基于组合赋权的黑龙江省级示范河湖建设成效灰色评价研究

付天力，王立权*，李铁男

（1.黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨 150080；2.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080）

随着各地开展示范河湖、幸福河湖、美丽河湖等一系列建设行动，河湖建设工作不断趋于成熟，研究目标河流整体建设思路及后续成效评价愈加重要，业界从变权角度出发，应用模糊评价方式对太湖流域进行幸福河建设成效评价[1-2]，为后续河湖建设成效研究提供参考。谭振东根据松花江佳木斯段国家级示范河湖建设成果进行分析，提出可学习借鉴的经验做法[3]。贡力等基于ERG需求模型从水域安全、水域供给、水域环境、水域监管、水域文化及人水和谐六个方面对黄河流域甘肃段，进行幸福河指数综合评价[4]。贺宁以人类、社会、环境三者互利共生为核心，对松花江佳木斯段国家级示范河湖建设成效评价分析，为后续河湖建设成效评价提供借鉴[5]。

示范河湖系统包含要素较广，目前研究成果为示范河湖研究奠定良好基础，但评价主观性影响评价结果说服力。本研究通过AHP-G1确定主观权重，熵权-CRITIC确定客观权重，利用矩估计法得到主、客观最优组合赋权确定指标权重，采用灰色关联分析评价目标河流，灰色关联度分析方法作为灰色系统理论重要内容[6]，可分析评价多个因素，将样本与样本之间关联程度进行量化处理，具体量化数值即可体现与目标值关联程度[7]。应用TOPSIS（Technique for order preference by similarity to ideal solution）模型，对评价结果验证分析，有效克服主观影响，保证评价结果客观性，为后续研究示范河湖相关发展提供科学依据。

1 研究内容及数据来源

1.1 研究区概况

2020年3月，黑龙江省以松花江佳木斯段入选全国首批、东北地区唯一一条国家级示范河湖为契机，在全省开展省级示范河湖建设工作。黑龙江省河湖长制办公室印发《关于开展示范河湖创建工作的通知》（黑河办字{2020}1号），通过市级推荐及省级遴选，全省共确定20条省级示范河湖。

本研究从开展省级示范河湖的20 条河段中，选取松花江哈尔滨市松北区段、牡丹江西湖岫大桥—大湾拦河闸段、万宝河七台河市段、阿布沁河虎林市段，共4条具有代表性河段作为研究样本进行建设成效评价。其中松花江示范河段选取松花江北岸，起点位于哈尔滨市松北区王万铁路，终点位于滨北铁路，长度21 km河段位置见图1A；牡丹江示范河段，流经宁安市、牡丹江市西安区、东安区，长度180 km 河段位置见图1B；万宝河示范河段，始于七台河市大驾子山北坡三道沟，终至犬队南桥，干流上无支流且自南向北横穿七台河桃山区城市主城区，长度7.8 km 河段位置见图1C；阿布沁河示范河段，起点为虎林市伐木场水文站公路桥，终点位于阿北渠首南马鞍山大桥，流经东方红镇、阿北乡2个乡镇，长度7.8 km河段位置见图1D。

1.2 数据来源

研究数据源自《黑龙江省松花江松北区段示范河湖建设实施方案》、《黑龙江省牡丹江示范河湖建设实施方案》、《黑龙江省七台河市万宝河示范河湖建设实施方案》、《黑龙江省虎林市阿布沁河示范河湖建设实施方案》、《2020 年黑龙江统计年鉴》[8]等资料及实地勘察统计结果。

1.3 建立评价指标体系

选取4个样本为评价对象，结合省级示范河湖建设情况，参考《关于开展示范河湖创建工作的通知》（黑河办字{2020}1 号）、各地示范河湖实施方案，经综合考虑，构建包括5个方面共15个指标。其中，河湖安全（B1）系统中包含指标为防洪排涝工程达到标准（C1），以当地防洪规划作为评价参考，落实构建示范河湖保证河流防洪安全目标；河流生态（B2）系统中包含水质综合污染指数（C2）、示范段河流鱼类保有指数（C3）、水中溶解氧浓度（C4），从目标河流水质及物种进行分析，满足示范河湖水质水量良好评价要求；河湖环境（B3）系统中包含植被覆盖率（C5）、滨水景观便民度（C6）、河湖纵向连通性指数（C7），其中体现河湖结构完整性的河湖纵向连通指数评价标准取自《河湖健康评价指南》[9]，主要反映河湖结构完整性以及河湖建设水平；河湖人文（B4）系统中包含水文化传承载体数量（C8）、地区人均GDP（C9）、公众对当地水文化宣传满意度（C10），主要反映当地水文化发展程度以及河流对社会价值的输出能力；河流管护（B5）系统中包含河流养护经费（C11）、“清四乱”动用涉水事务人数（C12）、入河排污口布局合理程度（C13）、面源污染减少面积（C14）、监测体系水平达标率（C15），代表各责任部门管护程度及成效水平。根据示范河湖建设要求，河湖监测体系水平主要考察河湖水质、水量、水环境等情况。具体各研究区指标数值及相应标准值见表1。

