基于AHP-熵權(quán)法的西安市水資源開發(fā)利用程度評價

艾亞迪，魏傳江，馬真臻

(中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

人類生活水平的不斷提高和經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致用水規(guī)模擴(kuò)大，水資源短缺問題日益顯現(xiàn)[1]。目前水資源短缺的主要原因有兩個：一方面是全球人口的膨脹擴(kuò)大了水資源的需求程度；另一方面是人類不夠重視合理開發(fā)利用水資源。一個區(qū)域水資源的開發(fā)利用程度，不僅可以反映當(dāng)?shù)氐纳钏揭约吧鐣?jīng)濟(jì)的生產(chǎn)規(guī)模，還可以量化區(qū)域的水資源可持續(xù)開發(fā)利用潛力，因此客觀準(zhǔn)確地評價區(qū)域水資源可持續(xù)開發(fā)利用水平，對進(jìn)一步緩解區(qū)域水資源供需矛盾，合理開發(fā)利用水資源，實現(xiàn)區(qū)域水資源的可持續(xù)發(fā)展具有指導(dǎo)意義。

目前綜合評價水資源可持續(xù)開發(fā)利用程度的方法有很多種：物元分析法[2-5]、集對分析法[6-9]、灰色關(guān)聯(lián)法[10]、屬性識別理論[11-12]、模糊綜合評價法[13-18]等。區(qū)域水資源可持續(xù)開發(fā)利用涉及資源、環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)，評價區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展程度需要建立合適的評價指標(biāo)體系，但是僅僅依靠上述方法不能體現(xiàn)出水資源可持續(xù)開發(fā)利用系統(tǒng)的復(fù)雜性、客觀性以及全面性。本文在模糊綜合評價的基礎(chǔ)上，建立水資源可持續(xù)開發(fā)利用綜合評價指標(biāo)體系的遞階層次模型，然后依托建立的遞階層次模型，將AHP法與熵權(quán)法[19]二者結(jié)合確定指標(biāo)的權(quán)重，得到更為準(zhǔn)確且適合研究區(qū)域的指標(biāo)權(quán)重，最后基于建立的AHP-熵權(quán)法-模糊綜合評價模型對研究區(qū)域的水資源開發(fā)利用程度及潛力做出評價。

1 研究方法

1.1 確定權(quán)重

采用AHP與熵權(quán)法相結(jié)合的方法確定權(quán)重，將各個指標(biāo)的重要性程度進(jìn)行量化。AHP法有由于人的主觀判斷對客觀現(xiàn)實產(chǎn)生一定誤差的缺點[16]。信息論中的熵反映信息的無序化程度，熵值越大，系統(tǒng)的無序度就越大，對該系統(tǒng)的貢獻(xiàn)就越小，計算得到的權(quán)重就越小，反之亦然。因此信息熵可以反映評價指標(biāo)系統(tǒng)中的有序度，減少人為因素主觀臆斷的干擾，使評價結(jié)果趨于合理化。AHP法反映專家對指標(biāo)的偏好，人為的主觀因素影響較大，但間接體現(xiàn)了研究區(qū)域水資源開發(fā)利用的特點。如果將兩者結(jié)合起來，可以彌補彼此的缺點，更加切實地反映研究區(qū)域水資源開發(fā)利用的特點。

文獻(xiàn)[20-22]已給出AHP法的計算步驟，文獻(xiàn)[23]已給出熵權(quán)法的計算步驟，在此不再贅述。

將AHP法得到的權(quán)重計為w*，熵權(quán)法計算得到的熵權(quán)計為w′，評價指標(biāo)的個數(shù)計為i(i=1，2，…，n)，則AHP與熵權(quán)法結(jié)合的綜合權(quán)重wi為

(1)

1.2 建立AHP-熵權(quán)法-模糊綜合評價模型

AHP-熵權(quán)法-模糊綜合評價模型先采用AHP-熵權(quán)法確定權(quán)重，再通過模糊綜合評價模型建立隸屬函數(shù)，確定隸屬度，對水資源可持續(xù)開發(fā)利用程度進(jìn)行定量評價。

正向指標(biāo)隸屬度計算公式為

對于逆向指標(biāo)隸屬度計算公式,只需將式(2)(3)(4)右側(cè)的范圍進(jìn)行逆向即可。

模糊綜合評價集B=(b1,b2，…,bn)，其中bj表示某一評價對象從整體上看對評價等級的隸屬程度。根據(jù)最大隸屬度原則，b的最大值bmax所對應(yīng)的評價等級就是模糊綜合評價模型的水資源開發(fā)利用程度的等級。

為了更加直觀地反映水資源開發(fā)利用程度以及當(dāng)?shù)氐乃Y源可持續(xù)開發(fā)利用潛力，采取將評價等級進(jìn)行1分制數(shù)量化的方法，定量反映各評價等級對水資源可持續(xù)利用的影響程度。分別將V1、V2、V33個評價等級的評分計為α1=0.05，α2=0.5，α3=0.95。計算公式為

(5)

