基于改進(jìn)TOPSIS法的水資源配置方案評價(jià)

熊雪珍,何新玥,陳　星,管儀慶,王繄瑋,王　麗

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京　210098)

基于改進(jìn)TOPSIS法的水資源配置方案評價(jià)

熊雪珍,何新玥,陳星,管儀慶,王繄瑋,王麗

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京210098)

摘要：以綜合效益最優(yōu)為目標(biāo)層,水資源利用、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、生態(tài)效益為準(zhǔn)則層,建立臨海市水資源配置方案評價(jià)指標(biāo)體系,采用改進(jìn)TOPSIS法對“五水共治”理念下的4個(gè)區(qū)域水資源配置方案展開評價(jià)。結(jié)果表明,高節(jié)水、加強(qiáng)水資源開發(fā)、保障生態(tài)需水的方案4為最優(yōu)方案。研究旨在為臨海市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、資源、環(huán)境的全面發(fā)展提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：五水共治;水資源配置;方案評價(jià);改進(jìn)TOPSIS法

我國水資源總量豐富,但人均水資源量始終處于較低水平,且水災(zāi)害頻發(fā),水環(huán)境問題嚴(yán)峻。水資源問題已成為制約我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素[1]。水資源治理是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),是對區(qū)域內(nèi)自然水和社會(huì)水的共同管理,其內(nèi)涵是在治水的過程中實(shí)現(xiàn)人水和諧,是依托水資源配置機(jī)制,對涉水工程及主體進(jìn)行協(xié)調(diào)和約束,形成一套水資源治理理念和完整的實(shí)施方案,達(dá)到水資源可持續(xù)發(fā)展的目的[2]。對配置方案進(jìn)行評價(jià),是水資源治理的第一步,一方面從水資源供需、利用結(jié)構(gòu)、開發(fā)利用程度等方面進(jìn)行總體把握和評價(jià),找到區(qū)域水資源配置過程中影響較大的關(guān)鍵因素,另一方面,根據(jù)評價(jià)發(fā)現(xiàn)配置機(jī)制的問題,從而制定各種工程措施和非工程措施[3]。

水資源配置研究從最初的水量分配,轉(zhuǎn)變到目前的綜合考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境可持續(xù)性的協(xié)調(diào)配置;從單一的水量調(diào)控，發(fā)展為水量水質(zhì)的聯(lián)合調(diào)控[4],更注重與水循環(huán)要素之間的效應(yīng),與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)系統(tǒng)的結(jié)合[5]。國外對水資源配置的研究側(cè)重于水資源系統(tǒng)模擬。較成熟的流域模擬及水資源管理模擬模型軟件有丹麥的MIKEBASIN,美國的River-Ware等[6-8]。國內(nèi)對流域水資源配置的理論研究主要從配置目標(biāo)、配置的水源用戶關(guān)系上進(jìn)行分析。賈仰文等[9]在國家 “十五”科技攻關(guān)計(jì)劃研究中,對黃河流域構(gòu)建了分布式水循環(huán)模擬模型和集總式水資源調(diào)配模型耦合而成的二元水循環(huán)系統(tǒng)模擬模型,提出了“天然-人工”二元水循環(huán)基本結(jié)構(gòu)與模式。闕添進(jìn)等[10]研究城市多水源給排水配置系統(tǒng)建設(shè),提出了城市中水的合理布局和水質(zhì)轉(zhuǎn)換。海綿城市概念的提出,亦有利于推動(dòng)我國城市雨洪管理模式的轉(zhuǎn)變和發(fā)展[11]。對水資源配置的評價(jià)也由定性評價(jià)發(fā)展到定量評價(jià),常進(jìn)等[12]引入基于實(shí)數(shù)編碼的加速遺傳算法的投影尋蹤分類模型,對塔里木河源區(qū)水資源利用可持續(xù)性進(jìn)行定量評價(jià)分析。近年來,層次分析法、模糊綜合評判法、逼近理想解法(TOPSIS)先后被應(yīng)用到水資源合理配置評價(jià)中[13]。

浙江省2014年提出的“五水共治”(治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節(jié)水)的戰(zhàn)略決策,從治水的綜合性與系統(tǒng)性上考慮了水環(huán)境、防洪排澇、供水保障等一系列問題的相互關(guān)系。不同于傳統(tǒng)就水論水的治理模式,強(qiáng)調(diào)“五水”作為一個(gè)系統(tǒng),統(tǒng)籌兼顧,互相牽制:水系連通,治污先行;在河道綜合治理基礎(chǔ)上,保障防洪排澇安全,將洪澇水安全化、資源化;強(qiáng)調(diào)節(jié)水，保障供水,提高水資源配置能力;優(yōu)化區(qū)域水環(huán)境,促進(jìn)水資源可持續(xù)發(fā)展。