图1 示范河段位置Fig.1 Location of demonstration river section

2 研究方法

2.1 基于矩估计理论最优组合赋权

为保证评价结果的公正性和客观性，将上述指标主、客观权重进行组合集成[10]。设在i 各研究区域、j 各评价指标框架下共有Q 个赋权评价方法，其中有L种主观赋权评价原则对各指标进行评价，则由各主观赋权原则确定各指标主观赋权集（Ws），得如下结果：Ws={wsj|1≤s≤L，1≤j≤m}，其中，对于任意s，再设Q-L客观赋权评价原则对各指标进行评价，则由各客观赋权原则确定各指标客观赋权集（Wb），可得如下结果：对于任意

表1 黑龙江省省级示范河湖建设评价标准Table 1 Evaluation criteria for provincial demonstration river and lake construction in Heilongjiang Province

每个评价指标均有Q个权重样本。分别从主观权重总体和客观权重总体中提取L个样本和Q-L样本。各评价指标集合权重Wj，与其Q主、客观权重偏差越小越好。同时，对于不同评价指标，主观权重和客观权重相对重要性不同。主观权重和客观权重相对重要性系数分别为α和β[10]，则集成权重优化模型计算式如下：

其中，wj∈[0，1]；j∈[1，m]。

Q 个样本来自两个总体，以矩估计理论思想，计算每个评价指标期望值，见式（2）。计算得出各个指标主、客观权重进行组合赋权重要系数αj、βj，见式（3）。

将各指标根据式（3）求得组合赋权系数αj、βj得到总体主、客观权重进行组合赋权的重要系数，依据矩估计法理论分析，可得出公式（4）。

针对各个待评价指标，H（wj）值越小则越好，可由式（1）变形得到式（5）。

应用等权线性加权的方式，将式（5）中的多目标模型转化为单目标最优化模型，得到变形式（6）。应用此式求得整体组合赋权主客观权重系数。

2.2 灰色关联度综合评价方法

作为体现指标优劣表现的评价尺度，灰色关联度对样本量和样本不规则性要求较低，通过对待评价对象的数据序列从几何关系及曲线形状两方面出发，以曲线间相似程度作为关联度衡量标准进行分析比较。当曲线越接近相应序列，相关度就越大，反之亦然。同样对于多指标、多属性决策问题，如一个系统与该系统所设置的理想方案关联度较大，则可假设该系统更接近理想方案，反之亦然[11]。

评价指标由正向指标和少量负向指标组成，在灰色关联度综合评价前，先对各指标进行同趋势化处理，采用倒数法将低优指标转化为高优指标的方法：设原始数据中低优指标Xij，其中，地区i=1、2、…、n；指标j=1、2、…、m，令X′ij=1/Xij，即得到由低优指标经倒数法转化的高优指标X′ij。本次评价中，例如：指标C2为低优指标，按上述方法处理，转换得到高优指标。

以各项指标的达标值数据为标准，构建作为后续评价研究的参考数列。r0={r01、r02、…、r0k}={1、0.8、…、100%}，其中，k=1、2、…、n。整理各地在各项指标的具体数据，构建比较数列ri={ri1、ri2、…、rik}，其中，i、k=1、2、…、n。

对原始数据进行无量纲化处理后，构建分析矩阵，由n 个研究对象及m 个指标数值建立待评价矩阵Rn×m，并将无量纲化处理后的数值矩阵进行确定关联系数的计算，得到关联系数矩阵θ：

设θi为参考数列r0和的比较数列ri关联系数，关联系数公式为：

其中，minimink|r0k-rik|和maximaxk|r0k-rik|分别表示|r0k-rik|的极小和极大值；ρ 为分辨系数，为人为设定系数，取值范围为{ ρ|0≤ρ≤1}，一般情况下，ρ=0.5。

确定评价对象的灰色关联度。通过关联系数θi可确定待评价对象某一指标与参考对象对应指标之间的关联程度，再利用计算式（7）通过已确定的关联系数，求出关联度Gi，得出待评价对象与参考对象全体指标之间的关联程度。比较数值结果，即可得到评价结果。

3 结果与分析

3.1 评价指标确定权重

本研究中在确定各指标主观权重方法上，选择层次分析法和G1 法；在确定各指标客观权重方法上，选择熵权法和CRITIC法。

首先从主、客观角度出发，应用赋权方法结合PyCharm Community Edition 软件进行计算分析，分别计算权重。

基于AHP 方法下各评价指标主观权重：WAHP=[0.426、0.056、0.133、0.056、0.015、0.106、0.052、0.032、0.018、0.010、0.010、0.040、0.025、0.016、0.006]

基于G1 法下各评价指标主观权重WG1=[0.286、

0.059、0.077、0.059、0.042、0.104、0.094、0.055、0.050、0.046、0.020、0.035、0.029、0.025、0.017]

基于熵权法下各评价指标客观权重：Wh=[0.043、0.084、0.061、0.075、0.054、0.043、0.043、0.123、0.047、0.113、0.071、0.052、0.059、0.088、0.045]

