基于綜合權(quán)重SMI-P法的廣西人水和諧度量化評(píng)價(jià)

王大洋，黃 凱,3，莫崇勛，吳衛(wèi)熊，馮世偉

(1.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，南寧 530023；2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004；3.廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)試驗(yàn)室，南寧 530023)

水資源短缺、水環(huán)境污染和水生態(tài)惡化等問(wèn)題日益嚴(yán)重和突出，成為人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素[1,2]。人類社會(huì)與水資源的關(guān)系也變得復(fù)雜，矛盾沖突日益突出和尖銳。因此，如何科學(xué)評(píng)價(jià)人類社會(huì)與水資源的關(guān)系，評(píng)價(jià)人水和諧是一個(gè)值得深入研究的科學(xué)問(wèn)題。針對(duì)“人水和諧”問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼開(kāi)展了相關(guān)研究工作。Falkenmark[1]在深入分析水和生態(tài)聯(lián)系的基礎(chǔ)上，提出了“人-水”一體化管理水資源的新理念。Lautze[2]通過(guò)分析人類社會(huì)中的人口增長(zhǎng)、人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)水系統(tǒng)的影響，對(duì)人類社會(huì)開(kāi)發(fā)、利用和管理水資源給出了切實(shí)的參考建議。左其亭[3,4]提出了“人水和諧量化研究框架”和“人水和諧評(píng)價(jià)指標(biāo)及量化方法”,在框架和指標(biāo)體系中，覆蓋了水資源、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展水平及發(fā)展安全保障、人對(duì)水開(kāi)發(fā)、水對(duì)人服務(wù)等方面的70項(xiàng)指標(biāo)因素。戴會(huì)超[5]以南京市為例，通過(guò)建立人水和諧度模型，并對(duì)模糊評(píng)價(jià)法和灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行改進(jìn)，計(jì)算得到了2010年南京市人水和諧度。劉歡[6]則以最嚴(yán)格水資源管理制度為背景，以“三條紅線”為約束，從取水、用水和排水三個(gè)環(huán)節(jié)作為控制準(zhǔn)則建立了新密市人水和諧評(píng)價(jià)體系，為新密市水資源管理工作提供了有效參考。現(xiàn)有的評(píng)價(jià)中，一方面對(duì)人水和諧的層次劃分不夠明晰和充分，另一方面針對(duì)評(píng)估值較小的指標(biāo)未能在決策時(shí)給予足夠的重視。而指標(biāo)量化-多要素綜合-多準(zhǔn)則集成法(SMI-P)，可以以研究問(wèn)題為目標(biāo)，通過(guò)分析指標(biāo)與要素的關(guān)系，要素與目標(biāo)的關(guān)系等建立合理的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，從而更加清楚地確定各要素與各指標(biāo)，目標(biāo)與要素的定量表達(dá)式，使評(píng)價(jià)目標(biāo)逐層分解和細(xì)化，進(jìn)而更科學(xué)地進(jìn)行量化評(píng)價(jià)研究。其次，采用層次分析-模糊變權(quán)法確定綜合權(quán)重，可以充分展現(xiàn)不同時(shí)期權(quán)重隨評(píng)估值變化產(chǎn)生的變化，突出展現(xiàn)了個(gè)別指標(biāo)因評(píng)估值過(guò)低而產(chǎn)生對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，從而引起決策者的注意。鑒于此，本文將以廣西區(qū)域?yàn)槔?，采用綜合權(quán)重SMI-P法對(duì)其人水和諧度進(jìn)行量化評(píng)價(jià)研究。

