基于層次分析法的皖西地區(qū)水資源配置研究

楊 杰，王 周，周作璐

（1.皖西學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，安徽 六安237012；2.廣東博意建筑設(shè)計(jì)院有限公司 南京分公司，江蘇 南京210019）

1 引言

水資源的配置是一個(gè)涉及多系統(tǒng)的決策問題，也是國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。早在20世紀(jì)40年代，國外便開始關(guān)注水資源的優(yōu)化配置，并最早提出了關(guān)于水庫的優(yōu)化調(diào)度問題。50年代以后，水資源系統(tǒng)工程學(xué)的迅速發(fā)展，較為全面地論述了水資源開發(fā)利用問題。比較正式的研究始于60年代初期，計(jì)算機(jī)技術(shù)在水資源工程中的應(yīng)用，使水資源合理配置成為可能。到了70年代，水資源系統(tǒng)模擬技術(shù)和數(shù)學(xué)規(guī)劃的應(yīng)用與發(fā)展，水資源的優(yōu)化配置研究取得了長足的進(jìn)步。Hall等［1］運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃與線性規(guī)劃相結(jié)合的方法，對多水庫優(yōu)化運(yùn)行問題進(jìn)行分析和求解；Yeh［2］將線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、非線性規(guī)劃和模擬技術(shù)等系統(tǒng)分析方法在水資源配置中的應(yīng)用作了全面概述，并以水庫調(diào)度和管理為例進(jìn)行了分析；Shafer等［3］提出了在水資源系統(tǒng)模擬框架下的優(yōu)化配置，并建立了流域管理模型。90年代以來，國外開始將傳統(tǒng)的以水量和經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)的水資源優(yōu)化配置模式向水質(zhì)優(yōu)化配置模式轉(zhuǎn)變，即更加注重水質(zhì)約束、環(huán)境效益以及水資源可持續(xù)利用研究。Afzal等［4］針對區(qū)域灌溉系統(tǒng)建立了線性規(guī)劃模型，對不同水質(zhì)的水量使用問題進(jìn)行分析，體現(xiàn)了水質(zhì)水量聯(lián)合優(yōu)化配置的思想；McKinney等［5］提出了基于GIS系統(tǒng)的流域水資源配置問題，并建立了具有代表性的可持續(xù)水資源規(guī)劃調(diào)度模型。

我國在上世紀(jì)80年代初開始重視水資源配置問題，其理論研究經(jīng)歷了以需定供、以供定需、基于宏觀經(jīng)濟(jì)的水資源配置和可持續(xù)發(fā)展的水資源配置四個(gè)階段［6］，具體的研究方向又分為流域水資源優(yōu)化配置、區(qū)域水資源優(yōu)化配置、水質(zhì)水量聯(lián)合優(yōu)化的水資源配置和基于水循環(huán)的廣義水資源合理配置等方面。然而，對于皖西地區(qū)水資源優(yōu)化配置研究成果并不多，夏林益等［7］對皖西豐樂河流域水土流失的分布、水土流失的強(qiáng)度和流失量進(jìn)行估測和分析，并提出了相應(yīng)的對策和建議；傅先蘭［8］分析了河流生態(tài)系統(tǒng)對六安生態(tài)城市建設(shè)的功能和意義，提出了修復(fù)皖西地區(qū)河流自然生態(tài)系統(tǒng)的一些具體措施；孫賢斌等［9］在對皖西大別山區(qū)水源地生態(tài)補(bǔ)償環(huán)境調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，提出了該區(qū)域生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制的實(shí)施對策。本文利用層次分析法對影響皖西地區(qū)水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的各因素進(jìn)行分析，從經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和社會(huì)標(biāo)準(zhǔn)三個(gè)方面著手，將影響水資源配置的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行判斷比較，構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行層次排序計(jì)算和權(quán)重比較，嘗試性的探討皖西地區(qū)水資源配置問題。

2 研究區(qū)概述

皖西地區(qū)即六安市及轄區(qū)，位于安徽省西部，其下轄金安、裕安兩區(qū)和壽縣、霍邱、金寨、霍山、舒城五縣，總面積達(dá)179.76萬hm2，是一個(gè)集老城區(qū)、山區(qū)、庫區(qū)和沿淮蓄洪區(qū)為一體的綜合性區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)水資源豐富但分布懸殊：境內(nèi)的五庫（梅山、響洪甸、佛子嶺、磨子潭、龍河口）、三河（淠河、史河、杭埠河）、三湖（城東湖、城西湖、瓦埠湖）和一塘（安豐塘）水量充沛，但各種產(chǎn)業(yè)分布不均，用水結(jié)構(gòu)不盡合理，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，優(yōu)化皖西地區(qū)水資源配置，調(diào)整工農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)，將有利于實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的均衡發(fā)展和水資源的可持續(xù)利用。

