劉旻青，李春慧，林星辛，張歆蒴，覃光華

（四川大學水利水電學院，四川 成都 610065）

基于AHP-模糊綜合評價法的水資源評價研究

劉旻青，李春慧，林星辛，張歆蒴，覃光華

（四川大學水利水電學院，四川 成都 610065）

本文采用AHP-模糊綜合評價方法，以崇州市為例，選取評價指標體系，分析層次結構，計算模糊隸屬度，評價其水資源可持續(xù)發(fā)展的潛力。由評價結果得出崇州市水資源可持續(xù)利用綜合評價的結果處于中等水平，水資源可持續(xù)利用狀況良好。

AHP；模糊綜合評價法；水資源可持續(xù)發(fā)展

水，自古以來都是十分重要的自然資源，尤其在經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，人類社會面臨著人口、資源、環(huán)境三大問題，這三個問題都與水資源息息相關。在經(jīng)濟粗放式發(fā)展的大背景下，中國大部分城市都面臨著水資源利用率低、水資源短缺和水資源污染嚴重等問題，這些問題如果未能及時發(fā)現(xiàn)解決，會嚴重制約這個城市的經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。因此，我們需要正確判斷一個地區(qū)水資源開發(fā)利用狀況，采取系統(tǒng)分析的方法，綜合考慮水資源與社會經(jīng)濟發(fā)展諸因素關系，進行多指標體系的綜合評價。研究區(qū)域水資源問題的分析方法較多，國內(nèi)學者多數(shù)采用投影尋蹤模型［8］、 灰色聚類分析法［1］、層次分析法、模糊數(shù)學法等綜合評價方法。分析評價一個區(qū)域是否屬于缺水，以及缺水程度差異，諸如降雨量、缺水量、人均或每公頃平均水量等若干評價指標，以便于分析一個地區(qū)水資源可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?，科學的決策該區(qū)域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和水資源工程規(guī)劃，為水資源的合理開發(fā)利用和科學的管理指明方向。本文運用層次分析法得到權重，利用模糊綜合評價法進行綜合評價，這兩種方法的適用范圍廣，還可以用于研究城市環(huán)境安全［1］、 海島深層地下淡水開發(fā)潛力［5］等方面的問題。

1 崇州水資源現(xiàn)狀介紹

崇州市坐落于岷江中上游川西平原西部，位于東經(jīng)103°07′～103°49′、北緯30°30′～30°53′之間。2014年末，全市戶籍總?cè)丝?69857人，全市常住人口66.38萬人。全市面積1090km2，其中平壩區(qū)占總面積的52%，山區(qū)占總面積的43%，丘陵區(qū)占總面積的5%。崇州屬于四川盆地亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，春秋短，冬夏長，雨量充沛，日照偏少，無霜期較長。其年平均氣溫 15.9℃，最熱月7月平均氣溫為25℃，最冷月1月平均氣溫為 5.4℃，溫差為 19.7℃。年平均日照時數(shù)為1161.5h，年平均降雨量1012.4mm，雨日和雨量均為夏多冬少，春季為176.1mm，夏季為588.0mm，秋季218.4mm，冬季為29.9mm。風向頻率以靜風最多，占全年的37%；其次是北風，占9%。年平均風速為1.3m/s。平均霜日19天，平均無霜期為285天。年平均雪日3天，且雪量較小。崇州市主要災害性天氣為連續(xù)性陰雨、洪澇、冰雹、寒潮、干旱、大風、霜凍等。除降水外，崇州市境內(nèi)主要河流有3條：西河、黑石河和金馬河。3條主要河流同市境內(nèi)180多條大小支流相聯(lián)結，在崇州市構成水道網(wǎng)，至新津縣境內(nèi)匯入岷江。崇州市年河川徑流總量為 157074萬 m3。其中都江堰輸水量80511萬m3，本地河流水量73952萬 m3，山丘塘庫蓄水、機電提水、山溪溝引水和可利用的淺層地下水共計 2611萬 m3。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可利用水量為67648萬m3，畝均可用水量1090m3。崇州市水力資源豐富，其理論蘊藏量總計為110900kW，可開