1 研究方法

1.1 單指標(biāo)量化

人水和諧度的基礎(chǔ)是建立子和諧度單元，即量化每個(gè)指標(biāo)的子和諧度。為便于分析和對(duì)比，文章通過(guò)采用統(tǒng)一的子和諧度量化準(zhǔn)則對(duì)不同類型的指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理。一是可以消除不同類型指標(biāo)之間的差異，二是可以消除不同量級(jí)的數(shù)據(jù)之間的影響。子和諧度量化采用分段線性隸屬度函數(shù)法[7]。以每個(gè)指標(biāo)各自領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)，不同分級(jí)對(duì)應(yīng)不同的子和諧度。如采用5點(diǎn)分段法，(a,0)、(b,0.3)、(c,0.6)、(d,0.8)和(e,1.0)分別對(duì)應(yīng)子和諧度的最差值、較差值、及格值、較好值和最好值，如圖1所示，分別為正向指標(biāo)(越大越優(yōu))和逆向指標(biāo)(越小越優(yōu))。通過(guò)對(duì)每個(gè)指標(biāo)分別處理，進(jìn)而可將他們統(tǒng)一映射到[0,1]區(qū)間，為計(jì)算健康度、發(fā)展度和協(xié)調(diào)度奠定基礎(chǔ)。

圖1 子和諧度變化曲線

1.2 多要素綜合

某一區(qū)域的人水和諧度是該區(qū)域水系統(tǒng)、人文系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，人水和諧的實(shí)現(xiàn)要以健康的水系統(tǒng)作為支撐前提，在區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，衡量和協(xié)調(diào)好與水系統(tǒng)的關(guān)系。為此，選取健康度、發(fā)展度和協(xié)調(diào)度作為控制要素，分別對(duì)水系統(tǒng)，人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)和兩者協(xié)調(diào)情況進(jìn)行量化。其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的缺失都可能會(huì)影響到人水和諧度的評(píng)價(jià)結(jié)果。因?yàn)?，針?duì)健康度、發(fā)展度和協(xié)調(diào)度等控制要素，需選取了與之相關(guān)的指標(biāo)建立人水和諧量化指標(biāo)體系。通過(guò)分析各指標(biāo)的子和諧度與控制要素的關(guān)系，進(jìn)而采用多要素綜合方法可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的健康度、發(fā)展度和協(xié)調(diào)度的值，具體關(guān)系如下。

(1)

(2)

(3)

1.3 多準(zhǔn)則集成

根據(jù)人水和諧的內(nèi)涵，人水和諧度的計(jì)算也需要綜合考慮健康度、發(fā)展度和協(xié)調(diào)度。本文結(jié)合文獻(xiàn)[8]，將健康度、發(fā)展度和協(xié)調(diào)度綜合考慮共同表示人水和諧程度，人水和諧度的量化方法為：

HWHD(T)=HED(T)β1DED(T)β2DED(T)β3

(4)

式中：HWHD(T)為某一時(shí)刻或時(shí)期的人水和諧度；β1、β2、β3分別為健康度、發(fā)展度和協(xié)調(diào)度對(duì)應(yīng)的指數(shù)權(quán)重。依據(jù)區(qū)域水系統(tǒng)、發(fā)展?fàn)顩r和協(xié)調(diào)程度進(jìn)行確定。

為將定量計(jì)算和定性描述相對(duì)應(yīng)，需將人水和諧度進(jìn)行分級(jí)。通過(guò)式(4)可知，人水和諧度值域?yàn)閇0,1]，故將人水和諧度分為嚴(yán)重不和諧(0≤HWHD<0.2)、不和諧(0.2≤HWHD<0.4)、較不和諧(0.4≤HWHD<0.6)、較和諧(0.6≤HWHD<0.8)及和諧(0.8≤HWHD<1.0)等5個(gè)級(jí)別。通過(guò)計(jì)算分析某一區(qū)域不同時(shí)段的人水和諧度值可以判斷其所處的人水和諧情況，進(jìn)而為水資源開(kāi)發(fā)、利用和管理工作提供參考。

1.4 綜合權(quán)重確定

單一的權(quán)重確定方法不論是主觀權(quán)重或是客觀權(quán)重，均難以達(dá)到全面反映指標(biāo)特性的目的。為更好地確定指標(biāo)權(quán)重，全面綜合反映指標(biāo)特性，需采用綜合權(quán)重方法進(jìn)行分析。綜合權(quán)重可以將兩種權(quán)重的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，減少人為主觀性和過(guò)度依賴數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)，從而使權(quán)重更為科學(xué)合理。

