幸福河评价体系及其应用

左其亭,郝明辉,姜 龙,张志卓

(1. 郑州大学水利科学与工程学院,河南郑州 450001；2.郑州市水资源与水环境重点实验室,河南郑州 450001)

自2019年中国政府提出“建设幸福河”江河治理目标以来,国内一些科研团队积极响应并开展大量研究。左其亭等[11]基于对中国河流管理历程及“幸福”内涵的梳理,结合幸福河的提出背景及江河治理需求,最先探讨了幸福河的概念、内涵及判断准则；陈茂山等[12]从人、河流及人与河流的关系3个角度,分析了幸福河的基本要求,进一步解读幸福河的内涵,并提出了幸福河评价指标体系与评价方法。为纪念“世界水日”和“中国水周”,中国将2020年宣传主题定为“坚持节水优先,建设幸福河湖”。如何评价以及如何建设幸福河成为关注的焦点问题,许多学者对此进行了探讨。谷树忠[13]从5个方面阐述了幸福河湖建设的相关问题,并指明当前幸福河湖建设的重点工作方向；王浩和邓铭江分别总结了幸福河湖建设的要求,并提出幸福河湖评价及建设建议[14-15]；李云等[16]剖析了河湖健康管理的关键问题；唐克旺[17]提出了幸福河的层次化、多维度评价方法。对于幸福河评价的实例研究,韩宇平和夏帆[18]参照河流健康评价成果,从流域自然属性、社会经济属性、人水和谐关系3方面构建幸福河评价指标体系,基于心理学需求层次论将幸福河评价划分为基本需求、发展需求与和谐需求3个层次,并在黄河进行应用。总体而言,幸福河提出时间较短,目前相关研究较少,且主要为以概念、内涵研究为主的理论探索阶段,关于幸福河评价的系统研究仍然较少,尚缺乏广为认可的幸福河评价体系。

本文旨在前期工作的基础上,进一步开展幸福河评价的理论及应用实例研究,建立幸福河评价体系并以黄河为例进行应用,为中国江河的幸福河评价工作提供理论参考与借鉴范例。

1 幸福河的概念及评价体系框架

1.1 幸福河的概念及内涵

幸福河的研究对象是河流系统,主体为河流,客体是河流载体以及与之相关的其他物。自“幸福河”理念提出以来,部分学者针对幸福河的概念内涵进行了热烈讨论。不同学者的论述不尽相同,但都强调了河流自身健康的核心地位以及人们对河流需求的进一步增加,突出了人水和谐共生的美好愿景。笔者曾给出幸福河的定义[11]:幸福河就是造福人民的河流,具体来说,幸福河是指河流安全流畅、水资源供需相对平衡、河流生态系统健康,在维持河流生态系统自然结构和功能稳定的基础上,能够持续满足人类社会合理需求,人与河流和谐相处的造福人民的河流。

在中国江河治理的新时代,幸福河已经超出了传统的健康河流以及纯粹的河流生态环境保护的范畴,具有主观性、区域性以及动态性,综合了水安全、水资源、水环境、水生态、经济社会、科学技术以及文化教育等各个方面的内容。总的来说,幸福河应具有以下几个属性:河流自身安全运行,河流和工程带来的各种灾害可控、可承受；向社会持续供给水资源,持续服务人类,但供水在承载范围内；生态环境健康,水质满足功能需求,生态系统良性循环；支撑经济社会和谐发展,实现人水和谐共生。幸福河更强调河流生态保护与人类社会对河流需求总体上的一种平衡,其最高目标是实现人类与河流乃至整个自然系统的和谐发展[11]。

1.2 幸福河评价体系总体框架

幸福河具有动态性和区域性,其评价指标体系与标准不是一成不变,需要结合具体评价时间、区域特征进行明确。因此,本文试图提出一套具有普适性的幸福河评价体系,主要包括:① 构建指标体系。基于对幸福河概念及内涵的深入解读,以幸福河判断准则为依据,筛选典型相关指标,构建指标体系。② 制 定评价标准。结合国内外已有标准、发展规划、拟评价河流特征,制定与评价内容相匹配的分级量化标准。③ 确 定评价方法。选用有效的量化方法,结合建立的评价指标体系,确定评价计算方法和步骤。④ 实 例应用研究。基于建立的评价体系,开展实例应用,以验证评价体系的可靠性,并结合评价结果,识别评价区域幸福河建设的主要制约因素,以有效指导幸福河建设工作。

