基于AHP-熵權法的西安市水資源開發利用程度評價

艾亞迪，魏傳江，馬真臻

(中國水利水電科學研究院，北京 100038)

人類生活水平的不斷提高和經濟發展導致用水規模擴大，水資源短缺問題日益顯現[1]。目前水資源短缺的主要原因有兩個：一方面是全球人口的膨脹擴大了水資源的需求程度；另一方面是人類不夠重視合理開發利用水資源。一個區域水資源的開發利用程度，不僅可以反映當地的生活水平以及社會經濟的生產規模，還可以量化區域的水資源可持續開發利用潛力，因此客觀準確地評價區域水資源可持續開發利用水平，對進一步緩解區域水資源供需矛盾，合理開發利用水資源，實現區域水資源的可持續發展具有指導意義。

目前綜合評價水資源可持續開發利用程度的方法有很多種：物元分析法[2-5]、集對分析法[6-9]、灰色關聯法[10]、屬性識別理論[11-12]、模糊綜合評價法[13-18]等。區域水資源可持續開發利用涉及資源、環境、社會經濟，評價區域的可持續發展程度需要建立合適的評價指標體系，但是僅僅依靠上述方法不能體現出水資源可持續開發利用系統的復雜性、客觀性以及全面性。本文在模糊綜合評價的基礎上，建立水資源可持續開發利用綜合評價指標體系的遞階層次模型，然后依托建立的遞階層次模型，將AHP法與熵權法[19]二者結合確定指標的權重，得到更為準確且適合研究區域的指標權重，最后基于建立的AHP-熵權法-模糊綜合評價模型對研究區域的水資源開發利用程度及潛力做出評價。

1 研究方法

1.1 確定權重

采用AHP與熵權法相結合的方法確定權重，將各個指標的重要性程度進行量化。AHP法有由于人的主觀判斷對客觀現實產生一定誤差的缺點[16]。信息論中的熵反映信息的無序化程度，熵值越大，系統的無序度就越大，對該系統的貢獻就越小，計算得到的權重就越小，反之亦然。因此信息熵可以反映評價指標系統中的有序度，減少人為因素主觀臆斷的干擾，使評價結果趨于合理化。AHP法反映專家對指標的偏好，人為的主觀因素影響較大，但間接體現了研究區域水資源開發利用的特點。如果將兩者結合起來，可以彌補彼此的缺點，更加切實地反映研究區域水資源開發利用的特點。

文獻[20-22]已給出AHP法的計算步驟，文獻[23]已給出熵權法的計算步驟，在此不再贅述。

將AHP法得到的權重計為w*，熵權法計算得到的熵權計為w′，評價指標的個數計為i(i=1，2，…，n)，則AHP與熵權法結合的綜合權重wi為

(1)

1.2 建立AHP-熵權法-模糊綜合評價模型

AHP-熵權法-模糊綜合評價模型先采用AHP-熵權法確定權重，再通過模糊綜合評價模型建立隸屬函數，確定隸屬度，對水資源可持續開發利用程度進行定量評價。

正向指標隸屬度計算公式為

對于逆向指標隸屬度計算公式,只需將式(2)(3)(4)右側的范圍進行逆向即可。

模糊綜合評價集B=(b1,b2，…,bn)，其中bj表示某一評價對象從整體上看對評價等級的隸屬程度。根據最大隸屬度原則，b的最大值bmax所對應的評價等級就是模糊綜合評價模型的水資源開發利用程度的等級。

為了更加直觀地反映水資源開發利用程度以及當地的水資源可持續開發利用潛力，采取將評價等級進行1分制數量化的方法，定量反映各評價等級對水資源可持續利用的影響程度。分別將V1、V2、V33個評價等級的評分計為α1=0.05，α2=0.5，α3=0.95。計算公式為

(5)

式中：a為水資源開發利用程度的潛力指數。數值越小，表明水資源可持續開發利用程度越高；數值越高，表明水資源可持續開發利用的潛力也就越大[24-25]。其中，一般選取k=1。

2 西安市水資源開發利用程度評價

西安市是“一帶一路”的核心區，是一座歷史悠久的文化古城，分西安市區、長安、戶縣、周至、藍田、臨潼、高陵7個區。西安市境內的河網較為密集，但是徑流時空分布的嚴重不均衡是西安市水資源短缺的一個重要原因。研究西安市的水資源開發利用狀況對該地區的社會經濟如何發展、水資源如何管理、水資源供需矛盾如何緩解、水生態文明如何實現具有重大的意義。

2.1 評價指標的選取

考慮到西安市的水資源情勢，參照全國水資源供需分析采用的指標體系，共選取10個指標來全面反映西安市及各分區的水資源可持續開發利用狀況[26-27]：水資源開發利用率C1、地表水控制率C2、人均供水量C3、水資源重復利用率C4、客水利用率C5、水資源人均占有量C6、可利用水量模數C7、灌溉率C8、渠系水利用系數C9、水利工程投資比例C10。西安市及各分區指標值見表1。數據來源于文獻[7]。

表1 西安市及各分區的評價指標值

2.2 構建模型

為反映西安市水資源可持續開發利用系統的復雜性以及全面性，根據上述10個指標構建水資源可持續開發利用綜合評價指標體系的遞階層次模型，見圖1。同時各個評價指標的劃定標準[28]見表2。V1、V2、V3分別對應水資源可持續開發利用程度的3個階段：V1對應水資源開發利用處于飽和階段，此時可開發利用的水資源已接近上限，進一步可持續開發利用水資源的潛力小；V2對應水資源開發利用處于發展階段，用水類型發生轉變，水資源可持續開發利用潛力中等；V3對應水資源開發利用處于初始階段，人均水資源占有量比較高，水資源可持續開發利用潛力巨大。

