洪水資源化的水權分配模型構建

王建麗

[摘 要]基于多層次多目標模糊優選理論，采用層次分析法對大慶地區洪水資源化過程中的水權進行了分配，得出結論：洪水資源化的水權應較多地用于生態環境用水而非工農業用水，以此來達到資源化洪水的合理配置，促進洪水資源使用的利益最大化。

[關鍵詞]層次分析法；水權分配；大慶地區

[中圖分類號]F062.1 [文獻標識碼]A [文章編號]2095-3283（2015）06-0074-06

一、資源化水權分配模型

資源化水權的分配是一個復雜的決策問題，涉及到所在地區政治、經濟、社會、環境等多方面的因素，同時影響這些因素的指標又有很多，故可采用多層次多目標模糊優選方法來分配水權。

（一）用層次分析法計算各指標權重

1.層次分析法的概念

層析分析法是美國運籌學家薩蒂于20世紀70年代初提出的一種層次權重決策分析方法，該方法將定量分析與定性分析結合起來，用決策者的經驗判斷各衡量目標能否實現的標準之間的相對重要程度，并合理地給出每個決策方案的每個標準的權數，利用權數求出各方案的優劣次序，比較有效地應用于那些難以用定量方法解決的課題，適用于水權分配模型建立的要求。

2.建立層次結構模型

在對社會經濟各方面系統調查研究的基礎上，將目標準則體系所包含的因素劃分為不同層次，構建梯級層次結構模型。將決策的目標、考慮的因素（決策準則）和決策對象按它們之間的相互關系分為目標層、準則層和方案層，繪出層次結構圖。

（1）構造判斷矩陣

按照層次結構模型，從上到下逐層構造判斷矩陣。每一層元素都以相鄰上一層次各元素為準則，按1～9標度方法構造。表1中所列各級標度，在數值上給出兩元素相對重要程度的等級，根據1～9標度，就可以構造出判斷矩陣A=（aij）n×n。

（2）模型的檢驗——進行層次單排序及其一致性檢驗

①根據實際情況，用不同方法求解判斷矩陣的最大特征值和對應的特征向量，經過歸一化處理后，即得層次單排序權重向量。

在層次分析法中，用定義計算判斷矩陣的特征值和特征向量比較麻煩，尤其是在階數比較高的情況。我們注意到，判斷比較矩陣是通過定性比較得到的相對準確的結果，對它的精密計算是沒有必要的，所以用近似計算即可，主要有“和法” “冪法”和“根法”。

因“和法”是其中最簡便、最常用的方法，因此本文采用此法，主要步驟如下：

第一步：先求出判斷矩陣的每一元素每一列的總和；

第二步：求標準判斷矩陣，方法是把判斷矩陣的每一元素除以其相對應列的總和；

第三步：求每個方案的權重，方法是計算標準判斷矩陣的每一行的平均值。

②層次單排序要進行一致性檢驗，檢驗不合格的要修正判斷矩陣，直到符合一致性標準。判斷矩陣一致性檢驗步驟是：

第一步：利用公式CI=λmax-nn-1求出一致性指標，其中λmax為判斷矩陣的最大特征值；

第二步：查表得到平均隨機一致性指標尺RI；

第三步：計算一致性比率CR=CIRI，當C.R.≤0.01時接受判斷矩陣，否則修正判斷矩陣。

（3）模型的檢驗——進行層次總排序及其一致性檢驗

層次總排序是從上到下逐層進行的，設相鄰兩層次中，層次A包含有m個元素A1，…，Am，層次B包含有n個元素B1，…，Bn。上一層元素總排序權重分別為w1，…，wn，下一層次關于上一層次元素Aj的層次單排序權重向量為（bij，…，bnj），層次B的總排序權重計算值中的第i個值為：mj=1wjbij。同樣的，層次總排序的一致性檢驗也是從上到下逐層進行。

（二）用模糊決策理論構造方案層評價矩陣

1.定量指標評價值的確定

對于定量目標，正指標（越大越優型指標）的評價值計算公式為

γij =fij -fimin d（1）

負指標（越小越優型指標）的評價值計算公式為

γij =fi max -fij d（2）

式中：d為級差值，d=fimax-fimin

fij為j決策的第i個指標值，γij為第i個指標對第j個決策的評價值

2.定性目標優屬度確定

當fij為定性指標時，評定值模糊矩陣R可由專家評議確定。可將指標對用水戶的影響分為9個等級，分別為：最大、很大、大、較大、中、較小、小、很小、最小，可按下面表中的賦值標準給出評定值。當指標介于兩個等級之間時，評定值在這兩個等級評定值之間，見表2。