基于CRITIC 法下各评价指标客观权重：WC=[0.082、0.072、0.086、0.061、0.097、0.051、0.055、0.061、0.048、0.062、0.058、 0.074、0.086、0.061、0.047]。

根据公式（2）、（3）确定主观权重重要系数α=0.406，客观权重重要系数β=0.594。通过公式（6）求得最优组合权重，具体各指标权重值见表2。

3.2 示范河湖建设成效综合评价

将各地在示范河湖建设指标下的数值进行无量纲化处理后，得到分析矩阵Rm×n，将数值与标准值进行比较，得到初步贴合程度判断，见图2。

根据公式（7）求得关联度矩阵θ为：

表2 黑龙江省省级示范河湖建设评价各指标权重Table 2 Index weights of provincial demonstration river and lake construction evaluation in Heilongjiang Province

图2 各地示范河湖建设成效与标准贴合程度Fig.2 Degree of conformity between the construction results and standards of demonstration rivers and lakes in different places

结合最优组合权重，通过公式（8）进行计算，得出灰色关联度：（G1（哈尔滨市松北区）、G2（牡丹江市）、G3（七台河市）、G4（虎林市））=（1.1093、1.1702、0.6399、0.9644）。

为保证结果客观性，应用TOPSIS 法进行验证分析，TOPSIS 法可对多对象、多指标进行评价，此法对研究对象无特别要求且灵活简便，可精确反映各待评价对象之间差距，可得到科学排序结果[12-13]。

将数据进行归一化处理后，得到归一化矩阵A：

分别从矩阵A 中抽取各指标在不同对象中最大值和最小值构成最优值向量和最劣值向量：本试验从矩阵中提取最优、劣值向量为：

最优值向量A+=（0.577、0.648、0.527、0.666、0.622、0.580、0.577、0.929、0.572、0.937、0.857、0.575、0.628、0.844、0.566）。

最劣值向量A-=（0、0.301、0.473、0.266、0.316、0.232、0、0.071、0.362、0.129、0.011、0.419、0.377、0.145、0.377）。

通过公式（9～10）计算各评价对象指标值与最优向量距离值（Di+）及最劣向量距离值（Di-）。

结果如下：

D1+（哈尔滨市松北区）=0.240；D2+（牡丹江市）=0.254；D3+（七台河市）=0.415；D4+（虎林市）=0.426。

D1-（哈尔滨市松北区）=0.401；D2-（牡丹江市）=0.425；D3-（七台河市）=0.210；D4-（虎林市）=0.239。

根据公式（11）求得接近程度：

C1（哈尔滨市松北区）、C2（牡丹江市）、C3（七台河市）、C4（虎林市））=（0.6256、0.6259、0.3360、0.3594）。综合两种评价方法得到4 个地区示范河湖建设成效水平排名，见表3。

表3 示范河湖建设成效水平排名Table 3 Ranking of construction effect level of demonstration rivers and lakes

3.3 评价分析

由表1可知，松花江哈尔滨市松北区段及牡丹江段在综合评价体系下各项子系统中表现更优秀，两条河流生态及功能性较为全面。其中，牡丹江市在防洪排涝工程达到标准（C1）、水质综合污染指数（C2）、示范段河流鱼类保有指数（C3）、滨水景观便民度（C6）、水文化传承载体数量（C8）等大权重指标上与标准值更贴合。七台河市万宝河近年来整治效果显著，但因河湖早期环境、生态、水质等方面基础较差，短板较为明显，结合表1及图2可得知，七台河市在示范河湖建设过程中仍需进一步加强。虎林市阿布沁河作为农村河流的代表，周边居住人口较少，在植被覆盖度（C5）和入河排污口布局合理程度（C13）表现优秀，但在滨水景观便民度（C6）、河流纵向连通性指数（C7）、水文化传承载体数量（C8）、监测体系水平达标率（C15）内容上表现较差，河流因闸坝引起的连通性以及沿岸开发程度问题有待解决。

整体看，各研究地区河流生态水平表现较弱，河流水质提升和鱼类保护工作是提升河湖水平、展现河湖示范性的重点任务；管护投入有限，管护是推动河湖环境改善的重要手段，虽各地河流养护经费投入已满足要求，但监测技术手段距离河湖智慧化监测仍有差距；水文化及宣传方面不到位，根据数据表现并结合实地考查，4个研究区中七台河市万宝河段和虎林市阿布沁河问题突出，前者在前期建设中开展大量景观建设，但水文化方面未见相应进展。后者城区人口少、河段地处偏远，示范河段仍待开发，具体问题需进一步研究提出适合当地发展的有效方案。

4 结 论

4个样本地区，以河湖安全、生态、环境、人文及管护等方面作为衡量标准，牡丹江市建设成效排名第一、哈尔滨市松北区排名第二、虎林市排名第三、七台河市排名第四。未来应深化河长制建设，加强河湖管护，全方位、多角度完善河湖安全，修复生态环境，深入挖掘河湖人文内涵，不断提高河湖综合水平、突出河湖示范性。