基于協(xié)商定權(quán)的流域用水水平組合評(píng)價(jià)

惠 蕾，梁 曦

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

1 研究背景

用水水平評(píng)價(jià)是一個(gè)多層次多指標(biāo)的系統(tǒng)整體分析評(píng)價(jià)問題，用于測(cè)評(píng)的指標(biāo)多且關(guān)系復(fù)雜；用水水平又是水資源高效利用的主要表征之一，把握流域的用水情況，對(duì)流域綜合用水水平進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)，有利于了解流域發(fā)展與用水需求之間的矛盾，從而從用水方加強(qiáng)管理，改善流域用水結(jié)構(gòu)和用水方案，提高水資源利用效率，促進(jìn)流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和區(qū)域生態(tài)環(huán)境良好循環(huán)，保障節(jié)水型社會(huì)的建立。當(dāng)前采用的用水水平的評(píng)價(jià)有多層次灰色關(guān)聯(lián)綜合評(píng)價(jià)方法[1]、物元模型[2]、屬性識(shí)別模型[3]、層次分析法（AHP）[4]、集對(duì)分析[5]、模糊綜合評(píng)價(jià)[6]等多種單一的評(píng)價(jià)方法。層次分析法是常用的一種主觀評(píng)價(jià)方法，評(píng)價(jià)模型以人的主觀判斷作為賦權(quán)基礎(chǔ)，主觀因素太多；熵權(quán)系數(shù)法評(píng)價(jià)模型中，消除了人為確定權(quán)重的主觀誤差，各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重由樣本數(shù)據(jù)計(jì)算得到，但僅單純地反映客觀。對(duì)同一評(píng)價(jià)問題，每一種單一評(píng)價(jià)方法都只是從某種角度對(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象做出綜合評(píng)價(jià)，存在不可避免的局限性。因此，本文將采用基于協(xié)商定權(quán)的組合評(píng)價(jià)模型，充分利用層次分析法和熵權(quán)法所提供的信息，將主客觀方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，盡可能地提高評(píng)價(jià)水平，使評(píng)估結(jié)果更為科學(xué)、合理和準(zhǔn)確。

2 協(xié)商定權(quán)理論

由于流域氣候水文特性及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等不同，不同區(qū)域有不同的用水特點(diǎn)，使得用水水平評(píng)價(jià)涉及因素復(fù)雜，評(píng)價(jià)指標(biāo)較多。權(quán)重反映用水水平指標(biāo)的相對(duì)重要程度，一般而言，由于從不同方面考慮，衡量指標(biāo)因素對(duì)用水水平的影響程度會(huì)有差異，指標(biāo)權(quán)重的取值也不盡相同。在單一的主觀評(píng)價(jià)或客觀評(píng)價(jià)的定權(quán)方法中，權(quán)重取值易受到專家的偏好和經(jīng)驗(yàn)等主觀因素影響，使得單人定權(quán)的權(quán)值不符合實(shí)際。為避免這種影響，將主客觀相結(jié)合，可考慮使用群組定權(quán)的方法來結(jié)合大家意見，通過群組定權(quán)方法將個(gè)人的偏好和愛好集結(jié)為群體的偏好和愛好，使權(quán)值科學(xué)、合理[7]。協(xié)商定權(quán)屬于群組定權(quán)中的一種，在定權(quán)者看法不一致或利益沖突時(shí)，各方通過協(xié)商將各指標(biāo)的權(quán)重確定下來[8]，該方法簡(jiǎn)潔方便，本文使用此方法來完成群組定權(quán)。

設(shè)定權(quán)者共有 ng(≥2)個(gè)，分別為 P1，P2，…，Png。Pi(i=1,2,…,

群協(xié)商因子為：，φj＝φ（Dj）=mp（Dj）+εj·l（Dj）,j=1,2,…m（1）協(xié)商區(qū)間的寬度。εj為協(xié)商系數(shù)，可采用最小損失法確定。定義損失函數(shù)：

尋找權(quán)重的問題轉(zhuǎn)化為求解下面的非線性優(yōu)化問題，

式中：ypk是根據(jù)第k個(gè)定權(quán)者給出的權(quán)重采用權(quán)重系數(shù)法得到的第i個(gè)對(duì)象的評(píng)價(jià)值；yi即根據(jù)協(xié)商定權(quán)得到的第i個(gè)對(duì)象的評(píng)價(jià)值。

3 基于協(xié)商定權(quán)的組合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型

Step1 基于層次分析法(AHP)的流域水資源用水水平評(píng)

（1）判斷矩陣建立

針對(duì)評(píng)定指標(biāo)層中各有關(guān)元素相對(duì)重要性的狀況，對(duì)目標(biāo)層逐項(xiàng)進(jìn)行兩兩評(píng)價(jià)比較，根據(jù)專家意見確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要性并賦以相應(yīng)的分值，其比較結(jié)果以T.L.Saaty的1～9標(biāo)度法表示（見表1），可以得到兩兩比較判斷矩陣 A=（αij）n×n。

（2）各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重

采用和積法計(jì)算權(quán)向量 ω=（ω1，ω2，……，ωn）為：

最大特征值λmax為：

（3）一致性檢驗(yàn)

式中：CR為判斷矩陣的隨機(jī)一致性系數(shù)；CI為判斷矩陣的一般為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，對(duì)于1～10階判斷矩陣，RI的值對(duì)應(yīng)如表2。