2 幸福河评价方法

2.1 幸福河评价指标

2.1.1 指标体系框架

构建科学合理的指标体系是幸福河评价的关键,本文选择“目标—准则—指标”层级关系框架[19],基于对幸福河概念和内涵的进一步梳理,结合幸福河的安全运行、持续供给、生态健康、和谐发展四大判断准则[11],确定幸福河指标体系的基本框架(图1):① 目标层。是对研究区域河流生态健康水平、社会发展水平及二者发展关系的综合评价,本文用“幸福河指数”(Happy River Index,简记作IHR)来表示。② 准则层。以河流的安全运行、持续供给、生态健康与和谐发展4个判断准则为基本框架,分别从河流的安全运行、对经济社会的持续供给情况、生态健康状况以及河流生态保护与经济社会发展之间的相互作用关系角度来衡量河流的安全运行指数、持续供给指数、生态健康指数与和谐发展指数。③ 指标层。针对准则层确立的具体量化指标,反映某一方面的河流幸福程度。

图1 幸福河评价体系框架Fig.1Framework for the evaluation of the Happy River

2.1.2 指标筛选

本文除了参考幸福河评价已有研究成果外,还根据河流评价相关文献、管理部门颁布的标准及技术指南等文件,采用频率分析、理论分析及专家咨询法进行指标的筛选,具体步骤为:

(1) 统计资料筛选。以确立的准则层为依据,结合幸福河状况的主要表征因子,广泛搜集幸福河、河湖健康、水生态文明、最严格水资源管理制度、人水和谐、河湖水系连通、河长制、资源节约型社会以及水资源承载力评价等的相关文献,选取其中所含指标体系较完整、影响较大、引用频率较高的文献作为指标体系统计的资料来源。

(2) 指标初筛。对照幸福河判断准则,逐一分析所选文献中的评价指标与各准则层的相关性,保留与准则层密切相关的指标进行频率统计分析,对其中意义相重叠的指标采取合并处理,得到评价指标初筛结果。

(3) 指标确定。基于指标初筛结果,参照指标筛选的科学性、完备性、可操作性、独立性与动态性等原则,结合管理部门颁布的相关文件[20-21],并咨询专家意见,最终筛选获得用于河流幸福河评价的指标体系(表1),包括基本指标16个、备选指标34个,共计50个。在实际应用中,基本指标为建议必选的指标,备选指标则可根据不同评价时间或区域的具体情况,按照指标筛选原则有针对性地进行选择。

2.2 幸福河评价标准

指标标准是评价指标水平的主要刻度,目前中国尚无幸福河评价的统一标准。本文所提供指标标准的等级划分及标准值的确定主要依据以下几类文件:① 相近评价中已有的国家或行业标准；② 流域水资源、经济社会相关规划及制度等的目标值；③ 相关经典文献中对应的指标标准；④ 专家咨询。据此,将幸福河评价指标划分为从Ⅰ到Ⅴ级共5个等级,分别表示优、较优、及格、较差、差(见表1),供相关研究参考。需要说明的是,中国幅员辽阔,幸福河具有动态性和区域性,很难用统一的标准进行评价,这只是本文提供的参考值,各地区可以根据实际情况和目标需求的变化,有选择地确定适合本地区幸福河评价的标准值。

表1 幸福河评价指标及标准值

续表

2.3 幸福河评价方法

幸福河评价是一个多指标、多准则、多层次的综合评价,可借鉴的方法很多,比如,物元分析法、模糊综合评价法、灰色关联分析法等。本文推荐采用左其亭等[9]提出的“单指标量化—多指标综合—多准则集成(SMI-P)”评价方法。