1.4.1 基礎(chǔ)權(quán)重

基礎(chǔ)權(quán)重的確定主要依據(jù)指標(biāo)的類別和屬性，當(dāng)影響目標(biāo)的因素是復(fù)雜多層次結(jié)構(gòu)時(shí)，可采用層次分析法[9](AHP)進(jìn)行構(gòu)建指標(biāo)結(jié)構(gòu)，逐層分析確定各指標(biāo)權(quán)重。在每一層中，通過(guò)兩兩對(duì)比分析，并按照統(tǒng)一的規(guī)則采用專家咨詢法進(jìn)行指標(biāo)重要性打分，從而確定判斷矩陣。其次，對(duì)判斷矩陣的一致性情況進(jìn)行評(píng)判，并對(duì)滿足一致性評(píng)判的矩陣歸一化處理即可確定各指標(biāo)的基礎(chǔ)權(quán)重。

1.4.2 模糊變權(quán)法

常用的權(quán)重計(jì)算方法多為常權(quán)法，即權(quán)重一旦確定后，其不會(huì)再隨著評(píng)估值的波動(dòng)而變化。該方法不能使那些評(píng)估值較低的指標(biāo)突顯出來(lái)以引起決策者的重視。模糊變權(quán)法較好地解決了這一問(wèn)題，它以常權(quán)法確定的權(quán)重作為基礎(chǔ)，在針對(duì)不同時(shí)期或者不同對(duì)象的評(píng)估值時(shí)，可以根據(jù)評(píng)估值向量的變化對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整以達(dá)到充分反映數(shù)據(jù)信息的目的，同時(shí)也使得決策更科學(xué)合理[10,11]。其計(jì)算步驟如下。

步驟①：若待評(píng)價(jià)指標(biāo)A1,A2,…,An的評(píng)估值分別為μ1,μ2,…,μn，μi∈[0,μm]是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，μm=1，10，100等，分別表示一分制，十分制或者百分制等。μi的大小反映了指標(biāo)Ai完成程度，μi=0時(shí)表明指標(biāo)Ai完成喪失功能或作用，μi=μm時(shí)表明指標(biāo) 達(dá)到理想值。

步驟③：w0i為指標(biāo)Ai功能完全喪失時(shí)Ai的權(quán)重的上界，以此法達(dá)到加大過(guò)低指標(biāo)權(quán)重，引起決策者注意的目的。w0i=wi(μm,…,μm,0,μm,…,μm)，w0i∈(0,1)，當(dāng)待評(píng)價(jià)的指標(biāo)多于3個(gè)時(shí)，采用式(5)計(jì)算：

(5)

步驟④：引入非負(fù)有界，不增可微的函數(shù)λi(μi)，λi(μi)∈(0,μm)，λ0i和λmi分別是λi(μi)在定義域[0,μm]上取得的最小值和最大值。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

步驟⑤：對(duì)上述函數(shù)進(jìn)行歸一化處理得到變權(quán)權(quán)重，也就是綜合權(quán)重。

(11)

2 廣西區(qū)域人水和諧度量化評(píng)價(jià)研究

2.1 廣西壯族自治區(qū)概況

廣西壯族自治區(qū)位于我國(guó)西南邊陲，周圍分別與廣東、貴州、湖南、云南接壤，南與海南隔海相望，南面瀕臨北部灣、面向東南亞、西南毗鄰越南、是我國(guó)唯一一個(gè)沿海自治區(qū)。同時(shí)，廣西作為中國(guó)—東盟博覽會(huì)的永久舉辦地，作為“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”和“21世紀(jì)海上絲綢之路”的“一帶一路”的節(jié)點(diǎn)，其經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展是在推動(dòng)我國(guó)與東南亞的合作交流與共同發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用。廣西境內(nèi)水資源總量不穩(wěn)定，時(shí)空分布也不均勻，汛期為4-9月，占全年降水量的80%以上，水域面積有8 026 km2，約占陸地總面積3.4%。因此，較好地實(shí)現(xiàn)“人水和諧”對(duì)區(qū)域今后的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

