基于AHP的平原水網(wǎng)地區(qū)水利基礎(chǔ)設(shè)施空間規(guī)劃指標(biāo)體系評(píng)價(jià)與研究

孫 晨，陳金杭，蘇 晨

(1.南京水科院勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210098)

水利基礎(chǔ)設(shè)施作為國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施，也是國(guó)土空間規(guī)劃的重要組成部分，需要在盡快形成國(guó)家水利基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的前提下有機(jī)納入國(guó)土空間規(guī)劃中，并考慮必要的國(guó)家重大工程預(yù)留空間和廊道，水利基礎(chǔ)設(shè)施空間規(guī)劃作為國(guó)土空間總規(guī)劃的重要專項(xiàng)規(guī)劃，是維護(hù)水利空間的重要手段，也是表達(dá)水生態(tài)的重要途經(jīng)[1]。為貫徹落實(shí)中央關(guān)于統(tǒng)一規(guī)劃體系、建立國(guó)土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實(shí)施的有關(guān)部署，適應(yīng)新形勢(shì)下“多規(guī)合一”要求，做好水利規(guī)劃與國(guó)土空間規(guī)劃之間的銜接，為“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”提供規(guī)劃基礎(chǔ)和依據(jù)，編制水利基礎(chǔ)設(shè)施空間布局規(guī)劃是十分迫切和必要的[2- 4]。本文根據(jù)水利空間要素關(guān)系，重要性程度確定主要指標(biāo)，采用層次分析法建立適用于平原水網(wǎng)地區(qū)水利空間規(guī)劃指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型，并以淮安市為例，對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 指標(biāo)體系

水利基礎(chǔ)設(shè)施空間布局規(guī)劃的核心是建立規(guī)劃指標(biāo)體系，進(jìn)行各項(xiàng)水利空間規(guī)劃指標(biāo)賦值，對(duì)水利基礎(chǔ)設(shè)施空間布局現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)規(guī)劃工程的實(shí)施效果進(jìn)行預(yù)測(cè)。當(dāng)前該方面的研究相對(duì)較少，水利專業(yè)相近的指標(biāo)體系研究包括水利信息化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建、河長(zhǎng)制評(píng)價(jià)指標(biāo)體系相關(guān)性構(gòu)建、河北省水利發(fā)展規(guī)劃指標(biāo)體系構(gòu)建及預(yù)測(cè)、Ecological effect evaluation of water diversion in the Yellow River delta wetland[5- 9]等。

參照《水利基礎(chǔ)設(shè)施空間布局規(guī)劃編制技術(shù)大綱》《河湖健康評(píng)價(jià)指南(試行)》《城市水系規(guī)劃規(guī)范》等，結(jié)合水利基礎(chǔ)設(shè)施空間規(guī)劃的各項(xiàng)要素關(guān)系及其重要性程度，確定水利基礎(chǔ)設(shè)施空間布局規(guī)劃的指標(biāo)體系，包括目標(biāo)層(O)、準(zhǔn)則層(C)和指標(biāo)層(I)三級(jí)體系。目標(biāo)層以水利基礎(chǔ)設(shè)施空間布局總體評(píng)價(jià)指數(shù)(EHI)為目標(biāo)，用以確定水利基礎(chǔ)設(shè)施空間布局的總體水平；準(zhǔn)則層包括水安全、水資源、水生態(tài)、水空間、水工程5個(gè)部分；指標(biāo)層根據(jù)水利空間要素、特性等合理確定，共13個(gè)具體指標(biāo)，見(jiàn)表1。

2 評(píng)價(jià)方法

層次分析法(A nalytic Hierarchy Process， AHP)于20世紀(jì)70年代由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家托馬斯·塞蒂提出，適用于多目標(biāo)、多準(zhǔn)則、多要素、多層次的非結(jié)構(gòu)化復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題的研究[10]。AHP可將復(fù)雜問(wèn)題分解為若干層次和若干因素，在各因素間進(jìn)行比較和計(jì)算，得出不同方案重要程度的權(quán)重，已成熟應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域[11- 15]。

