陳竹青汪躍軍王位鑫

淮河蚌埠閘上枯水期供水安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究

陳竹青1汪躍軍1王位鑫2

一、供水安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.建立原則

供水安全評(píng)價(jià)的核心問題，是制定科學(xué)、客觀、合理、盡可能全面反映影響系統(tǒng)安全因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。其分析和判斷原則包括目的性、科學(xué)性、系統(tǒng)性、可操作性、時(shí)效性、突出性、可比性、定性與定量。

指標(biāo)體系設(shè)立的目的性決定了指標(biāo)體系的設(shè)計(jì)必須符合科學(xué)性的原則，而科學(xué)性原則又要通過系統(tǒng)性來體現(xiàn)。在滿足系統(tǒng)性原則之后，還必須滿足可操作性以及時(shí)效性的原則。這兩條原則決定了指標(biāo)體系設(shè)計(jì)應(yīng)遵循政令性和突出性原則，此外，可操作性原則還決定了指標(biāo)體系必須滿足可比性的原則。上述各項(xiàng)原則都要通過定性與定量相結(jié)合的原則才能體現(xiàn)。最后，所有上述各項(xiàng)原則皆由評(píng)價(jià)的目的性所決定，并以目的性原則為前提。指標(biāo)體系的建立原則間關(guān)系如圖1。

2.建立方法

科學(xué)、合理的供水安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立，一般經(jīng)歷兩個(gè)階段。

第一階段：從分析各種因素指標(biāo)體系入手，對(duì)評(píng)價(jià)方案做出條理清晰、層次分明的系統(tǒng)分析；從整體最優(yōu)原則出發(fā)，考慮局部服從整體、宏觀結(jié)合微觀、遠(yuǎn)期結(jié)合近期，并綜合多種因素確定評(píng)價(jià)方案的總目標(biāo)；對(duì)目標(biāo)按其構(gòu)成要素之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行分解，形成系統(tǒng)完整的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

第二階段：綜合運(yùn)用頻度統(tǒng)計(jì)法、理論分析法、專家咨詢法、主成分分析法等指標(biāo)篩選方法，使評(píng)價(jià)指標(biāo)滿足指標(biāo)體系建立的原則。

3.指標(biāo)體系

水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取是進(jìn)行水資源承載力評(píng)價(jià)中的關(guān)鍵問題。區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取，關(guān)鍵在于選擇合理的指標(biāo)來綜合反映區(qū)域“社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—環(huán)境”的發(fā)展規(guī)模和質(zhì)量。影響水資源承載力的因素很多，具體涉及到到供水安全方面，主要考慮水量、水質(zhì)、水環(huán)境承載力、抗風(fēng)險(xiǎn)能力四個(gè)方面。

綜合以上因素考慮，結(jié)合淮河流域工農(nóng)業(yè)供水現(xiàn)狀等運(yùn)用頻度分析法、專家咨詢法等篩選出區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系見表4。該指標(biāo)體系包括三個(gè)層次，即目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。

其中目標(biāo)層即評(píng)價(jià)目標(biāo)為保證供水安全，準(zhǔn)則層指評(píng)價(jià)的準(zhǔn)則或者角度，這里從供水條件及潛力、實(shí)際供水保障、生態(tài)環(huán)境保障和抗風(fēng)險(xiǎn)能力四個(gè)方面來綜合評(píng)價(jià)供水安全。

圖1　指標(biāo)體系建立原則關(guān)系圖

二、基于AHP構(gòu)權(quán)的多層次綜合模糊評(píng)價(jià)模型

本次評(píng)價(jià)將層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)兩者結(jié)合，采用基于AHP構(gòu)權(quán)的多層次綜合模糊評(píng)價(jià)模型。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process簡(jiǎn)稱AHP）是將決策問題按總目標(biāo)、各層子目標(biāo)、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則直至具體的備投方案的順序分解為不同的層次結(jié)構(gòu)，然后得用求解判斷矩陣特征向量的辦法，求得每一層次的各元素對(duì)上一層次某元素的優(yōu)先權(quán)重，最后再加權(quán)和的方法遞階歸并各備擇方案對(duì)總目標(biāo)的最終權(quán)重，此最終權(quán)重最大者即為最優(yōu)方案。

