基于GC-TOPSIS模型的水資源管理績效評價及障礙度分析

羅 浩， 周維博， 白潔芳， 唐繼張， 楊阿敏

(1.長安大學 環境科學與工程學院， 陜西 西安 710054； 2.長安大學 旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室， 陜西 西安 710054； 3.黃河水土保持天水治理監督局， 甘肅 天水 741000)

1 研究背景

水資源管理績效評價是監控水資源管理水平的一種重要手段，能從多個方面審視水資源管理成效，對于水資源管理工作的開展和落實具有重要意義[1-4]。近幾年，許多學者對水資源管理績效評價進行了分析研究。任珩等[5]著眼于干旱區水資源管理政策的制定和實施，建立了“政策認知+效率+社會環境效益”的績效評價體系，分析評價了甘肅省民勤綠洲1963-2008年的水資源管理政策績效。吳丹等[6]針對我國七大流域，以經濟、社會和環境3個方面的績效為核心，詳細分析了其12 a水資源綜合管理績效指數變化態勢及影響因素。楊丹[7]構建了水資源“三條紅線”管理績效評價體系，實證分析了濟南市2006-2011年的水資源管理能力。凌佳楠等[8]對寶應縣2015年的水資源管理效果進行了分級評價。使用的研究方法主要有突變級數法[5]、主成分分析[9]、AHP法[10]、灰色關聯法(Gray Correlation, GC)[11]、物元可拓模型[12]、逼近理想解排序(TOPSIS)[13]。

上述研究成果為水資源績效評價的進一步研究奠定了較好的基礎，但也存在著一些不足，如缺乏普適易用的研究方法、未具體分析關鍵影響因子。灰色關聯理想解法(GC-TOPSIS)是由GC與TOPSIS法耦合而成，其結合了兩種評價方法各自的優點，克服了單一評價的不足[14]。目前，該法已被成功應用于秸稈綜合利用方案優選[15]、灌溉用水效率評價[16]等多個領域。鑒于此，為了更加全面客觀地進行水資源管理績效評價，本文使用GC-TOPSIS評價模型和障礙度模型[17]，對西安市近12年(2005-2016年)的水資源管理績效進行評價和障礙因素識別，以期為提高城市水資源管理績效和建立完善長效的水資源管理機制提供參考。

2 評價指標體系

現階段我國實行最嚴格水資源管理制度，而“三條紅線”正是該制度的核心內容。因此本文立足于已有文獻中有關建立水資源管理評價體系的方法和思路，以“三條紅線”為基礎，從開發利用，用水效率和限制納污3個角度構建水資源管理績效評價體系(圖1)。在評價指標的篩選上，遵循科學性、目的性、可對比性和易操作性原則。具體為：(1)開發利用準則層上，主要考慮了區域的用水總量變化和生產、生活、生態等單方面用水的情況，同時為反映對地下水超采問題的管理，增加了地下水供水比例指標；(2)用水效率準則層上，主要考慮了工農業及生活方面的用水和供水效率；(3)限制納污準則層上，主要考慮了COD、氨氮和廢污水的排放以及污水處理情況。本文采用博弈組合權重法來確定評價指標的權重，其中主觀權重使用AHP法確定，客觀權重來自改進熵權法。方法原理及基本步驟見文獻[16]，此不贅述。

圖1 水資源管理績效評價體系

3 評價方法和模型

3.1 GC-TOPSIS模型

GC-TOPSIS法本質是以組合系數來調解TOPSIS與GC法評價結果的不一致，從而實現兩種方法的集化或融合。組合系數通常由決策者對位置與形態的偏好程度確定，帶有主觀性。博弈論是研究含競爭性質現象的方法，陳加良[18]用Nash均衡為協調目標，將博弈論引入到不同賦權方法的集結問題中，并取得很好的效果。基于上述原理，本文采用博弈論方法確定組合系數，以尋求位置與形狀態勢之間的均衡，消除人為確定系數帶來的主觀性。計算步驟如下：

設原始數據構成的評價矩陣為X=[xij]n×m，xij為水管理績效評價中第i個樣本第j個評價指標的原始屬性值；指標組合權重為μ={μ1,μ2,…,μm}。

(1)標準化處理，采用極值處理法獲得規范化評價矩陣Y=(yij)n×m。

(1)

(2)權重乘以規范化評價矩陣得到加權決策矩陣T=(tij)n×m=μTY。

(2)

(j=1,2,…，m)

(3)

(j=1,2,…，m)

(4)

式中：*代表“+”或者“-”，下同。

(5)

(6)

