基于Topsis 方法的北方地區(qū)再生水開發(fā)利用綜合評價

余鵬明 ，管孝艷，陳俊英

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 水利研究所，北京 100048；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100）

0 引 言1

【研究意義】隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，水資源短缺已經(jīng)成為北方地區(qū)及部分沿海地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的制約因素[1]。再生水因具有供給穩(wěn)定、水源可靠、成本低廉等優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面的作用日益增加，已成為緩解水資源供需矛盾的重要途徑之一[2-4]。2015 年國務(wù)院出臺《水污染防治行動計劃》對再生水利用進行專門規(guī)定，到2020 年，京津冀區(qū)域再生水利用率不低于30%[5]。在中央提出大力開發(fā)非常規(guī)水資源的背景下，開展再生水開發(fā)利用綜合評價分析研究具有重要的現(xiàn)實意義。

【研究進展】再生水開發(fā)利用的影響因素較為復(fù)雜，包含經(jīng)濟、社會和環(huán)境等多方面因素。國外學(xué)者對歐洲再生水回用進行分情景研究，結(jié)果表明地中海地區(qū)的再生水利用有著巨大潛力[6]；Anane 等[7]基于 GIS 并運用模糊綜合評價法對突尼斯Nabeul-Hammamet 區(qū)域再生水最佳灌溉地點進行評價；Adapa 等[8]對促進與阻礙澳大利亞再生水利用的因素進行研究，結(jié)果表明用戶對再生水的抵制與社會經(jīng)濟福利以及對再生水的認知有關(guān)。有學(xué)者基于IGES 通過專家調(diào)查法對天津市再生水利用管理進行研究，揭示了研究區(qū)再生水利用存在的不足[9]。近年來，隨著再生水開發(fā)利用不斷推進發(fā)展，再生水綜合發(fā)展評價的研究也逐漸開展。目前關(guān)于再生水開發(fā)利用定性評價的研究較多，有學(xué)者采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法、物元分析法、投影尋蹤等方法對城市范圍內(nèi)的再生水利用進行定性評價研究[10-13]，在小范圍研究區(qū)內(nèi)取得較好的結(jié)果。【切入點】但上述研究存在著以下2 點不足：所選的部分指標(biāo)難以量化，所采取的專家打分法具有較大的主觀性；已有研究多為局部地區(qū)定性研究，忽略了再生水利用發(fā)展的宏觀研究。

【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究基于Topsis 模型研究開展了北方地區(qū)再生水開發(fā)利用綜合評價，以再生水利用量作為綜合評價參考，以期為提高再生水開發(fā)利用能力和水平，制定再生水開發(fā)利用的政策提供參考依據(jù)。

圖1 我國再生水利用量變化情況 Fig.1 Changes in China's recycled water utilization

1 再生水利用現(xiàn)狀

據(jù)城建部《城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》統(tǒng)計，2011－2017年，我國再生水利用量逐漸增長（圖1）。2017年，全國城市再生水利用量為71.34億m3。再生水利用量超過1億m3的省（市）有北京、內(nèi)蒙古、河北等14個省份，北方省份的利用量位居前列。其中，北京市再生水利用量達10.5億m3，位居全國第一，甘肅省、吉林省利用量僅達到0.1億m3，不同省份之間存在較大的差距，如表1所示。因此，開展北方地區(qū)再生水開發(fā)利用綜合評價具有重要意義。

表1 再生水利用量分布情況 Table 1 Distribution of recycled water utilization

2 Topsis 綜合評價法

Topsis綜合評價法在大區(qū)域水資源評價等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)有學(xué)者采用 TOPSIS 模型對長江流域經(jīng)濟帶水資源承載力和北方地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱應(yīng)對能力進行綜合評價，結(jié)果表明其在空間分布上存在較大差異[14-15]。有學(xué)者基于均方差-TOPSIS 模型對貴州水生態(tài)安全進行評價研究，得到了貴州省水生態(tài)安全的關(guān)鍵因素[16]。王春懿等[17]運用 TOPSIS 模型對寧夏 5 個市區(qū)的農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險進行評價，在指標(biāo)復(fù)雜眾多的條件下取得了良好的結(jié)果。綜上，Topsis 綜合評價法具有適用范圍廣、簡單易行等優(yōu)點，本研究采用其進行再生水開發(fā)利用綜合評價。