表1 水利基礎(chǔ)設(shè)施空間規(guī)劃指標(biāo)體系

2.1 指標(biāo)權(quán)重

本文采用層次分析法進(jìn)行確定水利基礎(chǔ)設(shè)施空間布局各指標(biāo)權(quán)重。第一個(gè)階段計(jì)算分析5個(gè)準(zhǔn)則層所占權(quán)重，第二階段計(jì)算分析各指標(biāo)占各準(zhǔn)則層的權(quán)重，從而得出每個(gè)指標(biāo)的綜合權(quán)重，指標(biāo)權(quán)重模型如圖1所示。

圖1 指標(biāo)權(quán)重模型

Z代表水利基礎(chǔ)設(shè)施空間布局總體評(píng)價(jià)指數(shù)(EHI)；A1，A2，A3，A4，A5分別代表5個(gè)準(zhǔn)則層的重要性、可行性、基礎(chǔ)條件、技術(shù)水平、人力財(cái)力；B1，B2，B3，B4，B5分別代表水安全、水資源、水生態(tài)、水空間、水工程5個(gè)準(zhǔn)則層。

2.2 指標(biāo)數(shù)據(jù)同化處理

由于各指標(biāo)的底層因子存在差異性，直接使用會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此需對(duì)底層因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使收集到的多個(gè)記錄的同一因子的數(shù)據(jù)的平均值轉(zhuǎn)換為零、標(biāo)準(zhǔn)差轉(zhuǎn)化為1。變量標(biāo)準(zhǔn)化的公式為：

(1)

xj=∑xij/n

(2)

Sj=∑(xij-xj)2/(n-1)

(3)

式中，yij—標(biāo)準(zhǔn)化后的變量值，xij—第i個(gè)分區(qū)第j個(gè)指標(biāo)的值，xj、Sj—第j個(gè)指標(biāo)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

2.3 構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣

判斷矩陣表示針對(duì)上一層次中的某元素而言，評(píng)定該層次中各有關(guān)元素相對(duì)重要性的狀況。首先假定共有n個(gè)因子，構(gòu)成集合C={c1，c2，c3，…cn)，然后根據(jù)建立的層次結(jié)構(gòu)模型，分別構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣。

判斷矩陣如下

A=aijn×n

(4)

該矩陣滿足條件：aij>0，aij=1/aji(i≠j)，aij=1，i，j=1，2…n

aij的大小根據(jù)薩蒂提出的l～9及其倒數(shù)作為衡量尺度的標(biāo)度方法給出。對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，考察層次分析法得到的結(jié)果是否合理。

2.4 層次排序及一致性檢驗(yàn)

層次單排序是確定本層次與之有聯(lián)系的元素重要性次序的權(quán)重值，它是本層次所有元素對(duì)上一層次而言的重要性排序的基礎(chǔ)。首先要計(jì)算出判斷矩陣A的最大特征根λmax，再利用AW=λmaxW計(jì)算出對(duì)應(yīng)的特征向量W，W經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后，即為同一層次中相應(yīng)元素對(duì)于上一個(gè)層次中某個(gè)元素相對(duì)重要性的權(quán)重。

為了檢驗(yàn)判斷矩陣亦即專家賦權(quán)的一致性，需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，公式如下：

CI=λmax-n/(n-1)

(5)

當(dāng)CI=0時(shí)，判斷矩陣具有完全一致性；反之，CI愈大，則判斷矩陣的一致性就愈差。為了檢驗(yàn)判斷矩陣是否具有令人滿意的一致性，則需要將CI與平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI進(jìn)行比較，其公式為：

(6)

CR=CI/RI

(7)