2.3.1 单指标量化

评价指标往往含有定性和定量2种指标,各指标量纲存在差异,为便于统一计算与对比分析,采用模糊隶属度函数法,将各指标统一映射到[0,1]上,每个指标均有一个取值范围为[0,1]的隶属度值。首先,根据表1各指标标准值分别确定其对应的指标特征节点值(见表2),即最差值、较差值、及格值、较优值和最优值,分别用a(j)、b(i)、c(h)、d(g)、e(f)来表示(10个特征值适用于双向指标的情况),假定各指标的特征节点值依次对应的单指标隶属度值为0,0.3,0.6,0.8和1.0。获取指标数据后,则可根据相应的隶属度计算公式计算各单一指标的隶属度值[9]。

表2 幸福河评价指标特征值

2.3.2 多指标综合

在确定所有单指标的隶属度值后,采用多指标综合计算方法得到各准则层的综合评价结果。该方法主要根据单指标隶属度值按照权重加权计算,分别得到4个准则层的综合评价结果,即安全运行指数(ISO)、持续供给指数(ICS)、生态健康指数(IEH)与和谐发展指数(IHD),计算公式如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

2.3.3 多准则集成

采用多准则集成计算方法,将安全运行、持续供给、生态健康、和谐发展这4个准则的评价结果按照一定的权重加权计算,得到综合各准则层的河流幸福河指数(IHR)值,计算见公式(5)。

IHR=ISOβ1+ICSβ2+IEHβ3+IHDβ4

(5)

式中:β1、β2、β3、β4分别为目标层下,安全运行、持续供给、生态健康以及和谐发展4个准则对应的权重,四者之和为1。

根据河流IHR值的大小,把幸福河指数分成7个等级。其中,1表示完全幸福,0表示完全不幸福,其他等级处于二者之间,按照0.2的间距把幸福河指数分为5个等级,依次为基本幸福(0.8

2.3.4 权重的确定

在多指标综合与多准则集成计算步骤中均涉及到权重的计算。确定权重的方法有许多,主要可分为三大类:主观赋权法(层次分析法、环比评分法、专家咨询法、二项系数法)、客观赋权法(主成分分析法、熵权法、神经网络法)和等权重赋权法,在具体研究中,可根据实际需求选定。

3 应用实例

3.1 研究区概况

黄河流域地处中国北部,发源于青海省巴颜喀拉山脉,自西向东横跨9个省区,于山东东营入渤海,是中国的第二长河(图2)。其中,河口镇以上为黄河上游,河道长3 472 km；河口镇至桃花峪为中游,河道长1 206 km；桃花峪以下为下游,河道长786 km[36]。作为哺育华夏儿女的母亲河,黄河流域人口密集,2017年底沿线9个省区人口约占全国总人口的30%；自然资源丰富,煤炭产量占全国的70%,此外,流域内还拥有许多个国家公园和国家重点生态功能区,在中国经济社会发展和生态文明建设格局中均占据十分重要的地位。但是,黄河流域目前仍存在一些突出问题,水沙关系不协调、下游悬河灾害威胁较大,降水量东多西少且分布极不均匀[37],全流域人均水资源量仅占全国平均水平的27%,环境污染及生态系统退化严重。因此,将黄河建设成造福人民的幸福河,在中国生态文明建设、经济社会发展、坚定文化自信、实现民族团结等方面均具有极其重要的作用。以黄河为例开展幸福河评价应用实例研究,对推动黄河及其他河流、区域的生态保护和高质量发展具有示范和指导作用。