本文以浙江省臨海市為例,結(jié)合區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、水資源狀況及“五水共治”規(guī)劃,設(shè)置4個(gè)水資源配置方案,采用改進(jìn)的TOPSIS法評價(jià)優(yōu)選出最佳水資源配置方案,旨在為臨海市“五水共治”下的經(jīng)濟(jì)社會(huì)、資源環(huán)境的全面發(fā)展提供理論支撐。

1改進(jìn)的TOPSIS模型簡介

TOPSIS法的基本原理是一種逼近理想解的排序法,適用于多目標(biāo)復(fù)雜系統(tǒng)的決策分析[14]。確定理想解和負(fù)理想解,定義各評價(jià)目標(biāo)與理想解和負(fù)理想解的距離,計(jì)算獲得各方案與理想解的貼近度,并按貼近度大小進(jìn)行排序,以此作為評價(jià)目標(biāo)優(yōu)劣的依據(jù)。

傳統(tǒng)TOPSIS方法具體計(jì)算步驟[15]如下:

步驟1:構(gòu)造決策矩陣X。設(shè)有M個(gè)評價(jià)方案,每個(gè)方案有N個(gè)評價(jià)指標(biāo),xij表示第i個(gè)方案中第j個(gè)指標(biāo)值。采集各方案指標(biāo)值,構(gòu)造決策矩陣X。

步驟2:對指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范化處理,得到規(guī)范化矩陣D。按指標(biāo)屬性分越大越優(yōu)型指標(biāo)、越小越優(yōu)型指標(biāo)及適中型指標(biāo),規(guī)范化公式為

越大越優(yōu)型:

(1)

越小越優(yōu)型:

(2)

適中型:

(3)

式中,x*為最優(yōu)值。

步驟3:計(jì)算各指標(biāo)對總目標(biāo)的權(quán)重值wj,得到加權(quán)判斷矩陣:

(4)

(5)

(6)

其中,適中型指標(biāo)的理想解與負(fù)理想解按與最優(yōu)值差值確定。

步驟5:定義各方案到理想解的距離,并進(jìn)行計(jì)算排序,以判斷方案優(yōu)劣。

1.1改進(jìn)的權(quán)重計(jì)算方法

對傳統(tǒng)的TOPSIS進(jìn)行改進(jìn),通常是從權(quán)重計(jì)算方法及距離公式定義兩方面著手[16]。常用的權(quán)重計(jì)算方式,如客觀計(jì)算法、變異系數(shù)法,是利用客觀數(shù)據(jù)的差異程度,并非從指標(biāo)含義方面來表征重要程度。當(dāng)某些指標(biāo)數(shù)據(jù)間差異較大時(shí),所求權(quán)重偏大,可能與實(shí)際不符。主觀權(quán)重計(jì)算的關(guān)鍵步驟判斷矩陣則很難排除個(gè)人主觀影響。因此,選用組合權(quán)重方法可以兼顧兩方面,利用下列公式:

(7)

式中:αj為變異系數(shù)法確定的權(quán)重;φj為層次分析法確定的指標(biāo)權(quán)重;wj為通過組合計(jì)算公式得到的組合權(quán)重。

本文采取變異系數(shù)法和層次分析法組合計(jì)算權(quán)重。

步驟1:運(yùn)用變異系數(shù)法確定權(quán)重。計(jì)算各指標(biāo)不同方案取值的平均值Ej和標(biāo)準(zhǔn)差δj,變異系數(shù)為δj/Ej,對其進(jìn)行歸一處理即得變異系數(shù)法權(quán)重αi。

步驟2:運(yùn)用AHP法計(jì)算權(quán)重。設(shè)準(zhǔn)則層有s個(gè)準(zhǔn)則,t個(gè)指標(biāo)。每個(gè)準(zhǔn)則分別對應(yīng)t1,t2,…,ts個(gè)指標(biāo)。運(yùn)用AHP分層計(jì)算權(quán)重。準(zhǔn)則層權(quán)重B={β1,β2,…,βs},各指標(biāo)相對目標(biāo)層的權(quán)重φ={φ1,φ2,…,φt}。

