基于云模型的长株潭幸福河评价

黄垣森 唐德善 唐 彦

(1.河海大学 水利水电学院，南京 210098；2.河海大学 计算机与信息学院，南京 210098)

人类的文明发源于河流，在污染日益严重的今天，如何在治河的同时给人民带来福祉更具有现实意义.“幸福河”的提法，给河流治理指明了新的方向.在此之前，中国的河湖建设更加侧重于河道治理，然而“幸福河”应具备更加深刻的内涵，强调在河流安全、河流健康的基础上，应满足人民幸福感的心理需求.左其亭等[1，2]指出“幸福河湖”立足于国家重大战略，是比“美丽河湖”内涵更加丰富的建设目标；唐克旺[3]认为“幸福河”应更加注重人们的心理感受，同时应满足发展的需求；韩宇平等[4]认为黄河上游和中游的幸福河指数达到发展需求层次，下游的幸福河指数为基本需求层次；陈茂山等[5]综合考虑人、河流、人与河流的关系3个角度构建了指标体系.前人从多角度解读了幸福河的内涵，初步探究了幸福河评价体系建设，但缺乏幸福河评价实例研究.另外，云模型作为可以转换定量与定性之间的不确定性模型，还未被应用于幸福河评价.本文利用G1法与CRITIC法确定组合权重，基于云模型建立评价指标体系展开实例评价，为我国后续幸福河建设提供参考.

1 幸福河指标体系的构建

1.1 指标体系构建原则

指标体系的建立不仅要反映河流的属性指标，还要揭示幸福河内涵，反映人民的幸福感指标.从水安全、水资源、水生态、水产业、水环境等角度及需求出发，进一步明确幸福河评价体系指标.

指标体系应满足的原则有：独立性、代表性、易得性、全面性.独立性：各指标之间相关程度较低，彼此不存在因果关系；代表性：所选指标应能够最大程度的表示河流幸福度；易得性：指标数据获取的难易程度；全面性：指标能覆盖河流幸福度评价的各个方面.

1.2 指标体系构建步骤

1)明确幸福河内涵以及评价目标.

2)指标初选：本文指标体系拟建立5个准则层，分别是防洪保安全、健康水生态、优质水资源、绿色水产业、宜居水环境.通过对前人相关研究文献的阅读并参考各地政府对河流评价的文件，运用频率分析法，统计文献[1，3，6-8]及国家相关标准[9，10]中出现频率较高的各准则层细化指标，确定初选指标集.

3)指标筛选：运用Delphi法对初选指标集进行指标筛选，其中地表水达到或好于三类水体比例，河床安全稳定程度在幸福度评价中被认为同其他指标关联性较高或不易获取被删除，确定最终指标体系.

1.3 指标体系

根据频率分析法、Delphi法优选出5个准则层15个评价指标见表1.

表1 幸福河评价指标体系

2 幸福河评价模型的构建

幸福河评价在此前的研究中很少考虑过指标的模糊属性.云模型理论常被用于决策评价等领域，该模型综合了概率论与模糊集理论，通过算法可实现定量与定性的双向转化[11].在本文中运用正态云模型代替前人[1]采用的SMI-P法来确定隶属度.

2.1 云模型理论

设C是定量论域U的定性概念，若∀x∈U，x→μ(x)，μ(x)∈[0，1]，则x在U的分布构成云，(x，μ(x))被称为云滴.

(1)

则x在U上的分布服从正态分布.

上述公式中的参数期望Ex、熵En、超熵He构成了云的数字特征，依次代表云滴分布的中间值、云滴可被C接受的取值范围、云滴的离散程度.其计算公式如下：

(2)

式中：Cmax和Cmin分别代表区间上下限；k常根据经验取常数，本文中统一取0.01.

若评价等级中区间无边界值，则取相邻区间公式计算.

(3)

2.2 G1-CRITIC确定组合权重

G1法由AHP法改进而来[12]，具有AHP法的优点，又避免了大量的计算和一致性检验.具体步骤见文献[13].

常用的客观赋权法一般都是通过指标变异性大小来确定权重，如评价中常用的熵权法，但CRITIC法不仅考虑了指标数据的变异性大小，还考虑了各指标之间的冲突性，故本文选用此方法来确定客观权重，具体计算步骤见文献[14].

综合考虑G1法确定的主观权重和CRITIC法确定的客观权重，组成综合权重.

ω=αωG1+(1-α)ωCRITIC

(4)

式中：α为权重分配系数，本文取0.5；ωG1和ωCRITIC分别为G1法与CRITIC法确定的权重.

