李 騰， 李 博,3， 屈 偉， 楚靖巖， 羅玉嵐， 劉 磊

(1.貴州大學(xué) 喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 貴州 貴陽 550025； 2.貴州大學(xué) 國土資源部喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)， 貴州 貴陽 550025； 3.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 貴州 貴陽 550025；4.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 道路與橋梁工程系， 貴州 貴陽 550025； 5.河南省煤田地質(zhì)局 河南省自然資源科技創(chuàng)新中心(水土環(huán)境修復(fù)研究)， 河南 鄭州 450016)

1 研究背景

西南地區(qū)作為我國典型巖溶發(fā)育區(qū)，水資源雖然豐富，但特殊的水文地質(zhì)條件導(dǎo)致水資源開發(fā)難度大、利用程度低。而貴州省位于西南喀斯特地貌中心，巖溶極為發(fā)育，溝谷縱橫，水資源開采難，成本高這一特點(diǎn)更加凸顯。所以，水資源利用效率的提高顯得極為重要。

目前對(duì)水資源利用效率評(píng)價(jià)的研究已經(jīng)取得了大量的成果，其中常用方法有水足跡[1-4]、生態(tài)足跡[5-8]、層次分析法[9-12]、熵權(quán)法[13-15]，也有學(xué)者通過量化相關(guān)水資源指標(biāo)，利用數(shù)學(xué)方法或多目標(biāo)規(guī)劃對(duì)水資源的可持續(xù)利用進(jìn)行評(píng)價(jià)，例如：陳璇璇等[16]選取用水條件、用水情況和社會(huì)經(jīng)濟(jì)為指標(biāo)，采用超效率DEA模型對(duì)晉陜兩省21個(gè)地區(qū)的水資源利用效率進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示，可通過調(diào)整水量配置和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提升水資源的轉(zhuǎn)化效率；劉俊國等[17]提出以“水量-水質(zhì)-生態(tài)”三維模式評(píng)價(jià)體系對(duì)水資源短缺進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在有針對(duì)性地制定水資源應(yīng)對(duì)策略，對(duì)水資源進(jìn)行綜合有效的管理；Li等[18]從供水安全、社會(huì)安全、經(jīng)濟(jì)安全和生態(tài)安全等角度建立安全評(píng)價(jià)指標(biāo)和等級(jí)，采用分析網(wǎng)絡(luò)法和灰色關(guān)聯(lián)分析建立水資源安全評(píng)價(jià)模型對(duì)貴州省水資源安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示，該區(qū)水資源屬于相對(duì)安全狀態(tài)；陳午等[19]基于改進(jìn)序關(guān)系法來確定指標(biāo)權(quán)重，淘汰一致性檢驗(yàn)差的指標(biāo)排序，利用相鄰指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差比值確定指標(biāo)間的重要性比率，使組合權(quán)重體現(xiàn)專家意見和指標(biāo)數(shù)據(jù)信息，主客觀權(quán)重分配的問題也得到了較好的解決。王麗珍等[20]鑒于復(fù)雜水資源系統(tǒng)中的不確定性及相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，引入可靠性、彈性和脆弱性3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)性指標(biāo)來綜合表征水資源系統(tǒng)的可持續(xù)性，最后加權(quán)求和計(jì)算區(qū)域水資源可持續(xù)性指數(shù)，結(jié)果表明，1989-2008年的北京市水資源系統(tǒng)可持續(xù)性一直處于上升趨勢(shì)，但仍存在一些相對(duì)劣勢(shì)指標(biāo)需要進(jìn)一步改善。

前述方法大多基于客觀數(shù)據(jù)分析，或依據(jù)人類主觀經(jīng)驗(yàn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，存在一定程度的模糊性。為進(jìn)一步評(píng)價(jià)水資源利用效率，本文提出基于超效率數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(super-efficiency data envelopment analysis，SE-DEA)和區(qū)間層次分析(interval analysis hierarchy process，IAHP)方法的水資源可持續(xù)利用效率評(píng)價(jià)模型SE-DEA-IAHP，該方法融入了SE-DEA，可真實(shí)反映各項(xiàng)水資源利用效率的客觀性，又結(jié)合了IAHP對(duì)各目標(biāo)層重要程度的主觀經(jīng)驗(yàn)性，旨在將主、客觀因素相結(jié)合，綜合而全面地對(duì)水資源可持續(xù)利用效率做出合理評(píng)價(jià)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

貴州省位于西南內(nèi)陸，是西南地區(qū)交通樞紐、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的重要組成部分。其地理位置界于北緯24°37′～29°13′，東經(jīng)103°36′～109°35′，境內(nèi)地勢(shì)西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，在巖性上以碳酸鹽巖廣布、喀斯特地貌發(fā)育為特征，雖地跨長(zhǎng)江和珠江兩大水系，但特殊的水文地質(zhì)條件導(dǎo)致該地區(qū)水資源開采難度大，作為巖溶區(qū)的典型代表，合理有效地提高水資源利用效率，不僅是保持該地區(qū)水資源良性發(fā)展的前提，也是保障該地區(qū)長(zhǎng)久持續(xù)發(fā)展的基本要?jiǎng)?wù)。貴州省行政分區(qū)如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文選取2015-2019年貴州省水資源利用狀況作為評(píng)價(jià)對(duì)象。數(shù)據(jù)來源于2015-2019年《貴州省統(tǒng)計(jì)年鑒》和《貴州省水資源公報(bào)》。

