淮河蚌埠閘上枯水期供水安全評價技術(shù)研究

陳竹青汪躍軍王位鑫

淮河蚌埠閘上枯水期供水安全評價技術(shù)研究

陳竹青1汪躍軍1王位鑫2

一、供水安全評價指標體系

1.建立原則

供水安全評價的核心問題，是制定科學、客觀、合理、盡可能全面反映影響系統(tǒng)安全因素的評價指標體系。其分析和判斷原則包括目的性、科學性、系統(tǒng)性、可操作性、時效性、突出性、可比性、定性與定量。

指標體系設(shè)立的目的性決定了指標體系的設(shè)計必須符合科學性的原則，而科學性原則又要通過系統(tǒng)性來體現(xiàn)。在滿足系統(tǒng)性原則之后，還必須滿足可操作性以及時效性的原則。這兩條原則決定了指標體系設(shè)計應(yīng)遵循政令性和突出性原則，此外，可操作性原則還決定了指標體系必須滿足可比性的原則。上述各項原則都要通過定性與定量相結(jié)合的原則才能體現(xiàn)。最后，所有上述各項原則皆由評價的目的性所決定，并以目的性原則為前提。指標體系的建立原則間關(guān)系如圖1。

2.建立方法

科學、合理的供水安全評價指標體系的建立，一般經(jīng)歷兩個階段。

第一階段：從分析各種因素指標體系入手，對評價方案做出條理清晰、層次分明的系統(tǒng)分析；從整體最優(yōu)原則出發(fā)，考慮局部服從整體、宏觀結(jié)合微觀、遠期結(jié)合近期，并綜合多種因素確定評價方案的總目標；對目標按其構(gòu)成要素之間的邏輯關(guān)系進行分解，形成系統(tǒng)完整的綜合評價指標體系。

第二階段：綜合運用頻度統(tǒng)計法、理論分析法、專家咨詢法、主成分分析法等指標篩選方法，使評價指標滿足指標體系建立的原則。

3.指標體系

水資源評價指標的選取是進行水資源承載力評價中的關(guān)鍵問題。區(qū)域水資源承載力評價指標的選取，關(guān)鍵在于選擇合理的指標來綜合反映區(qū)域“社會—經(jīng)濟—環(huán)境”的發(fā)展規(guī)模和質(zhì)量。影響水資源承載力的因素很多，具體涉及到到供水安全方面，主要考慮水量、水質(zhì)、水環(huán)境承載力、抗風險能力四個方面。

綜合以上因素考慮，結(jié)合淮河流域工農(nóng)業(yè)供水現(xiàn)狀等運用頻度分析法、專家咨詢法等篩選出區(qū)域水資源承載力評價的指標體系見表4。該指標體系包括三個層次，即目標層、準則層和指標層。

其中目標層即評價目標為保證供水安全，準則層指評價的準則或者角度，這里從供水條件及潛力、實際供水保障、生態(tài)環(huán)境保障和抗風險能力四個方面來綜合評價供水安全。

圖1　指標體系建立原則關(guān)系圖

二、基于AHP構(gòu)權(quán)的多層次綜合模糊評價模型

本次評價將層次分析法和模糊綜合評價兩者結(jié)合，采用基于AHP構(gòu)權(quán)的多層次綜合模糊評價模型。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process簡稱AHP）是將決策問題按總目標、各層子目標、評價準則直至具體的備投方案的順序分解為不同的層次結(jié)構(gòu)，然后得用求解判斷矩陣特征向量的辦法，求得每一層次的各元素對上一層次某元素的優(yōu)先權(quán)重，最后再加權(quán)和的方法遞階歸并各備擇方案對總目標的最終權(quán)重，此最終權(quán)重最大者即為最優(yōu)方案。

模糊綜合評價的基本思想是利用模糊線性變換原理和最大隸屬度原則，考慮與被評價事物相關(guān)的各個因素，對其作出合理的綜合評價。當影響因素集合U的元素較多時，每個因素的重要程度系數(shù)也就相應(yīng)減小，這時系統(tǒng)中事物之間的優(yōu)劣次序往往難以分開，僅由一級模型進行評價往往顯得比較粗糙，不能很好地反映事物的本質(zhì)，從而無法得出有意義的評價結(jié)果。對于這種情形，可以把因素集合U中的元素按某些屬性分成幾個子系統(tǒng)，先對每一個子系統(tǒng)作綜合評價，然后對評價結(jié)果進行“類”元素的高層次的綜合評價。

基于AHP構(gòu)權(quán)的多層次模糊綜合評價模型是在多層次模糊綜合評價模型的基礎(chǔ)上，運用AHP對影響水資源承載力的各個因素按層次賦權(quán)。模糊綜合評價的各個因素集就是AHP的準則層及各準則下的指標層。