發(fā)量為53605kW。崇州市由河流、水庫、池塘、水凼等構成的水面共計6666.7hm2，可供養(yǎng)殖的水面為253.8hm2。尚有可開發(fā)水面233hm2。

2 APH法

2.1 基本原理和步驟

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）［9-14］是目前使用較多的一種方法，該法對各指標之間重要程度的分析具有較強邏輯性，且采用數(shù)學處理，具有堅實的理論基礎，完善的方法體系，使其可信度增大，應用范圍較廣。AHP法的基本步驟：（1）把復雜的系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng).并按照他們之間的從屬關系進行分組，形成有序遞階層次結構；（2）通過就某種特性兩兩比較的方式確定層次中各個子系統(tǒng)的相對重要性，構造判斷矩陣并進行一致性檢驗；（3）綜合人的判斷，例如采用1～9標度法對各個子系統(tǒng)進行層次單排序和相對重要性總排序。

2.2 構建崇州市水資源層次分析結構

崇州市水資源層次分析結構見表1。

表1 崇州市水資源可持續(xù)發(fā)展遞階層次表

2.3 構建判斷矩陣

在層次分析法中，常使用 1～9度標度法使決策者的判斷定量化，形成數(shù)值判斷矩陣。1～9標度方法如表 2所示。構建判斷矩陣見表 3～表6。

表2 相對重要程度對照表

表3 判斷矩陣A-C

表4 判斷矩陣C1-P

表5 判斷矩陣C2-P

表6 判斷矩陣C3-P

2.4 判斷矩陣的一致性檢驗

2.4.1 計算判斷矩陣的最大特征根

（1）計算判斷矩陣每一行元素的乘積

（2）計算特征向量

對其進行歸一化處理

則W=（W1，W2，…，Wn）T就是特征向量。

（3）計算最大特征根

式中，（AW）I—表示向量AW的第i個元素；AW—為判斷矩陣A—C與特征向量W的乘積。

2.4.2 計算一致性指標CI

2.4.3 計算平均隨機一致性指標RI

隨機性指標RI數(shù)值見表7。

表7 隨機性指標RI數(shù)值

2.4.4 計算隨機一致性比率CR

當CR＜0.10時，則認為判斷矩陣具有滿意的一致性；否則需要進行調(diào)整，使其滿足CR＜0.10。

2.5 層次單排序

用上述方法求得各項指標如下：

（1）A—C矩陣：

W=（0.3325，0.5278，0.1397）T

λmax=3.0536 CI=0.0268

CR=0.0515＜0.10 具有滿意一致性。

（2）C1—P矩陣：

W=（0.570，0.286，0.143）T

λmax=3.00034 CI=0.00017

CR=0.00033＜0.10 具有滿意一致性。

（3）C2—P矩陣：

W=（0.0.167，0.833，0.167，

0.833 ，0.833，0.833，0.167，0.167）T

λmax=8 CI=0

CR=0＜0.10 具有滿意一致性。

（4）C3—P矩陣：

W=（0.297，0.539，0.163）T

λmax=3.0092 CI=0.0046

CR=0.0085＜0.10 具有滿意一致性。

詳見表8。

表8 層次單排序表

2.6 層次總排序

根據(jù)以上分析結果，得出層次總排序如表9和圖1。

