基于GC-TOPSIS模型的水資源管理績(jī)效評(píng)價(jià)及障礙度分析

羅 浩， 周維博， 白潔芳， 唐繼張， 楊阿敏

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710054； 3.黃河水土保持天水治理監(jiān)督局， 甘肅 天水 741000)

1 研究背景

水資源管理績(jī)效評(píng)價(jià)是監(jiān)控水資源管理水平的一種重要手段，能從多個(gè)方面審視水資源管理成效，對(duì)于水資源管理工作的開(kāi)展和落實(shí)具有重要意義[1-4]。近幾年，許多學(xué)者對(duì)水資源管理績(jī)效評(píng)價(jià)進(jìn)行了分析研究。任珩等[5]著眼于干旱區(qū)水資源管理政策的制定和實(shí)施，建立了“政策認(rèn)知+效率+社會(huì)環(huán)境效益”的績(jī)效評(píng)價(jià)體系，分析評(píng)價(jià)了甘肅省民勤綠洲1963-2008年的水資源管理政策績(jī)效。吳丹等[6]針對(duì)我國(guó)七大流域，以經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境3個(gè)方面的績(jī)效為核心，詳細(xì)分析了其12 a水資源綜合管理績(jī)效指數(shù)變化態(tài)勢(shì)及影響因素。楊丹[7]構(gòu)建了水資源“三條紅線”管理績(jī)效評(píng)價(jià)體系，實(shí)證分析了濟(jì)南市2006-2011年的水資源管理能力。凌佳楠等[8]對(duì)寶應(yīng)縣2015年的水資源管理效果進(jìn)行了分級(jí)評(píng)價(jià)。使用的研究方法主要有突變級(jí)數(shù)法[5]、主成分分析[9]、AHP法[10]、灰色關(guān)聯(lián)法(Gray Correlation, GC)[11]、物元可拓模型[12]、逼近理想解排序(TOPSIS)[13]。

上述研究成果為水資源績(jī)效評(píng)價(jià)的進(jìn)一步研究奠定了較好的基礎(chǔ)，但也存在著一些不足，如缺乏普適易用的研究方法、未具體分析關(guān)鍵影響因子?；疑P(guān)聯(lián)理想解法(GC-TOPSIS)是由GC與TOPSIS法耦合而成，其結(jié)合了兩種評(píng)價(jià)方法各自的優(yōu)點(diǎn)，克服了單一評(píng)價(jià)的不足[14]。目前，該法已被成功應(yīng)用于秸稈綜合利用方案優(yōu)選[15]、灌溉用水效率評(píng)價(jià)[16]等多個(gè)領(lǐng)域。鑒于此，為了更加全面客觀地進(jìn)行水資源管理績(jī)效評(píng)價(jià)，本文使用GC-TOPSIS評(píng)價(jià)模型和障礙度模型[17]，對(duì)西安市近12年(2005-2016年)的水資源管理績(jī)效進(jìn)行評(píng)價(jià)和障礙因素識(shí)別，以期為提高城市水資源管理績(jī)效和建立完善長(zhǎng)效的水資源管理機(jī)制提供參考。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

現(xiàn)階段我國(guó)實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，而“三條紅線”正是該制度的核心內(nèi)容。因此本文立足于已有文獻(xiàn)中有關(guān)建立水資源管理評(píng)價(jià)體系的方法和思路，以“三條紅線”為基礎(chǔ)，從開(kāi)發(fā)利用，用水效率和限制納污3個(gè)角度構(gòu)建水資源管理績(jī)效評(píng)價(jià)體系(圖1)。在評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選上，遵循科學(xué)性、目的性、可對(duì)比性和易操作性原則。具體為：(1)開(kāi)發(fā)利用準(zhǔn)則層上，主要考慮了區(qū)域的用水總量變化和生產(chǎn)、生活、生態(tài)等單方面用水的情況，同時(shí)為反映對(duì)地下水超采問(wèn)題的管理，增加了地下水供水比例指標(biāo)；(2)用水效率準(zhǔn)則層上，主要考慮了工農(nóng)業(yè)及生活方面的用水和供水效率；(3)限制納污準(zhǔn)則層上，主要考慮了COD、氨氮和廢污水的排放以及污水處理情況。本文采用博弈組合權(quán)重法來(lái)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，其中主觀權(quán)重使用AHP法確定，客觀權(quán)重來(lái)自改進(jìn)熵權(quán)法。方法原理及基本步驟見(jiàn)文獻(xiàn)[16]，此不贅述。