模糊綜合評(píng)價(jià)的基本思想是利用模糊線性變換原理和最大隸屬度原則，考慮與被評(píng)價(jià)事物相關(guān)的各個(gè)因素，對(duì)其作出合理的綜合評(píng)價(jià)。當(dāng)影響因素集合U的元素較多時(shí)，每個(gè)因素的重要程度系數(shù)也就相應(yīng)減小，這時(shí)系統(tǒng)中事物之間的優(yōu)劣次序往往難以分開，僅由一級(jí)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)往往顯得比較粗糙，不能很好地反映事物的本質(zhì)，從而無法得出有意義的評(píng)價(jià)結(jié)果。對(duì)于這種情形，可以把因素集合U中的元素按某些屬性分成幾個(gè)子系統(tǒng)，先對(duì)每一個(gè)子系統(tǒng)作綜合評(píng)價(jià)，然后對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行“類”元素的高層次的綜合評(píng)價(jià)。

基于AHP構(gòu)權(quán)的多層次模糊綜合評(píng)價(jià)模型是在多層次模糊綜合評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用AHP對(duì)影響水資源承載力的各個(gè)因素按層次賦權(quán)。模糊綜合評(píng)價(jià)的各個(gè)因素集就是AHP的準(zhǔn)則層及各準(zhǔn)則下的指標(biāo)層。

1.因素集的劃分及評(píng)語集的建立

在綜合分析水資源承載力系統(tǒng)及其影響因素后，根據(jù)前面選取的指標(biāo)體系，將因素集劃分為：

其中，

本研究借鑒已有研究成果和一些專家建議，將上述因素對(duì)供水安全影響程度劃分為5個(gè)等級(jí)，每個(gè)因素各等級(jí)的數(shù)量指標(biāo)見表1。

表1　指標(biāo)等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)

其中，V1級(jí)表示狀況很差，供水現(xiàn)狀極不安全，進(jìn)一步開發(fā)潛力較小，如果按照原定社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方案繼續(xù)發(fā)展將會(huì)發(fā)生水資源短缺現(xiàn)象，水資源將成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸因素，應(yīng)采取相應(yīng)的對(duì)策和措施；V5級(jí)屬情況很好級(jí)別，表示本區(qū)供水現(xiàn)狀極安全，水資源仍有較大的承載能力，水資源利用程度、發(fā)展規(guī)模都較小，水資源能夠滿足研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的需求；V3級(jí)介于V1級(jí)和V5級(jí)之間，這一級(jí)別表明研究區(qū)供水安全級(jí)別一般，介于安全與不安全的臨界狀態(tài)，水資源供給、開發(fā)、利用已有相當(dāng)規(guī)模，但仍有一定的開發(fā)利用潛力，如果對(duì)水資源加以合理利用，注重節(jié)約保護(hù)，研究區(qū)內(nèi)水資源在一定程度上可以滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。V2和V4分別介于V1V3和V3V5之間，表示供不安全和安全的狀態(tài)。

表2　目標(biāo)層總判斷矩陣

表3　指標(biāo)的正負(fù)性

為了定量地反映各級(jí)因素對(duì)水資源承載能力的影響程度，對(duì)Vl、V2、V3、V4、V5進(jìn)行-2到2間評(píng)分，值越大表示越安全。其中V1=-2表示極不安全狀態(tài)；V2=-1表示不安全狀態(tài)；V3=0表示介于安全和不安全之間的臨界狀態(tài)；V4=1表示安全狀態(tài)；V5=2表示極安全狀態(tài)。

2.AHP法確定水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)選取的指標(biāo)體系，采用AHP方法，建立各指標(biāo)相應(yīng)的判斷矩陣。其中目標(biāo)層的總判斷矩陣見表2。

同理可以建立各級(jí)準(zhǔn)則層指標(biāo)的判斷矩陣，求得相應(yīng)單排序向量，并對(duì)各判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，如果不滿足一致性要求，則重新建立判斷矩陣直到滿足檢驗(yàn)，最后得到承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)的最終權(quán)重，即總排序。