利用層次分析法對崇州市水資源進行評價分析，從14個指標權重總排序中可得出水資源總量（P11）所占比重最大，地表水資源開發(fā)利用率（P12）次之，這兩個指標對崇州市水資源影響較大。崇州市水資源可持續(xù)發(fā)展對人均用水量（P21）也較敏感，隨著城市建設力度的加大和人民生活水平、質(zhì)量的提高，人均用水量增加，應加強水利設施建設及節(jié)水設施的改進。其他指標權重大小依次為人均GDP（P23）、耕地百分比（P27）、漁牧業(yè)用水占農(nóng)業(yè)用水的比例（P28）、生態(tài)環(huán)境用水量（P32）、地下水資源開發(fā)利用率（P13）、人口自然增長率（P22）、工業(yè)單位產(chǎn)值耗水量（P24）、工業(yè)用水重復利用率（P25）、灌溉水有效利用系數(shù)（P26）、污水處理程度（P31）、植被覆蓋程度（P33）。提高工業(yè)、農(nóng)業(yè)及第三產(chǎn)業(yè)水資源重復利用率，提高灌溉技術，實現(xiàn)單位產(chǎn)值耗水量最大對崇州市水資源可持續(xù)發(fā)展有重要作用。同時，人口自然增長率對其影響也較大。提高人們節(jié)水意識，控制人口適度增長對崇州市可持續(xù)發(fā)展有利。符合可持續(xù)發(fā)展理論：“滿足人的需求是可持續(xù)發(fā)展的核心?！?/p>

表9 評價指標權重總排序

圖1 層次P的總排序

3 模糊綜合法

3.1 基本原理和步驟

模糊綜合評價［1～7］是在對影響水資源可持續(xù)發(fā)展力的各個因素進行單因素評價的基礎上，利用模糊數(shù)學中的模糊變換原理以及最大隸屬度原則，通過綜合評判矩陣對其可持續(xù)發(fā)展力作出多因素綜合評價，以此來分析區(qū)域水資源可持續(xù)發(fā)展狀況?？蔀楫?shù)厮Y源的合理利用及可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

模糊綜合評價一般分為一級和多級評價，以二級模糊綜合評價為例，其基本原理和步驟如下：

（1）確定被評價對象的評語集和因素集。設 U =｛U1，U2，…，Uk｝為 n種因素，V=｛V1，V2，…，Vm｝為m種評語，綜合評價結果是V上的一個模糊子集，即 B=（b1，b2，…，bm）∈V。其中，bj（j=1，2，…，m）反映出了第j種評語Vj在綜合評價中所占據(jù)的地位。

（2）確定各個因素的權重值，獲得權向量。確定ui中 ni個因素的權重 Ai，Ai=（a1i，a2i，…，ani），其中∑ani=1。在本評價中，權重Ai值由以上層次分析法得出。

（3）確定各個因素的隸屬度向量，可通過評價因素的實際數(shù)值對照各因素的分級指標來分析計算，獲得模糊評價矩陣，即評判矩陣R。對權向量和模糊評價矩陣兩者進行模糊運算，并對其進行歸一化處理，得到模糊綜合評價的結果。例如，對u1作模糊變換B1=A1◎R1，其中“◎”表示廣義的合成結果，B1=（b1，b2，…，bm）就是對事物 u1的綜合評價結果。同理，可以得到 B2，B3…，Bk，若U1，U2，…，Uk的權向量為 A=（a1，a2，…，ak），則對U代表的事物的綜合評價結果為B=A（B1，B2…，BK）T。

3.2 指標參考值的確定

據(jù)崇州市的實際情況，參考大量文獻和國家相關標準，根據(jù)指標的可持續(xù)發(fā)展能力，劃分為“較好V1”（表示水資源可持續(xù)發(fā)展能力較好，潛力較大）“一般 V2”（表示水資源可持續(xù)發(fā)展能力介于V1、V3之間，有一定潛力）“較差V3”（表示水資源可持續(xù)發(fā)展能力較差，潛力較差，基本不具備源可持續(xù)發(fā)展力）三個等級。為了定量的反映各級因素對于水資源可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ挠绊懗潭?，?V1，V2和V3進行0～1之間的評分，a1=0.95，a2= 0.5，a3=0.05，數(shù)值越高，表明崇州市水資源可持續(xù)發(fā)展?jié)摿υ酱蟆Ｔ斠姳?0。