二、水權分配案例研究——以大慶地區為例

（一）可資源化利用的洪水總量分析

大慶地區地處北溫帶大陸性季風氣候區，每年的4—11月均有降水，但主要集中在6、7月份，根據2013年降雨量數據，計算得出當年蓄水量約為4億m3。根據歷史資料，維持各滯洪區合理庫容約需要3億m3的水量。因此去掉維持合理庫容必須的水量，能資源化的洪水總量約為1億m3，即水權分配中可分配水量為1億m3。

（二）水權分配及計算

1.水權分配原則

結合大慶地區實際情況，我們確定大慶地區資源化水權分配的原則有：尊重現狀原則、優先考慮水資源生態需求原則、可持續原則、效率性原則和公平性原則。

2.建立層次結構圖

大慶地區洪水資源化利用的水權分配的層次結構圖（見圖1）。

指標層各指標的解釋如下：

（1）B11用水量：根據用水量來分配水權，尊重、承認和維護各用水戶的用水背景與用水現狀，給予實際用水量較多的用水戶以相應較多的資源化水權。

（2）B12缺水量：根據缺水量來分配資源化水權有利于促進各行業之間的和諧發展。缺水量較大的用水戶，應該給予更多的水權，這樣可以把有限的洪水資源進行高效利用。endprint

（3）B13用水投資額：資源化水權本質上是一種商品水，如果一個用水戶無法承擔相應配額水權的水價，那么這種水權分配就是無效的。對水費預算額較大的用水可給予較多的水權，反之則給予較少的水權，是市場化水權分配方法的要求。

圖1 層析分析法結構圖

（4）B21綠化覆蓋率：城市綠化過程中要大量用到水資源，因此對綠化專門給予一定的水權有利于城市生存環境的改善。

（5）B22土地沙化：該指標作為水權分配的定性指標來對待。對受土地沙化影響較大的用水戶，給予較多的水權，反之給予較少的水權，以此激勵用水戶治理土地沙化。

（6）B23地下漏斗：為激勵地下漏斗的治理，對受地下漏斗影響較大的用水戶給予較多的水權，以此通過人工回灌等方法恢復地下水位。

（7）B24土壤鹽堿化：對受土壤鹽堿化影響較大的用水戶，給予較多的水權，以此激勵用水戶治理土壤鹽堿化。

（8）B25濕地面積：大慶作為“百湖之城”，城中有大量的濕地，其水位補給需要大量的水源。

（9）B26水體污染狀況：對污染嚴重的行業給予較少的水權，對污染較輕或排污工作完成較好的行業給予較多的水權，以此來激勵用水戶重視污染治理問題。

（10）B31萬元產值用水量：對于萬元產值用水量較低的行業給予較多的水權，反之則給予較多的水權，體現效率優先的原則，同時在一定程度上能引導水資源向利用效率高的行業流動。

（11）B32水資源利用率：對水資源利用效率較高的用水戶給予較多的水權，反之則給予較少的水權，以此來激勵用水戶提高水資源利用效率。

（12）B33產業貢獻率：指的是工業、農業及生態等不同產業對經濟增長的貢獻率，為了更好地體現效率原則的要求，對貢獻率較大的產業給予較多的水權，反之則給予較少的水權。

（13）B41最低需水量：該指標對三大用水戶的具體含義有所不同，對工業來講，本文所指的最低用水量是維持油田及石化基本生產需要的用水量；對農業來講，是指維持農田基本灌溉用水所需要的水量；對生態來講，就是維持生態平衡的最低需水量。

不同用水戶的最低需水量不同，對需水量較大的用水戶給予較多的水權，反之則給予較少的水權，有利于維護各用水戶之間的平衡發展，體現了公平原則的要求。

（14）B42水價計價方式：對不同用水戶采取不同的水價計價方式，有利于促進水資源的合理、高效利用，避免水資源的浪費。本文中的水價計價方式被作為一種定性指標來衡量其對不同用水戶間的影響。

（15）B43政策因素：國家政策的頒布與實施對水權分配有較大的影響，例如國家倡導不能以犧牲環境為代價來謀求經濟發展，在水權分配時，就要將適當比例的水權分配到生態用水中，而不是全部分配給經濟用水。