3.隸屬函數(shù)的建立

隸屬函數(shù)的建立必須考慮各單項(xiàng)指標(biāo)的變化規(guī)律。由于指標(biāo)數(shù)量多，因此對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分類。在分類中，定義單項(xiàng)指標(biāo)與上一層指標(biāo)變化趨勢(shì)一致的指標(biāo)為“正指標(biāo)”，不一致的為“負(fù)指標(biāo)”，各個(gè)指標(biāo)的正負(fù)見表3。

各指標(biāo)對(duì)應(yīng)各評(píng)語論域的值可以根據(jù)該指標(biāo)的實(shí)際值對(duì)照各評(píng)價(jià)因素的分級(jí)值獲得。為了消除各等級(jí)之間數(shù)值相差不大，而評(píng)價(jià)等級(jí)相差一級(jí)的跳躍現(xiàn)象，必須對(duì)其進(jìn)行模糊化處理，使隸屬函數(shù)在各級(jí)之間平滑過渡。計(jì)算隸屬度時(shí)，令正效應(yīng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)集V=[V1V2V3V4V5]，負(fù)效應(yīng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)集V=[V5V4 V3V2V1]，另外，k1，k3，k5，k7分別為V1，V2，V3，V4，V5的臨界值。k2，k4，k6分別為V2，V3，V4的中點(diǎn)，如圖2。

圖2　隸屬公式參數(shù)分布示意圖

4.指標(biāo)權(quán)重的確定

（1）建立判斷矩陣

采用專家打分法分別對(duì)4個(gè)準(zhǔn)則層及其內(nèi)部的指標(biāo)進(jìn)行打分，請(qǐng)6位專家按照九級(jí)標(biāo)度法為四個(gè)準(zhǔn)則層和對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)則層內(nèi)部指標(biāo)進(jìn)行9級(jí)標(biāo)度打分，然后對(duì)不同專家的意見進(jìn)行人為賦權(quán)，綜合各位專家意見后即可以得到初步的判斷矩陣，得到初步的判斷矩陣后再進(jìn)行一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。如果通過則可以使用，如果不能通過則返回調(diào)整不同專家的賦權(quán)，直到通過一致性檢驗(yàn)為止。

（2）確定各層指標(biāo)權(quán)重

求出各層判斷矩陣其最大特征值，及其所對(duì)應(yīng)的特征向量，歸一化后，即為該層次指標(biāo)對(duì)于上一層次某相關(guān)指標(biāo)的相對(duì)重要性權(quán)值。對(duì)于準(zhǔn)則層，可以求得：

d=（4.1294-0.0166+0.7353i-0.0166 -0.7353i-0.0962）

Wa=（0.4723 0.3165 0.1208 0.0904）

其中，d為準(zhǔn)則層判斷矩陣各特征值所組成向量，可知準(zhǔn)則層判斷矩陣最大特征值為4.1294，其對(duì)應(yīng)的特征向量經(jīng)歸一化處理后所得到的Wa=（0.4723 0.3165 0.1208 0.0904）即為準(zhǔn)則層A、B、C、D四個(gè)準(zhǔn)則對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重。

同理可以求得指標(biāo)層中各個(gè)指標(biāo)對(duì)于相應(yīng)的準(zhǔn)則層的權(quán)重，將其分別與對(duì)應(yīng)準(zhǔn)則層權(quán)重相乘即可得到最后的層次總排序，見表4。

表4　指標(biāo)權(quán)重表

5.計(jì)算最終評(píng)價(jià)結(jié)果

（1）模糊加權(quán)變換：

B=ωR

其中，B為模糊綜合評(píng)價(jià)向量，ω為權(quán)重向量，R為隸屬度矩陣。

表5　蚌埠閘以上地區(qū)隸屬度矩陣

表6　蚌埠閘以上地區(qū)供水安全綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

圖3　蚌埠閘以上供水安全綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

（2）按照（1）步驟分別計(jì)算出一、二級(jí)隸屬度加權(quán)矩陣后，分別計(jì)算相應(yīng)的安全等級(jí)：

L=VB

其中，L為最終安全得分，以-2～2表示，值越大表示越安全；V=[-2 -1012]為評(píng)價(jià)向量。

三、供水安全評(píng)價(jià)

