基于CRITIC-TOPSIS-灰色關聯(lián)度的淮河流域水資源利用效率評估

管新建，秦海東，孟 鈺

(鄭州大學水利與環(huán)境學院，鄭州 450001)

水資源短缺是我國可持續(xù)發(fā)展過程中一大難點，嚴重制約著我國經(jīng)濟、社會和環(huán)境的協(xié)調發(fā)展。急切要求我們推進節(jié)水型社會建設，合理開發(fā)利用水資源，大力提高用水效率。目前，對水資源利用效率評估的方法很多，最為常用的方法為數(shù)據(jù)包絡分析法(DEA)[1]、隨機前沿分析法(SFA)[2]和指標體系綜合評價方法[3]。而水資源利用效率涉及人-經(jīng)濟社會-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，但是DEA和SFA方法難以考慮到生態(tài)環(huán)境方面，使得評價不全面。指標體系綜合評價方法是將評價指標體系和綜合評估模型結合，但目前水資源利用效率尚未形成普遍認可的評價指標體系。其中，層次分析法[4]、熵權評估模型[5]和投影尋蹤模型[6]得到了較多的應用。層次分析法受主觀因素影響較大，存在相關約束下不容易檢驗等問題。熵權評估模型沒有明顯的等級劃分，缺乏科學性。投影尋蹤模型需要進行優(yōu)化，而優(yōu)化算法較多沒有普適性。基于此，本文將CRITIC法、TOPSIS方法和灰色關聯(lián)度分析方法結合，建立一種新的水資源利用效率評估模型，這對于完善水資源利用效率評估理論具有重要意義。并將該模型應用于淮河流域，研究成果對于水資源管理部門決策具有重要的參考價值。

1 基于CRITIC-TOPSIS-灰色關聯(lián)度的水資源利用效率評估模型

1.1 CRITIC法確定權重

CRITIC法是基于評價指標的變異性和沖突性，來確定指標的客觀權重[7]。評價指標的變異性用標準差σi表示，沖突性用∑(1-r)表示，其中r表示兩指標之間的相關系數(shù)。

用Ci表示第i個指標所包含的信息量，則Ci表示為

Ci=σi∑(1-r)i=1,2,…,m

(1)

Ci越大則表明第i個指標所包含的信息量越大，相對重要性也越大。則第i個指標的客觀權重wi應為：

(2)

進而得到權重向量w=(w1,w2,…,wm),1≤i≤m。

若指標量綱不同，需要對評價指標矩陣F=(xij)m×n進行標準化處理，得到矩陣Y=(yij)m×n。根據(jù)指標的特性，將指標分為兩類，越大越優(yōu)型和越小越優(yōu)型，分別采用以下公式計算。

對于越大越優(yōu)型指標：

(3)

對于越小越優(yōu)型指標：

(4)

1.2 TOPSIS法確定理想解

TOPSIS方法是一種逼近于理想值的排序方法，適用于對多個樣本進行優(yōu)劣判定[8]。

將CRITIC法計算的權重向量w與矩陣Y相乘，得到加權標準化矩陣Z，如式(5)所示。

Z=(zij)m×n=(wiyij)m×n

(5)

確定最優(yōu)樣本和最差樣本，如公式(6)和(7)所示。

(6)

(7)

計算各樣本到最優(yōu)樣本及最差樣本的歐式距離，如公式(8)和(9)所示。

(8)

(9)

1.3 灰色關聯(lián)度分析

灰色關聯(lián)度分析方法是利用各樣本序列與最優(yōu)樣本和最差樣本序列形狀變化的關聯(lián)度度量樣本優(yōu)劣，能較好地反映樣本序列之間的非線性關系[9]。

計算各樣本到最優(yōu)樣本及最差樣本的灰色關聯(lián)度，其計算公式如下：

(10)

(11)

式中：ρ為分辨系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗ρ=0.5。

1.4 相對貼近度

對確定的歐式距離和關聯(lián)度無量綱化處理，如公式(12)所示。

計算每個樣本的相對貼近度，如公式(13)所示。

(13)