CR＜0.1，即表示判斷矩陣具有令人滿意的一致性；否則，調(diào)整判斷矩陣，直止?jié)M意。

（1）特征矩陣中的特征值進(jìn)行歸一化處理。對(duì)參與評(píng)價(jià)的越大越優(yōu)型、越小越優(yōu)型各項(xiàng)指標(biāo)歸一化方法如下：

（2）第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重：

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值表

（3）各樣本的綜合評(píng)價(jià)值：

采用協(xié)商定權(quán)法求解綜合評(píng)價(jià)中權(quán)重，將問題轉(zhuǎn)化為如式（3）的非線性規(guī)劃問題。當(dāng)指標(biāo)個(gè)數(shù)比較多時(shí),上述優(yōu)化問題是一個(gè)多維非線性問題，使用傳統(tǒng)運(yùn)籌學(xué)中的優(yōu)化方法很難找到全局最優(yōu)解。遺傳算法借鑒了生物進(jìn)化論的自然選擇思想和遺傳學(xué)中生物進(jìn)化機(jī)制，利用隨機(jī)技術(shù)來指導(dǎo)對(duì)被編碼的參數(shù)空間進(jìn)行高效率搜索，是一種全局隨機(jī)搜索算法，具有全局優(yōu)化性、隱含并行性和智能性，使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)[9]。本文采用遺傳算法求解上述非線性規(guī)劃問題得到協(xié)商系數(shù)，最終計(jì)算出群定最優(yōu)組合權(quán)重系數(shù)，從而利用組合賦權(quán)法將主客觀方法結(jié)合起來。

4 實(shí)例研究

灤河流域位于華北平原東北部，全長(zhǎng)888 km，流域面積44750 km2，主要支流有小灤河、興州河、伊遜河、武烈河、老牛河、柳河、瀑河、灑河、長(zhǎng)河、青龍河等。近年來，隨著灤河流域水資源經(jīng)濟(jì)區(qū)天津、唐山、秦皇島等城市的發(fā)展迅速，人口增幅較大，水量需求不斷上升。據(jù)用水部門統(tǒng)計(jì)，2007年灤河流域承德市總用水量達(dá)到9.34億m3，唐山市總用水量達(dá)到33.32億m3，秦皇島市總用水量達(dá)到10.54億m3，其中灤河流域承德區(qū)域、唐山市、秦皇島市的河道外生態(tài)用水量分別為0.25億m3、4.15億m3、1.38億m3。各用水部門中，承德市農(nóng)業(yè)用水占該區(qū)總用水74.3%，唐山市農(nóng)業(yè)用水占總用水56.5%，秦皇島市農(nóng)業(yè)用水占總用水62.3%。

4.1 用水水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

針對(duì)河北省灤河流域的特點(diǎn)，選取流域內(nèi)承德、唐山、秦皇島作為研究區(qū)域，建立基于水資源的各分區(qū)用水水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，具體指標(biāo)選取及2007年各指標(biāo)值見表3。其中，目標(biāo)層為區(qū)域用水水平，用以衡量灤河流域水資源系統(tǒng)支撐整個(gè)流域可持續(xù)發(fā)展的綜合用水水平，準(zhǔn)則層分為區(qū)域生活用水水平、區(qū)域農(nóng)業(yè)用水水平、區(qū)域工業(yè)用水水平，區(qū)域生態(tài)環(huán)境用水水平分別反映研究區(qū)域各用水戶水資源利用情況。

表3 灤河流域用水水平評(píng)價(jià)指標(biāo)及指標(biāo)值

4.2 應(yīng)用分析

各指標(biāo)不同方法評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果見表4～表6。

表4 指標(biāo)層3種方法評(píng)價(jià)結(jié)果

表5 目標(biāo)層三種方法評(píng)價(jià)結(jié)果

表6 熵權(quán)法各區(qū)域指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果

由指標(biāo)層評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出三種方法評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，指標(biāo)層各指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)值在0.3～0.6左右，處于中等發(fā)展水平，說明灤河流域三市水資源仍有較大節(jié)水潛力，尤其是農(nóng)業(yè)用水節(jié)水潛力巨大；各計(jì)算指標(biāo)權(quán)重客觀反映了各指標(biāo)對(duì)水資源用水水平影響程度，從表4分析可得生態(tài)用水因素在灤河流域三市用水中影響程度最高，其次是工業(yè)用水重復(fù)利用率和生活用水；從表5可以看出農(nóng)業(yè)仍是主要用水大戶，其次是工業(yè)、生活、生態(tài)；從表6可看出各區(qū)域用水綜合評(píng)價(jià)中，唐山用水水平最高，承德最低，這與灤河流域唐山、承德、秦皇島三市的實(shí)際情況是相符的。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)河北省灤河流域的特點(diǎn)，建立了灤河流域基于水資源的各分區(qū)用水水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，分別采用AHP法、熵權(quán)法評(píng)判各個(gè)分區(qū)生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)用水水平的高低。

（2）為將主觀客觀結(jié)合，本文采用了基于協(xié)商定權(quán)法的組合組合評(píng)價(jià)模型，將其應(yīng)用于灤河流域用水水平綜合評(píng)價(jià)，組合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果既考慮了主觀信息又考慮了客觀信息，確定出的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重更科學(xué)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際相符，說明該模型能有效地對(duì)流域用水水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（3）各計(jì)算指標(biāo)權(quán)重客觀反映了各指標(biāo)對(duì)水資源用水水平影響程度，得出用水水平排序，從而掌握各區(qū)水資源開發(fā)利用程度及其節(jié)水潛力，為灤河流域水資源開發(fā)利用提供了科學(xué)依據(jù)。

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