黃顯峰,賈永樂,方國華

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

20世紀(jì)六七十年代,生態(tài)文明理念開始萌芽[1]。2012年,十八大首次把生態(tài)文明建設(shè)納入“五位一體”總體布局。水生態(tài)文明是生態(tài)文明的重要組成部分[2],指人類在保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)、實現(xiàn)人水和諧發(fā)展方面創(chuàng)造的物質(zhì)和精神財富的總和[3]。我國水資源量不足,水生態(tài)系統(tǒng)功能單一,水資源管理缺乏制度保障,水景觀公益性偏低,諸如此類問題在一定程度上的持續(xù)存在,我國水生態(tài)文明建設(shè)將是一項艱巨且極富挑戰(zhàn)性的戰(zhàn)略任務(wù)。

以前城市建設(shè)規(guī)劃主要側(cè)重點在城市結(jié)構(gòu)調(diào)整、形態(tài)布局和藝術(shù)設(shè)計等方面,直到20世紀(jì)90年代初,城市水問題才逐漸得到重視[4]。水利部于2013年和2014年分別發(fā)布了《關(guān)于加快開展全國水生態(tài)文明城市建設(shè)試點工作的通知》和《關(guān)于開展第二批全國水生態(tài)文明城市建設(shè)試點工作的通知》,共選取113個試點城市開展水生態(tài)文明建設(shè)。但是,目前國內(nèi)外對城市水生態(tài)文明的研究仍處于初步階段,存在的主要問題有:城市水生態(tài)文明的實質(zhì)內(nèi)容不夠明確;缺乏統(tǒng)籌自然-人類-水體的系統(tǒng)建設(shè)模式;未形成全面的城市水生態(tài)文明評價體系[5]。

本文通過分析水生態(tài)文明城市的內(nèi)涵、特征和基本要求,構(gòu)建相應(yīng)的評價指標(biāo)體系,并鑒于水生態(tài)文明系統(tǒng)的復(fù)雜性[6],建立了基于投影尋蹤(project pursuit, PP)法的等級評價模型,力求全面、客觀、真實地反映我國城市水生態(tài)文明狀態(tài),旨在為我國城市水生態(tài)文明建設(shè)提供借鑒。

1 城市水生態(tài)文明評價指標(biāo)體系

指標(biāo)體系評價法是依據(jù)某種指標(biāo)選取準(zhǔn)則,并結(jié)合評價區(qū)域具體情況,選擇一系列指標(biāo)構(gòu)成評價指標(biāo)體系,然后采用合適的數(shù)學(xué)分析方法對這些指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,從而得到一個綜合參數(shù),將此綜合參數(shù)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對,即可了解評價區(qū)域的現(xiàn)狀或閾值[7]。

筆者參照安徽省水利廳發(fā)布的《關(guān)于開展水生態(tài)文明城市和水環(huán)境優(yōu)美鄉(xiāng)村建設(shè)試點工作的通知》,遵循系統(tǒng)性、可操作性、層次性、定量和定性評價相結(jié)合的原則[8],著眼于水安全、水生態(tài)、水管理、水景觀、水文化5個方面,構(gòu)建城市水生態(tài)文明評價指標(biāo)體系(表1)。

2 城市水生態(tài)文明等級評價模型

城市水生態(tài)文明等級評價,就是根據(jù)一些具有代表性的指標(biāo)值,建立數(shù)學(xué)模型,對某個地區(qū)水生態(tài)文明所屬等級進(jìn)行綜合評判,為該地區(qū)的水生態(tài)文明建設(shè)提供決策依據(jù)。實際操作中采用的指標(biāo)往往是多維、非線性、不可公度的,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法易受到過于數(shù)字化的限制,難以找到數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律,而投影尋蹤法是一種處理非正態(tài)總體分布高維數(shù)據(jù)的探索性方法。本研究建立基于實數(shù)編碼的加速遺傳算法(real coded accelerating genetic algorithm,RAGA)的投影尋蹤等級評價模型,對城市水生態(tài)文明的和諧程度進(jìn)行評價。