3 層次分析法在皖西地區(qū)水資源配置中的應(yīng)用

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡記AHP）是由美國運(yùn)籌學(xué)家沙旦（T.L.Saaty）于20世紀(jì)70年代提出的一種多目標(biāo)規(guī)劃方法，也是一種解決復(fù)雜問題的定性與定量相結(jié)合的決策分析方法［10］（P227－228）。其本質(zhì) 是 根 據(jù) 總 的 目 標(biāo)，將 問 題 分 解為若干子系統(tǒng)，并按它們之間的從屬關(guān)系形成遞階層次結(jié)構(gòu)；然后，通過對同一層次內(nèi)的各個(gè)指標(biāo)兩兩比較，確定其相對于上一層目標(biāo)的重要性，即權(quán)重系數(shù)；如此進(jìn)行層層分析，最終求出所有指標(biāo)相對于總目標(biāo)的重要程度。利用層次分析法將皖西地區(qū)水資源配置分解為若干系統(tǒng)，建立層次分析結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)造比較矩陣，逐層計(jì)算特征值，從而確定了各指標(biāo)因素的相對重要性排序。

3.1 層次結(jié)構(gòu)模型

水資源的配置是一個(gè)涉及多領(lǐng)域、寬范圍的復(fù)雜系統(tǒng)工程，基于皖西地區(qū)水資源規(guī)劃實(shí)際，選取經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)行綜合分析。經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)方面：生活用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水為涉水的主導(dǎo)領(lǐng)域，皖西作為一個(gè)經(jīng)濟(jì)落后的革命老區(qū)，雖然近幾年工業(yè)有了較快的發(fā)展，但工業(yè)水平遠(yuǎn)低于全省平均水平，工業(yè)用水的效益尚未被充分挖掘，水力發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及水運(yùn)航運(yùn)的經(jīng)濟(jì)效益也未能充分的發(fā)揮。環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)方面：區(qū)域內(nèi)每年有近三分之一的工業(yè)廢水和三分之二的生活污水未經(jīng)處理直接排放，還有部分企業(yè)的未達(dá)標(biāo)的廢水被偷排、漏排；此外，受上游采砂船濫挖亂采鐵砂的影響，水土流失嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥和農(nóng)藥大量流失，部分河流水環(huán)境趨于惡化，淠河總干下游河段水質(zhì)曾一度降到Ⅲ類以下。社會(huì)標(biāo)準(zhǔn)方面：公眾節(jié)水意識(shí)不高，家庭生活用水浪費(fèi)現(xiàn)象十分普遍，如未使用節(jié)水設(shè)施，無一水多用意識(shí)等；另外，用水方式不科學(xué)，如農(nóng)業(yè)灌渠一直沿用傳統(tǒng)的土質(zhì)明渠輸水，大水漫灌，水的浪費(fèi)十分嚴(yán)重，灌溉中有近一半的水在輸送過程發(fā)生了滲漏損失，同時(shí)由于采用大水漫灌，又有相當(dāng)比例的進(jìn)入田間的水被滲漏和蒸發(fā)；再者，工業(yè)用水重復(fù)率低，地區(qū)工業(yè)用水的重復(fù)利用率僅為20%～30%，低于全國平均水平。據(jù)此，建立起包括1個(gè)目標(biāo)層、3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層和15個(gè)指標(biāo)層的水資源優(yōu)化配置層次分析結(jié)構(gòu)模型，見表1。

表1 水資源優(yōu)化配置層次分析結(jié)構(gòu)

3.2 兩兩比較矩陣的編制

在水資源配置問題中，問題的總目標(biāo)A對下一層元素B具有支配關(guān)系，同時(shí)B對下層元素C也起著支配作用，從而形成了自上而下的逐層支配關(guān)系。兩個(gè)元素相互比較時(shí)的重要性標(biāo)度可根據(jù)德爾菲法確定，即相對于A的兩個(gè)比較元素Bi和Bj，當(dāng)Bi和Bj是同等重要時(shí)取值為1；當(dāng)Bi比Bj略微重要時(shí)取值為3；當(dāng)Bi比Bj較重要時(shí)取值為5；當(dāng)Bi比Bj明顯重要時(shí)取值為7；當(dāng)Bi比Bj絕對重要時(shí)取值為9；其中，2、4、6、8為上述兩個(gè)比較元素中間狀態(tài)時(shí)所對應(yīng)的標(biāo)度值；反之，Bj比Bi的判斷數(shù)為Bi比Bj的判斷數(shù)的倒數(shù)，即分別取1/3、1/5、1/7和1/9。由此可得：Bii＝1，Bij＝1/Bji，且Bij＞0。根據(jù)這種方法可確定各層次間的比較矩陣，見表2、表3、表4和表5。