式中：ρ*為分辨系數，本文取0.5。

(6)無量綱化處理。

(7)

(7)確定各樣本的距離貼近度Ei和灰色關聯貼近度Fi，取值范圍均為[0,1]。

(8)

(9)

(8)設由距離貼近度集矩陣W1∶W1={e1,e2,…,em}T和灰色關聯貼近度集矩陣W2：W2={f1,f2,…,fm}T建立的兩種評價方法的耦合為：

(10)

其中：β1、β2>0;β1+β2=1。

(9)基于博弈論思想，建立數學優化模型，優化組合系數β1和β2。

(11)

(10)可由矩陣微分性質求解出上式，得到(β1,β2)，歸一化處理。

(12)

(11)計算綜合貼近度集CS*。

(13)

綜合貼近度值越大，表明水資源管理績效越優，越小則越差。根據參考文獻[19]，將水資源管理績效綜合貼近度分為4個等級，分別代表不同程度下的水資源管理績效(表1)。

表1 水資源管理績效評判標準

3.2 障礙度模型

在評價水資源管理績效的同時分析影響管理績效的關鍵因子，有利于針對性地調整水資源管理思路和規劃未來水資源管理的方向。

障礙度模型涉及到3個概念：障礙度Oj(指標對水資源管理績效的影響程度)、因子貢獻度(指標對水資源管理績效評價的貢獻，通常用指標權重μj表示)、指標偏離度Ij(指標與水資源管理績效目標的差值，一般表示為Ij=1-yij)。第j個評價指標障礙度為：

(14)

4 實證研究

4.1 研究區概況及數據來源

西安市是我國西北地區最大的城市，地處陜西關中平原、黃河流域中部，下轄13個行政區縣,總面積10 180 km2。年均氣溫13.3℃。年均蒸發量852.7 mm，年均降水量577 mm，降水呈南多北少的趨勢，且年際、年內降水量分配極不均勻，因而造成地表徑流變化速率大、水資源實際可控量少。本文所用數據主要來源于2005-2016年的《西安統計年鑒》和《西安市水資源公報》，并且以西安市供用水年報中的相關數據作為補充。

4.2 結果分析

4.2.1 權重及正、負理想解 根據前文所述方法，確定權重，獲取正負理想解,見表2。

表2 權重及正、負理想解

4.2.2 績效評價 西安市2005-2016年水資源管理綜合績效評價結果如圖2。

由圖2可知，2005-2016年西安市水資源管理績效逐漸上升，2016年績效值為0.6944，是2005年的2.13倍，年均增長速率7.10%。績效水平經歷了中級-良好的演變，研究初期大部分年份均處于中級績效水平，末期發展為良好水平，未來還有很大的提升空間。根據12 a西安市水資源管理績效特點，可分為3個階段。

第1階段(2005-2007年)，西安市水資源管理績效整體處于中下水平，呈快速增長，2007年達到期間績效最大值0.4162，較2005年增長27.52%，年均增速高達12.92%。該時期西安市積極探索傳統水利向現代水利的模式轉變，努力建設節水型社會，頒布了《西安市黑河引水系統保護條例》、《西安市水利工程管理體制改革實施意見》等多部管理條例，制定了水資源論證、取水許可、計劃用水等多項制度，加強了對水環境的綜合治理，這些舉措促進了績效水平的高速提升。然而，由于研究初期績效水平差，一系列管理制度措施尚在不斷完善之中，其成效是持續性的，在短時間內無法完全呈現，故該研究期績效整體水平仍然相對較低。

第2階段(2008-2012年)，5年間西安市水資源管理績效逐年提高，較上一時段有了明顯提升。績效數值由2008年的0.3822上升至2012年的0.5912，漲幅達54.67%，年均增速為11.52%，繼續保持著高速增長。究其原因在于西安市大力推進水利管理機構改革，由市水務局統一行使城市供排水、水源保護以及再生水利用等管理職能，建立了統一指揮、權責明確的管理體制，一體化管理模式基本形成[20]。

第3階段(2013-2016年)，西安市水資源管理績效處于良好水平，實現了質的飛躍。績效由0.6264提高至0.6944，漲幅10.84%，年均增速3.49%，呈穩步增長。其原因是國家越來越重視水資源管理，出臺了《實行最嚴格水資源管理制度考核辦法》等相關文件，自2013年起，將開始考核各省實施最嚴格水資源管理目標的完成情況，隨后陜西省也制定了相關政策，如《陜西省人民政府關于實行最嚴格水資源管理制度的實施意見》。這一系列政策和措施的出臺實施，使績效得以持續提高。但是，由于基期水平高，績效的提升難度相對較大，故增長速度放緩。