图2 黄河流域概况Fig.2Map of the Yellow River basin,China

3.2 数据来源

基于建立的幸福河评价体系,分别对2017年黄河上中下游分段、最大支流渭河以及流经的9个省区进行幸福河评价研究。各指标的原始数据来源于黄河9个省区2018年统计年鉴、2017年水资源公报,2018年中国城市统计年鉴和中国水资源统计年鉴,以及2017年黄河水资源公报和黄河泥沙公报。此外,对于河岸河床安全稳定程度、河流亲水性程度、水文化的挖掘及保护程度、公众对河流幸福满意度指标,则采用专家打分法进行获取。在基础资料获取后,实例评价内容主要包括:① 根据黄河流域的实际特征,遵循指标选取原则,对前文建立的幸福河评价指标进一步筛选,分别得到适用于黄河分段、支流渭河、9个省区幸福河评价的指标体系；② 通过查阅相关资料、结合专家打分获取各指标数据；③ 采用SMI-P及等权重计算方法得到黄河幸福河评价结果；④ 对评价结果的合理性进行分析,并初步识别出黄河幸福河建设的主要制约因素。

3.3 黄河分段幸福河评价

筛选获得用于黄河分段幸福河评价的指标22个,除16个基本指标外还包括水流挟沙能力变化率、流量过程变异程度、人均水资源利用量、自来水普及率、污水集中处理率、重要断面水质优良比例6个备选指标,黄河上游、中游、下游分段幸福河评价结果如图3(a),其中黄河整体的幸福河指数采用分段结果以河长加权求得。

由计算结果得出,黄河上中下游的幸福河指数IHR值均为0.7～0.8,黄河整体IHR值为0.74,均属于“较幸福”级别,上中下游IHR值排序为上游>下游>中游,整体空间差异性较小。上中下游各准则层指数计算结果差别较大,其中上游ISO、ICS、IEH值均最高,IHD值最低,原因在于黄河上游水资源量相对充沛且人们对水资源的开发利用程度较低,河流受人类干扰程度相对较小,但上游经济发展水平也相对落后,水资源利用效率不高,从而引起和谐发展程度的降低；中游IEH值最低,其他准则层指数介于上下游之间,这是因为黄河中游大部分属于干旱、半干旱地区,水资源匮乏且水土流失严重,重要断面水质优良比例较低,从而导致生态环境较差；下游ISO、ICS值均最低,IHD最高,这与中下游有较高的经济社会发展水平密切相关。黄河下游人口较中上游密集,工业发展水平相对较高,水资源供需矛盾尖锐导致河流持续供给能力严重不足,此外,下游河槽由于持续淤积萎缩、河床逐年抬高,安全稳定性较差。总体来看,该评价结果与黄河上中下游实际情况较为符合。

3.4 黄河支流渭河幸福河评价

为验证本研究成果在支流的适用性,探讨了2017年黄河最大支流渭河的幸福河状况,为方便与黄河整体幸福河状况进行对比分析,所选指标体系与3.3相同,得到渭河的幸福河评价结果如图3(b)。

由评价结果可知,渭河IHR为0.65,低于黄河整体IHR值0.74,但均属于“较幸福”级别。在4个准则层中,除IHD外,渭河其余准则层指数值均小于黄河整体情况。原因在于,渭河分布在黄河中游河段,位于西北典型的干旱、半干旱地区,水土流失严重,加之受下垫面变化、水利工程等影响,渭河水文情势变化较大,流量过程变异程度相对较高,河流安全运行能力相对较低；渭河流域平均人口密度较大,近年来高强度的人类活动致使渭河河川径流显著减少,更加剧了渭河的资源性缺水状况,导致渭河持续供给能力相对较低。此外,渭河还是黄河污染最严重的支流之一,河流生态基流满足程度低、重要断面水质不达标是导致渭河河流生态健康指数低的主要原因,其中,渭河非汛期河流生态基流仅达到了目标值的53.9%,重要断面水质优良比例仅43.1%。该评价结果与渭河实际情况较为符合,证明该方法亦适宜于河流支流的幸福河评价。

图3 黄河分段与整体幸福河评价结果Fig.3Happy River assessment results for different sections of the Yellow River

3.5 黄河分省区幸福河评价

筛选出用于黄河9个省区幸福河评价的指标22个,除16个基本指标外还包括河道连通阻隔程度、水土流失治理程度、人均水资源利用量、自来水普及率、污水集中处理率、天然湿地保留率6个备选指标,计算结果如图4。