圖1 水資源管理績(jī)效評(píng)價(jià)體系

3 評(píng)價(jià)方法和模型

3.1 GC-TOPSIS模型

GC-TOPSIS法本質(zhì)是以組合系數(shù)來(lái)調(diào)解TOPSIS與GC法評(píng)價(jià)結(jié)果的不一致，從而實(shí)現(xiàn)兩種方法的集化或融合。組合系數(shù)通常由決策者對(duì)位置與形態(tài)的偏好程度確定，帶有主觀性。博弈論是研究含競(jìng)爭(zhēng)性質(zhì)現(xiàn)象的方法，陳加良[18]用Nash均衡為協(xié)調(diào)目標(biāo)，將博弈論引入到不同賦權(quán)方法的集結(jié)問(wèn)題中，并取得很好的效果?；谏鲜鲈?，本文采用博弈論方法確定組合系數(shù)，以尋求位置與形狀態(tài)勢(shì)之間的均衡，消除人為確定系數(shù)帶來(lái)的主觀性。計(jì)算步驟如下：

設(shè)原始數(shù)據(jù)構(gòu)成的評(píng)價(jià)矩陣為X=[xij]n×m，xij為水管理績(jī)效評(píng)價(jià)中第i個(gè)樣本第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始屬性值；指標(biāo)組合權(quán)重為μ={μ1,μ2,…,μm}。

(1)標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用極值處理法獲得規(guī)范化評(píng)價(jià)矩陣Y=(yij)n×m。

(1)

(2)權(quán)重乘以規(guī)范化評(píng)價(jià)矩陣得到加權(quán)決策矩陣T=(tij)n×m=μTY。

(2)

(j=1,2,…，m)

(3)

(j=1,2,…，m)

(4)

式中：*代表“+”或者“-”，下同。

(5)

(6)

式中：ρ*為分辨系數(shù)，本文取0.5。

(6)無(wú)量綱化處理。

(7)

(7)確定各樣本的距離貼近度Ei和灰色關(guān)聯(lián)貼近度Fi，取值范圍均為[0,1]。

(8)

(9)

(8)設(shè)由距離貼近度集矩陣W1∶W1={e1,e2,…,em}T和灰色關(guān)聯(lián)貼近度集矩陣W2：W2={f1,f2,…,fm}T建立的兩種評(píng)價(jià)方法的耦合為：

(10)

其中：β1、β2>0;β1+β2=1。

(9)基于博弈論思想，建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，優(yōu)化組合系數(shù)β1和β2。

(11)

(10)可由矩陣微分性質(zhì)求解出上式，得到(β1,β2)，歸一化處理。

(12)

(11)計(jì)算綜合貼近度集CS*。

(13)

綜合貼近度值越大，表明水資源管理績(jī)效越優(yōu)，越小則越差。根據(jù)參考文獻(xiàn)[19]，將水資源管理績(jī)效綜合貼近度分為4個(gè)等級(jí)，分別代表不同程度下的水資源管理績(jī)效(表1)。

表1 水資源管理績(jī)效評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

3.2 障礙度模型

在評(píng)價(jià)水資源管理績(jī)效的同時(shí)分析影響管理績(jī)效的關(guān)鍵因子，有利于針對(duì)性地調(diào)整水資源管理思路和規(guī)劃未來(lái)水資源管理的方向。

障礙度模型涉及到3個(gè)概念：障礙度Oj(指標(biāo)對(duì)水資源管理績(jī)效的影響程度)、因子貢獻(xiàn)度(指標(biāo)對(duì)水資源管理績(jī)效評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)，通常用指標(biāo)權(quán)重μj表示)、指標(biāo)偏離度Ij(指標(biāo)與水資源管理績(jī)效目標(biāo)的差值，一般表示為Ij=1-yij)。第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)障礙度為：

(14)

4 實(shí)證研究

4.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

西安市是我國(guó)西北地區(qū)最大的城市，地處陜西關(guān)中平原、黃河流域中部，下轄13個(gè)行政區(qū)縣,總面積10 180 km2。年均氣溫13.3℃。年均蒸發(fā)量852.7 mm，年均降水量577 mm，降水呈南多北少的趨勢(shì)，且年際、年內(nèi)降水量分配極不均勻，因而造成地表徑流變化速率大、水資源實(shí)際可控量少。本文所用數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2005-2016年的《西安統(tǒng)計(jì)年鑒》和《西安市水資源公報(bào)》，并且以西安市供用水年報(bào)中的相關(guān)數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 權(quán)重及正、負(fù)理想解 根據(jù)前文所述方法，確定權(quán)重，獲取正負(fù)理想解,見(jiàn)表2。