1.枯水期水資源供需態(tài)勢(shì)分析

根據(jù)《河中游枯水期水資源配置及調(diào)度研究》成果，淮河蚌埠閘以上區(qū)域枯水期水資源供需態(tài)勢(shì)如下：

（1）已發(fā)生的典型受旱年，蚌埠閘上區(qū)域均缺水，其中秋季缺水比午季缺水嚴(yán)重，主要原因是秋季水稻灌溉的水量比較大，其中上橋樞紐在干旱年份從淮河抽水到茨淮新河灌溉占了相當(dāng)大的比重。蚌埠閘上區(qū)域在受旱典型年平均缺水量為5.46億m3，年最大缺水量為1978年10.5億m3，最小缺水量為2000年2.7億m3。逐月最大缺水量為2001年7月的4.34億m3，最小缺水量為2000年4月的640萬m3。

（2）通過對(duì)不同年型需水缺水態(tài)勢(shì)分析，王蚌區(qū)間連續(xù)3個(gè)月枯水期現(xiàn)狀水平年20%、50%、95%和95%保證率下的缺水量分別為0億m3、0.209億m3、 1.265億m3和2.22億m3，連續(xù)5個(gè)月枯水期現(xiàn)狀水平年20%、50%、95%和95%保證率下的缺水量分別為0億m3、0.399億m3、2.415億m3和4.242億m3。

淮河蚌埠閘上區(qū)域是淮河流域地表水用水集中的地區(qū)之一，是淮南煤礦和火力發(fā)電基地，淮南和蚌埠兩市城鎮(zhèn)生活、工業(yè)生產(chǎn)以及沿淮農(nóng)業(yè)灌溉的主要取水水源，閘上供水對(duì)安徽沿淮淮北地區(qū)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有巨大作用。針對(duì)該區(qū)段水資源的天然時(shí)空分布、用水競(jìng)爭(zhēng)以及水資源不合理開發(fā)利用引起的生態(tài)環(huán)境問題，開展供水安全綜合評(píng)價(jià)。

2.計(jì)算隸屬度

根據(jù)本文提出的隸屬函數(shù)建立方法，推求蚌埠閘以上地區(qū)隸屬度矩陣，計(jì)算結(jié)果見表5。

3.評(píng)價(jià)結(jié)果

將權(quán)重與隸屬度矩陣相乘后得到各層的最終評(píng)價(jià)得分，見表6。

由表6、圖3可以看出，蚌埠閘以上地區(qū)供水安全綜合評(píng)價(jià)得分為-0.17分，略低于一般水平，總體來看水資源狀況良好。在四個(gè)準(zhǔn)則層中，實(shí)際供水保障得分最高，為0.4294分，超過一般水平，而生態(tài)環(huán)境保障及抗風(fēng)險(xiǎn)能力得分都低于-1分，處于不安全與極不安全之間，其中抗風(fēng)險(xiǎn)能力得分最低，接近-1.5分。

四、結(jié)論

本文以淮河蚌埠閘上區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，綜合指標(biāo)體系建立的原則及方法兩方面因素，建立以保證供水安全為目標(biāo)層，供水條件及潛力、實(shí)際供水保障、生態(tài)環(huán)境保障和抗風(fēng)險(xiǎn)能力為準(zhǔn)則層的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，基于AHP構(gòu)權(quán)的多層次綜合模糊評(píng)價(jià)模型，開展淮河中游枯水期供水安全評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明：蚌埠閘以上地區(qū)供水充足，水資源總量及過境水量充足，但是由于水資源時(shí)空分配不均，所以在特枯年缺水情勢(shì)嚴(yán)峻，抗風(fēng)險(xiǎn)能力不足，同時(shí)存著在對(duì)生態(tài)環(huán)境保障措施不足的問題，影響地區(qū)供水安全及水資源的可持續(xù)利用

（作者單位：1.淮河水利委員會(huì)水文局（信息中心）2330012.水利部水文局（信息中心）100053）