基于層次分析法的威海市水資源利用綜合效益分析

何夢(mèng)婷

(河海大學(xué) 公共管理學(xué)院，南京 211100)

引 言

經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源短缺矛盾凸顯，僅靠地表水和地下水已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足濱海城市發(fā)展，常規(guī)水源不僅面臨著資源短缺的棘手問(wèn)題，同時(shí)也遭遇著高污染風(fēng)險(xiǎn)。濱海城市多水源綜合利用，不僅能有效緩解水資源供需緊張，也能加強(qiáng)水資源可持續(xù)利用。本文選取山東省威海市為例，該市人均占有水資源573m3，僅為國(guó)際人均標(biāo)準(zhǔn)的1/2，屬于資源型缺水地區(qū)。目前威海市城市供水75%常規(guī)水源，但也有再生水、海水淡化水兩種非常規(guī)水源工程和引黃水、引江水兩處調(diào)水工程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2018年9月威海市完成調(diào)水1.84億m3，在2017年底建成3萬(wàn)m3/d 中水處理系統(tǒng)，對(duì)中水進(jìn)行除鹽等深處理后代替自來(lái)水使用。海水淡化工程兩期建成了產(chǎn)水能力分別為2 500m3/d 和7 200m3/d 的海水淡化裝置，每年可節(jié)約自來(lái)水量超過(guò)300萬(wàn)m3。由此可見(jiàn)，威海市已經(jīng)意識(shí)到常規(guī)水源承載力有限，外調(diào)水供水工程已逐步穩(wěn)定，非常規(guī)水源利用正不斷發(fā)展擴(kuò)大，多水源供水已經(jīng)形成基本態(tài)勢(shì)。

關(guān)于水資源利用效益的研究成果較為豐富，Hambira,W. L.[1]研究水的使用、消耗過(guò)程中的利用效益。Gude,V. G.[2]結(jié)合生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技，為海水淡化可持續(xù)利用提出政策建議。Karimov,B. K.[3]研究分析了農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源及其在咸海流域開(kāi)發(fā)荒漠水產(chǎn)養(yǎng)殖的再利用潛力，Becker,N.、Greenfeld, A和Zemah Shamir, S.[4]以以色列基順河為例展開(kāi)全面和部分河流修復(fù)的成本效益分析，Ibrahim, Y[5]等學(xué)者制定了一個(gè)評(píng)估海水淡化技術(shù)可持續(xù)性的全球綜合框架。該框架綜合了可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)因素，并結(jié)合了多標(biāo)準(zhǔn)決策分析技術(shù)，如層次分析法、擺動(dòng)法和加權(quán)求和法。鄭通漢[6]制定可持續(xù)發(fā)展水價(jià)模型來(lái)核算水資源利用效益，并對(duì)水價(jià)改革提出建議。張世坤[7]構(gòu)建優(yōu)化模型力求水資源配置經(jīng)濟(jì)效益最大化，楊樹(shù)蓮和段治平[8]給出青島市再生水和自來(lái)水的效能指標(biāo)，指出兩種水源經(jīng)濟(jì)效益。阮本清[9]選取北京市為研究案例，運(yùn)用多層次模糊綜合評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)雨水、再生水利用工程的綜合效益，最后提出非傳統(tǒng)線性規(guī)劃建議。也有學(xué)者選擇熵值法建立投影模型對(duì)農(nóng)業(yè)水資源高效利用做出評(píng)價(jià)[10]，余康興[11]選擇Malquist指數(shù)分析海水利用的經(jīng)濟(jì)效益，以此提高海水資源利用效率。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外有關(guān)水資源綜合效益評(píng)價(jià)研究成果較為豐富，方法選擇多樣如層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、熵值法、Malquist指數(shù)法，評(píng)價(jià)指標(biāo)隨著研究的深入也越來(lái)越全面，從一開(kāi)始的只考慮經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益到現(xiàn)在綜合考慮水資源利用過(guò)程中經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)影響。但是，查閱特別關(guān)注濱海城市非常規(guī)水資源利用的文章鮮少，并且大多數(shù)學(xué)者在研究方法上也偏重定性分析?；谇叭搜芯砍晒x擇比較典型的濱海城市——威海為例，根據(jù)《威海市水安全保障規(guī)劃(2018-2035)》可知規(guī)劃內(nèi)地表水仍是城市供水的重要組成部分，而地下水由于超采現(xiàn)象嚴(yán)重未納入重點(diǎn)規(guī)劃，所以下文重點(diǎn)關(guān)注外調(diào)水、再生水、淡化水利用的綜合效益，考慮到主觀評(píng)價(jià)與定量研究的結(jié)合，以層次分析法為基礎(chǔ)，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境和社會(huì)發(fā)展這三個(gè)層面選取較為全面且能量化分析的指標(biāo)，構(gòu)建威海市水資源利用綜合效益評(píng)價(jià)模型。較為創(chuàng)新的將單位水資源費(fèi)用化納入評(píng)價(jià)指標(biāo)，彌補(bǔ)之前對(duì)水資源有用性價(jià)值和稀缺性價(jià)值無(wú)法量化的不足，同時(shí)根據(jù)實(shí)證調(diào)研數(shù)據(jù)和專家給出的指標(biāo)評(píng)價(jià)，提升權(quán)重衡量的客觀性。最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出近期規(guī)劃內(nèi)除常規(guī)水源外，威海市供水水源選擇優(yōu)先次序，為水資源配置提供參考。