2.3 评价等级

指标的评价等级目前尚无统一标准，但左其亭在文献[1]中已做了深入研究，本文在此基础上，根据文献[6，7，15]中类似评价方向的标准划分，咨询专家意见，结合当地实际情况，确定各评价指标等级划分，详见表2，综合评价等级见表3.

表2 幸福河评价指标等级划分

表3 幸福河综合评价等级

采用下述公式计算综合隶属度、幸福河评价等级[8]：

(5)

(6)

式中：G为综合隶属度；g为各评价等级对应分数，从高至低依次为100、90、80、70、60；tg为g级隶属度.

3 实例研究

长沙、株洲、湘潭3个城市呈品字形分布于湘江中下游，是湖南最具经济活力的板块.早在2006年，国家就对湘江生态经济带开发投入了大量的资金，长株潭在中部崛起战略中起着重要支撑作用.本文从长株潭地区选取河流作为幸福河评价对象，浏阳河(长沙)、万丰河(株洲)、涟水河(湘潭)均为湘江的一级支流，将这3条河建设成造福人民的幸福河，对长株潭地区生态文明建设、平衡生态保护与地区高质量发展、增强人民幸福感等方面有极其重要的作用.

将以上3条河流作为实例研究对象，明确地区幸福河建设差距，对将湘江建设为造福人民的幸福河有示范和参考价值.

基于表1中指标体系，对万丰河、涟水河、浏阳河进行幸福河评价，评价年份为2019年.各指标数据来源于各市统计年鉴、水资源公报、水环境质量通报以及各市《“十三五”水利发展规划》、对应河流《“一河一策”实施方案》，定性指标采用统计问卷形式，共发放60份问卷，回收有效问卷53份，分好、中、差三档，按100分、80分、60分加权计算确定原始数据，问卷情况见表4.

表4 问卷情况汇总 (单位：人)

G1法确定权重以准则层举例：

B1>B4>B3>B2>B5⟹

X1>X2>X3>X4>X5

r2=1.5；r3=1.2；r4=1.2；r5=1.1

依照文献[13]中方法可得

(ω1，ω2，ω3，ω4，ω5)=

(0.322，0.149，0.179，0.215，0.135)

采用文献[4]中方法确定客观权重，后依据公式(4)确定综合权重，见表5.原始数据见表6.

表5 综合权重

表6 原始指标数据

ωG1=(0.140，0.182，0.068，0.081，0.090，0.090，0.032，0.051，0.066，0.039，0.027，0.037，0.044，0.026，0.028)

ωCRITIC=(0.049，0.038，0.038，0.038，0.037，0.214，0.039，0.108，0.063，0.114，0.072，0.050，0.038，0.054，0.049)

参照公式(2)计算15个指标5个评价等级的云数字特征，以C54为例，Ex=(97.5，87.5，70，45，45)，En=(2.5，7.5，10，15，15)，He=0.01.一维云图以C54为例，如图1所示.

图1 C54一维云图

按照云模型计算步骤，本文生成2 000个云滴，由公式(1)、(3)可算得各指标综合隶属度.依据公式(5)乘以准则层权重可得各条河流对应准则层综合隶属度，依据公式(6)可得各准则层最终评价得分，见表7，将表7绘成柱状图如图2所示.依据公式(5)乘以各指标权重，后采用公式(6)可得各条河流最终得分，见表8.

表7 幸福河各指标评价得分

表8 河流最终得分

4 评价结果分析

根据表8最终得分与表3评价等级划分对比可以看出，浏阳河幸福度评价为优秀，万丰河、涟水河幸福河评价均为良好，且万丰河距离幸福感优秀的Ⅰ级距离不大，说明长株潭地区中长沙和株洲生态文明建设取得显著的成效，发展与保护并重，河流给人民带来的幸福感较充足.虽然涟水河评价等级为良好，但仍与两条河流有较大差距，湘潭政府应更加注重协调保护与发展的关系.

下文从5个准则层15个指标而言，根据表7、图2分析长株潭地区建设幸福河的制约因素.

图2 准则层得分

在河水流动畅通性方面，浏阳河分数远高于万丰河和涟水河，为98.66分，处于优秀级别；万丰河河水流动畅通性仅为74%，部分排水灌渠淤塞渗漏，杂草丛生，影响行洪；涟水河得分最低，河道内多违规建筑物，洪水期影响行洪，存在隐患.

在防洪达标率方面，仅浏阳河处于良好，涟水河与万丰河处于及格水平.涟水河得分最低，部分堤防由于农民开挖耕种，堤身变薄，威胁防洪安全.防洪安全是居民幸福的基础，各市应继续推进堤防的除险加固工程，提高防洪标准，疏浚河道，以此提高防洪能力.