2.2 指標(biāo)體系構(gòu)建及分級(jí)

通過(guò)對(duì)廣西區(qū)域水資源系統(tǒng)、人文系統(tǒng)和兩系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)等實(shí)際情況的分析，綜合考慮健康度、發(fā)展度和協(xié)調(diào)度的影響因素，并結(jié)合參考文獻(xiàn)[4]，選取了2010-2015年廣西區(qū)域影響人水和諧實(shí)現(xiàn)的23個(gè)指標(biāo)，其中健康度要素中包括4個(gè)指標(biāo)，發(fā)展度要素中包括11個(gè)指標(biāo)、協(xié)調(diào)度中包括8個(gè)發(fā)展指標(biāo)，以此作為計(jì)算2010-2015年廣西區(qū)域人水和諧度的基礎(chǔ)。各要素及其對(duì)應(yīng)的指標(biāo)具體情況見(jiàn)圖2。各指標(biāo)的具體數(shù)據(jù)參考《廣西統(tǒng)計(jì)年鑒2010-2015年》、《廣西水利統(tǒng)計(jì)公報(bào)2010-2015年》、《廣西水資源公報(bào)2010-2015年》、《廣西環(huán)境公報(bào)2010-2015年》、《全國(guó)水資源公報(bào)2010-2015年》及廣西水利廳、水文水資源局相關(guān)數(shù)據(jù)資料。以不同節(jié)水水平國(guó)家和地區(qū)的節(jié)水情況作為參考，分別對(duì)正向指標(biāo)和逆向指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)，將指標(biāo)體系劃分為最差值、較差值、及格值、較好值和最好值5個(gè)級(jí)別，具體見(jiàn)表1。

圖2 人水和諧度量化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分級(jí)

2.3 子和諧度計(jì)算

根據(jù)所獲得的各個(gè)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，按照1.1節(jié)中的單指標(biāo)量化方法對(duì)指標(biāo)體系中各個(gè)指標(biāo)的子和諧度計(jì)算，通過(guò)計(jì)算得到介于[0,1]之間的子和諧度，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 2010-2015年各指標(biāo)子和諧度

2.4 權(quán)重計(jì)算

根據(jù)各指標(biāo)的子和諧度，分別采用層次分析法和模糊變權(quán)法計(jì)算基礎(chǔ)權(quán)重和綜合權(quán)重。針對(duì)層次分析法，可采用Yaaph軟件劃分層次和構(gòu)建結(jié)構(gòu)。在對(duì)控制要素的健康度、發(fā)展度和協(xié)調(diào)度進(jìn)行權(quán)重確定時(shí)，采用相同的重要性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，即權(quán)重均為0.333 3。通過(guò)計(jì)算得到各層次各指標(biāo)的基礎(chǔ)權(quán)重，之后根據(jù)1.4.2中介紹的模糊變權(quán)法的計(jì)算步驟確定各指標(biāo)的綜合權(quán)重，各指標(biāo)的基礎(chǔ)權(quán)重和綜合權(quán)重見(jiàn)表3。

表3 各指標(biāo)基礎(chǔ)權(quán)重和綜合權(quán)重

2.5 人水和諧度計(jì)算

根據(jù)多要素綜合的思想，通過(guò)各指標(biāo)的綜合權(quán)重和子和諧度，按照公式(1)～(3)可以計(jì)算出2010-2015年廣西區(qū)域的健康度、發(fā)展度和協(xié)調(diào)度。并依此為基準(zhǔn)，利用多準(zhǔn)則集成可以計(jì)算出該時(shí)段廣西區(qū)域的人水和諧度。因在發(fā)展過(guò)程中，健康度、發(fā)展度和協(xié)調(diào)度地位無(wú)明顯差異，故在式(4)中指數(shù)權(quán)重β1、β2、β3均選取1/3進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。將健康度、發(fā)展度、協(xié)調(diào)度和人水和諧度的歷年情況進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖3。