從水資源管理準則層績效評價結果(圖3)來看，2005-2016年3個準則層績效評價值總體上均呈上升態勢，與綜合績效變化趨勢有很大的相關性。不同準則層間績效變化也略有差異：開發利用績效在2012年步入良好水平之前表現為振幅越來越小的波動增長，之后緩慢上升，年均增速6.05%。用水效率績效以年均7.05%的速度呈小幅度波動上升。限制納污績效從2005年的0.1371上升至2016年的0.8551，漲幅最大，呈線性增長，年均增速高達8.68%，績效水平歷經了由差到優的轉變。

4.2.3 障礙因子分析 根據障礙度模型，分別計算出準則層障礙度(表3)和指標層障礙度(表4)，用以診斷影響西安市水資源管理績效的障礙因子。

圖22005-2016年西安市水資源管理綜合績效 圖32005-2016年西安市水資源管理單準則層績效

表32005-2016年西安市水資源管理準則層障礙度

%

由表3可知，3個準則層障礙度在2005-2007年相差不大，但變化趨勢具有一定差異。在整個研究期間，開發利用障礙度呈指數上漲，年均增速高達6.05%，數值始終最大，是阻礙西安市水資源管理績效提升的最大因素；用水效率障礙度整體基本穩定于30%附近，于2012年后有緩慢下降趨勢，除2006年值最小之外，其他年份值均位于第二位，是影響西安市水資源管理績效水平的第二大因素；限制納污障礙度則與用水總量障礙度變化趨勢相反，呈線性遞減。以上表明西安市在限制納污的管理方面具有很大進步，若要提高西安市水資源管理績效，需更加重視開發利用和用水效率績效的提升。

表4中僅列出了排序前5位的指標障礙因子。結果顯示：第1階段(2005-2007年)，城市污水處理率、萬元GDP用水量、農業用水比例和工業用水比例這4項指標對西安市水資源管理績效的影響最大且較為持續，4項指標涉及到所有準則層。主要原因在于，該時期西安市用水以工業和農業為主，兩者占總用水量的70%以上，用水量高但經濟收益低，同時基礎設施不夠完善，污水處理配置較為缺乏第2階段(2008-2012年)，隨著前一時期西安市建設節水型社會的效益逐步顯現，灌溉水利用系數、總量變化率和生態用水比例取代了之前的4項指標，成為主要的障礙因素。灌溉水利用系數說明應注重普及農業節水技術、著重完善灌區管理水平，在渠系輸配水、田間水利用以及水分生產的灌溉整體過程中的每項環節均實施相應的節水改進措施[7]。此外，還應在發展經濟的過程中兼顧城市水生態的建設。第3階段(2013-2016年)，與前面排名有較大變化，用水總量變化率、人均日生活用水量、工業用水率和工業用水重復率變為最主要的障礙因素。且從發展趨勢上看，用水總量變化率和人均日生活用水量也將是今后一段時期的主要障礙因素。這是由于隨著城市的發展，人口數量不斷增多，人民生活水平也日趨提高，對水資源量的需求急劇擴大。因此，西安市應加強對用水總量的控制，在此基礎上提高生產生活水平，通過調整用水方式，改進用水器具，來提升開發利用績效，同時還需做好與節水有關的宣傳教育工作，增強居民的自主節水意識。

表4 2005-2016年西安市水資源管理績效指標層主要障礙因子障礙度 %

5 結 論

(1)2005-2016年西安市水資源管理綜合績效從0.3264提高至0.6944，年均增速7.10%，表現出先高速增長后穩步提升，績效水平完成了中級向良好的轉變。單項績效方面，3個準則層績效總體均呈上升趨勢，其中限制納污績效在2016年已處于優級水平，增速最快，而開發利用和用水效率績效還具有較大提升空間。

(2)準則層障礙度上，開發利用對西安市水資源管理績效的影響最大，用水效率影響次之，限制納污影響最小。在研究初期3個準則層障礙度差距不大，而后開發利用準則層障礙度呈指數增長趨勢，年均速達6.05%，用水效率和限制納污準則層障礙度則呈下降趨勢，年均速分別為2.14%和23.66%。

(3)指標層障礙度上，2005-2007年的主要障礙因子為城市污水處理率、萬元GDP用水量、農業用水比例和工業用水比例，2008-2012年為灌溉水利用系數、總量變化率和生態用水比例，2013-2016年以用水總量變化率、人均日生活用水、工業用水率和工業用水重復率為主。