式中：α1，α2反映決策者對位置和形狀的喜好程度，且α1+α2=1。本文中，α1=α2=0.5。

2 實例應用

2.1 淮河流域概況

淮河流域地處我國東部，位于東經(jīng)111°55′～121°25′，北緯30°55′～36°36′，流域地跨河南、安徽、江蘇、山東及湖北5省，其中湖北片區(qū)所占面積很小，不將其考慮在評估范圍內。淮河流域水資源總量年際與年內波動大，但年總用水量隨時間呈現(xiàn)拋物線的形式。近40年來，淮河流域上修建了眾多的水利工程，如閘壩5 000多個、各種水庫近6 000座、大中小型電力排灌站近5萬處等，這些工程雖然在防洪排澇等方面取得了巨大的綜合效益，但也造成了嚴重的水體污染。淮河流域是我國重要的交通樞紐，各工業(yè)生產(chǎn)過程需水量都較大。此外，淮河流域是我國十分重要的糧食生產(chǎn)基地，農(nóng)業(yè)用水量所占比例最高。同時，生產(chǎn)生活用水與水生態(tài)環(huán)境之間的矛盾逐漸加大，水資源短缺問題日漸突出，影響了流域社會經(jīng)濟的發(fā)展與水生態(tài)環(huán)境健康。因此，提高水資源利用效率是解決該地區(qū)水問題的重要途徑。

2.2 評估指標體系構建

白穎等[10]建議水資源利用效率評價指標體系應該包括綜合、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、生態(tài)環(huán)境5個方面的指標。與水資源利用效率相關的定性和定量指標超過200個，我們不能對每個指標系統(tǒng)的分析。在選取指標時應以定量為主，兼顧適用性、可行性、代表性與易實現(xiàn)性原則，并結合參考文獻[11-13]以及《淮河流域水資源公報》中的淮河片主要用水指標，綜合用水指標選取萬元GDP用水量，農(nóng)業(yè)用水指標選取單位面積灌溉用水量，工業(yè)用水指標選取萬元工業(yè)增加值用水量，生活用水指標選取城鎮(zhèn)人均生活用水量和農(nóng)村人均生活用水量。目前對生態(tài)環(huán)境水資源利用的研究越來越重視，由于經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，工、農(nóng)業(yè)用水占用大量生態(tài)用水，使得生態(tài)用水量減少，則生態(tài)用水比例是一個重要指標。另外，考慮到整個淮河流域的污染情況和水質要求，選取污徑比和水功能區(qū)達標率。則評估指標體系如表1所示，“+/-”分別代表越大越優(yōu)型和越小越優(yōu)型指標。本文的數(shù)據(jù)主要來源于2011-2016年的《淮河流域水資源公報》。

2.3 結果分析

利用CRITIC法確定各指標權重，如表2所示。

0.105,0.064,0.088,0.062,0.078,0.098,0.066,0.075,0.063,

0.082,0.098,0.064,0.076,0.059,0.079,0.101,0.062,0.083,

0.058,0.083,0.114,0.067)

0.073,0.090,0.080,0.115,0.091,0.078,0.090,0.085,0.110,

0.089,0.080,0.092,0.084,0.116,0.088,0.088,0.093,0.084,

0.113,0.086,0.085,0.089)

表1 淮河流域水資源利用效率評估指標體系Tab.1 Evaluation index system of water use efficiency of the Huai River Basin

表2 淮河流域水資源利用效率指標權重Tab.2 Index weight of water use efficiency of the Huai River Basin

0.652,0.505,0.602,0.512,0.499,0.675,0.538,0.664,0.514,

0.506,0.693,0.567,0.662,0.543,0.512,0.750,0.584,0.694,

0.552,0.525,0.753,0.586)

0.474,0.498,0.532,0.601,0.620,0.458,0.509,0.446,0.576,

0.652,0.452,0.490,0.439,0.565,0.621,0.439,0.477,0.458,

0.538,0.634,0.464,0.477)

圖1 淮河流域及4個片區(qū)的相對貼近度Fig.1 Relative closeness of the Huai River Basin and its four areas

由圖1可反映出淮河流域及4個片區(qū)水資源利用效率的時間變化。2011-2016年，淮河流域及4個片區(qū)的相對貼近度有上升趨勢，說明淮河流域及各片區(qū)的水資源利用效率有所提高。出現(xiàn)這種變化的原因有以下幾點：國家部門、流域管理機構和科研單位在規(guī)劃水資源配置方面做了大量工作；水資源管理制度逐漸完善；“人水和諧”概念得到加強，人們用水、節(jié)水意識提高并做出行動；對提高工、農(nóng)業(yè)用水效率方面加大了投資。