在水土流失综合治理率方面，三河皆位于良好水平，涟水河水土流失治理率为75%，但沿河干流开发强度过大，且缺乏水土保持防护措施，湘潭市接下来应开展水土流失综合治理、推广清洁型小流域治理、增加水土流失监测点等措施；万丰河水土流失治理率为79%，主要原因是该地区为南方红壤丘陵区，水力侵蚀严重，且局部人为水土流失问题突出；浏阳河该指标得分最高，因近几年生产建设项目水土保持责任落实到位，绿色生态屏障建设达标.要提高水生态质量，不仅要从工程措施上提高绿色覆盖率，增加监测点，还要在非工程措施上责任到人，严格控制人为水土流失问题.

在河流生态护岸比率方面，浏阳河处于优秀，万丰河和涟水河处于良好.护岸措施能对河道进行一定程度上的美化，万丰河和涟水河应在采取工程措施的基础上，将植物与土木工程结合在一起，增强视觉“软效果”，营造美丽生态环境.

在水功能区水质达标率方面，浏阳河水功能区水质达标率已经达到100%，说明长沙市水源保护区规范化建设与综合整治取得了重大进展；而万丰河和涟水河较浏阳河有显著差距，株洲市和湘潭市还有部分黑臭水体，工农业垃圾和生活垃圾堆放在河湖岸线，河道内有违章建筑.水质达标率提高需要各地政府明确水环境保护红线规划，明确水源涵养地、生态湿地区，拆除违法建筑，合理设置排污口.

在生态基流量方面，涟水河表现较好，上游水府庙水库多年平均流量68.5 m3/s，基本满足生态基流需求；浏阳河与万丰河表现较差，湘潭市与长沙市应在满足正常生产生活用水的同时，全流域调度用水，优化水资源配置，确保干流最小生态流量.

在万元工业增加值用水量方面，3条河得分差距较大，涟水河得分处于较差水平，万元工业增加值用水量高达62.6 m3，远高于全国平均水平38.4 m3，说明湘潭市节水潜力巨大，湘潭市应注重节水型工业建设，关停一批高耗水的企业，优化工业用水结构[7].

在农田灌溉水有效利用系数方面，仅涟水河处于良好，其余两者均为优秀.涟水河灌溉用水系数为0.55，略低于全国平均水平0.559，湘潭市应实行最为严格的水资源管理制度，加大节水投入，提高用水效率.

在污水集中处理率方面，涟水河距离浏阳河及万丰河有较大差距，仅处于及格水平.涟水河沿岸农村人口较多，其产生的生活污水和固体废弃物较多，对地下水造成的潜在威胁不可忽视，应进一步推进城镇和乡村污水管网建设，尽快落实污水处理设施.

在测土配方施肥技术覆盖率方面，万丰河得分远低于涟水河与浏阳河，处于较差水平，其测土配方施肥技术覆盖率仅为41%，远低于另外两条河流，主要农作物化肥、农药使用量较高，株洲市应大力推荐美丽乡村建设，处理生活垃圾和农业面源污染，推动农村环境综合整治，从根源上治理水污染.

在规模化畜禽养殖污染处理率方面，万丰河与浏阳河得分已接近优秀，涟水河处于及格水平.湘潭市应推行农牧结合，利用沼气，将畜禽粪尿进行无害化处理、资源化利用.

在景观多样性指数方面，3条河流均处于良好水平，说明各条河流在景观打造上已有显著成效.

在河流亲水性程度方面，万丰河与浏阳河均处于良好，仅涟水河为及格，离良好仅有微小的差距.涟水河滨水景观设计可考虑设置亲水平台，给居民提供观光休闲需求.

在水生态文明普及度方面，3条河流得分均接近满分，可见长株潭政府水生态文明宣传效果显著.

在公众对河流幸福满意度方面，3条河均处于良好水平，但距离优秀仍有不小差距，各地政府应以人民为中心，注重人们的幸福感受，将水利建设与生态园林结合，给人民提供旅游观光场所，满足人民对美好生活的向往.

5 结 论

1)前人在幸福河评价的研究当中，很少考虑将云模型作为评价模型，本文运用该模型对长株潭地区幸福河进行评价，考虑到幸福河评价指标的模糊性和随机性，并选用G1-CRITIC法充分利用数据的冲突性、变异性来确定权重，找出了3条河流幸福河建设的制约因素.

2)3条河流均为湘江一级支流，其幸福河建设制约因素可为湘江幸福河建设提供参考和依据，即在湘江风光带建设的基础上，加强堤防达标建设，清除道违章建筑；沿江工程要结合采取水土保持措施；优化用水结构，提高用水效率；加大水生态文明宣传，给人们提供休闲场所.

3)建议后续研究可考虑从时间维度上对幸福河建设进行评价，更加立体、全面地找出工作薄弱点和制约因素.