基于綜合權重SMI-P法的廣西人水和諧度量化評價

王大洋，黃 凱,3，莫崇勛，吳衛熊，馮世偉

(1.廣西壯族自治區水利科學研究院，南寧 530023；2.廣西大學 土木建筑工程學院，南寧 530004；3.廣西水工程材料與結構重點試驗室，南寧 530023)

水資源短缺、水環境污染和水生態惡化等問題日益嚴重和突出，成為人類社會可持續發展的關鍵因素[1,2]。人類社會與水資源的關系也變得復雜，矛盾沖突日益突出和尖銳。因此，如何科學評價人類社會與水資源的關系，評價人水和諧是一個值得深入研究的科學問題。針對“人水和諧”問題，國內外學者相繼開展了相關研究工作。Falkenmark[1]在深入分析水和生態聯系的基礎上，提出了“人-水”一體化管理水資源的新理念。Lautze[2]通過分析人類社會中的人口增長、人類活動和氣候變化對水系統的影響，對人類社會開發、利用和管理水資源給出了切實的參考建議。左其亭[3,4]提出了“人水和諧量化研究框架”和“人水和諧評價指標及量化方法”,在框架和指標體系中，覆蓋了水資源、生態環境、社會、經濟、技術發展水平及發展安全保障、人對水開發、水對人服務等方面的70項指標因素。戴會超[5]以南京市為例，通過建立人水和諧度模型，并對模糊評價法和灰色關聯分析法進行改進，計算得到了2010年南京市人水和諧度。劉歡[6]則以最嚴格水資源管理制度為背景，以“三條紅線”為約束，從取水、用水和排水三個環節作為控制準則建立了新密市人水和諧評價體系，為新密市水資源管理工作提供了有效參考。現有的評價中，一方面對人水和諧的層次劃分不夠明晰和充分，另一方面針對評估值較小的指標未能在決策時給予足夠的重視。而指標量化-多要素綜合-多準則集成法(SMI-P)，可以以研究問題為目標，通過分析指標與要素的關系，要素與目標的關系等建立合理的指標評價體系，從而更加清楚地確定各要素與各指標，目標與要素的定量表達式，使評價目標逐層分解和細化，進而更科學地進行量化評價研究。其次，采用層次分析-模糊變權法確定綜合權重，可以充分展現不同時期權重隨評估值變化產生的變化，突出展現了個別指標因評估值過低而產生對評價結果的影響，從而引起決策者的注意。鑒于此，本文將以廣西區域為例，采用綜合權重SMI-P法對其人水和諧度進行量化評價研究。

1 研究方法

1.1 單指標量化

人水和諧度的基礎是建立子和諧度單元，即量化每個指標的子和諧度。為便于分析和對比，文章通過采用統一的子和諧度量化準則對不同類型的指標進行無量綱化處理。一是可以消除不同類型指標之間的差異，二是可以消除不同量級的數據之間的影響。子和諧度量化采用分段線性隸屬度函數法[7]。以每個指標各自領域標準進行分級，不同分級對應不同的子和諧度。如采用5點分段法，(a,0)、(b,0.3)、(c,0.6)、(d,0.8)和(e,1.0)分別對應子和諧度的最差值、較差值、及格值、較好值和最好值，如圖1所示，分別為正向指標(越大越優)和逆向指標(越小越優)。通過對每個指標分別處理，進而可將他們統一映射到[0,1]區間，為計算健康度、發展度和協調度奠定基礎。

圖1 子和諧度變化曲線

1.2 多要素綜合

某一區域的人水和諧度是該區域水系統、人文系統相互作用的結果，人水和諧的實現要以健康的水系統作為支撐前提，在區域經濟社會發展的同時，衡量和協調好與水系統的關系。為此，選取健康度、發展度和協調度作為控制要素，分別對水系統，人類經濟社會系統和兩者協調情況進行量化。其中任何一個環節的缺失都可能會影響到人水和諧度的評價結果。因為，針對健康度、發展度和協調度等控制要素，需選取了與之相關的指標建立人水和諧量化指標體系。通過分析各指標的子和諧度與控制要素的關系，進而采用多要素綜合方法可計算出對應的健康度、發展度和協調度的值，具體關系如下。

(1)

(2)

(3)

1.3 多準則集成

根據人水和諧的內涵，人水和諧度的計算也需要綜合考慮健康度、發展度和協調度。本文結合文獻[8]，將健康度、發展度和協調度綜合考慮共同表示人水和諧程度，人水和諧度的量化方法為：

HWHD(T)=HED(T)β1DED(T)β2DED(T)β3

(4)