2.1 投影尋蹤法的基本思想

投影尋蹤法是一種針對常規(guī)系統(tǒng)綜合評價方法存在的形式化、數(shù)學(xué)化等局限性,提出由樣本數(shù)據(jù)驅(qū)動探索性數(shù)據(jù)的分析方法[9],其基本思想是以某種組合將高維數(shù)據(jù)投影到低維(1～3維)子空間上,通過極大(小)化某個投影指標(biāo),尋找出能反映高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征的投影,在低維空間上對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,以達(dá)到研究高維數(shù)據(jù)內(nèi)在聯(lián)系的目的[10]。投影尋蹤法能夠很好地排除無關(guān)投影方向的干擾,而且容易知道各項指標(biāo)對整體綜合評分的影響程度(通過最佳投影向量中各個分量的相對大小體現(xiàn)),避免了人為確定指標(biāo)權(quán)重的不確定性和主觀性。

表1 城市水生態(tài)文明評價指標(biāo)體系

2.2 投影尋蹤法的計算步驟

投影尋蹤模型的建模過程主要包括原始數(shù)據(jù)歸一化處理、構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)、優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)和等級評價幾部分。其中,通過優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)來尋求能最大程度暴露數(shù)據(jù)特征的投影方向是其核心內(nèi)容。

步驟1:對樣本評價指標(biāo)集進(jìn)行歸一化處理。設(shè)評價指標(biāo)的數(shù)目為m,樣本的個數(shù)為n,由于各指標(biāo)的單位不盡一致,為統(tǒng)一其變化范圍都在0～1之間,可采用式(1)和式(2)進(jìn)行歸一化處理。

對于效益型指標(biāo):

(1)

對于成本型指標(biāo):

(2)

步驟2:構(gòu)造指標(biāo)函數(shù)。投影尋蹤法就是把m維數(shù)據(jù)綜合成以a=(a1,a2,…,am)為投影方向的一維投影值zi,從而完成高維數(shù)據(jù)向低維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化,即,

(3)

綜合投影指標(biāo)時,要求投影值zi的散布特征應(yīng)為局部盡可能密集,整體上投影點團(tuán)之間盡可能散開。因此,投影指標(biāo)函數(shù)可以表達(dá)為

Q(a)=SzDz

(4)

其中

(5)

(6)

步驟3:優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)。從投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)的計算公式可知,對于同一個樣本集,Q(a)只與投影方向a有關(guān),因此,可以通過求解Q(a)的最大值來估計最佳投影方向,即

maxQ(a)=SzDz

(7)

這是一個復(fù)雜的非線性有約束優(yōu)化問題,本文擬采用RAGA來進(jìn)行求解。RAGA采用實數(shù)編碼,先初始化父代群體,并行進(jìn)行選擇、交叉、變異操作,再用第一次、第二次演化迭代所產(chǎn)生的優(yōu)秀個體這一子群體所對應(yīng)的變量變化區(qū)間作為變量新的初始變化區(qū)間, 重復(fù)前面的過程,如此加速循環(huán)直到最優(yōu)個體的目標(biāo)函數(shù)值小于某一設(shè)定值,或算法運(yùn)行達(dá)到預(yù)定加速次數(shù),這時把當(dāng)前群體中最佳個體或優(yōu)秀個體的平均值指定為RAGA的結(jié)果[12]。

步驟4:等級評價。把步驟3中求得的最佳投影方向a*代入式(3)中,可得到評價等級樣本點的投影值zi*,根據(jù)各等級值及其對應(yīng)的投影值建立評價模型y*=f(zi*),再把待評價樣本的投影值z*代入y*=f(zi*),即可得到待評價樣本的所屬等級。

3 實例研究

以馬鞍山市2012年城市水生態(tài)文明狀況為研究對象,應(yīng)用投影尋蹤等級評價模型對其進(jìn)行評價。馬鞍山市位于安徽省最東部,屬長江中下游沖積平原的蕪湖-馬鞍山丘陵水網(wǎng)平原區(qū),地處東經(jīng)117°53′～118°52′、北緯31°24′～32°02′,多年平均降雨量1 096 mm,平均氣溫15.6℃,區(qū)域內(nèi)長江東西貫穿,河道縱橫,湖泊眾多,試點區(qū)內(nèi)主要水系包括長江右岸、采石河、慈湖河、雨山河、博望河、丹陽新河、高潮河、永豐河等河流,以及石臼湖、雨山湖、秀山湖三大湖泊,具有生態(tài)功能的濕地總面積645 196 hm2。

