基于層次分析法的鄭州市水安全綜合評(píng)價(jià)

張修宇 秦天 孫菡芳 楊禮波 劉雪梅

摘?要：基于最嚴(yán)格水資源管理制度中“三條紅線”約束條件，構(gòu)建城市水安全量化指標(biāo)體系，應(yīng)用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，并對(duì)鄭州市2013—2017年的水安全狀況進(jìn)行了綜合評(píng)估，同時(shí)分析了影響鄭州市水安全的主要原因。結(jié)果表明：2013年鄭州市水資源處于極不安全狀態(tài)，2014年處于不安全狀態(tài)，2015年之后隨著南水北調(diào)中線工程通水，城市污水處理率逐步提高等因素使得鄭州市水安全綜合評(píng)價(jià)值不斷提高，水安全狀況逐漸好轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：水安全;綜合評(píng)價(jià);層次分析法;指標(biāo)體系;鄭州市

中圖分類(lèi)號(hào)：TV213.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.009

Comprehensive Evaluation of Water Safety in Zhengzhou City Based on Analytic Hierarchy Process

ZHANG Xiuyu1， QIN Tian1， SUN Hanfang2， YANG Libo1， LIU Xuemei1

（1.North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China;

2.Center for Rivers & Lakes Protection and Construction Safety， YRCC， Zhengzhou 450003， China）

Abstract：Based on the “three red lines” constraints in the most stringent water resources management system， this paper built a quantitative index system for urban water safety， used AHP to determine the index weight， conducted a comprehensive assessment of water safety situation of Zhengzhou from 2013 to 2017 and analyzed the main factors affecting the water safety of Zhengzhou. The results show that in 2013 the water resources of Zhengzhou were in an insecure state， since the South-to-North Water Diversion Middle Route Project was put into operation in 2015， the urban sewage treatment rate has been gradually increased that has made the comprehensive evaluation value of water safety in Zhengzhou continuously improving and the water safety situation gradually improving.

Key words： water safety; comprehensive evaluation; analytic hierarchy process; evaluation index system; Zhengzhou City

20世紀(jì)70年代以來(lái)，全球水問(wèn)題的出現(xiàn)使得世界各國(guó)的研究者們對(duì)水安全問(wèn)題展開(kāi)了廣泛研討，2000年在瑞典斯德哥爾摩世界水討論會(huì)議上首次出現(xiàn)對(duì)水安全概念的闡述，即針對(duì)在人類(lèi)生活環(huán)境中和經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中形成的與水相關(guān)的危機(jī)問(wèn)題，通稱為水安全問(wèn)題[1]。如何實(shí)現(xiàn)城市水資源可持續(xù)利用、保障城市水安全成為當(dāng)前城市發(fā)展中的戰(zhàn)略性課題[2]，直接決定著城市的可持續(xù)發(fā)展。城市水安全綜合評(píng)價(jià)是進(jìn)行城市水安全決策的前提與基礎(chǔ)[3]。然而截至目前，水安全還沒(méi)有一個(gè)明確的、被普遍認(rèn)可的定義，賈紹鳳等[4]認(rèn)為水資源安全的實(shí)質(zhì)是水資源的供給能否滿足合理的水資源需求;韓宇平等[5]從風(fēng)險(xiǎn)角度出發(fā)，認(rèn)為水安全問(wèn)題是自然或人為作用導(dǎo)致的區(qū)域水狀況惡化，并由此帶來(lái)的不利影響;陳琳等[6]把城市水安全理解為一種能力，即在水資源影響下城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境和人文環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的能力?？傊?，水安全內(nèi)涵廣泛，除了包括防洪安全、水生態(tài)安全和水質(zhì)安全，還應(yīng)包括供水安全、跨境河流及國(guó)家安全等方面。鑒于水安全所具有的空間地域性、全局性和可調(diào)控性，夏軍等[1]提出變化環(huán)境下的水安全是指一定區(qū)域內(nèi)人類(lèi)生活發(fā)展所需的有量與質(zhì)保證的水資源、能維系人與生態(tài)環(huán)境健康的可持續(xù)發(fā)展、保障人民生命財(cái)產(chǎn)免受水旱災(zāi)害與水環(huán)境污染等損失的能力。

