基于城市区域水生态系统健康评价下的城市水生态文明建设探讨

张 成

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

近年来随着我国社会经济的飞速发展[1]，各地区都在推进新型城镇化发展，在新城不断建设的过程中，生态文明建设显得异常重要[2]。城市水生态文明建设[3]是我国生态文明建设的重点方向。目前，我国多地均开展国家级或省级试点城市的建设[4]。我国天然水资源的特点为水资源总量大，可持续利用的淡水资源约占全球人均水资源的百分之六，人均利用的水资源仅仅约为目前全球世界水平的四分之一，水资源配置[5- 7]严重不均。本文将围绕某城市水生态文明建设展开详细研究，建立城市水生态系统健康评价模型，分析该城市10个管辖区内水生态系统的健康状况，为城市生态文明建设提供指导性意见。

1 城市水生态系统健康评价

城市水生态系统[8- 10]是由水系统和人文系统两个子系统中的各影响因素组合而成的复杂的大系统，这些因素彼此之间相互作用、影响和制约。本文将建立以城市水生态系统健康具体指标与具体评价对象特征为基础的Water-Human-Health评价模型，确定研究对象，通过基于海明贴近度的模糊物元法计算相关影响指标的数值，分析计算结果对其健康水平进行评价。

1.1 评价指标体系的权重计算

权重是表明各个评价指标在评价模型中的重要程度，本文拟采用组合权重分析法来计算各评价指标体系的权重。首先由主观经验法确定主观权重，通过建立层次模型的树形结构，列出判断矩阵A=(aij)n×n，确定权向量W=(w1，w2，…，wn)T，采用Matlab软件计算出特征值λ1，具体计算公式如下：

(1)

(2)

根据计算结果，对特征值进行一致性[11]检验，确定特征值之间是否有显著性差异，本文利用一致性指标CI和随机一致性指标RI来判断矩阵的一致性。

(3)

式中，n—判断矩阵的阶数。

平均随机一致性指标RI是通过多次循环计算随机判断矩阵特征值来取得，在Matlab中循环次数超过10万余次，运行时间较长，一般常根据经验取值。由此可得一致性比率CR为：

(4)

当CR>0.1时，表明一致性检验不通过，必须重新进行赋值后再判断矩阵；当CR<0.1时，则通过一致性检验。求得主观权重后再通过熵权法计算客观权重，构建具体指标原始数据判断矩阵：

(5)

式中，m—评价指标，n—样本数；xij—第i各指标第j个样本的原始数值。

将指标原始数值标准化：

正向指标：

(6)

逆向指标：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

数值标准化后确定组合权重为：

(12)

1.2 基于海明贴进度的模糊物元计算

以城市水生态系统健康评价为目标，选取n个样本数据，与m维模糊物元组合，构建复合物元：

(13)

式中，Rmn—n个样本的m维复合物元；ci—第i个评价指标。

将复合物元值进行标准化处理并确定从优隶属度，得到标准模糊物元：

(14)

式中，ui0—第i个评价指标对应的模糊量值。

利用贴近度表示评价样本模糊子集与标准样本模糊子集之间的相似程度，通过多准则集成系统计算评价对象的健康状况。

(15)

2 工程概况

该城市位于我国西南某省中部偏北地区[12]，处于我国东部向西部高原过渡的地带，在城市所辖区域内喀斯特地貌发育，面积约为6831km2，占总面积的85.102%，在该市所在的省份中占比最高。市辖六区、三县以及代管一个县级市共计10个行政区。从地理条件来看，该城市界于长江流域与珠江流域的分水岭的过渡地带，全市范围内水系发育成熟，境内河流长度超过一定数值或流域面积大于相应划分数值的河道近百条。以2013年为例[13]，当地多年平均地表水资源量为45.15亿m3，2013年全年供用水总量为10.46亿m3。全市水资源的开发结构图如图1所示，水资源利用占比情况如图2所示。

图1 2013年该城市水资源开发结构图

图2 2013年该城市水资源利用占比图

3 城市水生态文明建设分析

3.1 权重计算

将该城市所辖属的10个行政区进行计算单元划分。定义研究期的区间范围为2005—2013年连续9年，以城市水生态系统健康状况为研究对象建立模型并展开评价。在针对模型分析计算的过程中，通过变量组合法和赋权法共同确定研究对象各项指标的平均权重。以基本准则层为计算单元，分别计算出城市水系统和城市人文系统中各项指标的权重，计算结果见表1—2。

3.2 健康指数计算

模型分析计算方法采用基于模糊数学的新型模糊物元分析法[13]。利用海明贴近度作为各个研究水系统指标的健康状况指数，主要包括城市水生态系统健康状况指数(UWEHI)、水系统健康状况指数(WSHI)、人文系统健康状况指数(HSHI)。计算结果如图3所示。

由图3计算结果可知，该城市健康指数从数值大小来看，水系统健康指数值最大，城市水生态系统健康指数次之，人文系统健康指数值最小，表明该城市属于人文系统相对滞后的城市。水系统健康指数(WSHI)在研究期间呈上下波动的变化规律，但整体表现为逐年减少的趋势，可明显观测到指数值在2008—2011年下降率较大。城市水生态系统健康指数(UWEHI)在研究期间也呈现出上下波动规律，波动范围相比水系统健康指数小且总体是呈逐年增长趋势，表明在研究期内该城市水生态系统状况逐步好转。其中健康指数的最大平均值为0.52，最大值出现的时间节点为2012年。人文系统健康指数(HSHI)在研究期内逐年递增，2007年后其增长率较大。综合三个健康指数情况表明，该城市水生态系统健康水平表现为逐年提升的趋势。

图3 城市水生态系统健康指数变化图

表1 某城市各区水系统权重计算结果

表2 某城市各区人文系统权重计算结果

根据指数分析结果并结合某城市10个辖区的实际情况可知，在加强城市生态文明建设中应该大力推进节水型社会的建设；探索岩溶地区、喀斯特地区水资源利用与保护的新模式；在经济稳步增长的条件下加大对水利行业的财政投入，推动城市人文健康水平的提升。

4 结论

以某城市的水生态为分析样本，建立WHH评价模型，通过分析可知在2005—2013年研究期中，该城市人文系统健康状况指数逐年稳步提升；水生态系统健康状况指数的变化规律随研究期增长逐年增加，水系统健康指数变化规律呈现短期波动但整体趋向于适度下降趋势。分析结果与该城市实际情况基本吻合，验证了本文创建的城市水生态系统健康评价研究模型的可行性。研究结果对进一步加强该城市水生态文明建设具有指导性意义，并为不同城市的水生态文明建设提供了参考模型及方法。