基于云模型的水环境治理PPP项目可持续性评价PPP项目为例——以河南省许昌市水环境治理

汪伦焰,夏 晴,李慧敏,马 莹

(1.华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州450045;2.河南省水环境治理与生态修复院士工作站,河南 郑州450002; 3.河南省水环境模拟与治理重点实验室,河南 郑州450045)

1 引言

随着工业化、城市化进程的不断推进,城市规模逐渐扩大、人口急剧增加、水环境污染与水生态系统破坏等问题日益突出,因此改善城市水环境成为城市快速发展道路中亟需解决的问题。在传统环境治理模式中,政府全权负责环境治理的费用和管理工作,不仅导致政府巨大的财政压力,还对政府的管理能力提出了严峻的挑战。政府和社会资本的合作(PPP)模式,作为一种融资方式,更是一种治理方式,是提高环境公共产品与服务供给质量的有效途径之一。

近年来,采用PPP模式的基础设施项目在发展中国家受到了欢迎。我国对PPP型基础设施的需求在增加,截至2018年9月底入库(财政部)项目个数达到8287个,总金额达12.309万亿元。其中,城镇水环境治理PPP项目的个数占比为9.6%,成交总金额占5.8%。

可持续发展理念自20世纪70年代首次提出以来,已成为包括我国在内的世界各国广泛接受的全球经济社会发展的核心概念和中轴原理。它强调经济、社会和环境的协调发展,要求在满足当代人需求的同时又不对后代人满足其需要的能力构成危害的代际平衡[1]。在基础设施建设行业,PPP模式被认为是实现可持续发展目标的潜在措施和手段[2],但由于社会资本的逐利性,导致社会资本只重视短期经济效益,忽视了对经济、社会与环境的长期影响,不利于可持续发展目标的实现,因此需要将可持续发展理念纳入通过PPP模式交付的基础设施项目中[3]。

对这一问题，有学者进行了深入研究。吴庆华认为PPP项目的可持续性包括两方面含义：一是基础设施PPP项目要与区域经济发展水平相一致,能持续满足消费者的长期有效需求,同时对社会、经济、环境和资源可持续发展起促进作用;二是基础设施PPP项目本身的发展是可持续的,即项目本身的耐用性、服务的市场性、维护的快捷性、需求的稳定性和使用的可持续性[4]。

可持续发展逐渐成为各国政府、组织和行业都渴望遵守的概念,但要使这一概念成为现实,需要对可持续发展进行评价,到底什么样的发展是可持续的。可持续性评价成为帮助转变成可持续的一种重要工具,因此本文采用云模型理论对水环境治理PPP项目进行可持续性评价。

2 模型构建

2.1 云模型基本理论

云模型是由Li L、Fam F、MaL[5]等于1995年提出的，它是一种基于概率论与模糊数学理论的特定结构算法所形成的定性概念到定量表示之间的相互转换模型。

云模型定义与数字特征:假设U为一个定量论域,可用精确数值表示,C为U上的定性概念。若定量值x∈U,并且为定性概念C的一次随机实现,对C的确定度μ(x)∈[0,1]是具有稳定倾向的随机数,则称x在论域U上的分布为“云”,每个x称为一个“云滴”(x,μ(x))。云模型通过期望Ex、熵En和超熵He三个数字特征来共同表示一个定性概念。其中,期望Ex是定性概念中最具有代表性的“点”;熵En是表征定性概念不确定度的“量”,它不仅反映了定性概念云滴的离散程度,也是度量论域中能被概念接受的云滴的取值范围;超熵He是云模型中“云滴”凝聚程度的反映[6]。

云发生器:本文主要采用正向云发生器和逆向云发生器。通过正向云发生器[7]将定性概念转化为定量数值,具体过程主要为:将云模型的云滴数、期望熵和超熵依次输入到发生器中,得到“云滴”在论域U中的定量数值以及其表示概念的确定度。正向云发生器需要满足以下条件:一是X的分布满足以E为均值、N2为方差的正态分布;二是正态随机数N的分布满足以N为均值、H2为方差的正态分布;三是X满足对定性概念C的确定度。具体的计算公式为:

u=exp{-(x-E)2/[2(N′)2]}

(1)

通过逆向云发生器[8,9]将定量数值转化为定性概念,利用统计的“云滴”来计算云模型的期望、熵和超熵,具体过程为:首先计算样本的均值和方差,然后利用式(2)得到云模型的期望、熵和超熵。计算公式为：

(2)