表2 A＼｜B比較矩陣

表3 B1＼｜C比較矩陣

表4 B2＼｜C比較矩陣

表5 B3＼｜C比較矩陣

3.3 層次單排序及一致性檢驗(yàn)

在兩兩比較矩陣A中，各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重排序可利用平均近似法進(jìn)行計(jì)算，通過求解比較矩陣的最大特征根λ得到特征向量W，即滿足AW＝λW，此特征向量的分量為對應(yīng)元素在單層排序下的權(quán)重值。此外，由于兩兩比較矩陣中的各個(gè)元素是兩者之間的相互比較，在因素眾多的元素比較計(jì)算中可能會(huì)得到一些不一致的結(jié)論；因此，需要對指標(biāo)的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，從而才能確定權(quán)重的有效性。引入一致性指標(biāo)CI和一致性率CR，其中，CI＝（λ－n）/（n－1），CR＝CI/RI，一般規(guī)定當(dāng)CR≤0.1時(shí)，兩兩比較矩陣滿足一致性要求，否則需重新調(diào)整和比較判斷；式中，RI為自由度指標(biāo)，是兩兩比較矩陣一致性的修正值，1～9階矩陣所對應(yīng)的RI值分別為：0.00、0.00、0.58、0.90、1.12、1.26、1.32、1.41和1.45。層次單排序及一致性檢驗(yàn)結(jié)論見表6。

3.4 層次總排序及一致性檢驗(yàn)

當(dāng)每個(gè)指標(biāo)都滿足一致性要求時(shí)，即可對該指標(biāo)在總目標(biāo)中的權(quán)重進(jìn)行求解。具體方法是：分別求出各指標(biāo)相對于各標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重和各標(biāo)準(zhǔn)相對于總目標(biāo)的權(quán)重，將上下兩層權(quán)重向量求積便是指標(biāo)層相對于總目標(biāo)的權(quán)重值。層次總排序計(jì)算見表7。另外，總排序計(jì)算的結(jié)果同樣需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，方法是將一致性指標(biāo)CI和自由度指標(biāo)RI分別乘以對應(yīng)指標(biāo)在總目標(biāo)下的權(quán)重后累計(jì)求和，再利用公式CR＝CI/RI，進(jìn)行求解；只有當(dāng)CR≤0.1時(shí)，各指標(biāo)相對于總目標(biāo)的層次排序才能滿足一致性要求。根據(jù)上文計(jì)算得：CI＝0.036，RI＝1.185，CR＝0.030＜0.1，說明層次總排序滿足一致性，計(jì)算結(jié)果有效。各指標(biāo)相對于總目標(biāo)的層次排序如圖1。

表6 層次單排序及一致性檢驗(yàn)結(jié)論表

表7 層次總排序表

圖1 層次總排序統(tǒng)計(jì)圖

4 結(jié)論

層次分析法是一種實(shí)用的最優(yōu)化技術(shù)，本文正是基于這種決策方法對皖西地區(qū)水資源配置進(jìn)行分析和研究，并得出如下結(jié)論：

（1）在包括三層共計(jì)15個(gè)指標(biāo)的皖西地區(qū)水資源配置層次分析結(jié)構(gòu)模型中：單位產(chǎn)值工業(yè)用水量（C13）的權(quán)重系數(shù)最大，水力發(fā)電指標(biāo)（C14）的權(quán)重第二，直排污廢水占總排水的比重（C21）其權(quán)重居第三，單位產(chǎn)值農(nóng)業(yè)用水量（C11）的權(quán)重系數(shù)第四，而指標(biāo)水資源開發(fā)潛力（C33）的權(quán)重最小。

（2）根據(jù)權(quán)重系數(shù)的統(tǒng)計(jì)顯示，經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)居于首位，只有保證工業(yè)生產(chǎn)用水和電力行業(yè)用水，才能促進(jìn)本區(qū)域經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展；再次，皖西地區(qū)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)灌區(qū)，農(nóng)業(yè)用水要始終放在一個(gè)相當(dāng)重要的位置，要保證農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，這與該地區(qū)“十二五”規(guī)劃綱要中提出的“工業(yè)化核心戰(zhàn)略”和“全力推進(jìn)向農(nóng)業(yè)強(qiáng)市、工業(yè)大市跨越”的指導(dǎo)思想是一致的；此外，環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)不容忽視，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，注重節(jié)能減排，控制直排污廢水占總排水的比重，努力建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的生態(tài)文明城市。

（3）據(jù)此制定皖西地區(qū)水資源配置方案：以工業(yè)用水為主導(dǎo)，以農(nóng)業(yè)用水為支撐，兼顧水環(huán)境的治理與修復(fù)，供需水量與產(chǎn)值效能相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)模式，從而為區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

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