3.指標權重的計算

構造判斷矩陣最重要的就是要確定的值，即確立各個指標之間的相對重要程度，主要是采用向專家咨詢的方法，必要時需成立專家組背靠背打分，綜合專家組的意見確定判斷矩陣的各元素。本文在確定各個指標之間的相對重要程度時，采用向專家和大慶地區防洪工程管理處工作人員咨詢的辦法。

（1）準則層權重的計算

第一，構造準則層判斷矩陣。

第二，采用“規范列平均法”對矩陣B做歸一化處理，得出

第三，對矩陣進行一致性檢驗。

矩陣相乘得BW=0.43651.66851.04900.9821利用公式λmax=1n∑ni=1（BW）iWi

得出最大特征值：λmax=4.1154

利用公式C.I.=λmax-nn-1（其中λmax=4.1154，n=4）

計算得C.I.=0.0384，查表1-3可知R.I.=08931

（3）總排序一致性檢驗

層次總排序一致性檢驗公式為：

C.R.=∑4k=1BkC.I.k∑4k=1BkR.I.k

其中Bk為各準則層的相對權重，C.I.k和R.I.k為各個準則層下一致性檢驗的計算結果，總排序一致性檢驗結果見表6。

經計算得C.I.=0.00498，R.I.=0.80569，C.R.=0.0062<0.1。

故層次總排序通過一致性檢驗，可將Ni j 作為指標的系統權重。

4.構造方案層的評價矩陣

在構造方案層的評價矩陣時，首先把指標分為直接指標和間接指標兩類，直接指標是指該指標權重可以直接歸屬于某一用水戶（本文中直接分給生態用水），而間接指標是指該指標權重需要分配到各用水戶。直接指標不需要再進行評價，而是直接用其層次總排序權重與可分配水量的乘積得出模型分配水權，劃歸到某一特定用

水戶（本文指生態用水）。間接指標采用流域水權分配的方法，分為定量指標和定性指標進行評價。

本研究中的直接指標指B21綠化覆蓋率和B25濕地面積，其余13個指標均為間接指標。直接指標分水量用WIZ表示，間接指標分水量用WIJ表示。

（1）根據直接指標計算生態優先分水量

綠化覆蓋率層次總排序權重N21=0.0918，濕地面積層次總排序權重N25=0.1341，可分配的洪水資源總量WI=1億m3，經過計算得出綠化覆蓋率指標分得的資源化水量為WI·N21=918萬m3，濕地面積指標分得的資源化水量為WI·N25=1341萬m3，如表7所示。

因此，直接指標的總分水量WIZ=918+1341=2259萬m3。

（2）根據間接指標構造方案層評價值模糊矩陣

間接指標一共有13個，其中用水量、缺水量、用水投資額、萬元產值用水量、水資源利用率、產業貢獻率、最低需水量7個指標為定量指標；土地沙化、地下漏斗、土壤鹽堿化、水體污染情況、水價計價方式、政策因素8個為定性指標。endprint

①定量指標評價值的確定

第一：對每個定量指標要做資料收集的工作，以此確定的水量分配判別指標的量化值如表8所示。

資料來源：黑龍江省大慶地區防洪工程資料匯編，中國水資源公報，大慶市2013年統計年鑒。

第二：確定定量指標的正負屬性，根據公式（3.1）和（3.2）計算其評價值。

根據前文對各指標的具體解釋，我們確定“萬元產值用水量”為負指標，其余6個定量指標均為正指標，也就是說用水量越大、缺水量越大、用水投資額越大、萬元產值用水量越少、水資源利用率越高、產業貢獻率越大、最低需水量越大，分配到的水權就越多。計算的結果如表9所示。

②定性指標優屬度確定

每個定性指標需要結合部分已有研究和結合專家咨詢法根據表2中的賦值標準對指標進行打分，根據打分結果得到表10。

根據表6，去掉兩個直接指標的權重（N21和 N25），得到各間接指標的層次總權重排序矩陣：

對直接指標和間接指標結合進行分析得出最終的分水量：

直接指標已經分配的生態水量WIZ=2259萬m3

間接指標可分配的總水量為：WIJ=WI-WIZ=7741萬m3

根據公式（1.3）各用水戶的分水量為：WI1=WIJ·e1=3097.31萬m3

三、結論

表11的計算結果表明：大慶地區資源化的洪水應主要用于補給生態環境，其次可以用來支持工農業發展，這是可持續發展戰略的要求，有利于改善當地的生態環境，緩解已有的生態環境問題。

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（責任編輯：郭麗春）endprint