基于層次分析法的山西省水安全綜合評(píng)價(jià)

(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

水資源是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和維系生態(tài)平衡、環(huán)境優(yōu)美的重要基礎(chǔ)[1]。21世紀(jì)以來(lái)，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展對(duì)水資源的需求量急劇增加，水環(huán)境污染和全球氣候變化等因素使得水安全問(wèn)題日益突出。目前，對(duì)水資源安全研究成果較多[2-6]，研究方法也逐漸由定性分析向定量分析轉(zhuǎn)變，但就整體而言，目前學(xué)術(shù)界對(duì)水安全還沒(méi)有形成一個(gè)統(tǒng)一的、明確的定義，水安全問(wèn)題的研究還處于起步階段。

山西煤長(zhǎng)水短，水資源問(wèn)題是制約山西省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，如何使GDP增長(zhǎng)速度與水資源相匹配，在確保水安全的前提下，促進(jìn)全省GDP的快速增長(zhǎng)和模式轉(zhuǎn)變，是山西省未來(lái)一段時(shí)間面臨的重要問(wèn)題。通過(guò)水資源安全評(píng)價(jià)，可動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)全省水資源所處的安全等級(jí)，以便更好地制定和實(shí)施與水資源有關(guān)的政策。

1 研究區(qū)概況

山西省地處華北地區(qū)西部，境內(nèi)大部分為半干旱氣候區(qū)，“十年九旱”是其氣候的主要特點(diǎn)。根據(jù)山西省第二次水資源評(píng)價(jià)成果，全省多年(1956—2000年)平均水資源量為123.8億m3，人均水資源量381m3，僅為全國(guó)人均水資源量2200m3的17.3%，與山西省第一次水資源評(píng)價(jià)成果相比，人均水資源量減少了33.6%[7]。山西省作為重要的能源化工基地，隨著城市化、工業(yè)化進(jìn)程的加快，水污染問(wèn)題也逐漸顯現(xiàn)，地表水和地下水污染已經(jīng)成為部分地區(qū)缺水的主要原因。水資源量的減少和污染的加劇，使得全省水資源供需矛盾日趨尖銳，水安全已成為影響山西省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要制約因素。

2 研究方法及指標(biāo)體系

2.1 研究方法

關(guān)于水安全綜合評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究，雖然目前還沒(méi)有成熟的研究成果，但已探索出多種評(píng)價(jià)方法，目前主要研究方法有層次分析法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、集對(duì)分析法、模糊評(píng)價(jià)法和Vague集理論等評(píng)價(jià)方法。在水資源安全綜合評(píng)價(jià)中，各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重的取值是決定評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)鍵，權(quán)重不同，評(píng)價(jià)結(jié)果也將截然不同。而在定性與定量相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法中，層次分析法具有系統(tǒng)性、簡(jiǎn)潔性和實(shí)用性等特點(diǎn)，是目前使用較為廣泛的一種評(píng)價(jià)方法。

層次分析法的基本步驟為：

a.根據(jù)問(wèn)題，構(gòu)造層次分析結(jié)構(gòu)模型。模型要求同層元素對(duì)下層某些元素起支配作用，同時(shí)又受上層元素支配。每層中各元素所支配的下層元素一般要求不多于9個(gè)，否則兩兩比較會(huì)造成判斷上的困難。

b.將各層元素與上層中與之有關(guān)的元素進(jìn)行兩兩比較，建立判斷矩陣。判斷矩陣要求：

(1)

式中：aij(i,j=1,2,3,…,n)為元素Q與Xj相對(duì)其上層元素重要性的比例標(biāo)度，一般采用1～9標(biāo)度法賦值，見(jiàn)表1。

c.計(jì)算相對(duì)權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

(2)

式中：CI為一致性檢驗(yàn)指標(biāo)；λmax為判斷矩陣的最大特征根；n為判斷矩陣階數(shù)。

若隨機(jī)一致性比率CR=CI/RI<0.1，則判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調(diào)整矩陣的元素取值。

表1 1～9標(biāo)度法

2.2 指標(biāo)體系建立

指標(biāo)的選取是進(jìn)行水安全評(píng)價(jià)的首要任務(wù)，進(jìn)行指標(biāo)選取要充分考慮影響水安全的相關(guān)因子，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分類，選取具有代表性的指標(biāo)，以保障研究區(qū)域評(píng)價(jià)的科學(xué)性[8]。

由于水資源系統(tǒng)屬于復(fù)雜系統(tǒng)，層次多，且各子系統(tǒng)間相互作用，因此，在選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)從指標(biāo)實(shí)際物理意義出發(fā)，通過(guò)分析指標(biāo)間的相互關(guān)系，選擇靈敏度高、可度量性好且內(nèi)涵豐富的指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子，同時(shí)參考專家意見(jiàn)和研究區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行指標(biāo)篩選，構(gòu)建水安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)表2。

表2 水安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3 指標(biāo)賦權(quán)