1 研究方法

層次分析法(AHP法)是由美國(guó)數(shù)學(xué)家T.L.Saaty在1970年第一次提出，可應(yīng)用于方案決策。國(guó)內(nèi)外學(xué)者以此為基礎(chǔ)展開(kāi)了豐富的研究，Zaree, M[12]采用排序法對(duì)巖溶地層水資源潛力探測(cè)進(jìn)行研究，首先將APLIS加權(quán)模型應(yīng)用于地區(qū)，然后利用層次分析法和TOPSIS技術(shù)對(duì)APLIS模型進(jìn)行修正，最后將三個(gè)模型的最終地圖進(jìn)行匹配，并與spring和fault地圖進(jìn)行了比較。Sahoo, S[13]利用灰色層次分析法預(yù)測(cè)環(huán)境的脆弱性，從自然、環(huán)境和人為影響因素三個(gè)方面對(duì)未來(lái)環(huán)境脆弱性區(qū)域的情景生成進(jìn)行研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者左藝夢(mèng)、廖洪斌[14]為提高水環(huán)境審計(jì)效率，同樣選擇層次分析法對(duì)長(zhǎng)江環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)體系構(gòu)建。鄭玉萍[15]等建立水資源節(jié)約評(píng)價(jià)體系，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)等要素，選取40個(gè)指標(biāo)利用層次分析法對(duì)天津市節(jié)水現(xiàn)狀做出評(píng)價(jià)。

本文選擇層次分析法是考慮到濱海城市多水源利用綜合效益涉及因素較多，該方法集合定性與定量，能夠較為全面的反應(yīng)真實(shí)情況；其次本文基于課題調(diào)研，有利于專家意見(jiàn)收集，最后層次分析法將問(wèn)題層層分解，細(xì)化、具體化到每個(gè)指標(biāo)，有利于水源使用次序決策。

2 威海市水資源利用綜合效益評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

根據(jù)文獻(xiàn)閱讀、資料整理，以威海市為例綜合評(píng)價(jià)多水源利用綜合效益。指標(biāo)選擇如圖1。

技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的選擇：水資源具有其資源價(jià)值，本文根據(jù)全成本理論中資源價(jià)值的計(jì)算確定三種水源資源價(jià)值。建設(shè)工期作為技術(shù)指標(biāo)在一定程度上能夠反映該工程的復(fù)雜程度。

生態(tài)環(huán)境效益指標(biāo)的選擇：?jiǎn)挝凰姾闹溉∷a(chǎn)水、輸水過(guò)程中單位水消耗的電量，單位水占地面積則表示該供水工程施工占地面積大小，單位水增加的城市污水量指水資源利用后城市產(chǎn)生的污水總量。

圖1 多水源濱海城市供水綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Index system of comprehensive water supply benefit evaluation for multi-source coastal cities

社會(huì)效益指標(biāo)的選擇：考慮多水源利用過(guò)程中對(duì)社會(huì)產(chǎn)生的影響因素，選取年可供水量、供水水質(zhì)保障度、單位水移民補(bǔ)償費(fèi)用為評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中單位水移民補(bǔ)償費(fèi)用主要由外調(diào)水工程產(chǎn)生。

3 威海市水資源利用綜合效益評(píng)價(jià)模型計(jì)算

3.1 指標(biāo)確定

根據(jù)文獻(xiàn)資料[16]確定全成本水價(jià)模型計(jì)算單位水資源成本，其余數(shù)據(jù)來(lái)源于調(diào)研與統(tǒng)計(jì)資料，為保證數(shù)據(jù)時(shí)期范圍一致，所有指標(biāo)均選擇在近期規(guī)劃內(nèi)(2018～2025)。