一般當(dāng)CR<0.1時(shí)，我們認(rèn)為判斷矩陣滿足一致性檢查，否則就需要調(diào)整判斷矩陣，直到滿足一致性檢查為止。

表2 層次總排序表

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 淮安市水利概況

淮安位于江蘇省中北部，江淮平原東部，坐落于古淮河與京杭大運(yùn)河交點(diǎn)，境內(nèi)有中國(guó)第四大淡水湖洪澤湖，全境有80%的國(guó)土面積處在設(shè)計(jì)洪水位以下，是名副其實(shí)的“洪水走廊”?；窗彩幸怨呕春訛榻绶譃閮纱笏?，以北屬沂沭泗水系，以南屬淮河下游水系，本地徑流只占14%，上中游入境客水占總量的86%。境內(nèi)湖泊眾多、河網(wǎng)密布，全市平原水網(wǎng)地區(qū)占國(guó)土面積的81%，主要河道有淮河、淮河入江水道、淮沭河、京杭大運(yùn)河、古淮河等8條流域性河道，列入國(guó)家重點(diǎn)支持江河湖泊動(dòng)態(tài)名錄的湖泊4個(gè)，包括洪澤湖、高郵湖、寶應(yīng)湖及白馬湖?；窗彩鞋F(xiàn)已基本建成了防洪、除澇、降漬、蓄水灌溉等水利工程體系，全市流域性河道堤防長(zhǎng)902km，大型涵閘5座，中型涵閘38座，流域性河道主要穿堤涵閘82座，大型排灌站15座。

淮安市是蘇皖地區(qū)水利戰(zhàn)略要地，境內(nèi)洪澤湖上承安徽境內(nèi)淮河干流洪水，通過(guò)淮河入海水道、灌溉總渠、分淮入沂經(jīng)鹽城、宿遷等地區(qū)向東排入黃海，通過(guò)入江水道、高郵湖、邵伯湖流經(jīng)揚(yáng)州向南排入長(zhǎng)江。同時(shí)淮安市承擔(dān)著南水北調(diào)東線工程最重要的調(diào)蓄和翻水任務(wù)，江水經(jīng)江都水利樞紐、京杭大運(yùn)河、三河通過(guò)洪澤站進(jìn)入洪澤湖，經(jīng)洪澤湖調(diào)蓄后分別通過(guò)淮安站、泗洪站翻水經(jīng)京杭大運(yùn)河、徐洪河向北輸水。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民群眾對(duì)水利保障程度的要求也將越來(lái)越高，鑒于淮安市水利的重要性，對(duì)其進(jìn)行水利基礎(chǔ)設(shè)施空間布局規(guī)劃是十分必要的，對(duì)規(guī)劃的指標(biāo)體系進(jìn)行研究是保障其水利基礎(chǔ)設(shè)施空間規(guī)劃合理性的基本因素。

3.2 模型計(jì)算

(1)構(gòu)造矩陣。

通過(guò)查閱淮安市大量基礎(chǔ)資料，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)研，構(gòu)造成對(duì)比較矩陣如下：

(2)計(jì)算矩陣的最大特征值和歸一化特征向量，對(duì)矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)并計(jì)算層次單排序權(quán)向量。

構(gòu)造成對(duì)比較矩陣的最大特征值為λ=5.31，所對(duì)應(yīng)的歸一化特征向量為：

ω={0.681，0.112，0.067，0.094， 0.046}

一致性驗(yàn)算：

滿足一致性要求。

對(duì)成對(duì)比較矩陣B1，B2，B3，B4，B5可以求出層次單排序的權(quán)向量，計(jì)算結(jié)見(jiàn)表3。

表3 成對(duì)比較矩陣層次單排序的權(quán)向量計(jì)算表

(3)層次總排序的權(quán)值計(jì)算與一致性檢查檢驗(yàn)。

以B1為例進(jìn)行權(quán)值計(jì)算，B1對(duì)總目標(biāo)的權(quán)值為：

B1=0.178×0.684+0.106×0.112+0.052×0.067+0.018×0.094+0.025×0.046=0.139

同理，B2，B3，B4，B5分別為0.186，0.272，0.336，0.067。

B1，B2，B3，B4，B5對(duì)目標(biāo)的總權(quán)重為{0.139，0.186，0.272，0.336，0.067}

CR=0.027<0.1，滿足一致性要求。

因此，水安全、水資源、水生態(tài)、水空間、水工程的權(quán)重依次為0.139、0.186、0.272、0.336、0.067。

各指標(biāo)占準(zhǔn)則層的權(quán)重的方法與步驟同上，通過(guò)計(jì)算，指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表4。