根據(jù)山西省的實(shí)際情況，采用層次分析法構(gòu)建模型，依據(jù)標(biāo)度法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，建立判斷矩陣，對(duì)準(zhǔn)則層和指標(biāo)層進(jìn)行賦權(quán)，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 指標(biāo)權(quán)重

3 評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 水安全等級(jí)劃分

綜合考慮山西省水資源狀況、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平，以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)發(fā)展規(guī)劃值及相關(guān)學(xué)者的研究成果[9-11]為依據(jù)，通過(guò)咨詢相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜遥瑢⑸轿魇∷踩珓澐譃?個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表4。

表4 水安全綜合評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

3.2 水安全評(píng)價(jià)

收集了山西省2009—2018年各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)共12項(xiàng)，組成原始評(píng)價(jià)集。因各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)量綱不同，不能直接進(jìn)行相互比較，因此，需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除量綱的影響。由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)方案貢獻(xiàn)方向不同，將指標(biāo)分為越大越優(yōu)的效益型指標(biāo)和越小越優(yōu)的成本型指標(biāo)，并根據(jù)文獻(xiàn)[1]的方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

(3)

(4)

式中：x(i,j)為指標(biāo)原始值；xmin(j)、xmax(j)分別為第j個(gè)指標(biāo)的最小值和最大值；y(i,j)為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的指標(biāo)值；k、q為一般常數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)化處理后的水安全評(píng)級(jí)指標(biāo)值見(jiàn)表5。

表5 標(biāo)準(zhǔn)化處理后的水安全評(píng)級(jí)指標(biāo)值

根據(jù)上述方法和指標(biāo)計(jì)算出山西省2009—2018年的水安全綜合評(píng)價(jià)值，見(jiàn)表6。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，近10年(2009年—2018年)，山西省水資源總體上由不安全狀態(tài)逐漸向安全狀態(tài)轉(zhuǎn)化，水安全等級(jí)有了較大的提升。其中2009—2010年，全省水資源處于不安全狀態(tài)，綜合表3和表5分析，2009年和2010年全省的水資源總量較近10年均值分別減少了26.8億m3和21.0億m3，降水量較近10年均值分別減少了67.9億m3和95.2億m3，而萬(wàn)元GDP用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量和畝均綜合灌溉定額均處于近10年的高點(diǎn)，生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水量和地表水環(huán)境力處于近10年的低點(diǎn)，多種因素共同作用導(dǎo)致2009—2010年山西省水安全綜合評(píng)價(jià)值較低。

2011年以后，山西省啟動(dòng)“兩縱十橫、六河連通”的大水網(wǎng)建設(shè)，建成后的大水網(wǎng)使全省供水保障能力得到極大增強(qiáng)。同時(shí)，全省加強(qiáng)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)，實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，全省萬(wàn)元GDP用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量和畝均綜合灌溉用水量則在逐步下降，生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水量和地表水環(huán)境力逐漸提高，降水量也基本處于豐水期，多種因素使得全省水安全狀態(tài)有了大幅提升，全省水資源基本處于安全狀態(tài)。2015年，由于水資源總量和生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水量處于近10年的低點(diǎn)，降水量和地表水環(huán)境力處于近10年的最低點(diǎn)，萬(wàn)元GDP用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量和畝均綜合灌溉用水量較2014年均有所上升，多種因素共同導(dǎo)致了2015年水安全程度較低。

綜合分析2009—2018年各項(xiàng)指標(biāo)及綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，2016年所選的效益型指標(biāo)，特別是水資源總量、供水總量、降水總量和產(chǎn)水模數(shù)均是近10年來(lái)的最優(yōu)值，成本型指標(biāo)萬(wàn)元GDP用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量和畝均灌溉定額雖然較上年有輕微上升，但排水量、生態(tài)環(huán)境用水量、地表水環(huán)境力和中水回用量較上年有了大幅改善，致使2016年全省水安全綜合評(píng)價(jià)值達(dá)到近10年的最大值，水安全等級(jí)處于近10年中的最優(yōu)。

表6 水安全評(píng)級(jí)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

在對(duì)山西省水資源開(kāi)發(fā)利用調(diào)查的基礎(chǔ)上，選擇影響水安全的相關(guān)因素，建立了水安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用層次分析法對(duì)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了賦權(quán)，并對(duì)全省水安全狀態(tài)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)?？傮w上，近10年來(lái)山西省水安全程度逐步提高，水安全等級(jí)由不安全狀態(tài)提高到了安全狀態(tài)，且在2016年達(dá)到近10年的最優(yōu)值，研究成果符合山西省實(shí)際情況，評(píng)價(jià)結(jié)果合理。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，若要提高山西省水安全等級(jí)，在保證水資源總量平穩(wěn)增加的同時(shí)，進(jìn)一步加大技術(shù)投入，提高行業(yè)用水效率，增加水環(huán)境保護(hù)投資，加大污水處理力度，減少各行業(yè)污水排放量，同時(shí)提升人們的環(huán)保及節(jié)水意識(shí)，配合完善的水資源管理系統(tǒng)和預(yù)警機(jī)制，是確保水資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)一致的關(guān)鍵。