基于BWM-CRITIC-TOPSIS的幸福河湖综合评价模型

2022-11-10冯建刚高玉琴郭子琛

水利水电科技进展 2022年6期

朱洁，冯建刚，高玉琴，郭子琛，郑航

(1.河海大学水利水电学院，江苏南京 210098；2.河海大学农业科学与工程学院，江苏南京 210098；3.江苏苏邑设计集团有限公司，江苏南京 210012)

2019年，习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上，发出了让黄河成为造福人民的幸福河的伟大号召，为新时期河湖治理保护指明了方向[1]。许多学者对幸福河湖的概念、内涵等基础问题进行了研究与探索，并开展了幸福河湖评价等方面的研究。左其亭等[2]认为幸福河就是造福人民的河流。胡玮[3]认为幸福河湖是让人赏心悦目、心情愉悦，能满足国民经济高质量发展、人民高端需求的健康河湖，其实质是人与自然和谐，实现治水新格局，关键在于河流湖泊保护与治理。陈茂山等[4]认为要从人的角度、河流的角度、人与河流的关系3方面把握幸福河内涵。幸福河研究课题组[5]将幸福河定义为能够维持河流自身健康，支撑流域和区域经济社会高质量发展，体现人水和谐，让流域内人民具有高度安全感、获得感与满意度的河流。韩宇平等[6]从流域自然属性、社会经济属性、人水和谐关系3方面出发，选取26项指标构建幸福河评价指标体系，并基于需求层次论对黄河流域进行评价；左其亭等[7]以安全运行、持续供给、生态健康、和谐发展4大判断准则为框架构建幸福河评价指标体系，采用“单指标量化-多指标综合-多准则集成”方法，定量计算黄河流域幸福河指数；程常高等[8]以河流状态、河流压力、河流管理、经济服务4个方面作为准则层，选取20项指标构建幸福河湖评价指标体系，并将其应用于太湖流域；贡力等[9]针对幸福河湖建设目标，建立了包含23个核心指标和27个备选指标的指标体系，并基于ERG需求模型对幸福河湖进行综合评价；陈隆吉等[10]构建河流健康性和宜居性两方面协调发展的幸福河建设评价模型，并利用该模型评估了飞云江幸福河建设状况。现阶段幸福河湖研究主要从概念、内涵方面进行理论探索，关于建立符合研究区河湖与区域社会经济环境协调发展特点的评价指标体系及评价方法仍欠缺。

TOPSIS模型是根据评价对象与理想方案的相对接近程度对评价对象整体排序，以确定相对优劣的评价方法，其具有对原始数据利用充分、计算简单易行、评价结果较为可靠的优点，被广泛应用于河长制绩效[11]、水资源承载力[12]、城市防洪体系[13]和河流健康[14]等生态文明建设领域的效益评价，幸福河湖作为新时代河湖治理的新目标，是生态文明建设理念的重要体现。本文以幸福河湖概念及内涵为基础，从安全河湖、健康河湖、富民河湖及文化河湖4个方面构建幸福河湖综合评价指标体系，构建BWM-CRITIC-TOPSIS评价模型，并应用于浙江省某市幸福河湖综合评价，以期为幸福河湖评价与建设提供技术支撑。

1 幸福河湖的概念及内涵

幸福河湖的研究对象是河流湖泊系统，主体是河流湖泊，客体是河湖载体及其相关事物。在新时代的江河治理需求下，幸福河湖已经不是纯粹的包含河湖生态环境保护的范畴，而是更加具有主观性、区域性与动态性，需要综合安全、环境、生态、文化、经济等多方面协调发展的新概念[7]。结合心理学中幸福的概念，幸福河湖应是能够让居民获得幸福感的河湖。在心理基础需求和发展需求两方面，一方面通过人水关系提供群众心理满意度，另一方面需要通过人类的主观能动性，尤其是先进的河湖治理措施，保证河湖服务功能持续提供的能力[15]。