表4 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算表

3.3 計(jì)算結(jié)果

本文在查閱淮安市的最新統(tǒng)計(jì)年鑒、水利普查、水生態(tài)城市建設(shè)規(guī)劃、防洪排澇規(guī)劃、水資源綜合規(guī)劃、水土保持規(guī)劃、退圩還湖規(guī)劃等大量基礎(chǔ)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)地區(qū)水安全、水資源、水生態(tài)、水空間、水工程等方面的各個(gè)指標(biāo)做了系統(tǒng)的了解，對(duì)13個(gè)指標(biāo)進(jìn)行賦值，計(jì)算EHI為0.902，具體如下：

(1)總體評(píng)價(jià)指數(shù)EHI為0.902，說(shuō)明淮安市水利基礎(chǔ)設(shè)施空間布局總體合理?；窗彩性诮陙?lái)的水利工程建設(shè)與管理方面成效較為顯著，也為未來(lái)規(guī)劃的水利工程留有一定的余地。

(2)水安全的3個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)較高，說(shuō)明淮安市流域、區(qū)域以及圩區(qū)防洪工程建設(shè)完善，淮安市防洪安全較為可靠。

(3)水資源的3個(gè)指標(biāo)中，水資源開發(fā)利用率相對(duì)較低，主要原因是地下水資源開采與利用近年來(lái)有所降低，這也符合國(guó)家收緊地下水開采的有關(guān)政策要求。

(4)水生態(tài)的3個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)較高，符合國(guó)家生態(tài)市、水生態(tài)文明城市這一實(shí)際情況。

(5)水空間3個(gè)指標(biāo)中有2個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)相對(duì)較低，其中河湖空間有效保有率評(píng)價(jià)較低主要是因?yàn)椴糠趾幢蝗?、圍網(wǎng)養(yǎng)殖占用，說(shuō)明急需實(shí)施退圩還湖工程，恢復(fù)湖泊水面；水利預(yù)留空間評(píng)價(jià)較低主要是因?yàn)閷?duì)水利設(shè)施的規(guī)劃工程尚未預(yù)留實(shí)施空間，說(shuō)明急需結(jié)合國(guó)土空間總規(guī)劃編制水利空間規(guī)劃，為水利已建、在建以及規(guī)劃工程留足空間范圍。

(6)水工程中的水利工程完好率評(píng)價(jià)相對(duì)較高，說(shuō)明淮安市水利工程尤其是大、中型水利工程管護(hù)相對(duì)到位，完好率較高。

4 結(jié)論

基于AHP建立的平原水網(wǎng)地區(qū)水利基礎(chǔ)設(shè)施空間規(guī)劃指標(biāo)體系評(píng)價(jià)模型是對(duì)水利空間規(guī)劃指標(biāo)體系評(píng)價(jià)的創(chuàng)新。本文以淮安市為例進(jìn)行了模型驗(yàn)證，評(píng)價(jià)結(jié)果表明：該地區(qū)水利基礎(chǔ)設(shè)施空間布局總體合理，各指標(biāo)評(píng)價(jià)賦值與淮安市水安全、水資源、水生態(tài)、水空間、水工程的實(shí)際情況基本吻合，本文建立的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型可為類似平原水網(wǎng)地區(qū)水利基礎(chǔ)設(shè)施空間規(guī)劃總體布局的評(píng)價(jià)提供參考與借鑒。