式中：HWHD(T)為某一時刻或時期的人水和諧度；β1、β2、β3分別為健康度、發展度和協調度對應的指數權重。依據區域水系統、發展狀況和協調程度進行確定。

為將定量計算和定性描述相對應，需將人水和諧度進行分級。通過式(4)可知，人水和諧度值域為[0,1]，故將人水和諧度分為嚴重不和諧(0≤HWHD<0.2)、不和諧(0.2≤HWHD<0.4)、較不和諧(0.4≤HWHD<0.6)、較和諧(0.6≤HWHD<0.8)及和諧(0.8≤HWHD<1.0)等5個級別。通過計算分析某一區域不同時段的人水和諧度值可以判斷其所處的人水和諧情況，進而為水資源開發、利用和管理工作提供參考。

1.4 綜合權重確定

單一的權重確定方法不論是主觀權重或是客觀權重，均難以達到全面反映指標特性的目的。為更好地確定指標權重，全面綜合反映指標特性，需采用綜合權重方法進行分析。綜合權重可以將兩種權重的優勢相結合，減少人為主觀性和過度依賴數據的缺點，從而使權重更為科學合理。

1.4.1 基礎權重

基礎權重的確定主要依據指標的類別和屬性，當影響目標的因素是復雜多層次結構時，可采用層次分析法[9](AHP)進行構建指標結構，逐層分析確定各指標權重。在每一層中，通過兩兩對比分析，并按照統一的規則采用專家咨詢法進行指標重要性打分，從而確定判斷矩陣。其次，對判斷矩陣的一致性情況進行評判，并對滿足一致性評判的矩陣歸一化處理即可確定各指標的基礎權重。

1.4.2 模糊變權法

常用的權重計算方法多為常權法，即權重一旦確定后，其不會再隨著評估值的波動而變化。該方法不能使那些評估值較低的指標突顯出來以引起決策者的重視。模糊變權法較好地解決了這一問題，它以常權法確定的權重作為基礎，在針對不同時期或者不同對象的評估值時，可以根據評估值向量的變化對評價指標權重進行實時調整以達到充分反映數據信息的目的，同時也使得決策更科學合理[10,11]。其計算步驟如下。

步驟①：若待評價指標A1,A2,…,An的評估值分別為μ1,μ2,…,μn，μi∈[0,μm]是一個無量綱數，μm=1，10，100等，分別表示一分制，十分制或者百分制等。μi的大小反映了指標Ai完成程度，μi=0時表明指標Ai完成喪失功能或作用，μi=μm時表明指標 達到理想值。

步驟③：w0i為指標Ai功能完全喪失時Ai的權重的上界，以此法達到加大過低指標權重，引起決策者注意的目的。w0i=wi(μm,…,μm,0,μm,…,μm)，w0i∈(0,1)，當待評價的指標多于3個時，采用式(5)計算：

(5)

步驟④：引入非負有界，不增可微的函數λi(μi)，λi(μi)∈(0,μm)，λ0i和λmi分別是λi(μi)在定義域[0,μm]上取得的最小值和最大值。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

步驟⑤：對上述函數進行歸一化處理得到變權權重，也就是綜合權重。

(11)

2 廣西區域人水和諧度量化評價研究

2.1 廣西壯族自治區概況

廣西壯族自治區位于我國西南邊陲，周圍分別與廣東、貴州、湖南、云南接壤，南與海南隔海相望，南面瀕臨北部灣、面向東南亞、西南毗鄰越南、是我國唯一一個沿海自治區。同時，廣西作為中國—東盟博覽會的永久舉辦地，作為“絲綢之路經濟帶”和“21世紀海上絲綢之路”的“一帶一路”的節點，其經濟社會的發展是在推動我國與東南亞的合作交流與共同發展中發揮著舉足輕重的作用。廣西境內水資源總量不穩定，時空分布也不均勻，汛期為4-9月，占全年降水量的80%以上，水域面積有8 026 km2，約占陸地總面積3.4%。因此，較好地實現“人水和諧”對區域今后的可持續發展意義重大。

2.2 指標體系構建及分級

通過對廣西區域水資源系統、人文系統和兩系統之間的相互協調等實際情況的分析，綜合考慮健康度、發展度和協調度的影響因素，并結合參考文獻[4]，選取了2010-2015年廣西區域影響人水和諧實現的23個指標，其中健康度要素中包括4個指標，發展度要素中包括11個指標、協調度中包括8個發展指標，以此作為計算2010-2015年廣西區域人水和諧度的基礎。各要素及其對應的指標具體情況見圖2。各指標的具體數據參考《廣西統計年鑒2010-2015年》、《廣西水利統計公報2010-2015年》、《廣西水資源公報2010-2015年》、《廣西環境公報2010-2015年》、《全國水資源公報2010-2015年》及廣西水利廳、水文水資源局相關數據資料。以不同節水水平國家和地區的節水情況作為參考，分別對正向指標和逆向指標進行分級，將指標體系劃分為最差值、較差值、及格值、較好值和最好值5個級別，具體見表1。