2.2 构建水环境治理PPP项目的评价指标体系

构建评价指标体系:虽然现有大量研究提出了在实施基础设施项目的过程中实践可持续发展原则的各种方法和评价指标体系,但是大多数学者都是从可持续的三重底线——经济、社会和环境三方面出发的[10-12],缺乏更加全面的评估指标,这对有效评估基础设施项目的可持续性构成了障碍。例如，如何实现最终目标和如何进行管理会决定一个项目的成功或失败,而项目目标的实现需要有效的项目管理,但以往的研究主要侧重于项目中的环境可持续性方面,对项目中的其他方面例如项目管理可持续关注较少[13],因此不利于对项目的可持续评价。此外,Armanios认为如果我们要对可持续性有一个更完整和整体的看法,需要更多地考虑工程可持续[14]。

本文在设计水环境治理PPP项目可持续性评价指标体系时,借鉴前人的研究结果[11,12,15-17],分别从经济、社会、资源与环境、工程和项目管理可持续的五个方面出发。其中,经济可持续是指PPP项目要给社会资本带来长期、稳定、合理的投资回报;社会可持续是指PPP项目要能给社会公众提供优质的公共产品和服务,提高人们的生活质量,实施弱势群体的技能培训和能力提升,寻求代际公平;资源与环境可持续是指PPP项目要改善对城市的资源、环境的影响，提高居民的生活质量;工程可持续是指在工程的全寿命周期内,在保证工程质量的同时,最大限度地节约资源,包括节能、节材等,保护环境和减少污染,为人们提供优质环保的工程;项目管理可持续是指通过管理,维持项目的经济可行性和使用最少资源的同时满足利益相关者的需求,具体的评价指标体系见图1。

确定指标权重:AHM是一种新的无结构决策层次分析方法。一般而论，AHM算法的权重只需要做加乘运算,算法简单,同时又不需要做判断矩阵的一致性检验。在解决指标之间相互影响的问题时,可以避免大量的计算,使决策和分析更容易实现。虽然AHM中的比较判断矩阵通常难以求出,但是可由AHP的判断矩阵A=(aij)n×n转化得到[18]。具体的计算公式为:

(3)

uij满足：

(4)

式中,aij表示按照1—9标度理论得出的第i比第j的相对重要值(表1);β表示常数,一般取1或2,本文取2;K表示AHP中1—9比例的标度，1/K表示其倒数。

由AHM的比较判断矩阵可以计算出属性的权重:wG=(wGu1,wGu2,…，wGun)T,而相对属性的权向量计算公式为:

(5)

2.3 水环境治理PPP项目可持续性评价模型设计

定性评语集的云模型可表示为:首先，利用云模型赋予项目的可持续性一组评语集,将评语集划分为五个级别:{弱,较弱,一般,较强,强}。其中，“弱”和“强”属于单方面约束,“较弱、一般、较强”属于双边约束。苫后，对双边约束评价通常选择对称云模型进行描述，云模型的数字特征可以通过以下公式获得[19]。

(6)

式中,Amin和Amax分别为可持续评价级别下的评语取值边界的下限值和上限值;k为常数,凭经验取得。

一般而论，对单边约束评价可用半云模型进行描述。分别用“0”和“10”来描述模型“弱”和“强”的评价,选择对应的对称云熵的1/2作为它们各自的熵,假设评语集的相应理论域为[0,10],则每个评语的相应区间和云模型数字特征值见表2[19]。

表2 每个评语的相应区间和云模型数字特征值

二级指标的云模型表示:鉴于水环境治理PPP项目涉及到的利益相关者较多、公益性较强等特点,为了全面考虑指标的可持续性,通过对不同类型的评价人员发放问卷,确定各指标的定性意见，使用逆向云发生器得到每个指标的云模型数字的特征值(Ex,En,He)。

一级指标的云模型确定:每个一级指标下的二级指标基本上是相互独立的,各指标之间的相关性很低。因此,一级评价指标的综合云可利用已确定的二级指标的云模型数字特征值来确定。

(7)

式中,ωi为各个二级指标的权重;(Exi,Eni,Hei)为各个二级指标云的数字特征值;n为评价指标的个数,i =1,2,…,n。

建立综合云模型:借助虚拟云中的综合云理论[19],生成综合云模型,其数字特征可由5个一级评价指标的数字特征值进行计算,具体的计算公式为:

(8)

式中,ωi为每个一级指标的权重;(Exi,Eni,Hei)为各个一级指标的云模型的数字特征值;n为评价指标的个数,i =1,2,…,n。

利用综合云模型的数字特征值绘制水环境治理PPP项目的可持续性评价云图,可得到水环境治理PPP项目整体可持续性的具体信息,运用云模型理论对水环境治理PPP项目的可持续性进行评价。