步驟3: 將指標(biāo)權(quán)重φj與變異系數(shù)法確定的權(quán)重αj利用上述組合公式組合,求得指標(biāo)組合權(quán)重W={w1,w2,…,wn}

1.2改進(jìn)的距離計(jì)算公式

傳統(tǒng)的TOPSIS法的距離公式通常采用的是歐式距離公式,但是這種計(jì)算方法所選出的最優(yōu)解,在貼近理想解的同時(shí)可能也貼近負(fù)理想解。針對這種情況,本文選用基于垂面距離的正交投影法來定義距離公式[17]。兩點(diǎn)間X、Y的垂面距離是指以理想解、負(fù)理想解連線方向AB為法向量,在法線方向上分別過這兩點(diǎn)作兩個(gè)平行平面,點(diǎn)X、Y投影在法線上E、F兩點(diǎn)之間的距離,如下圖所示。X和Y的垂面距離DXY計(jì)算公式為如下:

(8)

由于這種方式將距離化為同一直線上距離,因此貼近理想解必遠(yuǎn)離負(fù)理想解。

圖1　垂面距離

計(jì)算步驟[17-18]如下:

2實(shí)例研究

浙江省臨海市水資源量相對豐富,但水資源時(shí)空分布不均,水資源量分布和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展布局相矛盾,可調(diào)配水量不足,以及水質(zhì)污染,造成工程型、資源型和水質(zhì)型缺水并重。臨海市“五水共治”的推進(jìn)，是對水資源進(jìn)行系統(tǒng)性管理與調(diào)配。對“五水共治”理念下的水資源配置進(jìn)行評價(jià),可為臨海市水資源利用決策提供一定理論依據(jù)。

臨海市多年平均降雨量1 685.5 mm,多年平均水資源總量20.96億m3。臨海市現(xiàn)狀水資源開發(fā)利用的可供水量為4.2億m3,僅占本市水資源總量20%。臨海市具有豐富的客水資源,靈江最枯年份過境客水達(dá)到20億m3。臨海市年總供水能力42 181萬m3,地表水源供水占比97%。目前已建水庫、山塘324座,合計(jì)總庫容4.032 2億m3。供水覆蓋主要是中部分區(qū)、東部分區(qū)、西部分區(qū)和城南分區(qū)4大區(qū)塊,其中中部分區(qū)、東部分區(qū)用水占全市的72%,而中東部城區(qū)由于著重工業(yè)發(fā)展,其用水需求將快速增長。臨海市各分區(qū)供水情況見表1。

表1　臨海市分區(qū)供水情況

2.1現(xiàn)狀水資源供需分析

臨海市需水總量包括生活需水量、生產(chǎn)需水量和生態(tài)需水量。以2013年為現(xiàn)狀水平年、2016年為近期規(guī)劃年、2020年為中期規(guī)劃年,在90%來水保證率情況下分析《臨海市五水共治規(guī)劃》中需水預(yù)測的結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)臨海市用水結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化。在現(xiàn)有工況下,統(tǒng)計(jì)得出現(xiàn)狀供水情況下,不同水平年各分區(qū)的供需水情況(圖2和表2)。

圖2　不同水平年臨海市各類需水量占比

分析數(shù)據(jù)可知臨海市生活需水、公共需水、工業(yè)需水將成為用水主要構(gòu)成。工業(yè)用水增長迅速,需水總量整體有增大趨勢。而這幾種用水對水質(zhì)要求

表2　不同規(guī)劃水平年水資源供需平衡分析 　萬m3

較高,要滿足未來城市發(fā)展需水要求,必須在水資源配置過程中更加重視水環(huán)境治理,保證一定優(yōu)質(zhì)水供水比例。臨海市東部分區(qū)作為臨海市副城,將重點(diǎn)發(fā)展工業(yè),用水趨勢向中部分區(qū)和東部分區(qū)集中,現(xiàn)狀工況下規(guī)劃年東部區(qū)缺水量逐年增大,但東部分區(qū)已無可開發(fā)水資源利用量。因此,在對臨海市水資源配置進(jìn)行評價(jià)時(shí),必須將地區(qū)中水回用、優(yōu)質(zhì)水供水比例及水資源開發(fā)利用等指標(biāo)考慮進(jìn)去。

2.2水資源配置方案設(shè)置

基于“五水共治”治水理念,臨海市以河道綜合治理為基礎(chǔ),保障防洪排澇安全,提高水資源配置能力,完善供水安全保障體系,優(yōu)化區(qū)域水環(huán)境,維護(hù)水資源的可持續(xù)發(fā)展。綜合臨海市“五水共治”報(bào)告及節(jié)水規(guī)劃,按照“五水共治”治水理念,筆者擬定了4套合理配置方案,分別進(jìn)行分析比較。