3.3 評價指標的隸屬度確定

在確立隸屬度函數(shù)時必須考慮各單項指標的變化規(guī)律，建立各評價指標對應各等級的函數(shù)。為了要避免指標評價等級的跳躍現(xiàn)象，將指標值進行模糊化的處理：對于中間級別，令其落在區(qū)間中點的隸屬度為1.0，而落在區(qū)間兩側(cè)邊緣點的隸屬度為0.5，中間點向兩側(cè)按線性規(guī)律遞減；對于最左和最右的兩側(cè)區(qū)間，令距離臨界值越遠于兩側(cè)等級的隸屬度越大，在臨界上屬于兩側(cè)等級的隸屬度均為0.5。本次相對隸屬度函數(shù)計算公式為：

表10 崇州市水資源可持續(xù)利用水平評價分級標準

根據(jù)構造的隸屬函數(shù)，計算各個指標對應于各級的隸屬度，如表11所示。

根據(jù)上述A和B的矩陣，可將B=A◎R按普通矩陣計算規(guī)即可求出水資源可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ淖罱K評判結果的矩陣。

表11 崇州市水資源可持續(xù)發(fā)展?jié)摿υu價指標隸屬度

3.4 評價結果確定

根據(jù)V1，V2和 V3指標所對應的評分值 a1、a2、a3，即可求出區(qū)域水資源可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ木C合評判值，最后可進行綜合評判與分析。利用a值對結果進行評價，得出 a值越大，水資源可持續(xù)發(fā)展能力的潛力就越大，但結果還應該與 B值結合運用進行比較。B值反映的是水資源可持續(xù)發(fā)展的能力分級的模糊隸屬度。B值中系數(shù)較大者則代表水資源可持續(xù)發(fā)展的能力屬于該級的評價較高。

表12 崇州市水資源可持續(xù)發(fā)展?jié)摿C合評價成果

根據(jù)計算得到的權向量和各指標的隸屬度，將兩者進行合成運算，得到崇州市水資源可持續(xù)利用綜合評價結果如表 12所示。從評價結果來看，崇州市水資源可持續(xù)利用綜合評價結果處于中等水平，水資源開發(fā)利用已具有相當規(guī)模，仍有一定開發(fā)利用的潛力。這說明崇州市水資源可持續(xù)利用狀況良好。這是由于近年來，崇州市針對缺水嚴重的情況，積極采取了相應的水管理措施，不斷提高對水的綜合利用效率，而且崇州市山區(qū)占總面積43%，水資源較豐富，也使得崇州市整體的水資源利用狀況較好。同時，崇州地區(qū)水資源可持續(xù)發(fā)展還存在部分突出問題。崇州地區(qū)農(nóng)業(yè)用水占總用水比重過大，且生態(tài)環(huán)境用水量過少，水資源整體利用效率受到影響，不利于生態(tài)環(huán)境的維護與改善。從長遠發(fā)展來看，崇州市應適度發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，適度調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構，發(fā)展節(jié)水型產(chǎn)業(yè)。由耗水型的經(jīng)濟結構向節(jié)水型的經(jīng)濟結構轉(zhuǎn)變。

4 結論

本文采用AHP-模糊綜合評價方法對崇州市水資源可持續(xù)利用情況進行評價。在評價過程中首先采用層次分析法確定指標權重，使評估在主觀和客觀上相互協(xié)調(diào)，然后借用了模糊數(shù)學的概念，使得評價指標的模糊性概念得以用具體數(shù)值量化，這是該方法優(yōu)于其他評價方法的主要特點。評價結果表明，崇州市水資源在水平年內(nèi)可持續(xù)利用狀況良好，評價等級處于中等（V2）水平。AHP-模糊綜合評價方法有較強的分類功能，并且評價結果與實際情況較為吻合，反映出該方法具有較強適用性和較強的實用價值，評價結果對于崇州市水資源的可持續(xù)利用具有一定的指導性意義。影響水資源可持續(xù)發(fā)展的因素不斷變化，因此，我們需要不斷探索，不斷研究，以得出一個合理的、科學的評價體系，為可持續(xù)發(fā)展提供可靠的依據(jù)和保障。

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TV213.9

A

1672-2469（2017）02-0056-06

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.019

2016-09-06

國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）資助項目（2013CB036401）

劉旻青（1994年—），女，本科生在讀。