Topsis 又名逼近理想解法，該方法是一種多指標(biāo)情況下進行綜合評價的客觀評價方法，是一種常用的多目標(biāo)決策評價方法。該方法將多個指標(biāo)對象的評價結(jié)果看作多條坐標(biāo)軸并構(gòu)造多維空間，從各指標(biāo)對象中求得該指標(biāo)的最優(yōu)值和最差值，并求得各個待評價對象值到最優(yōu)值和最差值的距離[18]。Topsis 法的基本原理是通過確定各指標(biāo)評價值向量與評價最優(yōu)方案和最劣方案間的相對距離，對評價對象進行排序評價，能夠較好地解決宏觀層面上的再生水開發(fā)利用定性評價問題并且能夠進行區(qū)域差異分析，可為再生水開發(fā)利用綜合評價提供科學(xué)有效的評價決策。主要計算步驟如下：

記歸一化后的最優(yōu)、最劣向量分別為：

式中：第i 個評價對象與最優(yōu)、最劣方案的距離分別為：

式中：第i 個評價對象與最優(yōu)方案的接近程度Ci為：

貼近度 Ci取值在 0～1 之間，當(dāng)評價對象的指標(biāo)向量為最優(yōu)解向量時，Ci=1；當(dāng)指標(biāo)向量為最劣值時， Ci=0。Ci愈接近 1 則表示評價目標(biāo)的水平愈優(yōu)，Ci愈接近 0 則表示評價對象的水平愈劣。

3 Topsis 綜合評價模型的建立

余鵬明等[19]曾運用 Spearman 秩相關(guān)法對影響我國再生水利用量的因素指標(biāo)進行系統(tǒng)深入研究。本研究選取再生水利用量作為再生水開發(fā)利用綜合評價的參照指標(biāo)，相較于再生水利用率等指標(biāo)具有直觀、可行的優(yōu)點。本研究參考影響因素分析的結(jié)果，在各類指標(biāo)中選取相關(guān)系數(shù)最大的指標(biāo)，并以相關(guān)系數(shù)絕對值的相對大小作為 Topsis 模型中的權(quán)重系數(shù)。 Topsis 再生水開發(fā)利用綜合評價模型的指標(biāo)體系如表 2 所示（數(shù)據(jù)來源于《中國城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》、《中國統(tǒng)計年鑒》和《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》。

表2 Topsis 模型指標(biāo) Table 2 Topsis model indicators

本研究搜集并整理2014—2017 年北方13 省（直轄市、自治區(qū)）的8 個評價指標(biāo)數(shù)據(jù)，依據(jù)相關(guān)系數(shù)的正負，判斷指標(biāo)的正負。其中人均水資源量指標(biāo)為負優(yōu)指標(biāo)，其余指標(biāo)為高優(yōu)指標(biāo)。運用DPS 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)實現(xiàn)Topsis 的建立，結(jié)果如表3 所示。

表3 2014—2017 年樣本排序指標(biāo)值 Table 3 Sample ranking index values from 2014 to 2017

表3 中Ci 計算結(jié)果表明，Topsis 模型具有較好的區(qū)分度，能夠較好地評價北方地區(qū)各省份的再生水開發(fā)利用情況。2014—2017 年北方地區(qū)再生水開發(fā)利用評價結(jié)果如圖3 所示。從圖2 可以看出，在北方地區(qū)13 個省份（直轄市、自治區(qū)）中，北京市、遼寧省和河北省再生水開發(fā)利用綜合評價排名較高，2014—2017 年排名均位居前3。新疆、青海、甘肅、寧夏、吉林再生水開發(fā)利用綜合評價排名較低。2015—2017 年，陜西省 排名位次逐漸上升，山西省排名位次逐漸下降。其余各省份排名位次變化不明顯。

圖2 排名變化匯總 Fig. 2 Ranking change summary

4 分析與討論

對北方13 省opsis 計算結(jié)果的4 a 貼近度Ci 求均值。聚類分析在評價等級劃分中應(yīng)用廣泛，較主觀分級有著更好的區(qū)分度[20]。在SPSS 數(shù)據(jù)分析軟件中運用系統(tǒng)聚類法將再生水開發(fā)利綜合評價等級分為高、較高、中等、較低4 個級別，結(jié)果見表4。

表4 再生水開發(fā)利用綜合評價結(jié)果 Table 4 Comprehensive evaluation results of recycled water development and utilization

北京市作為重度缺水城市，巨大的水資源壓力使得北京市成為國內(nèi)最早大規(guī)模使用再生水的地區(qū)，數(shù)量龐大的用水人口使其再生水利用量早在2005 年就接近1 億m3，多年位居全國之首。北京市Topsis 模型中的多數(shù)指標(biāo)均朝著有利的方向發(fā)展，如排水設(shè)施投資連續(xù)多年保持在百億以上，污水處理設(shè)施建設(shè)不斷完善，污水處理能力從2014 年的429 萬m3/d 增長到2017 年的665 萬m3/d。此外，北京市生產(chǎn)運營用水量逐漸下降并維持在相對較低的水平，表4 表明，在北方地區(qū)13 個省份（直轄市、自治區(qū)）中，北京市再生水開發(fā)利用綜合評價結(jié)果為“高”，河北省和遼寧省的評價結(jié)果為“較高”，天津市、山西省、山西省、吉林省、黑龍江省、陜西省、寧夏和新疆的評價結(jié)果為“中等”，甘肅省和青海省的評價結(jié)果為“較低”。