就水生態(tài)文明現(xiàn)狀而言,馬鞍山市基本形成了3個相互獨立的城市防洪堤圈,但堤防建設(shè)還未達(dá)標(biāo),現(xiàn)有城市防洪的內(nèi)河慈湖河、采石河堤防只能防御10年一遇的洪水,城區(qū)水系普遍存在淤積,暴雨積水情況嚴(yán)重;飲用水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)率穩(wěn)定保持在100%,過境長江水質(zhì)基本處于Ⅱ類,但仍有較多市區(qū)河流水質(zhì)屬于V類甚至劣V類;用水效率總體不高,同時雨水、再生水等非傳統(tǒng)水源的利用程度較低,城市污水處理能力不足,城市供水管道漏損率較高;初步建成了市區(qū)水雨情自動測報系統(tǒng),但飲用水源地、水功能區(qū)等水量水質(zhì)自動測報調(diào)度系統(tǒng)尚未完善,基層水資源管理服務(wù)水平低,專業(yè)技術(shù)力量薄弱;采石磯國家級風(fēng)景區(qū)已經(jīng)形成,并舉辦了具有本地特色的中國李白詩歌節(jié)等水文化活動,然而水文化載體建設(shè)相對滯后。

3.1 城市水生態(tài)文明等級劃分

目前對城市水生態(tài)文明等級劃分還沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)。本文立足國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)社會水平,結(jié)合馬鞍山市的區(qū)位條件和自然地理環(huán)境,確定理想、和諧、基本和諧、不和諧、極不和諧等5個等級以及馬鞍山市各項現(xiàn)狀指標(biāo)值(表2)。

為了能使本次研究更具普適性,對于可定量的指標(biāo)(C1,C2,C3,C6,C9,C10,C11,C12,C13,C14,C15,C16,C20,C21)的現(xiàn)狀值和等級標(biāo)準(zhǔn)值均使用具體數(shù)值?，F(xiàn)狀值來源于實地調(diào)查統(tǒng)計及地區(qū)水利普查等有關(guān)資料,等級標(biāo)準(zhǔn)值從相關(guān)研究文獻(xiàn)[3,13-16]獲得。對于定性指標(biāo)(C4,C5,C7,C8,C17,C18,C19,C22,C23,C24,C25,C26,C27,C28,C29),其現(xiàn)狀值和等級標(biāo)準(zhǔn)值均采用相對于目標(biāo)值的實現(xiàn)程度來表征,現(xiàn)狀值是通過實地調(diào)查得到，目標(biāo)值是根據(jù)馬鞍山市水生態(tài)文明城市建設(shè)試點的預(yù)期目標(biāo)并結(jié)合專家評分得到,評分標(biāo)準(zhǔn)參見《安徽省水生態(tài)文明城市和水環(huán)境優(yōu)美鄉(xiāng)村評價暫行辦法》。實現(xiàn)程度f可參照式(8)計算:

表2 馬鞍山市2012年現(xiàn)狀值及評價指標(biāo)等級劃分

%i=1,2,…,p

(8)

式中:Ci表示第i個指標(biāo)2012年的現(xiàn)狀值;Gi為第i個指標(biāo)在2016年應(yīng)達(dá)到的預(yù)期目標(biāo)值。

3.2 綜合等級評價模型的應(yīng)用

3.2.1 評價過程

按照前述的步驟,用Matlab編寫投影尋蹤模型程序,其中C13,C14,C16屬于成本型指標(biāo),其他的都為效益型指標(biāo)。在RAGA優(yōu)化過程中,確定初始種群規(guī)模為400,加速次數(shù)為20,變異概率為0.8,交叉概率為0.8。運(yùn)行此程序,得到最佳投影向量a*=(0.179 0, 0.171 2, 0.179 6, 0.192 7, 0.194 4, 0.192 3, 0.184 1, 0.197 6, 0.199 0, 0.182 5, 0.175 6, 0.180 8, 0.183 3, 0.172 6, 0.196 3, 0.182 9, 0.186 0, 0.170 9, 0.187 7, 0.186 0, 0.198 9, 0.189 4, 0.188 7,0.187 5, 0.189 5, 0.183 6, 0.195 5, 0.182 7, 0.169 5),Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級對應(yīng)的投影值分別為5.379 7、4.684 0、3.589 6、2.504 3、0,馬鞍山市2012年現(xiàn)狀投影值為4.266 5。