圖2 人水和諧度量化評價指標體系

表1 評價指標體系分級

2.3 子和諧度計算

根據所獲得的各個指標統計數據，按照1.1節中的單指標量化方法對指標體系中各個指標的子和諧度計算，通過計算得到介于[0,1]之間的子和諧度，結果見表2。

表2 2010-2015年各指標子和諧度

2.4 權重計算

根據各指標的子和諧度，分別采用層次分析法和模糊變權法計算基礎權重和綜合權重。針對層次分析法，可采用Yaaph軟件劃分層次和構建結構。在對控制要素的健康度、發展度和協調度進行權重確定時，采用相同的重要性評判標準，即權重均為0.333 3。通過計算得到各層次各指標的基礎權重，之后根據1.4.2中介紹的模糊變權法的計算步驟確定各指標的綜合權重，各指標的基礎權重和綜合權重見表3。

表3 各指標基礎權重和綜合權重

2.5 人水和諧度計算

根據多要素綜合的思想，通過各指標的綜合權重和子和諧度，按照公式(1)～(3)可以計算出2010-2015年廣西區域的健康度、發展度和協調度。并依此為基準，利用多準則集成可以計算出該時段廣西區域的人水和諧度。因在發展過程中，健康度、發展度和協調度地位無明顯差異，故在式(4)中指數權重β1、β2、β3均選取1/3進行計算，結果見表4。將健康度、發展度、協調度和人水和諧度的歷年情況進行對比分析，見圖3。

表4 人水和諧度計算結果

2.6 結果分析

通過表4和圖3可知，廣西區域在2010-2015年的發展過程中，健康度經歷了上升-下降-上升的過程，下降年份出現在2013年，其健康度值為0.634。據統計數據推斷，健康度下降的原因可能是該年份高耗水企業數量的增加幅度變大，由此產生的工業廢水量和排污量增加，加之該年份水資源總量較2012年減少，進而可能導致該時期地表水水質達標率有所降低，建設工程項目的增多也可能造成一定程度的水土流失，進而影響了區域水系統健康。2013年之后，隨著最嚴格水資源管理制度的開展和落實，健康度出現明顯的回升，表明廣西區域在實施最嚴格水資源管理工作方面加大了投入力度。其中工業方面表現在通過調整行業用水模式和產業結構，萬元工業產值用水量由2013年的214 m3減少至2014年的196 m3，工業重復用水率也由2013年的88.4%增加至2014年的89.7%，行業改革和用水管理調整成效顯著。在2010-2015年中，發展度呈現緩慢上升的趨勢，0.606 2增加至0.680 3，增幅為12.2%，表明該時期關系區域發展總體而言呈現穩中上升的趨勢。協調度在2010-2015年則表現出明顯的上升趨勢，協調度由2010年的0.691 3增加至2015年的0.820 7，增幅達18.7%。表明在“十二五”期間，廣西區域在協調經濟社會發展和水資源健康方面付出了較大的努力，注重經濟發展和資源環境保護相協調，在發展經濟的同時，注重其帶來的負面影響，積極及時采取有效的措施加以預防和保護，從而能夠實現可持續發展。在2010-2015年間，人水和諧度雖然在2013年有下降，但總體表現出上升的趨勢，其值在0.644 4～0.719 7之間，為較和諧狀態。總體表明，在此期間廣西區域在注重經濟社會發展，水系統健康和協調兩者關系之間做出了較大的努力，并取得明顯成效，人水和諧方面呈現出較為和諧的上升態勢。良好的發展態勢可以為今后“十三五”和“河長制”等工作的順利開展提供良好的基礎背景。

3 結 語

(1)基于層次分析-模糊變權法的綜合權重可以反映出不同時期，指標權重隨評估值變化而調整變化的情況，從而使權重充滿動態性。SMI-P法能夠較為清楚地表達評價指標和要素、要素和評價目標之間的定量關系，使得評價過程清晰合理，評價結果更加可靠。

(2)廣西區域人水和諧度評價結果顯示，在2010-2015年期間，健康度在2012年有小幅度降低，2013得到回升，健康度值范圍在0.634 0～0.694 8之間。發展度呈現穩中上升的態勢，其范圍在0.606 2～0.667 8之間。協調度則呈現明顯的上升態勢，其范圍在0.691 3～0.820 7之間。廣西區域人水和諧度雖有小幅度波動，但總體呈現上升態勢，其范圍在0.646 6～0.719 7之間，人水和諧等級均處于較和諧。

(3)建議廣西區域以良好的人水和諧為基礎背景，充分落實最嚴格水資源管理制度，為今后“河長制”工作的順利開展做好保障，也為實現“山清水秀，人水和諧”的目標打好基礎。