根据评价结果分析,黄河9个省区幸福河指数IHR均处于“较幸福”级别,除内蒙古外,其余省区IHR均在0.7以上。但各准则层幸福河指数均存在较大差异,其中,4个准则层中各省区ISO值差异最大,陕西省最高,为0.90,内蒙古、青海、甘肃最差。该评价结果与黄河分段评价结果基本一致,其中水土流失治理程度较低,导致以上3个省区ISO准则层指数不高,为其河流安全运行的主要限制因素；9个省区ICS指数差异较大,其中内蒙古、宁夏最高,甘肃、山西较低,陕西最低,ICS值较低的省区主要受人均水资源利用量及水资源开发利用情况的影响；9个省区IEH值均在0.7以下,是制约黄河沿线九省区幸福河建设的主要因素,其中上游省份相对较高,中游省份次之,内蒙古最差,原因在于黄河上游生态系统退化、水源涵养能力较低、湿地用水短缺,中游特别是支流污染问题比较突出,下游生态流量整体偏低,以及大规模的水资源开发利用导致湿地面积逐年萎缩,生态健康状况较差；9个省区IHD值亦有较大差异,宁夏最小,为0.68,其余省份均在0.7以上,其中,河南的评价结果与黄河分段评价结果存在一定差异,这是由于河南的用水效率目标完成度低,万元GDP用水量目标控制程度、万元工业增加值用水量目标控制程度完成情况较差,成为该省和谐发展的主要制约因素。总的来看,黄河分省区幸福河评价结果与分段评价结果趋势基本一致,再次验证了该方法的可靠性。

3.6 问题及对策

通过对黄河幸福河指数的全面评价,总结制约黄河幸福河指数提升的主要问题如下:① 上游区域水土流失治理率低,整体水灾害隐患大；② 水资源时空分布极不均匀,整体较为短缺；③ 生态基流满足程度不高,水质达标状况不佳；④ 区域发展较不平衡,发展质量有待提高。

针对以上问题,提出黄河幸福河建设的发展对策如下:

(1) 针对上中游的黄土高原区,开展植树造林种草,加大水土流失治理力度,护佑绿水青山；针对下游泥沙淤积问题,稳固黄河堤岸,保障沿线民生安全。

(2) 上游注重水源涵养,全流域严格落实最严格水资源管理制度,提高用水效率,促进水资源节约集约利用。

(3) 充分考虑生态系统的整体性以及不同区域的差异性,上游注重水源涵养与生态修复,中游着重水土流失、河流污染治理,下游推进河口湿地的保护与修复,全面加强生态环境保护,促进河流健康发展。

(4) 充分发挥各区域优势,加大对外开放与交流合作,探索绿色高质量发展新路径。加大黄河文化宣传与保护力度,促进人水和谐发展。

4 结论与展望

(1) 黄河整体各区域幸福河指数不高,存在一定的空间差异,分段幸福河指数为上游>下游>中游,其中,幸福河指数最高的省区为四川、宁夏和陕西,幸福河指数最低的省区为内蒙古。

(2) 黄河整体幸福河指数的主要制约准则层为生态健康,主要制约因子为生态基流满足程度和天然湿地保留率；区域差异最大的准则层为和谐发展,差异性最大的因子为万元GDP用水量目标控制程度、万元工业增加值用水量目标控制程度和农田灌溉水有效利用系数。

本文初步建立了幸福河评价体系,但随着研究的深入应不断完善,需注意以下几个方面:

(1) 幸福河的内涵比较丰富,所研究的系统极为复杂,加之中国不同河湖总体差别较大,随着社会的发展以及人们对幸福河理解的进一步加深,幸福河评价指标体系仍需进一步修改完善；

(2) 本文所提出的幸福河评价标准重点不在于对评价区域的幸福河指数进行等级划分,而是了解其在空间、时间维度的相对差异,为幸福河指数的提升提供对策建议；

(3) 引入科学性更强的方法进行评价指标的选取,结合更贴近实际情况的客观赋权方法,可以使具体的评价结果更加合理可靠。