根據(jù)各等級最佳投影特征值,繪制投影特征值散點圖(圖1),建立城市水生態(tài)文明等級評價模型y*，再對所建立的評價模型進(jìn)行誤差分析,見表3。

y*=-0.001(z*)3-0.104 2(z*)2-

0.147 7z*+5.002 8

(9)

圖1 各等級水生態(tài)文明投影特征值與等級關(guān)系

經(jīng)驗值計算值絕對誤差相對誤差/%11.03680.03683.6821.9221-0.0779-3.8933.08370.08372.7943.9637-0.0363-0.9155.00280.00280.06

從表3可以看出,依據(jù)投影特征值與等級值之間的關(guān)系擬合出的評價模型平均絕對誤差為0.047 5,平均相對誤差為2.27%,表明所建立的等級評價模型精度較高,可以用來進(jìn)行城市水生態(tài)文明程度的評價。將馬鞍山市2012年現(xiàn)狀投影值z*=4.266 5代入式(9)中,求得對應(yīng)的y*=2.40,即馬鞍山市水生態(tài)文明現(xiàn)狀等級為Ⅲ級,處于基本和諧的狀態(tài),符合實際情況,也證明了該模型非常適于用來進(jìn)行城市水生態(tài)文明評價。

另外,最佳投影方向各分量的大小,實質(zhì)上反映了各參評指標(biāo)對城市水生態(tài)文明等級的貢獻(xiàn)度,值越大表示對應(yīng)的指標(biāo)對等級評價結(jié)果的影響程度越大(圖2)。

3.2.2 評價成果分析

圖2 各項指標(biāo)對綜合評價等級的貢獻(xiàn)率

根據(jù)評價結(jié)果,馬鞍山市2012年水生態(tài)文明總體上達(dá)到基本和諧,但部分指標(biāo)的單項等級還很低,仍有較大的提升空間。跡地恢復(fù)治理率、生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持“三同時”落實率、植物配置合理性、城市污水處理回用率4項指標(biāo)對等級評價結(jié)果影響最大,在實際工作中應(yīng)及時恢復(fù)城內(nèi)既有工礦跡地植被,做好水土保持的方案申報、實施和驗收工作,合理配置河道和塘庫沿岸水生植物,新建污水處理廠、完善污水管網(wǎng)建設(shè)，以增強(qiáng)城市污水的處理能力,提高用水效率。水環(huán)境維護(hù)度、生態(tài)需水維持度、城市水面率、自然水景觀這幾項指標(biāo)對等級評價結(jié)果影響次之,說明水生態(tài)環(huán)境仍然是建設(shè)重點,要盡量維持原有的水域不被破壞,加強(qiáng)對生態(tài)濕地、湖泊等自然水景觀的保護(hù)。

4 結(jié) 語

基于水生態(tài)文明城市建設(shè)的理念和基本要求,從水資源安全、水生態(tài)、水管理、水景觀、水文化等5個方面,構(gòu)建了29項指標(biāo)組成的城市水生態(tài)文明評價指標(biāo)體系,立足國內(nèi)外的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平和國家有關(guān)短中期規(guī)劃,制定了5個等級評價標(biāo)準(zhǔn)。構(gòu)建了投影尋蹤等級評價模型,由評價等級標(biāo)準(zhǔn)值樣本計算得到的最佳投影方向,反映了各單項指標(biāo)對水生態(tài)文明整體狀態(tài)的影響程度,對實際工作有一定的參考價值和指導(dǎo)意義。通過將投影尋蹤等級評價模型應(yīng)用于馬鞍山市2012年水生態(tài)文明現(xiàn)狀評價,所得評價結(jié)果與現(xiàn)實情況相符,直接驗證了模型是可行的,且精度較高,可以推廣應(yīng)用于同類區(qū)域城市水生態(tài)文明現(xiàn)狀評價。

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