2.3 研究方法

2.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建 水資源可持續(xù)利用效率評(píng)價(jià)是一個(gè)涉及多水平指標(biāo)的有機(jī)集合體，其體系構(gòu)建遵循科學(xué)性、可持續(xù)性、多水平、動(dòng)態(tài)性、可量性等原則。在IAHP的基礎(chǔ)上，結(jié)合SE-DEA模型的多投入與多產(chǎn)出特點(diǎn)，本文擬從水資源利用、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)3個(gè)方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，具體指標(biāo)如圖2所示。

2.3.2 SE-DEA模型 1978年，Charnes、Cooper、Rhodes等提出了DEA方法，該方法使用數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，旨在評(píng)價(jià)“多投入多產(chǎn)出”模式下決策單元間的相對(duì)有效性。其中CCR(Charnes-Cooper-Rhodes)模型是DEA中使用較為廣泛的模型之一。

但在實(shí)際的應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，在利用CCR模型評(píng)價(jià)多個(gè)決策單元時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)決策單元同時(shí)有效的情況，故不能進(jìn)一步對(duì)決策單元做出有效判斷。為解決這一缺點(diǎn)，Nersen等在20世紀(jì)末提出了一種CCR模型的改進(jìn)模型，即SE-DEA模型[21-22]，從而有效解決了CCR模型中的同時(shí)有效性問題，避免了不能對(duì)多個(gè)有效單元做出進(jìn)一步評(píng)價(jià)和比較的缺點(diǎn), 使有效決策單元的效率值能夠進(jìn)行比較、排序。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(1)

(2)

(3)

圖2 水資源可持續(xù)利用效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3.3 區(qū)間層次分析法 區(qū)間層次分析法 (簡(jiǎn)稱IAHP) 是在層次分析法 (簡(jiǎn)稱AHP) 的基礎(chǔ)上進(jìn)行了延伸與改進(jìn)，兩者的基本思想內(nèi)涵是統(tǒng)一的。IAHP與傳統(tǒng)AHP的區(qū)別在于其采用一個(gè)區(qū)間數(shù)而非單一值來判別兩個(gè)因素對(duì)總體目標(biāo)的重要程度，有效弱化了決策者因信息掌握不全而使用單一值評(píng)價(jià)時(shí)的不合理性及主觀性，其構(gòu)造的區(qū)間數(shù)列矩陣能更加準(zhǔn)確、相對(duì)客觀地反映決策者的經(jīng)驗(yàn)性，并合理地反映判斷的模糊性，給實(shí)際使用者提供了一個(gè)較為合理的判斷空間[23-24]。但無論是AHP還是IAHP均在一定程度上依賴于決策者的主觀判斷，這一問題還需要在以后的應(yīng)用過程中不斷改進(jìn)。

(4)

(5)

根據(jù)計(jì)算得出的α、β值，由公式(6)即可得出區(qū)間矩陣的權(quán)重向量w。

w=[αX+,βX-]

(6)

2.3.4 基于SE-DEA-IAHP的水資源可持續(xù)利用效率評(píng)價(jià)模型 根據(jù)前述介紹可以清楚地了解到SE-DEA模型是一種非參數(shù)的線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，決策者根據(jù)實(shí)際情況選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)量化后直接輸入模型便可得到需要的輸出結(jié)果，不受人為的主觀影響，決策者只需要根據(jù)輸出結(jié)果對(duì)有效單元進(jìn)行比較和排序。而IAHP在評(píng)價(jià)方面采用區(qū)間數(shù)代替AHP中的單一值，雖然在一定程度上弱化了決策者由于對(duì)實(shí)際環(huán)境以及先決條件沒有明確而產(chǎn)生的模糊性和不確定性，但I(xiàn)AHP畢竟是一種非定量的人為主觀評(píng)價(jià)方法，其判斷主要還是依賴決策者的經(jīng)驗(yàn)。本文擬將SE-DEA模型的客觀性與IAHP方法的主觀性進(jìn)行融合，利用SE-DEA模型的超效率值和IAHP的權(quán)重根據(jù)公式(7)計(jì)算總效率值。

(7)

3 結(jié)果與分析

本文從水資源利用、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境3個(gè)方面對(duì)2015-2019年貴州省水資源利用效率進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體指標(biāo)體系及原始數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)給出的SE-DEA模型，分別對(duì)水資源利用、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境3個(gè)一級(jí)指標(biāo)下的輸入、輸出數(shù)據(jù)使用軟件MATLAB進(jìn)行超效率數(shù)據(jù)包絡(luò)分析，具體結(jié)果見表2。