水安全是確保人類(lèi)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)能夠可持續(xù)發(fā)展的必要條件，水安全問(wèn)題的出現(xiàn)往往伴隨著人口數(shù)量增長(zhǎng)、城市規(guī)模持續(xù)擴(kuò)張等一系列社會(huì)現(xiàn)象。城市化進(jìn)程加快需要水資源支撐，人類(lèi)正在以前所未有的速度和規(guī)模開(kāi)發(fā)使用有限的水資源，人類(lèi)活動(dòng)范圍不斷擴(kuò)大引起用水強(qiáng)度增大，對(duì)水資源系統(tǒng)造成了不可承受的壓力，導(dǎo)致水資源供需緊張、水旱災(zāi)害頻繁和生態(tài)環(huán)境日益惡化，水安全問(wèn)題越來(lái)越受到普遍的重視。大量學(xué)者對(duì)城市水安全的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了研究，利用多種方法對(duì)不同城市水安全狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。筆者根據(jù)2012年國(guó)務(wù)院3號(hào)文件《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見(jiàn)》[7]要求，以用水總量控制、用水效率控制、水功能區(qū)限制納污“三條紅線”作為構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的準(zhǔn)則層，結(jié)合鄭州市水安全特征，構(gòu)建鄭州市水安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)鄭州市水安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1?水安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

1.1?鄭州市概況

鄭州市地處河南省中部，屬北溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量629.2 mm，降水時(shí)空分布不均。鄭州市年均產(chǎn)水系數(shù)為0.28，年均水資源總量為5.973億m3（不含黃河過(guò)境水量）。人均水資源量不足440 m3，僅占全國(guó)人均水平的1/6，屬于極度缺水的地區(qū)。1987年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的《黃河可供水量分配方案》中，河南省每年的黃河分水量指標(biāo)為55.4億m3，其中鄭州市每年的黃河分水量指標(biāo)為4.3億m3。2014年底南水北調(diào)中線一期工程建成通水，每年分配給鄭州市的水量為5.4億m3。

1.2?構(gòu)建指標(biāo)體系

按照最嚴(yán)格水資源管理制度“三條紅線”的要求，從水量約束、用水效率約束、水質(zhì)約束3個(gè)層面，構(gòu)建水安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系：①在水量約束層面，選取人均水資源量、供水總量和降水總量3個(gè)指標(biāo)，鄭州市供水主要來(lái)源為黃河水、南水北調(diào)水和當(dāng)?shù)氐叵滤乇硭偷叵滤┧渴怯绊懗鞘兴踩闹匾蛩?②在用水效率約束層面，萬(wàn)元GDP用水量反映城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展所消耗的水量，萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量反映城市工業(yè)發(fā)展所消耗的水量，農(nóng)田灌溉用水定額反映農(nóng)業(yè)發(fā)展所消耗的水量，城鎮(zhèn)人均綜合用水量反映供水標(biāo)準(zhǔn)下城鎮(zhèn)綜合用水量與人口之間的比例關(guān)系;③在水質(zhì)約束層面，城市污水處理率越高，對(duì)提升水質(zhì)和節(jié)約用水的貢獻(xiàn)就越大，廢污水年排放總量反映工業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和城鄉(xiāng)居民等用水戶每年排放的廢污水量，日均污水處理量反映城市的污水處理能力。建立的鄭州市水安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見(jiàn)表1。

2?鄭州市水安全綜合評(píng)價(jià)