R=εV1+φV2

(1)

式中：

R——單位水資源成本(元/m3)

εV1——單位水的有用性價(jià)值(元/m3)

φV2——單位水的稀缺性價(jià)值(元/m3)

ε,φ表示其修正性系數(shù)，且(ε,φ)≥0。

水資源的水質(zhì)決定其有用性價(jià)值，為便于計(jì)算分析，將威海市常規(guī)水源、外調(diào)水、中水回用、海水淡化水按質(zhì)分類為4個(gè)等級(jí)，等級(jí)越高其有用性價(jià)值越高。參考[17]研究引入水資源有用性修正系數(shù):

(2)

式中:εi為第i級(jí)水的有用性修正系數(shù)；δj為第j個(gè)效用的權(quán)重；εij為第j個(gè)用戶的第i級(jí)水的效用系數(shù)。

通過(guò)文獻(xiàn)閱讀整理[18]確定工、農(nóng)、林、市政、生活、水產(chǎn)這六類用水對(duì)象的權(quán)重δj和δij：

根據(jù)公式(2)可得出εi：

為量化討論，在此全國(guó)水資源稀缺性價(jià)值等于其有用性價(jià)值，但一般情況下，εV1=φV2不一定成立，所以，可以將水資源稀缺性價(jià)值設(shè)為：

φV2=μεV1,0≤μ≤1

(3)

式中：μ為相對(duì)稀缺性程度=該區(qū)域人均占有該水源量/全國(guó)人均占有該水源量。

根據(jù)計(jì)算與調(diào)研，指標(biāo)數(shù)據(jù)整理見(jiàn)表1。

表1 污水回用、外調(diào)水、海水淡化利用綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.1 Comprehensive evaluation indexes of sewage reuse, externally transferred water and seawater desalination utilization

3.2 指標(biāo)無(wú)量鋼化

由于每個(gè)指標(biāo)單位、公式及所代表的功能均不相同，為數(shù)據(jù)處理公正，下文將進(jìn)行指標(biāo)無(wú)量綱化。按指標(biāo)對(duì)目標(biāo)層貢獻(xiàn)導(dǎo)向分為正向和逆向指標(biāo)，公式如下：

(4)

(5)

計(jì)算可得指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣YT：

3.3 層次單排序及一致性檢驗(yàn)

首先根據(jù)表2的Saaty標(biāo)度法及調(diào)研專家資料確定判斷矩陣，其次計(jì)算各判斷矩陣的權(quán)重，本文選取規(guī)范列平均法。最后選取隨機(jī)一致性比率CR進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。Bi對(duì)于A的權(quán)重為bi，Cj對(duì)于Bi的權(quán)重為wij，最大特征值為λmax，一致性指標(biāo)為CI見(jiàn)表2，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)為RI。計(jì)算公式如下：

CR=CI/RI

(6)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(7)

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RITab.2 Mean random consistency index RI

根據(jù)公式(6)、(7)求得層次單排序及一致性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3～表7。

表3 判斷矩陣A-Bj及一致性檢驗(yàn)Tab.3 Judgment matrix A-Bj and consistency test

表4 判斷矩陣B1-Cj及一致性檢驗(yàn)Tab.4 Judgment matrix B1-Cj and consistency test

表5 判斷矩陣B2-Cj及一致性檢驗(yàn)Tab.5 Judgment matrix B2-Cj and consistency test

表6 判斷矩陣B3-Cj及一致性檢驗(yàn)Tab.6 Judgment matrix Bj-Cj and consistency test

由表4判斷矩陣B1-Cj不滿足一致性檢驗(yàn)，需要修正見(jiàn)表7。

表7 修正后的判斷矩陣B1-Cj及再次檢驗(yàn)Tab.7 Corrected judgment matrix B1-Cj and re-test

3.4 層次總排序及一致性檢驗(yàn)

記Wj為指標(biāo)Cj對(duì)于總目標(biāo)A的權(quán)重，則Wj=bi×wij由可得：

W=(W1,W2,W3,W4,W5,W6,W7,W8,W9)=(0.156,0.099,0.042,0.064,0.064,0.032,0.335,0.151,0.054)

一致性檢驗(yàn)結(jié)果CR=0.04<0.1，所以層次總排序滿足一致性。

3.5 威海市污水回用、外調(diào)水、淡化水利用綜合效益計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[19]可知綜合效益分析模型為：

R=W×Y

(8)

