天津市水資源節約評價方法與實例

鄭玉萍 ，黃驍卓 ，林 健 ，薄永占 ，楊 華

（1.天津市控制地面沉降工作辦公室，300061,天津；2.九三學社天津市委員會，300204，天津；3.天津市水利勘測設計院，300074，天津）

我國是一個嚴重缺水的國家。隨著工業化水平的大幅度提升、城鎮化速度的不斷加快，高消耗、高污染和低效率的粗放型經濟增長模式對我國自然環境和水生態系統造成了巨大破壞，水資源匱乏問題在江河斷流、水體污染、濕地面積減少、地下水超采、地面沉降等一系列水環境、水生態問題下愈發彰顯，迫切需要提升城市的水資源管理水平，全面提高水資源利用的效率和效益，控制用水總量，使寶貴的水資源發揮最大效能。

目前，我國城市節約用水的具體措施和辦法主要由城市節約用水辦公室研究、組織并實施。不同地區、不同宏觀用水主體之間尚缺乏統一、科學、有效且具有橫向可比性的節水水平評價指標體系和評價方法。鑒于此，本文以具有典型代表性的北方缺水型發達城市天津市為研究對象，基于Yaahp軟件，建立了由40個基礎指標構成，涵蓋了用水量、用水效率和用水效益三大要素，綜合參考不同產業門類的大型水資源節約評價指標體系，構造了判斷矩陣，并采用2016年基礎數據，分別采用層次分析法（AHP）和模糊綜合評價法對天津市節約用水水平進行了評價，對結論進行了分析和可推廣性探討，以期為同類研究工作和水資源管理者提供參考。

一、天津社會經濟發展及水資源狀況

1.社會經濟狀況

據2016年統計數據，當年天津全市生產總值（GDP）17 885.39 億元，按可比價格計算，比上年增長9.0%。其中第一產業增加值220.22億元，增長3.0%；第二產業增加值8 003.87億元，增長8.0%；第三產業增加值9 661.30億元，增長10.0%。三次產業結構為 1.2∶44.8∶54.0。

2.水資源狀況

（1）水資源量

根據《2016年天津市水資源公報》，全市2016年度平均降水量622.1mm，折合降水總量74.15億m3；地表水資源量14.10億m3，折合年徑流深118.3mm；入境水量20.96億m3，出境、入海水量合計為28.17億m3；礦化度小于2g/L的淺層地下水資源量6.08億m3。

（2）供用水量

2016年全市總供水量27.65億m3，其中地表水源（當地地表水、入境水、引灤引江水）供水19.49億m3，地下水源（淺層、深層、地熱）供水 4.73億 m3，其他水源（污水處理回用、海水淡化）供水 3.43億 m3。

2016年全市總用水量27.65億m3，其中生活（城鎮生活、城鎮公共設施、農村生活）用水 5.59億 m3，工業用水5.53億 m3，農業（農田、林果灌溉和魚塘補水、牲畜用水）用水12.05億 m3，生態環境（城鎮、河湖）補水4.49 億 m3。

（3）水資源供需分析

據《天津市水務發展“十三五”規劃》，2020年全市正常年份需水總量為 38.00億 m3，其中生活需水8.45億m3，生產需水21.03億m3，生態環境需水8.52億m3，需水量預測見表1。

表1 天津市2020年需水量預測

2020年正常年份總可供水量為38.00億m3，其中當地地表水占29%，地下水占9%，外調水占44%，非常規水源占18%，可供水量預測見表2。

表2 天津市2020年可供水量預測

二、數據來源及類型

1.數據來源

本次評價工作以天津市市域現狀水資源配置條件下的各方面數據和資料為主要來源。其中包括2016年度天津市行業統計及經濟運行數據、2016年度天津市節水型城市考核指標匯總數據、2016年度天津市節水基礎數據、天津市2016年度實行最嚴格水資源管理制度考核工作復核技術資料、關于2016年度實行最嚴格水資源管理制度技術核查情況的報告等基礎資料和專業數據。

2.數據類型

（1）數據類型

本次參與區域水資源節約評價指標體系建立的數據可以分為3個類型：①絕對數數據（如水資源總量、當年總供水量、農業用水量、工業用水量、生活用水量等）；②比值型數據（如人均水資源占有量、萬元GDP用水量、供水量模數等）；③百分比數據（如節水器具使用率、管網漏損率、工業用水重復利用率等）。

（2）數據類別

參與指標體系建立的數據可分為3個類別：①用水量數據（如人均供水量、農業畝均灌溉用水量、生態環境補水量等）；②用水效率數據（如計劃用水率、節水器具普及率、水功能區達標率等）；③用水效益數據（如人均GDP增長率、萬元工業GDP用水量等）。