方案1:采用傳統(tǒng)的水資源治理方案,保證一定水資源量補(bǔ)給河道內(nèi)生態(tài)需水。加強(qiáng)農(nóng)田節(jié)水措施,灌溉水利用系數(shù)提高10%,城市生活用水定額下降10%。同時(shí)強(qiáng)化供水措施,修建小田岙山塘，滿足臨海城中心區(qū)需水,并將牛頭山水庫調(diào)水供給城東區(qū)。

方案2:加強(qiáng)節(jié)水,改善工業(yè)、農(nóng)業(yè)節(jié)水工藝,推進(jìn)生活用水節(jié)水器具,使之達(dá)到國家領(lǐng)先水平。灌溉水利用系數(shù)提高15%,城市生活用水定額下降15%。強(qiáng)化供水措施,修建方溪水庫,保證一定水資源量補(bǔ)給河道內(nèi)生態(tài)需水。

方案3:加強(qiáng)節(jié)水,灌溉水利用系數(shù)提高10%,城市生活用水定額下降10%。加強(qiáng)蓄水工程建設(shè),將洪水資源化,保障供水。開發(fā)非常規(guī)水資源,推進(jìn)中水回用工程,以補(bǔ)充河道內(nèi)生態(tài)需水。

方案4:加強(qiáng)節(jié)水,灌溉水利用系數(shù)提高15%,城市生活用水定額下降15%。加強(qiáng)供水保障,修建方溪水庫,保障供水需求。加強(qiáng)污水治理,增加水資源可利用量,提高非常規(guī)水源地的利用,并保證一定水資源量補(bǔ)給河道內(nèi)生態(tài)需水。

構(gòu)建以綜合效益最優(yōu)為目標(biāo)層,水資源開發(fā)利用、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、生態(tài)效益為準(zhǔn)則層,根據(jù)地區(qū)水資源利用特點(diǎn),遴選出準(zhǔn)則層對應(yīng)的指標(biāo),建立臨海市水資源配置方案評價(jià)指標(biāo)體系。各方案評價(jià)指標(biāo)值見表3。

表3　臨海市各水資源配置方案指標(biāo)值

2.3規(guī)范決策矩陣

其中B13、B21、B22、B43為越小越優(yōu)型指標(biāo),B42為適中型指標(biāo),其余為越大越優(yōu)型指標(biāo),利用前文所述公式,求得規(guī)范矩陣D:

通過變異系數(shù)法求得各指標(biāo)權(quán)重:A={α1,α2,…,αn}={0.027,0.028,0.041,0.034,0.105,0.071,0.165,0.027,0.260,0.038,0.017,0.077,0.110}，通過AHP法求求得各指標(biāo)權(quán)重,見表4。

表4　AHP法各指標(biāo)權(quán)重

對AHP法所求的權(quán)重進(jìn)行一致性檢驗(yàn),結(jié)果見表5。

表5　一致性檢驗(yàn)結(jié)果

CR均小于0.1,則所求權(quán)重通過一致性檢驗(yàn)。

wi=(0.020,0.011,0.055,0.052,0.253,0.068,0.133,0.050,0.100,0.070,0.007,0.102,0.081)

進(jìn)而求得加權(quán)決策矩陣A:

2.4各方案到理想解距離

從得到的加權(quán)決策矩陣A中,按照公式(5)、(6)確定理想解和負(fù)理想解:

表6　平移后各指標(biāo)及理想解、負(fù)理想解

計(jì)算得各方案與理想解距離di=(0.002 575,0.000 932,0.0 011 16,0.000 448),由于距離越小越優(yōu),可確定方案4最優(yōu)。