式中：a為水資源開發(fā)利用程度的潛力指數(shù)。數(shù)值越小，表明水資源可持續(xù)開發(fā)利用程度越高；數(shù)值越高，表明水資源可持續(xù)開發(fā)利用的潛力也就越大[24-25]。其中，一般選取k=1。

2 西安市水資源開發(fā)利用程度評價

西安市是“一帶一路”的核心區(qū)，是一座歷史悠久的文化古城，分西安市區(qū)、長安、戶縣、周至、藍(lán)田、臨潼、高陵7個區(qū)。西安市境內(nèi)的河網(wǎng)較為密集，但是徑流時空分布的嚴(yán)重不均衡是西安市水資源短缺的一個重要原因。研究西安市的水資源開發(fā)利用狀況對該地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)如何發(fā)展、水資源如何管理、水資源供需矛盾如何緩解、水生態(tài)文明如何實現(xiàn)具有重大的意義。

2.1 評價指標(biāo)的選取

考慮到西安市的水資源情勢，參照全國水資源供需分析采用的指標(biāo)體系，共選取10個指標(biāo)來全面反映西安市及各分區(qū)的水資源可持續(xù)開發(fā)利用狀況[26-27]：水資源開發(fā)利用率C1、地表水控制率C2、人均供水量C3、水資源重復(fù)利用率C4、客水利用率C5、水資源人均占有量C6、可利用水量模數(shù)C7、灌溉率C8、渠系水利用系數(shù)C9、水利工程投資比例C10。西安市及各分區(qū)指標(biāo)值見表1。數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[7]。

表1 西安市及各分區(qū)的評價指標(biāo)值

2.2 構(gòu)建模型

為反映西安市水資源可持續(xù)開發(fā)利用系統(tǒng)的復(fù)雜性以及全面性，根據(jù)上述10個指標(biāo)構(gòu)建水資源可持續(xù)開發(fā)利用綜合評價指標(biāo)體系的遞階層次模型，見圖1。同時各個評價指標(biāo)的劃定標(biāo)準(zhǔn)[28]見表2。V1、V2、V3分別對應(yīng)水資源可持續(xù)開發(fā)利用程度的3個階段：V1對應(yīng)水資源開發(fā)利用處于飽和階段，此時可開發(fā)利用的水資源已接近上限，進(jìn)一步可持續(xù)開發(fā)利用水資源的潛力?。籚2對應(yīng)水資源開發(fā)利用處于發(fā)展階段，用水類型發(fā)生轉(zhuǎn)變，水資源可持續(xù)開發(fā)利用潛力中等；V3對應(yīng)水資源開發(fā)利用處于初始階段，人均水資源占有量比較高，水資源可持續(xù)開發(fā)利用潛力巨大。

圖1 水資源可持續(xù)開發(fā)利用綜合評價指標(biāo)體系的遞階層次結(jié)構(gòu)模型

表2 各評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)AHP和熵權(quán)法計算得到的權(quán)重結(jié)果見表3。從表3可以看出所選取的10個指標(biāo)中，水資源開發(fā)利用率C1、水資源人均占有量C6、可利用水量模數(shù)C7、水利工程投資比例C10，這4個指標(biāo)的重要性較為凸顯，表明這4個指標(biāo)與水資源開發(fā)利用的相關(guān)性程度較其他指標(biāo)高。

表3 綜合權(quán)重計算結(jié)果

2.3 評價結(jié)果與對比分析

為全面反映西安市及各分區(qū)的水資源可持續(xù)開發(fā)利用程度，采用AHP-熵權(quán)法-模糊綜合評價模型進(jìn)行評價，最終結(jié)果見表4。從表4可以直觀看出西安市各個地區(qū)的水資源開發(fā)利用程度存在一定的差異，出現(xiàn)了3個不同階段的水資源開發(fā)利用程度。其中水資源開發(fā)利用水平較高的是西安市區(qū)和臨潼，處于飽和階段；除戶縣的水資源開發(fā)利用程度處于發(fā)展階段，其余分區(qū)均處于初始階段。但綜合考慮，西安市的水資源開發(fā)利用程度整體處于發(fā)展階段。

表4 西安市及各分區(qū)水資源開發(fā)利用程度及潛力指數(shù)

西安市的水資源可持續(xù)開發(fā)利用綜合潛力指數(shù)為0.552，西安市水資源開發(fā)利用程度3個級別隸屬度的大小排序為V2>V3>V1，說明西安市的水資源開發(fā)利用水平處于V2、V3之間，但相對偏向V2，根據(jù)最大隸屬度的原則，判斷西安市的水資源開發(fā)利用水平屬于V2級別，即為發(fā)展階段，說明西安市水資源開發(fā)利用已經(jīng)發(fā)展到一定規(guī)模，但是仍具備一定的發(fā)展?jié)摿?。在這一階段，應(yīng)該加強(qiáng)西安市的水資源綜合管理，加大節(jié)水力度，實行最嚴(yán)格水資源管理制度，努力實現(xiàn)當(dāng)?shù)厮Y源的可持續(xù)發(fā)展。