表2 權(quán)重及正、負(fù)理想解

4.2.2 績(jī)效評(píng)價(jià) 西安市2005-2016年水資源管理綜合績(jī)效評(píng)價(jià)結(jié)果如圖2。

由圖2可知，2005-2016年西安市水資源管理績(jī)效逐漸上升，2016年績(jī)效值為0.6944，是2005年的2.13倍，年均增長(zhǎng)速率7.10%?？?jī)效水平經(jīng)歷了中級(jí)-良好的演變，研究初期大部分年份均處于中級(jí)績(jī)效水平，末期發(fā)展為良好水平，未來(lái)還有很大的提升空間。根據(jù)12 a西安市水資源管理績(jī)效特點(diǎn)，可分為3個(gè)階段。

第1階段(2005-2007年)，西安市水資源管理績(jī)效整體處于中下水平，呈快速增長(zhǎng)，2007年達(dá)到期間績(jī)效最大值0.4162，較2005年增長(zhǎng)27.52%，年均增速高達(dá)12.92%。該時(shí)期西安市積極探索傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利的模式轉(zhuǎn)變，努力建設(shè)節(jié)水型社會(huì)，頒布了《西安市黑河引水系統(tǒng)保護(hù)條例》、《西安市水利工程管理體制改革實(shí)施意見(jiàn)》等多部管理?xiàng)l例，制定了水資源論證、取水許可、計(jì)劃用水等多項(xiàng)制度，加強(qiáng)了對(duì)水環(huán)境的綜合治理，這些舉措促進(jìn)了績(jī)效水平的高速提升。然而，由于研究初期績(jī)效水平差，一系列管理制度措施尚在不斷完善之中，其成效是持續(xù)性的，在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法完全呈現(xiàn)，故該研究期績(jī)效整體水平仍然相對(duì)較低。

第2階段(2008-2012年)，5年間西安市水資源管理績(jī)效逐年提高，較上一時(shí)段有了明顯提升?？?jī)效數(shù)值由2008年的0.3822上升至2012年的0.5912，漲幅達(dá)54.67%，年均增速為11.52%，繼續(xù)保持著高速增長(zhǎng)。究其原因在于西安市大力推進(jìn)水利管理機(jī)構(gòu)改革，由市水務(wù)局統(tǒng)一行使城市供排水、水源保護(hù)以及再生水利用等管理職能，建立了統(tǒng)一指揮、權(quán)責(zé)明確的管理體制，一體化管理模式基本形成[20]。

第3階段(2013-2016年)，西安市水資源管理績(jī)效處于良好水平，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍?？?jī)效由0.6264提高至0.6944，漲幅10.84%，年均增速3.49%，呈穩(wěn)步增長(zhǎng)。其原因是國(guó)家越來(lái)越重視水資源管理，出臺(tái)了《實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度考核辦法》等相關(guān)文件，自2013年起，將開(kāi)始考核各省實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理目標(biāo)的完成情況，隨后陜西省也制定了相關(guān)政策，如《陜西省人民政府關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)施意見(jiàn)》。這一系列政策和措施的出臺(tái)實(shí)施，使績(jī)效得以持續(xù)提高。但是，由于基期水平高，績(jī)效的提升難度相對(duì)較大，故增長(zhǎng)速度放緩。

從水資源管理準(zhǔn)則層績(jī)效評(píng)價(jià)結(jié)果(圖3)來(lái)看，2005-2016年3個(gè)準(zhǔn)則層績(jī)效評(píng)價(jià)值總體上均呈上升態(tài)勢(shì)，與綜合績(jī)效變化趨勢(shì)有很大的相關(guān)性。不同準(zhǔn)則層間績(jī)效變化也略有差異：開(kāi)發(fā)利用績(jī)效在2012年步入良好水平之前表現(xiàn)為振幅越來(lái)越小的波動(dòng)增長(zhǎng)，之后緩慢上升，年均增速6.05%。用水效率績(jī)效以年均7.05%的速度呈小幅度波動(dòng)上升。限制納污績(jī)效從2005年的0.1371上升至2016年的0.8551，漲幅最大，呈線性增長(zhǎng)，年均增速高達(dá)8.68%，績(jī)效水平歷經(jīng)了由差到優(yōu)的轉(zhuǎn)變。

4.2.3 障礙因子分析 根據(jù)障礙度模型，分別計(jì)算出準(zhǔn)則層障礙度(表3)和指標(biāo)層障礙度(表4)，用以診斷影響西安市水資源管理績(jī)效的障礙因子。