本文认为幸福河湖是指能够防御灾害、提供稳定安全供水、水环境优美、人水关系和谐，让人民具有高度安全感与满意感的安全河湖、健康河湖、富民河湖和文化河湖的集合与统称。幸福河湖是基于可持续发展框架进行的，其内涵主要包括以下4个方面：

a.幸福河湖是安全河湖。河流湖泊在调蓄洪水、供给水源等方面为人类社会提供安全稳定的发展条件。幸福河湖既需要维持洪涝灾害影响可控，又能够为人类提供安全的水资源。

b.幸福河湖是健康河湖。河流湖泊生态系统不仅能够净化污染物，又能够为附近居民提供良好宜居的生活环境，而保证河湖健康、生态系统良性循环是持续提供服务功能的前提。

c.幸福河湖是富民河湖。河流湖泊提供丰富的水资源支撑经济社会发展，但对河湖开发利用应有一定限度，做到人与河湖和谐发展，托底经济健康长效发展。

d.幸福河湖是文化河湖。河流湖泊有其独特的自然景观与河湖文化，幸福河湖的水文化能够使公众获得满足感，同时积极推进水文化建设，以增强人们保护河湖的意识，传承水文化。

综上，幸福河湖内涵可表述为：保障河湖安全及水资源供需平衡、维持河湖生态系统健康稳定、持续满足人类社会发展需求、承载丰富河湖文化，实现人与河湖和谐相处。

2 幸福河湖综合评价指标体系

幸福河湖评价是评估幸福河湖建设成果的标尺，其指标体系科学与否直接影响到综合评价的结论。本文依据幸福河湖概念及内涵，遵循完整性与简洁性并重、科学性与可操作性并重、通用性与针对性并重的原则，以安全河湖、健康河湖、富民河湖、文化河湖4方面内涵作为准则层，构建包括目标层、准则层和指标层的3层评价指标体系。综合运用文献阅读法和理论分析法初选指标，采用专家咨询法进行指标优选，最终确定17项指标，构建幸福河湖综合评价指标体系，如图1所示。

3 幸福河湖评价模型

3.1 确定评价指标集

依据评价指标体系(图1)，分层次建立评价指标集，包括目标层、准则层、指标层。

图1 幸福河湖综合评价指标体系

3.2 确定评价标准集

参考国内外评价标准，结合有关河长制、河湖健康以及幸福河湖相关文献，将幸福河湖评价标准划分为5个等级：Ⅰ级(优)、Ⅱ级(良)、Ⅲ级(中)、Ⅳ级(差)和Ⅴ级(极差)。具体分级标准如表1所示。

表1 评价指标分级标准

3.3 确定指标权重

3.3.1最优最劣法确定主观权重

最优最劣法(BWM)是荷兰学者Rezaei[16]提出的一种确定指标主观权重的方法，其通过从一系列指标中选出最优和最劣两种指标，分别与其余指标进行比较，能够简化烦琐过程，减少数据量，降低由于数据过多而导致的失误，更易通过一致性检验，提高可靠性[17-18]。具体步骤如下：

步骤1在准则层中根据专家组意见选取最优(最重要)指标DB和最差(最不重要)指标DW。

步骤2采用1～9分制确定最优指标相对于其他指标的重要性。通过最优指标和其他指标相对重要度的两两比较，分别得到对应的标度，表示为比较向量AB=(aB1,aB2,…,aBn)。aBj表示最优指标DB相对于指标Dj的重要性，1表示两者同等重要，9表示最优指标相对后者极端重要，显然aBB=1。

步骤3采用1～9分制确定其他指标相对于最差指标的重要性。通过其他指标和最差指标相对重要度的两两比较，分别得到对应的标度，表示为比较向量AW=(a1W,a2W,…,anW)T。ajW表示指标Dj相对于最差指标DW的重要性，1表示两者同等重要，9表示前者相对最差指标极端重要，显然aWW=1。

步骤4采用线性BWM模型，得出最优指标权重：

(1)

(2)

minξ

(3)

(4)

(5)

3.3.2CRITIC法确定客观权重

CRITIC法是由Diakoulaki等[19]提出的一种客观权重赋值法。该方法基于评价指标的对比强度与指标之间的冲突性反映指标信息量，对比强度与冲突性越大则反映信息量越多，相应指标权重越大[20]。该方法结合了相关性权数和信息权数，具有显著的优越性。