浙江臨海市屬大田平原區(qū),地表水資源量較少,人均水資源量低于全國平均水平。水利工程的開發(fā)利用程度偏低,地表水工程規(guī)模較小,豐富的客水資源沒有得到充分利用。提高水資源開發(fā)利用率是水資源優(yōu)化配置的關(guān)鍵一步。同時(shí)臨海市主要產(chǎn)業(yè)為工業(yè)和農(nóng)業(yè),而兩者在節(jié)水方面還有很大提升空間,因此需推進(jìn)節(jié)水工藝、改進(jìn)灌溉方式。臨海市中部與東部水資源分配不均勻,中部余水較多,東部工業(yè)發(fā)展快,而東部地區(qū)水資源可利用量少,水資源缺口有增大趨勢。要滿足未來城市發(fā)展需求,必須考慮全市范圍的水資源調(diào)配,加大水資源開發(fā)利用程度。小田岙山塘、方溪水庫完工并投入使用,可向中部區(qū)供水,并向東部供水7 645萬m3,剩余水量補(bǔ)給生態(tài)需水量。在此基礎(chǔ)上,加強(qiáng)污水治理,增加可供水資源量,提高優(yōu)質(zhì)水所占比例,重視非常規(guī)水資源的開發(fā)利用,減輕廢污水對水環(huán)境的壓力及用水負(fù)擔(dān),從綜合的角度對“五水”進(jìn)行統(tǒng)一治理與利用。方案4最大限度滿足了要求,是高節(jié)水、加強(qiáng)水資源開發(fā)利用,保障供水,保障生態(tài)的組合方案,體現(xiàn)了“五水共治”思想下的水資源配置的合理性,與臨海市的水資源現(xiàn)狀符合,可作為最優(yōu)配置方案。

3結(jié)語

進(jìn)行水資源配置方案評價(jià)時(shí),需充分考慮當(dāng)?shù)厮Y源現(xiàn)狀,結(jié)合當(dāng)?shù)匕l(fā)展規(guī)劃,把握用水結(jié)構(gòu)變化趨勢,從社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)、水資源開發(fā)利用等方面,全面考慮水資源配置的科學(xué)性。筆者采用改進(jìn)的TOPSIS法進(jìn)行水資源配置方案評價(jià)。在諸多的評價(jià)方法中,TOPSIS法對原始數(shù)據(jù)的信息利用最為充分,對數(shù)據(jù)分布、樣本含量、指標(biāo)多少?zèng)]有嚴(yán)格的限制,數(shù)據(jù)計(jì)算簡單可行。不僅適用于小樣本資料,也適用于多評價(jià)對象、多指標(biāo)的大樣本資料。利用TOPSIS進(jìn)行綜合評價(jià),可以得出良好的可比性評價(jià)排序結(jié)果。相較于層次分析法和模糊綜合評價(jià)法,TOPSIS法以定義距離的方式篩選出優(yōu)選結(jié)果,更為直觀。權(quán)重方法與距離計(jì)算公式可以靈活選用,因此很大程度上會(huì)影響評價(jià)結(jié)果。本文在這兩方面對TOPSIS進(jìn)行了改進(jìn),綜合考慮主客觀兩方面,采取AHP和變異系數(shù)的組合權(quán)重。距離定義采用基于垂面距離的正交投影法,避免了優(yōu)選結(jié)果，同時(shí)貼近理想解、負(fù)理想解的情況,使TOPSIS的評價(jià)結(jié)果更加科學(xué)合理。

本文采用改進(jìn)的TOPSIS對臨海市水資源配置方案進(jìn)行評價(jià),確定了最佳水資源配置方案,并從評價(jià)角度闡明“五水共治”理念在實(shí)踐應(yīng)用中的科學(xué)性,為“五水共治”規(guī)劃在臨海市的推進(jìn)與實(shí)施提供理論支撐。

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Evaluation on water resources allocation schemes based on improved TOPSIS

XIONG Xuezhen, HE Xinyue, CHEN Xing, GUAN Yiqing, WANG Yiwei, WANG Li

(CollegeofHydrologyandWaterResource,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：Taking comprehensive benefits as the target layer, and water resources utilization, economic, social and ecological benefits as the criterion layer, an evaluation index system of for Linhai City water resources allocation scheme was established, and four regional water resources allocation schemes under the idea of co-governance on five water categories were evaluated based on the improved TOPSIS. The results show that the scheme 4 is the best, which is to promote water-saving, to strengthen the development of water resources, and to ensure the ecological water demand. The aim of this study is to provide the theoretical support for the all-round development of Linhai City’s economy, society, resources, and environment.

Key words：co-governance on five water categories; water resources allocation; scheme evaluation; improved TOPSIS

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.004

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(51579148);蘇州市水利科技計(jì)劃(2014-07-06)

作者簡介:熊雪珍(1993—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)樗募八Y源。E-mail:xiong_xz@hhu.edu.cn 通信作者:陳星,講師。E-mail:chenxing@hhu.edu.cn

中圖分類號：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)02-0014-07

(收稿日期：2015-12-28編輯：彭桃英)