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）

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發展的潛力。由評價結果得出崇州市水資源可持續利用綜合評價的結果處于中等水平，水資源可持續利用狀況良好。

AHP；模糊綜合評價法；水資源可持續發展

水，自古以來都是十分重要的自然資源，尤其在經濟飛速發展的今天，人類社會面臨著人口、資源、環境三大問題，這三個問題都與水資源息息相關。在經濟粗放式發展的大背景下，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現解決，會嚴重制約這個城市的經濟可持續發展。因此，我們需要正確判斷一個地區水資源開發利用狀況，采取系統分析的方法，綜合考慮水資源與社會經濟發展諸因素關系，進行多指標體系的綜合評價。研究區域水資源問題的分析方法較多，國內學者多數采用投影尋蹤模型［8］、 灰色聚類分析法［1］、層次分析法、模糊數學法等綜合評價方法。分析評價一個區域是否屬于缺水，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水資源可持續發展潛力，科學的決策該區域工農業生產發展和水資源工程規劃，為水資源的合理開發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境安全［1］、 海島深層地下淡水開發潛力［5］等方面的問題。

1 崇州水資源現狀介紹

崇州市坐落于岷江中上游川西平原西部，位于東經103°07′～103°49′、北緯30°30′～30°53′之間。2014年末，全市戶籍總人口669857人，全市常住人口66.38萬人。全市面積1090km2，其中平壩區占總面積的52%，山區占總面積的43%，丘陵區占總面積的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180多條大小支流相聯結，在崇州市構成水道網，至新津縣境內匯入岷江。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。農業生產可利用水量為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，可供養殖的水面為253.8hm2。尚有可開發水面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）把復雜的系統分解為若干子系統.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發展遞階層次表

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數值見表7。

表7 隨機性指標RI數值

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發展對人均用水量（P21）也較敏感，隨著城市建設力度的加大和人民生活水平、質量的提高，人均用水量增加，應加強水利設施建設及節水設施的改進。其他指標權重大小依次為人均GDP（P23）、耕地百分比（P27）、漁牧業用水占農業用水的比例（P28）、生態環境用水量（P32）、地下水資源開發利用率（P13）、人口自然增長率（P22）、工業單位產值耗水量（P24）、工業用水重復利用率（P25）、灌溉水有效利用系數（P26）、污水處理程度（P31）、植被覆蓋程度（P33）。提高工業、農業及第三產業水資源重復利用率，提高灌溉技術，實現單位產值耗水量最大對崇州市水資源可持續發展有重要作用。同時，人口自然增長率對其影響也較大。提高人們節水意識，控制人口適度增長對崇州市可持續發展有利。符合可持續發展理論：“滿足人的需求是可持續發展的核心。”

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發展力的各個因素進行單因素評價的基礎上，利用模糊數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發展力作出多因素綜合評價，以此來分析區域水資源可持續發展狀況?？蔀楫數厮Y源的合理利用及可持續發展提供參考依據。

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

據崇州市的實際情況，參考大量文獻和國家相關標準，根據指標的可持續發展能力，劃分為“較好V1”（表示水資源可持續發展能力較好，潛力較大）“一般 V2”（表示水資源可持續發展能力介于V1、V3之間，有一定潛力）“較差V3”（表示水資源可持續發展能力較差，潛力較差，基本不具備源可持續發展力）三個等級。為了定量的反映各級因素對于水資源可持續發展潛力的影響程度，對 V1，V2和V3進行0～1之間的評分，a1=0.95，a2= 0.5，a3=0.05，數值越高，表明崇州市水資源可持續發展潛力越大。詳見表10。

3.3 評價指標的隸屬度確定

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

表10 崇州市水資源可持續利用水平評價分級標準

根據構造的隸屬函數，計算各個指標對應于各級的隸屬度，如表11所示。

根據上述A和B的矩陣，可將B=A◎R按普通矩陣計算規即可求出水資源可持續發展潛力的最終評判結果的矩陣。

表11 崇州市水資源可持續發展潛力評價指標隸屬度

3.4 評價結果確定

根據V1，V2和 V3指標所對應的評分值 a1、a2、a3，即可求出區域水資源可持續發展潛力的綜合評判值，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，水資源可持續發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發展的能力分級的模糊隸屬度。B值中系數較大者則代表水資源可持續發展的能力屬于該級的評價較高。

表12 崇州市水資源可持續發展潛力綜合評價成果

根據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利用綜合評價結果處于中等水平，水資源開發利用已具有相當規模，仍有一定開發利用的潛力。這說明崇州市水資源可持續利用狀況良好。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，崇州地區水資源可持續發展還存在部分突出問題。崇州地區農業用水占總用水比重過大，且生態環境用水量過少，水資源整體利用效率受到影響，不利于生態環境的維護與改善。從長遠發展來看，崇州市應適度發展節水農業，適度調整產業結構，發展節水型產業。由耗水型的經濟結構向節水型的經濟結構轉變。

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調，然后借用了模糊數學的概念，使得評價指標的模糊性概念得以用具體數值量化，這是該方法優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可持續利用狀況良好，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利用具有一定的指導性意義。影響水資源可持續發展的因素不斷變化，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，為可持續發展提供可靠的依據和保障。

［1］竇培謙.城市環境安全模糊綜合評價方法研究［J］.中國環境管理，2016（02）：89-93.

［2］李俊曉，李朝奎，羅淑華，陳果.基于AHP-模糊綜合評價方法的泉州市水資源可持續利用評價［J］.水土保持通報，2015（01）：210-214+286.

［3］王海亮，楊永紅，張穎.基于模糊層次分析法的水資源承載力研究［J］.水科學與工程技術，2014（03）：16-20.

［4］單科，王銳浩，黃鵬飛，初喜章.基于模糊綜合評價法的海島深層地下淡水開發潛力評價［J］.海洋通報，2014（06）：624-629.

［5］武榮，李援農.基于層次分析法的水資源安全模糊綜合評價模型及其應用［J］.水資源與水工程學報，2013（04）：139-144 +150.

［6］馬艷.基于AHP的西安市水資源可持續開發利用模糊綜合評價［D］.長安大學，2008.

［7］陳雪，石培基，盧生，王新敏，聶曉英.張掖城市規劃的水資源承載力評價［J］.資源開發與市場，2014（12）：1478-1480 +1520.

［8］鄺遠華，汪麗娜，胡建文，陳曉宏，劉丙軍.佛山市水資源可持續利用的綜合評價［J］.水文，2015（06）：30-36.

［9］陳琳，鄒添丞，石杰，王子豪，潘楚昕.基于層次分析法的成都市水安全評價［J］.南水北調與水利科技，2013（04）：41-45.

［10］梁興軍，鄭昭佩，周慧，王文華.基于層次分析法的陜西省水資源安全評價［J］.魯東大學學報（自然科學版），2014（02）：162-166.

［11］溫淑瑤，馬占青，周之豪，馬毅杰.層次分析法在區域湖泊水資源可持續發展評價中的應用［J］.長江流域資源與環境，2000（02）：196-201.

［12］程玉慧，謝金榮.層次分析法在區域水資源綜合評價上的應用［J］.海河水利，1992（04）：21-25.

［13］楊艷娟，李春光.基于層次分析法的寧夏水資源安全綜合評價［J］.寧夏工程技術，2013（02）：101-103.

［14］王好芳，董增川.區域水資源可持續開發評價的層次分析法［J］.水力發電，2002（07）：12-14+76.

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展計劃（973計劃）資助項目（2013CB036401）

劉旻青（1994年—），女，本科生在讀。