表1 2015-2019年貴州省水資源評(píng)價(jià)系統(tǒng)及原始指標(biāo)數(shù)據(jù)

表2 SE-DEA模型效率值分析結(jié)果

根據(jù)前述IAHP計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的方法與步驟，在廣泛聽取相關(guān)專家的建議和意見后，根據(jù)薩迪標(biāo)度構(gòu)建水資源利用效率的一級(jí)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的區(qū)間判斷矩陣，如表3所示；在構(gòu)造的區(qū)間數(shù)矩陣基礎(chǔ)上，按前述方法計(jì)算得出IAHP的α=0.908 5、β=1.078 9、X-=(0.350 8,0.506 9,0.142 3)、X+=(0.349 4,0.510 9,0.132 4)，進(jìn)一步得到水資源利用效率的一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量w=[(0.318 7,0.377 0), (0.460 5,0.559 9),(0.129 3,0.142 8)]T及權(quán)重中值，具體結(jié)果見表4。

表3 水資源利用效率一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣

表4 水資源利用效率的一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)表2中求得的SE-DEA超效率值和表4中3個(gè)一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重中值，利用公式(7)計(jì)算得出水資源利用效率3個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)子系統(tǒng)各年份的總效率值，見表5。

表5 2015-2019年研究區(qū)水資源利用總效率值計(jì)算結(jié)果

4 討 論

從表2中SE-DEA模型效率值分析結(jié)果來看，當(dāng)輸入和輸出指標(biāo)的松弛變量不為0時(shí)，說明輸入資源投入未得到充分利用而產(chǎn)生了水資源浪費(fèi)，或產(chǎn)出不足，水資源未得到充分利用；工業(yè)用水量轉(zhuǎn)化率最優(yōu)，其次為生態(tài)環(huán)境用水量，而農(nóng)業(yè)灌溉用水量利用率最差；從社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面也可以看出，第二產(chǎn)業(yè)的水資源利用率也是相對(duì)較高的，但整體的水資源轉(zhuǎn)化率不理想，利用率不高；從生態(tài)環(huán)境方面可以看出，污水的產(chǎn)出并不理想，說明生產(chǎn)力的發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的負(fù)面影響。

從表4中IAHP權(quán)重值來看，社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的權(quán)重值最大，但其轉(zhuǎn)換效率并不理想，說明近年來隨著貴州省經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，水資源的開發(fā)利用程度也在隨之增大，并產(chǎn)生了一定程度的浪費(fèi)，楊江州等[15]在研究巖溶城市水資源可持續(xù)性評(píng)價(jià)時(shí)也提出GDP比重是影響水資源可持續(xù)利用的主要影響因素。雖然貴州省水資源豐富，但是由于特殊的水文地質(zhì)條件，存在取用難度大、成本高的特點(diǎn)，所以合理科學(xué)地使用水資源，才能使整個(gè)水資源系統(tǒng)取得合理的良性發(fā)展。

從表5中綜合SE-DEA模型效率值與IAHP權(quán)重值所得到的2015-2019年的貴州省水資源利用總效率值來看，各年份水資源利用效率值相當(dāng)，其中最優(yōu)的是2016年，最差的是2017年。具體每一項(xiàng)水資源指標(biāo)的利用效率值可查看表2，以此為參考改善水量配置方式，提高水資源利用效率。

5 結(jié) 論

本文在SE-DEA模型對(duì)效率分析的客觀性基礎(chǔ)之上，融合了區(qū)間層次分析法，采用區(qū)間權(quán)重代替單值權(quán)重，使人為主觀因素在對(duì)各指標(biāo)的重要程度打分時(shí)有更合理的空間，以弱化主觀判斷的不確定性和模糊性。本文所提出的SE-DEA-IAHP模型不僅尊重了客觀實(shí)際數(shù)據(jù)，而且融入了水資源評(píng)價(jià)過程中的人類經(jīng)驗(yàn)，可對(duì)水資源的可持續(xù)發(fā)展做出合理而全面的評(píng)價(jià)，得出主要結(jié)論如下：

(1)從綜合結(jié)果來看，2015-2019年間貴州省水資源利用效率較低，其總效率值在1附近動(dòng)態(tài)變化。

(2)從各一級(jí)指標(biāo)系統(tǒng)來看，社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的IAHP權(quán)重值最大，但SE-DEA轉(zhuǎn)換率并不理想，說明近年來貴州省經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)也產(chǎn)生了一定程度的水資源浪費(fèi)。

(3)考慮到貴州省特殊的巖溶地質(zhì)條件，為了保持水資源的良性循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展，增加相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)管理投入、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)水量配置結(jié)構(gòu)和提高用水技術(shù)手段是必要的。本文僅選取了2015-2019年的數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)對(duì)象，由于數(shù)據(jù)獲取有限、考慮因素不夠全面，評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定程度的局限性，后續(xù)可增加相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，豐富數(shù)據(jù)，完善評(píng)價(jià)體系，使評(píng)價(jià)結(jié)果更為合理，從而更好地為地區(qū)水資源發(fā)展提供參考依據(jù)。