由圖2可反映出淮河流域及4個片區(qū)水資源利用效率的空間變化。2016年各片區(qū)的水資源利用效率明顯高于2011年，說明“十二五”期間，國家及流域機構在水資源管理工作中取得了顯著地進展，如水資源規(guī)劃體制不斷完善，節(jié)水型社會建設取得明顯成效，水資源保護工作取得突破，水資源管理基礎與能力建設不斷加強。但是，江蘇片區(qū)水資源利用效率最低，明顯低于其他片區(qū)。分析江蘇片區(qū)用水效率低下的原因能揭示淮河流域存在的用水問題。

圖2 2011年和2016年各片區(qū)相對貼近度Fig.2 Relative closeness of each area in 2011 and 2016

江蘇片區(qū)有5市屬于蘇北區(qū)域，3市屬于蘇中區(qū)域。由圖3可看出，江蘇片區(qū)單位面積灌溉用水量超過淮河流域整體約67%。2011年，江蘇省政府頒布的《關于實施農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化工程的意見》明確指出，將江蘇打造成高效設施農(nóng)業(yè)強省。但蘇北地區(qū)灌溉方式較粗放，科技對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)沒有起到支撐作用，是發(fā)達省份的落后地區(qū)。農(nóng)業(yè)節(jié)水技術資金投入不足，掌握現(xiàn)代生產(chǎn)技術的人數(shù)較少，且以種植水稻為主，耗水量很大。

圖3 A1指標變化趨勢圖Fig.3 The change trend of the A1 index

近年來江蘇片區(qū)農(nóng)村人均生活用水量雖然有所下降，但下降幅度很小，而且超過淮河流域平均用水量約34%，見圖4。這表明江蘇政府對提高生活用水效率沒有給予足夠的支持。有些農(nóng)村地區(qū)取水成本較低且沒有取水量限制，沒有對水資源重復利用的意愿，不僅造成了水資源嚴重浪費，還加大了污水排放量。與發(fā)達國家相比，我國污水處理廠的建設遠遠落后，許多廢水處理技術仍不發(fā)達。由于廢水處理后的質量仍然較差，不能飲用或使用。而且農(nóng)村生活污水處理措施基本為零，輸水管道設施、水消毒設施缺乏，管理體制也不完善。雖然生活用水占總用水量的比例較低，但它是不可忽視的。

圖4 D2指標變化趨勢圖Fig.4 The change trend of the D2 index

相對于工農(nóng)業(yè)和生活用水，生態(tài)用水所占比重非常小。淮河流域屬于相對缺水地區(qū)，而江蘇片區(qū)生態(tài)用水占比小于全國生態(tài)用水占比，不足1%，且有下降趨勢，見圖5。江蘇片區(qū)依然是第一產(chǎn)業(yè)占主導，農(nóng)田灌溉擠占大量生態(tài)用水。另外，環(huán)境基礎設施建設不配套、公共管理體制失衡和農(nóng)戶整體環(huán)保意識不強也是造成生態(tài)用水減少的原因。

圖5 E1指標變化趨勢圖Fig.5 The change trend of the E1 index

3 結 語

本文所建立的評估指標體系涵蓋了綜合、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活和生態(tài)環(huán)境5個方面，具有科學性。采用CRITIC-TOPSIS-灰色關聯(lián)度評估模型對淮河流域水資源利用效率進行定量分析，給出了評估結果。結果表明，淮河流域水資源利用效率整體上有上升趨勢，其中，江蘇片區(qū)水資源利用效率最低。通過分析江蘇片區(qū)水資源利用效率底下的原因能夠揭示淮河流域用水存在的問題，可為水資源管理部門提供決策參考。

鑒于此次評價結果及水資源利用效率現(xiàn)狀，建議調整產(chǎn)業(yè)結構、加快技術創(chuàng)新、推動水循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展、科學規(guī)劃基礎設施建設、培養(yǎng)節(jié)約用水和循環(huán)用水的習慣以提高水資源利用效率。同時，該評估模型可推廣到其他地區(qū)，分析不同地區(qū)水資源利用效率的差異。