圖1 水資源可持續開發利用綜合評價指標體系的遞階層次結構模型

表2 各評價指標分級標準

依據AHP和熵權法計算得到的權重結果見表3。從表3可以看出所選取的10個指標中，水資源開發利用率C1、水資源人均占有量C6、可利用水量模數C7、水利工程投資比例C10，這4個指標的重要性較為凸顯，表明這4個指標與水資源開發利用的相關性程度較其他指標高。

表3 綜合權重計算結果

2.3 評價結果與對比分析

為全面反映西安市及各分區的水資源可持續開發利用程度，采用AHP-熵權法-模糊綜合評價模型進行評價，最終結果見表4。從表4可以直觀看出西安市各個地區的水資源開發利用程度存在一定的差異，出現了3個不同階段的水資源開發利用程度。其中水資源開發利用水平較高的是西安市區和臨潼，處于飽和階段；除戶縣的水資源開發利用程度處于發展階段，其余分區均處于初始階段。但綜合考慮，西安市的水資源開發利用程度整體處于發展階段。

表4 西安市及各分區水資源開發利用程度及潛力指數

西安市的水資源可持續開發利用綜合潛力指數為0.552，西安市水資源開發利用程度3個級別隸屬度的大小排序為V2>V3>V1，說明西安市的水資源開發利用水平處于V2、V3之間，但相對偏向V2，根據最大隸屬度的原則，判斷西安市的水資源開發利用水平屬于V2級別，即為發展階段，說明西安市水資源開發利用已經發展到一定規模，但是仍具備一定的發展潛力。在這一階段，應該加強西安市的水資源綜合管理，加大節水力度，實行最嚴格水資源管理制度，努力實現當地水資源的可持續發展。

根據水資源開發利用潛力指數的含義，可以得到西安市各分區水資源開發利用程度高低排序為：西安市區、臨潼、長安、藍田、戶縣、高陵、周至。其中西安市區、臨潼的開發利用程度較高，高陵和周至的開發利用程度相對較低，開發利用潛力較高。開發利用程度屬于V1級別(飽和階段)的是西安市區和臨潼兩個分區。處于V2級別(發展階段)的是戶縣，表明戶縣的水資源開發利用已經初具規模，但是尚有一定的開發潛力。處于V3級別(初始階段)的分區分別是長安、藍田、高陵和周至，表明這4個分區的水資源開發利用水平較低，具有較高的水資源可持續開發利用潛力。以上分析表明西安市幾個分區之間的水資源開發利用程度差異較明顯，各個地區的水資源開發利用水平參差不齊，但是總體而言，西安市的水資源開發利用程度處于發展階段，水資源開發利用潛力處于中等水平。

將集對分析法、屬性識別法、聯系數法的評價結果[29]與AHP-熵權法-模糊綜合評價法進行對比分析，對比結果見表5。總體來看，各個方法的評價結果大致相同，沒有出現較大的出入，但是評價結果還存在著些微的差異。

集對分析法、屬性識別法、模糊綜合評價法與AHP-熵權法-模糊綜合評價法均是在兩個地區的評價結果相差一級，其余的評價結果完全相同。這主要是因為各個評價方法的側重點不同導致部分評價結果存在小的的差別，但是總體上評價結果一致。模糊綜合評價法權重的確定是采用AHP法，具有一定的主觀性，而集對分析法存在的一個缺點是如果指標值很大，那么該指標的權重系數就會很大，從而擴大了數值較大的指標對結果判定的影響，縮減了數值小的指標對總體的影響程度；而屬性識別法的權重的確定是基于專家打分，具有非常強烈的主觀性。總體而言，AHP-熵權法-模糊綜合評價法比上述3種評價方法較為完善，具有一定的科學性。同時經過對比不同方法的評價結果，證實了AHP-熵權法-模糊綜合評價法對西安市水資源開發利用程度的評價結果的可靠性以及實用性。

表5 評價結果對比分析

2.4 ArcGIS可視化分析

圖2 西安市及各分區水資源開發利用潛力指數

為了直觀反映西安市及各分區的水資源開發利用狀況及其地理分布規律，將該地區的水資源開發利用潛力指數通過ArcGIS進行可視化分析，見圖2。從圖2可以發現西安市的東部水資源開發利用程度普遍較西部高，開發利用潛力相對來說比較低。同時也可以看出西安市區周圍的地區水資源的開發利用狀況比較高，遠離西安市區的地區開發利用潛力比較高。原因主要是西安市區的開發程度處于飽和階段，西安市區的經濟水平與水資源開發利用模式帶動周邊地區，這就成了西安市區及周邊的水資源開發利用程度相對較高的原因之一，也間接體現了事物相近相似的原理。

3 建 議

a. 對西安市水資源開發利用程度較高的地區，秉承“節水優先，空間均衡，系統治理，兩手發力”的十六字方針政策，積極推進節水型城市的建設，普及節水器具，增強居民節水意識，提高城鎮生活節水潛力；提高工業用水重復利用率，強化工業節水潛力。根據當地實際情況，考慮工程措施、技術條件、產業結構改革三措并舉緩解水資源態勢。同時提高水資源的系統管理水平，加強水源地保護，嚴格控制取用水量，建議開發利用中水、微咸水等非常規水源，淘汰高耗水企業。

b. 對西安市水資源開發利用程度較低的地區，嚴格控制主要污染物入河湖總量，合理開發利用水資源，積極推行清潔生產，協調好社會經濟建設、生態環境建設與水資源管理三者的關系。在城市發展進程中，要加強對生態環境的保護，努力打造人與自然和諧相處的局面。