式中：R代表該水資源利用綜合效益，W為各指標(biāo)對(duì)目標(biāo)A的權(quán)重向量，Y是指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣。兩個(gè)矩陣相乘最后計(jì)算可得污水回用的綜合效益為2.12，外調(diào)水的綜合效益為0.92，海水淡化的綜合效益為2.05。由此得出，近期規(guī)劃內(nèi)除常規(guī)地表水、地下水供給外，優(yōu)先使用再生水綜合效益最大，其次可考慮利用淡化水，而外調(diào)水利用綜合效益最低。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

根據(jù)上述分析結(jié)果顯示，近期規(guī)劃內(nèi)(2018～2025年)污水回用利用綜合效益最高，海水淡化綜合效益與污水回用不相上下，但外調(diào)水利用效益最低。由此可見(jiàn)威海市目前應(yīng)優(yōu)先大力發(fā)展污水處理，同時(shí)在遠(yuǎn)期規(guī)劃內(nèi)規(guī)?；ㄔO(shè)海水淡化工程，不可過(guò)分依賴外調(diào)水供給。根據(jù)各指標(biāo)數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，影響外調(diào)水綜合利用效益的因素有三個(gè)：?jiǎn)挝凰こ掏顿Y、單位水占地面積和單位水移民補(bǔ)償費(fèi)用，而這三個(gè)指標(biāo)值作為負(fù)指標(biāo)，很大程度上降低外調(diào)水利用綜合效益。特別是單位水移民補(bǔ)償費(fèi)用，在這三種水源中僅有外調(diào)水需要支付。

除指標(biāo)本身的影響外，各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算中體現(xiàn)出以下兩點(diǎn)：(1)水資源定價(jià)越來(lái)越重視水資源本身價(jià)值，以往城市供水定價(jià)更多考慮工程水價(jià)和污水處理費(fèi)用，對(duì)于水的有用性價(jià)值和稀缺性價(jià)值則大多忽略不計(jì)或者難以量化計(jì)算。在三種水源中，資源費(fèi)最高的還是外調(diào)水，其他兩種水源資源費(fèi)基本相當(dāng)。(2)在這三種水源綜合效益對(duì)比中，供水水質(zhì)保障度指標(biāo)影響權(quán)重占比最高。可見(jiàn)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市供水水質(zhì)成為用水戶關(guān)注焦點(diǎn)，而常常因?yàn)樯嫌挝廴撅L(fēng)險(xiǎn)大，外調(diào)水到達(dá)下游受水區(qū)后水質(zhì)不宜飲用。相對(duì)于外調(diào)水水質(zhì)的不穩(wěn)定，再生水和淡化水的出水質(zhì)量在檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的提高下不斷提升，達(dá)到居民生活飲用標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 建議

濱海城市應(yīng)充分結(jié)合實(shí)際水利現(xiàn)狀，不過(guò)度依賴客水供水，科學(xué)配置外調(diào)水供給比例。同時(shí)對(duì)調(diào)水工程造成影響的移民要做好補(bǔ)償工作，對(duì)于府際跨流域調(diào)水工程，政府間的有效溝通是調(diào)水區(qū)與受水區(qū)生態(tài)穩(wěn)定的重要保障。

濱海城市建設(shè)污水處理設(shè)施時(shí)需要考慮不同用水戶需求，配備相對(duì)應(yīng)的管道。對(duì)于企業(yè)污水利用，濱海城市應(yīng)鼓勵(lì)企業(yè)自身污水回用，創(chuàng)新污水處理科學(xué)技術(shù)，提高再生水回用深度處理能力，創(chuàng)造企業(yè)用水經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于市政供水如：景觀綠化、道路清掃等均可優(yōu)先使用再生水。對(duì)于城市居民用水，政府應(yīng)加強(qiáng)水質(zhì)合格的宣傳。對(duì)于農(nóng)業(yè)灌溉用水，利用再生水可大大降低自來(lái)水的消耗。

濱海城市可以積極利用豐富的海水資源，加快推進(jìn)海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展。有條件發(fā)展大型淡化水企業(yè)的濱海城市可以將淡化水納入城市供水系統(tǒng)，積極爭(zhēng)取國(guó)家部委及省直部門關(guān)于海水淡化領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)、研發(fā)、人才等方面的政策及資金支持，加快淡化工藝的研究，提升設(shè)備利用率，降低化學(xué)藥劑污染源，延長(zhǎng)膜和管道使用壽命。目前威海市海水淡化項(xiàng)目投資以政府為主，也可鼓勵(lì)除政府外第三方資本參與海水淡化產(chǎn)業(yè)投資，促使經(jīng)濟(jì)綜合效益最大化。