1.因素集的劃分及評語集的建立

在綜合分析水資源承載力系統(tǒng)及其影響因素后，根據(jù)前面選取的指標體系，將因素集劃分為：

其中，

本研究借鑒已有研究成果和一些專家建議，將上述因素對供水安全影響程度劃分為5個等級，每個因素各等級的數(shù)量指標見表1。

表1　指標等級分類標準

其中，V1級表示狀況很差，供水現(xiàn)狀極不安全，進一步開發(fā)潛力較小，如果按照原定社會經(jīng)濟發(fā)展方案繼續(xù)發(fā)展將會發(fā)生水資源短缺現(xiàn)象，水資源將成為國民經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸因素，應(yīng)采取相應(yīng)的對策和措施；V5級屬情況很好級別，表示本區(qū)供水現(xiàn)狀極安全，水資源仍有較大的承載能力，水資源利用程度、發(fā)展規(guī)模都較小，水資源能夠滿足研究區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源的需求；V3級介于V1級和V5級之間，這一級別表明研究區(qū)供水安全級別一般，介于安全與不安全的臨界狀態(tài)，水資源供給、開發(fā)、利用已有相當規(guī)模，但仍有一定的開發(fā)利用潛力，如果對水資源加以合理利用，注重節(jié)約保護，研究區(qū)內(nèi)水資源在一定程度上可以滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的需求。V2和V4分別介于V1V3和V3V5之間，表示供不安全和安全的狀態(tài)。

表2　目標層總判斷矩陣

表3　指標的正負性

為了定量地反映各級因素對水資源承載能力的影響程度，對Vl、V2、V3、V4、V5進行-2到2間評分，值越大表示越安全。其中V1=-2表示極不安全狀態(tài)；V2=-1表示不安全狀態(tài)；V3=0表示介于安全和不安全之間的臨界狀態(tài)；V4=1表示安全狀態(tài)；V5=2表示極安全狀態(tài)。

2.AHP法確定水資源承載力評價指標權(quán)重

根據(jù)選取的指標體系，采用AHP方法，建立各指標相應(yīng)的判斷矩陣。其中目標層的總判斷矩陣見表2。

同理可以建立各級準則層指標的判斷矩陣，求得相應(yīng)單排序向量，并對各判斷矩陣進行一致性檢驗，如果不滿足一致性要求，則重新建立判斷矩陣直到滿足檢驗，最后得到承載力評價指標的最終權(quán)重，即總排序。

3.隸屬函數(shù)的建立

隸屬函數(shù)的建立必須考慮各單項指標的變化規(guī)律。由于指標數(shù)量多，因此對指標進行分類。在分類中，定義單項指標與上一層指標變化趨勢一致的指標為“正指標”，不一致的為“負指標”，各個指標的正負見表3。

各指標對應(yīng)各評語論域的值可以根據(jù)該指標的實際值對照各評價因素的分級值獲得。為了消除各等級之間數(shù)值相差不大，而評價等級相差一級的跳躍現(xiàn)象，必須對其進行模糊化處理，使隸屬函數(shù)在各級之間平滑過渡。計算隸屬度時，令正效應(yīng)指標的評價集V=[V1V2V3V4V5]，負效應(yīng)指標的評價集V=[V5V4 V3V2V1]，另外，k1，k3，k5，k7分別為V1，V2，V3，V4，V5的臨界值。k2，k4，k6分別為V2，V3，V4的中點，如圖2。

圖2　隸屬公式參數(shù)分布示意圖

4.指標權(quán)重的確定

（1）建立判斷矩陣

采用專家打分法分別對4個準則層及其內(nèi)部的指標進行打分，請6位專家按照九級標度法為四個準則層和對應(yīng)的準則層內(nèi)部指標進行9級標度打分，然后對不同專家的意見進行人為賦權(quán)，綜合各位專家意見后即可以得到初步的判斷矩陣，得到初步的判斷矩陣后再進行一致性進行檢驗。如果通過則可以使用，如果不能通過則返回調(diào)整不同專家的賦權(quán)，直到通過一致性檢驗為止。

（2）確定各層指標權(quán)重

求出各層判斷矩陣其最大特征值，及其所對應(yīng)的特征向量，歸一化后，即為該層次指標對于上一層次某相關(guān)指標的相對重要性權(quán)值。對于準則層，可以求得：

d=（4.1294-0.0166+0.7353i-0.0166 -0.7353i-0.0962）

Wa=（0.4723 0.3165 0.1208 0.0904）

其中，d為準則層判斷矩陣各特征值所組成向量，可知準則層判斷矩陣最大特征值為4.1294，其對應(yīng)的特征向量經(jīng)歸一化處理后所得到的Wa=（0.4723 0.3165 0.1208 0.0904）即為準則層A、B、C、D四個準則對于目標層的權(quán)重。