（3）數據用途

參與指標體系建立的數據按照用途可以分為：①綜合用水（如人均供水量、水資源開發利用率等）；②工業用水（如工業用水比例、工業用水年增長率等）；③農業用水（如有效灌溉面積百分比、灌溉水利用系數等）；④生活用水 （如節水器具使用率、城鎮居民人均生活用水量等）；⑤生態環境用水（如生態環境用水率、城市污水處理率等）。

三、天津市水資源節約評價指標體系

1.指標體系建立的原則

評價指標體系不是對單一因素的評價，而是從水量、用水效率、用水效益三方面來進行評價，其中每個方面又涉及綜合用水、工業用水、農業用水、生活用水及生態用水等5個用水方向，各方向進一步對應數個最底層指標，從而構建成為較為完善的區域水資源節約評價指標體系。

評價指標體系建立時綜合考慮了如下原則：①科學性原則；②系統性原則；③可推廣性原則；④動態性原則；⑤可比性原則；⑥可操作性原則；⑦綜合性原則。

2.評價指標體系架構

在充分考慮區域水資源配置、經濟運行、用水行業類別等因素的基礎上，參考大量國內外文獻和資料，最終確定本次水資源節約評價指標體系的架構由4個層次組成，分別是：①水資源節約評價總評層（A層）——1個指標；②水資源節約評價指標類型層（B層）——3個指標；③水資源節約評價指標用途層（C層）——11個指標；④水資源節約評價指標基礎層（D層）——40個指標，見圖1。

圖1 天津市水資源節約評價指標體系架構圖

3.基礎指標構成

本次評價工作的基礎數據是評價指標體系中的基礎指標 （D級指標）。本次評價共涵蓋了40個基礎指標，具體情況見表3。

表3 基礎指標列表

四、天津市水資源節約評價

本次水資源節約評價工作在建立上述指標體系的基礎上，分別采用層次分析法（AHP）和模糊綜合評價法進行評價。層次分析法具有所需定量數據少、系統性強的優點，因此，AHP方法可以彌補水文資料不足方面的缺陷；模糊綜合評價法能夠較好地解決模糊難以量化的問題，因此，適合解決水文資料不確定性方面的問題。鑒于水資源節約評價指標的復雜多樣性、評判標準的非同一性，同時考慮到收集到的資料具有難以量化、數據測量相對誤差較大、數據量少、影響因素眾多、復雜非線性關系等特點，以及評價方法需要具備一定可推廣性的特點，本次工作選取上述兩種方法作為水資源節約評價的方法，并對結果進行分析和對比。

1.構造判斷矩陣確定權重值

判斷矩陣的構建，是在同一層級中，對各要素進行兩兩重要性判別，并形成判斷矩陣。本次重要性判別是通過向10名業內資深專業人士發放問卷，并進行結果匯總梳理后生成的，具有充分的權威性及代表性。重要性判別依據見表4。每一個判斷矩陣都具有性質：①aij＞0；②aii=1；③aji=1/aij。其中，各級判斷矩陣都在建立后進行了層次排序與一致性檢驗，并根據檢驗結果進行微調，以使得判斷邏輯正確。最終形成15個（3個層級）判斷矩陣，典型判斷矩陣如表5所示。

表4 節水指標兩兩比較賦值規則

表5 B2（用水效率指標）兩兩比較判斷矩陣

表6 節水指數等級劃分標準

表7 評價定量區間表

2.基于層次分析法（AHP）的水資源節約評價

（1）評價方法與評分標準

基于層次分析法（AHP）的節水指數（WSI）公式為：

式中，Pi為第i項指標的得分，wi為第i項指標的權重。首先將各指標Pi值歸一化為滿分10分，令各基本指標的得分范圍處于0～10分。

Pi的確定，主要考慮的因素包括：①與全國平均水平的比較與占標率；②與全國人均用水定額的對照取值；③與最嚴格水資源考核制度的匹配程度；④與“十三五”規劃數的匹配程度。參考的主要標準包括：《天津市水務發展“十三五”規劃》《天津市2016年度實行最嚴格水資源管理制度考核工作復合技術資料》《城市居民生活用水量標準（GB/T 50331—2002）》《城鎮供水管網漏損控制及評定標準（CJJ 92—2016）》《污水綜合排放標準（GB/T 8978—1996）》《地下水質量標準（GB/T 14848—1993）》，以及經濟運行、資源量分布等相關全國平均數據。

為合理反映水資源節約程度，對最終的節水指數進行了等級劃分。劃分標準如表6所示。節水指數WSI得分區間為0～10分，在此區間劃分為優、良、中、低、差等5個等級。其中節水指數0～6分為不及格，節水水平為“差”。通過WSI指數量化，從而可以實現不同區域間的節水水平對比。

（2）評價結果

經過上述層級遞進的計算過程，可得本次基于層次分析法（AHP）的水資源節約評價得分為7.75分。根據前述綜合得分判別標準（見表5），天津市節水水平為“中”（見表6）。