北京市作為重度缺水城市，巨大的水資源壓力使得北京市成為國內(nèi)最早大規(guī)模使用再生水的地區(qū)，數(shù)量龐大的用水人口使其早在2005 年其再生水利用量就接近1 億m3/d，多年位居全國之首。北京市Topsis模型中的多數(shù)指標(biāo)均朝著有利于的方向發(fā)展，如排水設(shè)施投資連續(xù)多年保持在百億以上，污水處理設(shè)施建設(shè)不斷完善，污水處理能力從2014 年429 萬m3/d 增長到2017 年的665 萬m3/d。此外，北京市生產(chǎn)運營用水量逐漸下降并維持在相對較低的水平，這表明北京市生產(chǎn)運營用水在淡水供應(yīng)總量中的占比逐漸降低，對再生水的需求與依賴程度逐漸加強。北京市較高的供排水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)基礎(chǔ)為北京市再生水開發(fā)利用提供了良好的基礎(chǔ)與前提，其供排水管網(wǎng)長度和用水普及率位居全國前列。

甘肅省和青海省再生水利用存在的障礙主要是污水處理設(shè)施建設(shè)滯后，特別是青海省2017 年污水處理能力僅為44.4 萬m3/d，處于停滯狀態(tài)。較高的污水處理水平與較大的污水處理規(guī)模是提高再生水利用量的重要基礎(chǔ)，應(yīng)當(dāng)對該地區(qū)內(nèi)的污水處理設(shè)施進行提標(biāo)改造，為再生水利用提供良好的基礎(chǔ)。

遼寧省和河北省再生水開發(fā)利用綜合評價結(jié)果僅次于北京。遼寧省年水資源量變化較大，水資源分布不均，如大連市、撫順市沿海城市嚴重缺水。2017 年大連市再生水利用量為1.45 億m3，約占遼寧省再生水利用量的79.25%。近年來，遼寧省受限于越來越嚴苛的污水排放政策和因缺水而導(dǎo)致地越來越高的用水成本，生產(chǎn)運營用水量逐年下降以減少淡水消耗量，再生水利用相關(guān)設(shè)施如排水管道長度增長較快，能夠為再生水利用提供較好的基礎(chǔ)。河北省2017 年再生水利用量為4.01 億m3，連續(xù)3 a不斷增加。河北省再生水利用存在的問題在于污水處理設(shè)施的規(guī)模有限，其污水處理能力指標(biāo)增長緩慢。其余各項指標(biāo)均朝著有利于再生水開發(fā)利用的方向發(fā)展，排水設(shè)施投資力度逐漸加大，廢水排放總量逐漸下降，排水管道長度不斷增加、城市用水人口保持較高的增速。

北方地區(qū)使用再生水能夠有效地節(jié)省成本，特別是缺水地區(qū)，相比于興建水庫、開采使用地下水等，再生水有一定的價格優(yōu)勢，這是北方地區(qū)再生水利用發(fā)展的重要優(yōu)勢。再生水利用發(fā)達的省份應(yīng)當(dāng)進行項目示范，實現(xiàn)再生水利用的全面發(fā)展。隨著其技術(shù)和市場的不斷發(fā)展，再生水利用的制約性問題將逐漸解決，北方地區(qū)再生水市場將有著良好的發(fā)展前景。

5 結(jié) 論

1）本文建立的Topsis 模型對北方省份再生水開發(fā)利用具有明顯的區(qū)分度，能夠較好地評價北方地區(qū)各省份（直轄市、自治區(qū)）的再生水開發(fā)利用情況。

2）在北方13 省（直轄市、自治區(qū)）中，北京市、遼寧省和河北省再生水開發(fā)利用綜合評價排名較高，2014—2017 年排名均位居前3。聚類分析表明，北京市再生水開發(fā)利用綜合評價結(jié)果為“高”，遼寧省和河北省評價結(jié)果為“較高”，青海省和甘肅省評價結(jié)果為“較低”，其余省份為“中等”。

3）2015－2017 年，陜西省再生水開發(fā)利用綜合評價排名逐漸上升，山西省的排名逐漸下降，其余各省份的排名情況相對穩(wěn)定。