同理可以求得指標層中各個指標對于相應(yīng)的準則層的權(quán)重，將其分別與對應(yīng)準則層權(quán)重相乘即可得到最后的層次總排序，見表4。

表4　指標權(quán)重表

5.計算最終評價結(jié)果

（1）模糊加權(quán)變換：

B=ωR

其中，B為模糊綜合評價向量，ω為權(quán)重向量，R為隸屬度矩陣。

表5　蚌埠閘以上地區(qū)隸屬度矩陣

表6　蚌埠閘以上地區(qū)供水安全綜合評價結(jié)果

圖3　蚌埠閘以上供水安全綜合評價結(jié)果

（2）按照（1）步驟分別計算出一、二級隸屬度加權(quán)矩陣后，分別計算相應(yīng)的安全等級：

L=VB

其中，L為最終安全得分，以-2～2表示，值越大表示越安全；V=[-2 -1012]為評價向量。

三、供水安全評價

1.枯水期水資源供需態(tài)勢分析

根據(jù)《河中游枯水期水資源配置及調(diào)度研究》成果，淮河蚌埠閘以上區(qū)域枯水期水資源供需態(tài)勢如下：

（1）已發(fā)生的典型受旱年，蚌埠閘上區(qū)域均缺水，其中秋季缺水比午季缺水嚴重，主要原因是秋季水稻灌溉的水量比較大，其中上橋樞紐在干旱年份從淮河抽水到茨淮新河灌溉占了相當大的比重。蚌埠閘上區(qū)域在受旱典型年平均缺水量為5.46億m3，年最大缺水量為1978年10.5億m3，最小缺水量為2000年2.7億m3。逐月最大缺水量為2001年7月的4.34億m3，最小缺水量為2000年4月的640萬m3。

（2）通過對不同年型需水缺水態(tài)勢分析，王蚌區(qū)間連續(xù)3個月枯水期現(xiàn)狀水平年20%、50%、95%和95%保證率下的缺水量分別為0億m3、0.209億m3、 1.265億m3和2.22億m3，連續(xù)5個月枯水期現(xiàn)狀水平年20%、50%、95%和95%保證率下的缺水量分別為0億m3、0.399億m3、2.415億m3和4.242億m3。

淮河蚌埠閘上區(qū)域是淮河流域地表水用水集中的地區(qū)之一，是淮南煤礦和火力發(fā)電基地，淮南和蚌埠兩市城鎮(zhèn)生活、工業(yè)生產(chǎn)以及沿淮農(nóng)業(yè)灌溉的主要取水水源，閘上供水對安徽沿淮淮北地區(qū)的社會、經(jīng)濟發(fā)展具有巨大作用。針對該區(qū)段水資源的天然時空分布、用水競爭以及水資源不合理開發(fā)利用引起的生態(tài)環(huán)境問題，開展供水安全綜合評價。

2.計算隸屬度

根據(jù)本文提出的隸屬函數(shù)建立方法，推求蚌埠閘以上地區(qū)隸屬度矩陣，計算結(jié)果見表5。

3.評價結(jié)果

將權(quán)重與隸屬度矩陣相乘后得到各層的最終評價得分，見表6。

由表6、圖3可以看出，蚌埠閘以上地區(qū)供水安全綜合評價得分為-0.17分，略低于一般水平，總體來看水資源狀況良好。在四個準則層中，實際供水保障得分最高，為0.4294分，超過一般水平，而生態(tài)環(huán)境保障及抗風險能力得分都低于-1分，處于不安全與極不安全之間，其中抗風險能力得分最低，接近-1.5分。

四、結(jié)論

本文以淮河蚌埠閘上區(qū)域為研究對象，綜合指標體系建立的原則及方法兩方面因素，建立以保證供水安全為目標層，供水條件及潛力、實際供水保障、生態(tài)環(huán)境保障和抗風險能力為準則層的綜合評價指標體系，基于AHP構(gòu)權(quán)的多層次綜合模糊評價模型，開展淮河中游枯水期供水安全評價。研究結(jié)果表明：蚌埠閘以上地區(qū)供水充足，水資源總量及過境水量充足，但是由于水資源時空分配不均，所以在特枯年缺水情勢嚴峻，抗風險能力不足，同時存著在對生態(tài)環(huán)境保障措施不足的問題，影響地區(qū)供水安全及水資源的可持續(xù)利用

（作者單位：1.淮河水利委員會水文局（信息中心）2330012.水利部水文局（信息中心）100053）