表4 人水和諧度計(jì)算結(jié)果

2.6 結(jié)果分析

通過(guò)表4和圖3可知，廣西區(qū)域在2010-2015年的發(fā)展過(guò)程中，健康度經(jīng)歷了上升-下降-上升的過(guò)程，下降年份出現(xiàn)在2013年，其健康度值為0.634。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)推斷，健康度下降的原因可能是該年份高耗水企業(yè)數(shù)量的增加幅度變大，由此產(chǎn)生的工業(yè)廢水量和排污量增加，加之該年份水資源總量較2012年減少，進(jìn)而可能導(dǎo)致該時(shí)期地表水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率有所降低，建設(shè)工程項(xiàng)目的增多也可能造成一定程度的水土流失，進(jìn)而影響了區(qū)域水系統(tǒng)健康。2013年之后，隨著最嚴(yán)格水資源管理制度的開(kāi)展和落實(shí)，健康度出現(xiàn)明顯的回升，表明廣西區(qū)域在實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理工作方面加大了投入力度。其中工業(yè)方面表現(xiàn)在通過(guò)調(diào)整行業(yè)用水模式和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值用水量由2013年的214 m3減少至2014年的196 m3，工業(yè)重復(fù)用水率也由2013年的88.4%增加至2014年的89.7%，行業(yè)改革和用水管理調(diào)整成效顯著。在2010-2015年中，發(fā)展度呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)，0.606 2增加至0.680 3，增幅為12.2%，表明該時(shí)期關(guān)系區(qū)域發(fā)展總體而言呈現(xiàn)穩(wěn)中上升的趨勢(shì)。協(xié)調(diào)度在2010-2015年則表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，協(xié)調(diào)度由2010年的0.691 3增加至2015年的0.820 7，增幅達(dá)18.7%。表明在“十二五”期間，廣西區(qū)域在協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和水資源健康方面付出了較大的努力，注重經(jīng)濟(jì)發(fā)展和資源環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，注重其帶來(lái)的負(fù)面影響，積極及時(shí)采取有效的措施加以預(yù)防和保護(hù)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。在2010-2015年間，人水和諧度雖然在2013年有下降，但總體表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，其值在0.644 4～0.719 7之間，為較和諧狀態(tài)。總體表明，在此期間廣西區(qū)域在注重經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，水系統(tǒng)健康和協(xié)調(diào)兩者關(guān)系之間做出了較大的努力，并取得明顯成效，人水和諧方面呈現(xiàn)出較為和諧的上升態(tài)勢(shì)。良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)可以為今后“十三五”和“河長(zhǎng)制”等工作的順利開(kāi)展提供良好的基礎(chǔ)背景。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)基于層次分析-模糊變權(quán)法的綜合權(quán)重可以反映出不同時(shí)期，指標(biāo)權(quán)重隨評(píng)估值變化而調(diào)整變化的情況，從而使權(quán)重充滿動(dòng)態(tài)性。SMI-P法能夠較為清楚地表達(dá)評(píng)價(jià)指標(biāo)和要素、要素和評(píng)價(jià)目標(biāo)之間的定量關(guān)系，使得評(píng)價(jià)過(guò)程清晰合理，評(píng)價(jià)結(jié)果更加可靠。

(2)廣西區(qū)域人水和諧度評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，在2010-2015年期間，健康度在2012年有小幅度降低，2013得到回升，健康度值范圍在0.634 0～0.694 8之間。發(fā)展度呈現(xiàn)穩(wěn)中上升的態(tài)勢(shì)，其范圍在0.606 2～0.667 8之間。協(xié)調(diào)度則呈現(xiàn)明顯的上升態(tài)勢(shì)，其范圍在0.691 3～0.820 7之間。廣西區(qū)域人水和諧度雖有小幅度波動(dòng)，但總體呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)，其范圍在0.646 6～0.719 7之間，人水和諧等級(jí)均處于較和諧。

(3)建議廣西區(qū)域以良好的人水和諧為基礎(chǔ)背景，充分落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度，為今后“河長(zhǎng)制”工作的順利開(kāi)展做好保障，也為實(shí)現(xiàn)“山清水秀，人水和諧”的目標(biāo)打好基礎(chǔ)。