2.1?水安全評(píng)價(jià)方法

水安全綜合評(píng)價(jià)常用的方法有集對(duì)分析法、模糊集對(duì)分析法、主成分分析法和層次分析法等。集對(duì)分析法[8-10]是一種數(shù)學(xué)理論，用來(lái)處理系統(tǒng)確定與不確定性問(wèn)題，其本質(zhì)是集對(duì)與聯(lián)系度，通過(guò)同、異、反3種思想來(lái)剖析事物的相互聯(lián)系，描繪事物間的對(duì)立與統(tǒng)一關(guān)系。模糊集對(duì)分析法[11-12]是一種多目標(biāo)決策措施，它在集對(duì)分析的實(shí)踐基礎(chǔ)上，借用模糊聯(lián)系度的概念來(lái)解決確定與不確定性問(wèn)題，當(dāng)集對(duì)分析中用于評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的集合不能精確時(shí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)中最優(yōu)或最劣值將作為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)計(jì)算評(píng)價(jià)因素與最優(yōu)或最劣值的貼近度來(lái)判別評(píng)價(jià)要素的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)。主成分分析法[13-15]屬于客觀賦值，它使用降維技術(shù)，將多個(gè)變量用少數(shù)幾個(gè)主成分指標(biāo)來(lái)表示，以確保盡可能多地保留原有變量所包含的初始信息。層次分析法[16-20]是一種層次權(quán)重決策分析方法，由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Saaty提出，其基本思想是用目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次來(lái)系統(tǒng)表達(dá)與決策有關(guān)的元素，由此進(jìn)行定性和定量分析。相比于前3種研究方法來(lái)說(shuō)，層次分析法的解題思路更系統(tǒng)、靈活，在計(jì)算方法上更為簡(jiǎn)潔，可以將繁瑣的問(wèn)題用有序的遞階層次構(gòu)造表示，再通過(guò)定性計(jì)算和定量計(jì)算，量化經(jīng)驗(yàn)判別，對(duì)決策方案進(jìn)行排序。定性和定量分析相結(jié)合的特點(diǎn)表明層次分析法更適合解決多準(zhǔn)則決策問(wèn)題，考慮到鄭州市水安全涉及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、水資源、生態(tài)環(huán)境等諸多方面，筆者采用層次分析法來(lái)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。應(yīng)用層次分析法解決實(shí)際問(wèn)題通常包括以下4個(gè)步驟[16]。

（1）建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型。用層次分析法處理問(wèn)題時(shí)需要構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)模型，層次一般分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層。

（2）構(gòu)造各層的判斷矩陣。在準(zhǔn)則層中，各準(zhǔn)則對(duì)于目標(biāo)評(píng)價(jià)來(lái)說(shuō)重要程度不盡相同，因此所占重要性權(quán)重不同，通常用數(shù)字1、2、…、9及其倒數(shù)作為標(biāo)度來(lái)定義判斷矩陣A=（aij）n×n（見(jiàn)表2）。

（3）計(jì)算判斷矩陣的最大特征值與對(duì)應(yīng)的特征向量，進(jìn)行層次單排序和一致性檢驗(yàn)。①計(jì)算一致性指標(biāo)CI：

CI=λmax-nn-1（1）

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值;n為判斷矩陣階數(shù)。

②查找平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI（見(jiàn)表3）。

水安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于方案評(píng)價(jià)貢獻(xiàn)不盡相同，有些指標(biāo)數(shù)值越大對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果越有利，這類(lèi)指標(biāo)稱為正向指標(biāo);反之，指標(biāo)數(shù)值越小對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果越有利的稱為逆向指標(biāo)。采用文獻(xiàn)[20]中的方法，對(duì)表5中的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

正向指標(biāo)：

Ii=0（xixiM）（3）

逆向指標(biāo)：

Ii=1（xi

0（xi>xiM）（4）

式中：Ii為各評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化之后的值;xi為第i個(gè)指標(biāo)的原始值;xim、xiM分別為指標(biāo)i在某一評(píng)價(jià)年份中的極小值和極大值。

求得Ii后，利用下式計(jì)算區(qū)域總的水安全綜合指數(shù)I[21]：

I=∑Ni=1WiIi（5）

式中：Wi為指標(biāo)i的歸一化權(quán)重;N為水安全評(píng)價(jià)指標(biāo)總數(shù)（本文中N=10）。

依據(jù)上述方法計(jì)算得出，鄭州市2013—2017年的水安全綜合評(píng)價(jià)值分別為0.10、0.35、0.44、0.71、0.78。綜合考慮鄭州市的水資源狀況和當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平，結(jié)合我國(guó)的用水水平和國(guó)家有關(guān)規(guī)劃以及相關(guān)學(xué)者的研究成果[22]，將鄭州市水安全評(píng)價(jià)分為5個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表6。