根據(jù)水資源開發(fā)利用潛力指數(shù)的含義，可以得到西安市各分區(qū)水資源開發(fā)利用程度高低排序為：西安市區(qū)、臨潼、長安、藍(lán)田、戶縣、高陵、周至。其中西安市區(qū)、臨潼的開發(fā)利用程度較高，高陵和周至的開發(fā)利用程度相對較低，開發(fā)利用潛力較高。開發(fā)利用程度屬于V1級別(飽和階段)的是西安市區(qū)和臨潼兩個分區(qū)。處于V2級別(發(fā)展階段)的是戶縣，表明戶縣的水資源開發(fā)利用已經(jīng)初具規(guī)模，但是尚有一定的開發(fā)潛力。處于V3級別(初始階段)的分區(qū)分別是長安、藍(lán)田、高陵和周至，表明這4個分區(qū)的水資源開發(fā)利用水平較低，具有較高的水資源可持續(xù)開發(fā)利用潛力。以上分析表明西安市幾個分區(qū)之間的水資源開發(fā)利用程度差異較明顯，各個地區(qū)的水資源開發(fā)利用水平參差不齊，但是總體而言，西安市的水資源開發(fā)利用程度處于發(fā)展階段，水資源開發(fā)利用潛力處于中等水平。

將集對分析法、屬性識別法、聯(lián)系數(shù)法的評價結(jié)果[29]與AHP-熵權(quán)法-模糊綜合評價法進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果見表5?？傮w來看，各個方法的評價結(jié)果大致相同，沒有出現(xiàn)較大的出入，但是評價結(jié)果還存在著些微的差異。

集對分析法、屬性識別法、模糊綜合評價法與AHP-熵權(quán)法-模糊綜合評價法均是在兩個地區(qū)的評價結(jié)果相差一級，其余的評價結(jié)果完全相同。這主要是因為各個評價方法的側(cè)重點不同導(dǎo)致部分評價結(jié)果存在小的的差別，但是總體上評價結(jié)果一致。模糊綜合評價法權(quán)重的確定是采用AHP法，具有一定的主觀性，而集對分析法存在的一個缺點是如果指標(biāo)值很大，那么該指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)就會很大，從而擴(kuò)大了數(shù)值較大的指標(biāo)對結(jié)果判定的影響，縮減了數(shù)值小的指標(biāo)對總體的影響程度；而屬性識別法的權(quán)重的確定是基于專家打分，具有非常強(qiáng)烈的主觀性。總體而言，AHP-熵權(quán)法-模糊綜合評價法比上述3種評價方法較為完善，具有一定的科學(xué)性。同時經(jīng)過對比不同方法的評價結(jié)果，證實了AHP-熵權(quán)法-模糊綜合評價法對西安市水資源開發(fā)利用程度的評價結(jié)果的可靠性以及實用性。

表5 評價結(jié)果對比分析

2.4 ArcGIS可視化分析

圖2 西安市及各分區(qū)水資源開發(fā)利用潛力指數(shù)

為了直觀反映西安市及各分區(qū)的水資源開發(fā)利用狀況及其地理分布規(guī)律，將該地區(qū)的水資源開發(fā)利用潛力指數(shù)通過ArcGIS進(jìn)行可視化分析，見圖2。從圖2可以發(fā)現(xiàn)西安市的東部水資源開發(fā)利用程度普遍較西部高，開發(fā)利用潛力相對來說比較低。同時也可以看出西安市區(qū)周圍的地區(qū)水資源的開發(fā)利用狀況比較高，遠(yuǎn)離西安市區(qū)的地區(qū)開發(fā)利用潛力比較高。原因主要是西安市區(qū)的開發(fā)程度處于飽和階段，西安市區(qū)的經(jīng)濟(jì)水平與水資源開發(fā)利用模式帶動周邊地區(qū)，這就成了西安市區(qū)及周邊的水資源開發(fā)利用程度相對較高的原因之一，也間接體現(xiàn)了事物相近相似的原理。

3 建 議

a. 對西安市水資源開發(fā)利用程度較高的地區(qū)，秉承“節(jié)水優(yōu)先，空間均衡，系統(tǒng)治理，兩手發(fā)力”的十六字方針政策，積極推進(jìn)節(jié)水型城市的建設(shè)，普及節(jié)水器具，增強(qiáng)居民節(jié)水意識，提高城鎮(zhèn)生活節(jié)水潛力；提高工業(yè)用水重復(fù)利用率，強(qiáng)化工業(yè)節(jié)水潛力。根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況，考慮工程措施、技術(shù)條件、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)改革三措并舉緩解水資源態(tài)勢。同時提高水資源的系統(tǒng)管理水平，加強(qiáng)水源地保護(hù)，嚴(yán)格控制取用水量，建議開發(fā)利用中水、微咸水等非常規(guī)水源，淘汰高耗水企業(yè)。

b. 對西安市水資源開發(fā)利用程度較低的地區(qū)，嚴(yán)格控制主要污染物入河湖總量，合理開發(fā)利用水資源，積極推行清潔生產(chǎn)，協(xié)調(diào)好社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)與水資源管理三者的關(guān)系。在城市發(fā)展進(jìn)程中，要加強(qiáng)對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，努力打造人與自然和諧相處的局面。