3.基于模糊綜合分析法的水資源節約評價

（1）評價方法與評分標準

模糊綜合評價過程有4個步驟：確定綜合評價因素體系；確定評判等級判別矩陣T；確定模糊關系矩陣R，得出綜合得分矩陣M；計算模糊合成值X。

根據模糊合成值與量化的評語等級值進行綜合評價。

①被評價事物的影響因素域和評價等級域的確定。本次基于模糊綜合評價法的節約用水影響因素域（集合）按照前述指標體系進行確定，共分為4個等級，各等級分別由不同要素組成；評價等級則分為5個等級，并且依次量化賦值為 t1=9.5，t2=8.5，t3=7.5，t4=6.5，t5=5.5， 構成本次等級判別矩陣 T，如公式（2）所示：

②指標隸屬度計算和模糊關系矩陣構建。按照從小到大或從大到小的順序，按照5個等級的要求，以最優和最劣作為等級兩端的極值，并分別列于等級兩端。將優劣程度區間按照標準值進行排列和區間等分。然后根據實測數據位于標準區間的位置，按照隸屬度函數進行模糊關系矩陣的計算，從而得到模糊關系矩陣R。

③計算結果的得出。直接使用層次分析法（AHP）所構建完畢的歸一化權重，以判斷矩陣與模糊關系矩陣逐級相乘，得到綜合得分矩陣M。

按照公式（3）所示的方法，以綜合得分矩陣M與等級判別矩陣T相乘：

然后根據最終矩陣運算的結果，確定模糊綜合評價得分X所處的區間（表7），即為最終評價結果。

（2）評價結果

最終模糊綜合評價得分為X=8.52，評定等級為“良”。

4.評價結果分析

（1）基于兩種評價方法的評價結果差異分析

兩種分析評價方法在相同的指標權重取值下，得出了差異化的評價結果，其主要原因在于：

①兩種數學方法的評價思路和理念不同。層次分析法是以指標實際數與全國平均水平、全國人均用水定額、最嚴格水資源管理考核制度、“十三五”規劃數等數據作為標準，進行單個要素的對標打分而確定的單指標得分，主觀性相對較強；而模糊數學法是將上述的某個指標區間化，采用隸屬度的概念，將實際值按照隸屬度進行打分，內含了隸屬程度的概念，相對來說參考因素要相對豐富，客觀性更強。

②兩種數學方法的打分依據不同。層次分析法是以10分為滿分，0分為最低分，以1個參考值進行對比打分；模糊數學法是將2個參考值進行區間化劃分，按照隸屬程度進行計算打分。

（2）評價方法和評價結果適用性分析

①指標體系的適用性。本次指標體系基本覆蓋了各個產業部門、各個用水環節、主要用水要素，對我國國情水情，特別是類似于天津的缺水地區，具有較高的適用性。需要注意的是，其他區域在進行水資源節約評價時，應在該指標體系的基礎上，根據當地實際，結合產業結構、用水結構的特點，適當對各指標的權重值進行調整，以期達到更好的效果。

②評價方法的適用性。層次分析法（AHP）具有所需定量數據少、系統性強的特征，因此，本方法較好地解決了水文數據資料不夠全面而造成的誤差。而模糊綜合評價方法能夠較好地解決模糊的、難以量化的問題，比較適合解決評價各種水文資料非確定性的問題。層次分析法和模糊綜合評價法利用了方法特有的系統性、包容性的特點，給出了具有可比性的評價結果。因此，上述2種方法在區域水資源節約評價當中，具有良好的適用性。

③評價結論的適用性。本次評價結論在橫向上，可以與不同地區比較節水水平；縱向上，可以以不同年份數據進行評價并比較節水水平。因此，得出的結論具有良好的適用性。

五、結論與建議

1.結論

①本次天津市水資源節約評價建立了由40個底層指標、11個三級指標、3個二級指標、1個目標組成的四級區域水資源節約評價體系，涵蓋了社會經濟運行、產業結構體系、氣象水文條件、水文地質條件、環境保護現狀等要素。指標體系涉及面廣，要素構成合理，具有較好的嚴謹性、科學性、合理性、適用性和可推廣性。

②根據天津市2016年數據，采用層次綜合分析法（AHP）的水資源節約評價得分7.75分，評定等級為“中”；采用模糊綜合評價法的水資源節約評價得分8.52分，評定等級為“良”。

③本次水資源節約評價工作，評價方法和評價結論也均具有良好的適用性和可推廣性。

2.建議

①由于數據及篇幅所限，本次并未引入人工神經網絡、灰色系統理論等數學模型進行評價。在數據更為豐富翔實的情況下，建議嘗試不同的評價方法，以期得出更加優化的區域水資源節約評價理論。

②建議在條件具備的情況下，進一步在不同地區、不同時間開展橫向、縱向的評價工作，并對方法和結論進行驗證，以求進一步完善評價指標體系及評價方法，以期對水資源管理部門制定管理制度、判斷節水狀況起到良好的參考作用。