步骤1假设有m个待评价样本，n项评价指标，建立幸福河湖综合评价的原始数据矩阵为A=(aij)m×n。

步骤2为消除各指标量纲不同、数量级不同等因素对数据分析的影响，对数据进行标准化处理，得到标准化矩阵X=(xij)m×n。对于指标取值越大越优的正向指标和指标取值越小越优的逆向指标，标准化处理公式分别为

(6)

(7)

对于双向指标，指标取值在某一范围[a,b]时最佳：

(8)

式中：aij为指标原始数据值；ajmax为指标j的最大值；ajmin为指标j的最小值。

步骤3计算指标变异性Sj。指标变异性以标准差的形式来表现：

(9)

步骤4计算指标冲突性Rj：

(10)

式中rij为指标i和指标j之间的相关系数。

步骤5计算信息量Gj：

Gj=SjRj

(11)

(12)

3.3.3组合权重

(13)

通过拉格朗日乘子法，得到组合权重为

(14)

3.4 TOPSIS法综合评价

TOPSIS法又称优劣解距离法，通过计算评价对象与最优解、最劣解之间的欧氏距离，获得评价对象与理想解的贴近度，对评价对象进行相对优劣评价[11]，其评价结果可靠，常用于生态文明建设领域等效益评价。计算步骤如下：

步骤1计算加权决策矩阵Z。将组合权重值wj与标准化矩阵X相乘，计算得到加权标准化矩阵Z=(zij)m×n，其中zij=wjxij。

步骤2确定正理想解和负理想解：

(15)

(16)

步骤3计算各年份中评价指标的向量值到正、负理想解之间的欧氏距离：

(17)

(18)

步骤4计算相对贴近度：

(19)

贴近度表示各年份幸福河湖建设综合评价水平与最佳水平的靠近程度，取值区间为[0,1]，Ci越大，幸福河湖综合评价水平越高；Ci越小，幸福河湖综合评价水平越低。

为更加科学地分析评价结果，参考幸福河湖综合评价相关资料文献[7,9,22]，将幸福河湖综合评价水平划分为5个等级，具体分级标准如表2所示。

表2 幸福河湖评价等级标准

3.5 障碍度模型

在幸福河湖评价基础上，引入障碍度模型，用于诊断影响幸福河湖评价水平的主要障碍因子，有利于发现制约幸福河湖建设的关键因素，提出改善措施，进而完善幸福河湖建设。具体计算公式为

(20)

其中

Ij=1-xj

式中：Oj为障碍度，即各指标对幸福河湖综合评价水平的影响程度；Ij为指标偏离度，即各指标标准值xj与幸福河湖最佳目标之间的差距。

4 实例验证

4.1 研究区概况

某市位于浙江省中部，市域内江河分属3大水系，集雨面积在50 km2以上的江溪有76条。“十三五”以来，该市始终坚持“绿水青山就是金山银山”的发展战略，推进全市生态文明建设，不断深化以河长制为抓手的环境综合治理工作机制，持续推动该市水生态环境改善。截至2020年8月，该市已创建省、市美丽河湖18条(个)，成为全国首批黑臭水体消除比例100%的地市之一，治水工作走在前列。

4.2 数据来源

选取17个代表性指标对2015—2019年该市幸福河湖状况进行综合评价。研究指标数据来源于《浙江省自然资源与环境统计年鉴》《浙江省水资源公报》、市水资源公报及水利局、统计局等相关单位官网公开的信息，文化河湖层指标数据采用问卷调查法获得。对以上资料信息进行计算整理得到评价指标原始数据，即可得到原始数据矩阵A=(aij)5×17。

4.3 权重确定

根据BWM法分别确定准则层和指标层的权重从而得到主观权重，根据CRITIC法运算公式计算得到客观权重，最后根据式(14)将主客观权重耦合得到组合权重。指标权重计算结果如表3所示。

表3 指标权重计算结果

4.4 TOPSIS评价

首先根据标准化矩阵及各指标的组合权重得到加权决策矩阵Z，再根据式(15)(16)确定各指标的正理想解和负理想解，然后采用式(17)(18)计算出各年份中评价指标值到正、负理想解之间的欧氏距离，最后计算各年份幸福河湖评价指标值与理想解的贴近度(表4)。将贴近度定义为幸福河湖综合评价水平。