圖22005-2016年西安市水資源管理綜合績(jī)效 圖32005-2016年西安市水資源管理單準(zhǔn)則層績(jī)效

表32005-2016年西安市水資源管理準(zhǔn)則層障礙度

%

由表3可知，3個(gè)準(zhǔn)則層障礙度在2005-2007年相差不大，但變化趨勢(shì)具有一定差異。在整個(gè)研究期間，開(kāi)發(fā)利用障礙度呈指數(shù)上漲，年均增速高達(dá)6.05%，數(shù)值始終最大，是阻礙西安市水資源管理績(jī)效提升的最大因素；用水效率障礙度整體基本穩(wěn)定于30%附近，于2012年后有緩慢下降趨勢(shì)，除2006年值最小之外，其他年份值均位于第二位，是影響西安市水資源管理績(jī)效水平的第二大因素；限制納污障礙度則與用水總量障礙度變化趨勢(shì)相反，呈線性遞減。以上表明西安市在限制納污的管理方面具有很大進(jìn)步，若要提高西安市水資源管理績(jī)效，需更加重視開(kāi)發(fā)利用和用水效率績(jī)效的提升。

表4中僅列出了排序前5位的指標(biāo)障礙因子。結(jié)果顯示：第1階段(2005-2007年)，城市污水處理率、萬(wàn)元GDP用水量、農(nóng)業(yè)用水比例和工業(yè)用水比例這4項(xiàng)指標(biāo)對(duì)西安市水資源管理績(jī)效的影響最大且較為持續(xù)，4項(xiàng)指標(biāo)涉及到所有準(zhǔn)則層。主要原因在于，該時(shí)期西安市用水以工業(yè)和農(nóng)業(yè)為主，兩者占總用水量的70%以上，用水量高但經(jīng)濟(jì)收益低，同時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善，污水處理配置較為缺乏第2階段(2008-2012年)，隨著前一時(shí)期西安市建設(shè)節(jié)水型社會(huì)的效益逐步顯現(xiàn)，灌溉水利用系數(shù)、總量變化率和生態(tài)用水比例取代了之前的4項(xiàng)指標(biāo)，成為主要的障礙因素。灌溉水利用系數(shù)說(shuō)明應(yīng)注重普及農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)、著重完善灌區(qū)管理水平，在渠系輸配水、田間水利用以及水分生產(chǎn)的灌溉整體過(guò)程中的每項(xiàng)環(huán)節(jié)均實(shí)施相應(yīng)的節(jié)水改進(jìn)措施[7]。此外，還應(yīng)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的過(guò)程中兼顧城市水生態(tài)的建設(shè)。第3階段(2013-2016年)，與前面排名有較大變化，用水總量變化率、人均日生活用水量、工業(yè)用水率和工業(yè)用水重復(fù)率變?yōu)樽钪饕恼系K因素。且從發(fā)展趨勢(shì)上看，用水總量變化率和人均日生活用水量也將是今后一段時(shí)期的主要障礙因素。這是由于隨著城市的發(fā)展，人口數(shù)量不斷增多，人民生活水平也日趨提高，對(duì)水資源量的需求急劇擴(kuò)大。因此，西安市應(yīng)加強(qiáng)對(duì)用水總量的控制，在此基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)生活水平，通過(guò)調(diào)整用水方式，改進(jìn)用水器具，來(lái)提升開(kāi)發(fā)利用績(jī)效，同時(shí)還需做好與節(jié)水有關(guān)的宣傳教育工作，增強(qiáng)居民的自主節(jié)水意識(shí)。

表4 2005-2016年西安市水資源管理績(jī)效指標(biāo)層主要障礙因子障礙度 %

5 結(jié) 論

(1)2005-2016年西安市水資源管理綜合績(jī)效從0.3264提高至0.6944，年均增速7.10%，表現(xiàn)出先高速增長(zhǎng)后穩(wěn)步提升，績(jī)效水平完成了中級(jí)向良好的轉(zhuǎn)變。單項(xiàng)績(jī)效方面，3個(gè)準(zhǔn)則層績(jī)效總體均呈上升趨勢(shì)，其中限制納污績(jī)效在2016年已處于優(yōu)級(jí)水平，增速最快，而開(kāi)發(fā)利用和用水效率績(jī)效還具有較大提升空間。

(2)準(zhǔn)則層障礙度上，開(kāi)發(fā)利用對(duì)西安市水資源管理績(jī)效的影響最大，用水效率影響次之，限制納污影響最小。在研究初期3個(gè)準(zhǔn)則層障礙度差距不大，而后開(kāi)發(fā)利用準(zhǔn)則層障礙度呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，年均速達(dá)6.05%，用水效率和限制納污準(zhǔn)則層障礙度則呈下降趨勢(shì)，年均速分別為2.14%和23.66%。

(3)指標(biāo)層障礙度上，2005-2007年的主要障礙因子為城市污水處理率、萬(wàn)元GDP用水量、農(nóng)業(yè)用水比例和工業(yè)用水比例，2008-2012年為灌溉水利用系數(shù)、總量變化率和生態(tài)用水比例，2013-2016年以用水總量變化率、人均日生活用水、工業(yè)用水率和工業(yè)用水重復(fù)率為主。