舆(0.690)水平。表明生态补偿政策实施后，流域兼顾经济发展与生态保护，防止上游排污导致下游生态损害等现象，上下游之间联动治理，共同维护生态环境健康，有效缩短了各县水环境质量差异。

图2 小洪河流域各县综合生态补偿效果代表年空间分布Fig.2 Spatial distribution of comprehensive ecological compensation effect of different representative years in the Xiaohong River Basin

3 结 语

由于生态补偿标准与方式的复杂性，一些问题并不能在补偿前预料到，而生态补偿效果评价能够反馈生态补偿政策实施效果，为生态补偿政策的完善与改进提供参考。本文选取了能够反应社会经济发展、污染排放与监测、污染处理水平三个层面的10个指标，构建生态补偿效果综合评估指标体系。运用基于层次分析与熵权的组合赋权模型将综合评估指标体系中的若干指标转换为一个具有代表性的综合指数。将上述理论与方法运用到小洪河流域的实例研究中，结果表明，随着生态补偿政策的完善与实施，小洪河流域的生态补偿效果综合指数呈逐渐增长趋势，补偿效果越来越好。但是，由于生态补偿政策仍处于探索阶段，在污染排放管理与污水处理技术上还有很大的改进空间，此外，社会经济发展与生态环境保护之间的关系也还需要进一步协调。