表4 幸福河湖综合评价贴近度

为了深入分析某市2015—2019年的幸福河湖变化特点及原因，进一步计算安全河湖、健康河湖、富民河湖、文化河湖4个子系统的相对贴近度，据此分析该市幸福河湖及各子系统的变化特征，幸福河湖及各子系统相对贴近度见图2。

图2 2015—2019年某市幸福河湖及各子系统综合评价

由表4和图2可知，该市幸福河湖建设水平持续上升，近几年河湖治理工作取得明显成效。近年来，该市投入专项资金高标准推进河湖长制建设、美丽河湖建设、农村水系激活工程等，以“河长制”为抓手，探索“四化”管理模式，以“安全、美丽”为标准，推进美丽河湖建设，以“幸福城”为目标，打造绿色生态廊道等，这些措施对河湖安全、环境、区域经济发展以及人民群众幸福河湖满意度均有所贡献，提高了幸福河湖综合水平。

安全河湖子系统评价值总体呈上升趋势。2015年安全河湖状况最差，为Ⅴ级，地区河湖安全形势较严峻。2016年，因洪涝预警能力提高、洪涝损失占GDP比例较上年明显下降，河湖安全状况有所改善，达到Ⅱ级。2017年供水保障率与水利工程设施完好率虽继续提升，但由于洪涝损失占GDP比例相对2016年增长20.63%，安全河湖水平下降为Ⅲ级。2017—2019年安全河湖各项指标均向好发展，其贴近度在2018年、2019年保持在0.9以上，达到Ⅰ级。这说明近年来该市注重防御自然灾害、保障供水安全，安全河湖水平得以提升。

健康河湖与富民河湖子系统评价值总体呈上升趋势，但较为波动，这说明保持河湖生态环境健康与促进经济社会可持续发展的困难性。湿地占地比例2015—2016年下降较大，此后基本保持稳定，水土流失治理率稳步提升，万元GDP用水量持续降低，说明该市注重河湖生态系统的良好运转与经济社会可持续发展。

文化河湖子系统评价值2015—2019年持续提升，自Ⅴ级提升至Ⅰ级。历史河湖文化遗产保护程度、公众河湖治理参与度、河湖法律法规建设程度、公众幸福河湖满意度呈稳步增长态势。

4.5 障碍度因子诊断

采用式(20)计算2015—2019年某市幸福河湖综合评价17项指标的障碍度，结果见图3。统计出各年障碍度排序前5名的指标如表5所示。

从图3和表5可以看出，总体而言，不同年份影响该市幸福河湖综合评价水平的障碍因子有差异，可以发现前期障碍指标数量较多且在4个准则层均有分布，后期障碍指标数量减少至5个，集中在健康河湖与富民河湖准则层上，尤其在2019年，水资源开发利用率(C12)与湿地占地比例(C8)的障碍度之和超过了70%。究其原因是该市湿地资源本身相对匮乏，且2019年湿地占地比例与2015年相比下降了14.74%，今后需采取多种措施保护与恢复湿地，改善河湖生态环境。水资源开发利用率过低会阻碍经济社会发展，过高则会导致水资源短缺等问题，不利于经济社会可持续发展，2019年该市水资源开发利用率过低阻碍了富民河湖水平的提升。为进一步提高幸福河湖水平，力求在保护河湖生态环境的同时合理开发利用河湖水资源，协调好健康河湖与富民河湖的关系。

图3 2015—2019年某市幸福河湖障碍度

表5 2015—2019年某市幸福河湖主要障碍因子排序

综上所述，某市幸福河湖状况持续向好，但仍有较大提升空间，在健康河湖和富民河湖准则层上有所欠缺，水资源、经济发展、生态环境保护三者之间存在矛盾。今后应更加注重人水和谐，合理利用水资源，提高水资源利用效率，促进河湖系统与社会系统、经济系统协调发展，支撑区域经济社会高质量发展；进一步提高河湖管理与现代化建设水平以保障河湖安全，提升河湖保护宣传与公众参与度来推进先进水文化建设，积极促进安全河湖、健康河湖、富民河湖、文化河湖四位一体建设，打造幸福河湖。