3 案例分析

3.1 项目简介

3.2 许昌市水环境治理PPP项目可持续性评价

数据收集:本文选取可持续发展领域、水环境治理领域专家共10位,通过信函方式邀请各位专家对许昌市水环境治理PPP项目可持续的相对权重做出客观分析和判断。根据专家们对评估指标之间的重要性进行两两对比打分,采用AHM计算权重值结果(表3)。同时，选取项目参与人员(包括政府、社会资本、咨询公司等人员)作为问卷调研对象,采用9标度的李克特量表收集被调研者对每个二级指标进行可持续评价。其中,1表示项目的可持续性弱,3表示项目的可持续性较弱,5表示项目的可持续性一般,7表示项目的可持续性较强,9表示项目的可持续性强。共发放问卷200份,回收有效问卷124份,问卷回收率为62%。

水环境治理PPP项目二级指标的云模型表示:我们对回收的问卷进行了数据处理,并使用逆向云发生器得到每个二级指标的云模型数字特征值,结果见表3。

表3 每个二级指标的云模型数字特征值及相应权重

表4 每个一级指标的云模型数字特征值

环境治理PPP项目一级指标的云模型确定:将每个一级指标下的各二级指标的数字特征值和权重代入式(7),进行综合云计算,得到5个一级指标的云模型数字特征值,见表4。

水环境治理PPP项目综合云模型:通过式(8)对虚拟云中的各个一级指标进行综合云计算,可得到许昌市水环境治理PPP项目综合可持续性评价的云模型数字特征值 (6.3388,1.6224,0.5785)。

水环境治理PPP项目可持续发展水平的确定:在许昌市水环境治理PPP项目综合可持续性评价的综合云模型数字特征值中,He=0.5785。为了比较每个评论的集成云模型和相应的云,我们首先调整了表中的k值,并且取k=0.3。然后,将综合云模型的数字特征值和每个评语的相应云模型数字特征值输入到正向云发生器中,再利用Matlab软件画出相应的云图,具体见图2。该项目的整体可持续性处于“一般”和“较强”水平之间,更接近“较强”的水平。

图2 整体可持续云图

我们将5个一级指标的数字特征值(即经济可持续B1、社会可持续B2、资源与环境可持续B3、工程可持续B4、项目管理可持续B5)和每个一级指标的数字特征值输入到云模型中,并利用Matlab软件绘制出相应的经济可持续、社会可持续、资源与环境可持续、工程可持续和项目管理可持续的云图,见图3—7。

图3 经济可持续云图

图4 社会可持续云图

图5 资源与环境可持续云图

图6 工程可持续云图

图7 项目管理可持续云图

从图3—5中可见,经济可持续、社会可持续、资源与环境可持续处于“一般”和“较强”水平之间,更接近“较强”水平，而图6—7的工程可持续、项目管理可持续更接近于“一般”水平,说明项目在工程和管理方面仍然存在着一些不足,可持续性有待提高。此外,通过表2中每个二级指标的云模型数字特征值发现,在工程可持续方面,工程配套设施完备性和工程可更新改造的能力分值较低;而在项目管理可持续方面,人力资源的专业性分值较低。

通过分析可见，这些信息可为提高项目可持续提供指导。因此,今后应更加重视水环境治理PPP项目在工程和项目管理方面,通过完善工程配套设施和注重工程的可更新改造能力,并在管理方面采取各种积极措施,通过各种形式的学习和培训来提升项目管理人员的素质。

4 结论与讨论

4.1 结论

本文将可持续发展的思想融入基础设施项目的理念受到了人们的广泛关注,在考虑实施时,应适当评估其可持续性表现。随着国家对水污染问题的关注,出现了越来越多的水环境治理PPP项目。为了这些项目持续健康地发展,应对这些项目进行可持续评价。

本文从经济、社会、资源与环境、工程和项目管理五个方面构建了水环境治理PPP项目可持续性评价指标体系，并在此基础上,利用云模型对每个项目的可持续性进行了评价。为了证明评价方法的可行性,本文对河南省许昌市水环境治理PPP项目进行了相关案例分析。实证研究结果表明,许昌市水环境PPP项目整体可持续性处于“一般”和“较强”水平之间,更接近于“较强”水平;经济可持续、社会可持续、资源与环境可持续高于工程可持续性和项目管理可持续。

4.2 讨论

本文提出了通过完善工程配套设施、注重工程的可更新改造能力、提高管理人员的素质等来提高工程可持续性和项目管理的可持续水平。本文提出的指标体系可以帮助综合考虑可持续发展的多维度,运用云模型对项目进行评价,实现定性评价到定量表示之间的转换,通过“云滴”图能直观简单地反映出评估项目的可持续性程度,为水环境治理PPP项目的可持续性评价提供了有益的借鉴。可持续的水环境治理PPP项目,不仅有助于实现水环境的长效治理,对城市实现可持续发展也具有非常重要的意义。