2013年鄭州市的水安全評(píng)價(jià)值為0.10，屬于“極不安全”等級(jí)。結(jié)合鄭州市水安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值（見(jiàn)表4）分析，人均水資源量C1與城市污水處理率C8的權(quán)重較大，但表5中數(shù)據(jù)顯示2013年鄭州市人均水資源量?jī)H為190.90 m3，城市污水處理率僅為56.00%，且日均污水處理量C10也未達(dá)到平均水平，加之2013年降水量比上年減小14.7%（見(jiàn)2013年度鄭州市水資源公報(bào)），屬特枯年份，人均水資源占有量降低，兩方面因素使得2013年鄭州市水安全綜合評(píng)價(jià)值得分較低。

2014年鄭州市水安全評(píng)價(jià)值為0.35，屬于“不安全”等級(jí)。2014年鄭州市降水總量為34.37億m3，雖比2013年增加了36.41%（見(jiàn)2014年度鄭州市水資源公報(bào)），但仍小于多年平均降水量，屬偏枯年份，由此導(dǎo)致人均水資源占有量減少;由于2014年鄭州市的城市污水處理率C8與日均污水處理量C10均較上年有所提高，因此2014年的水安全評(píng)價(jià)得分略高于2013年，但仍處于不安全的狀態(tài)。

2015年水安全評(píng)價(jià)值為0.44，屬于“基本安全”等級(jí)。2015年城市污水處理率C8較高，降水量比上年增加9.6%（見(jiàn)2015年度鄭州市水資源公報(bào)），屬平水年份。南水北調(diào)中線工程通水后，南水北調(diào)水成為鄭州市主要供水水源，有效緩解了城市用水壓力，且2015年的日均污水處理量C10相較上年有所提升，該指標(biāo)權(quán)重較大，綜合計(jì)算后使2015年鄭州市水安全綜合評(píng)價(jià)值比2014年有所提高。

2016年和2017年的水安全評(píng)價(jià)值分別為0.71、0.78，屬于“安全”等級(jí)。2016年降水量比上年增加11.4%（見(jiàn)2016年度鄭州市水資源公報(bào)），屬于平水年，且2016年和2017年人均水資源占有量較大，萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量C5較低，城市污水處理率C8較高，結(jié)合指標(biāo)權(quán)重分析計(jì)算，得出2017年水安全綜合評(píng)價(jià)得分略高于2016年，綜合看來(lái)2016年和2017年這兩年的水安全綜合評(píng)價(jià)得分是研究期中較高的。

綜合2013—2017年數(shù)值分析，2016年和2017年所選指標(biāo)無(wú)論正向逆向，考慮最終數(shù)據(jù)計(jì)算方面，尤其是表4中權(quán)重最大的5個(gè)指標(biāo)（人均水資源量C1、城市生活污水處理率C8、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量C5、日均污水處理量C10和農(nóng)田灌溉用水定額C6），其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)值均為這5 a數(shù)據(jù)中相對(duì)最優(yōu)的，這與鄭州市近年來(lái)加強(qiáng)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)、實(shí)行最嚴(yán)格廢污水排放制度和最嚴(yán)格水資源管理制度密切相關(guān)。

3?結(jié)?語(yǔ)

本文針對(duì)鄭州市水安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，所建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是以水安全為目標(biāo)層、以最嚴(yán)格水資源管理“三條紅線”為準(zhǔn)則層、由10個(gè)指標(biāo)組成的，運(yùn)用層次分析法計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重，進(jìn)而得出水安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值，結(jié)果顯示2013年鄭州市水安全處于“極不安全”等級(jí)，2014年處于“不安全”等級(jí)，2015年處于“基本安全”等級(jí)，2016年和2017年處于“安全”等級(jí)。

影響鄭州市水安全的主要因素為人均水資源量、城市污水處理率、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量和日均污水處理量，另外也受農(nóng)田灌溉用水定額等因素的影響。2013年到2017年鄭州市水安全等級(jí)逐步提高，主要原因是中線南水北調(diào)工程通水后人均水資源占有量增加、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量降低、城市污水處理率和日均污水處理量提高。南水北調(diào)水和黃河水是鄭州市的主要過(guò)境水資源，充分利用南水北調(diào)水、用好用足黃河過(guò)境水對(duì)保障鄭州市供水安全具有重要意義。

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【責(zé)任編輯?張華興】