基于層次分析法的山西省水安全綜合評價

(山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002)

水資源是基礎性的自然資源和戰略性的經濟資源，是經濟社會可持續發展和維系生態平衡、環境優美的重要基礎[1]。21世紀以來，工業化和城鎮化的快速發展對水資源的需求量急劇增加，水環境污染和全球氣候變化等因素使得水安全問題日益突出。目前，對水資源安全研究成果較多[2-6]，研究方法也逐漸由定性分析向定量分析轉變，但就整體而言，目前學術界對水安全還沒有形成一個統一的、明確的定義，水安全問題的研究還處于起步階段。

山西煤長水短，水資源問題是制約山西省社會經濟發展的瓶頸，如何使GDP增長速度與水資源相匹配，在確保水安全的前提下，促進全省GDP的快速增長和模式轉變，是山西省未來一段時間面臨的重要問題。通過水資源安全評價，可動態監測全省水資源所處的安全等級，以便更好地制定和實施與水資源有關的政策。

1 研究區概況

山西省地處華北地區西部，境內大部分為半干旱氣候區，“十年九旱”是其氣候的主要特點。根據山西省第二次水資源評價成果，全省多年(1956—2000年)平均水資源量為123.8億m3，人均水資源量381m3，僅為全國人均水資源量2200m3的17.3%，與山西省第一次水資源評價成果相比，人均水資源量減少了33.6%[7]。山西省作為重要的能源化工基地，隨著城市化、工業化進程的加快，水污染問題也逐漸顯現，地表水和地下水污染已經成為部分地區缺水的主要原因。水資源量的減少和污染的加劇，使得全省水資源供需矛盾日趨尖銳，水安全已成為影響山西省經濟社會發展的重要制約因素。

2 研究方法及指標體系

2.1 研究方法

關于水安全綜合評價，國內外學者對其進行了大量研究，雖然目前還沒有成熟的研究成果，但已探索出多種評價方法，目前主要研究方法有層次分析法、數理統計法、集對分析法、模糊評價法和Vague集理論等評價方法。在水資源安全綜合評價中，各項指標權重的取值是決定評價結果的關鍵，權重不同，評價結果也將截然不同。而在定性與定量相結合的評價方法中，層次分析法具有系統性、簡潔性和實用性等特點，是目前使用較為廣泛的一種評價方法。

層次分析法的基本步驟為：

a.根據問題，構造層次分析結構模型。模型要求同層元素對下層某些元素起支配作用，同時又受上層元素支配。每層中各元素所支配的下層元素一般要求不多于9個，否則兩兩比較會造成判斷上的困難。

b.將各層元素與上層中與之有關的元素進行兩兩比較，建立判斷矩陣。判斷矩陣要求：

(1)

式中：aij(i,j=1,2,3,…,n)為元素Q與Xj相對其上層元素重要性的比例標度，一般采用1～9標度法賦值，見表1。

c.計算相對權重并進行一致性檢驗。

(2)

式中：CI為一致性檢驗指標；λmax為判斷矩陣的最大特征根；n為判斷矩陣階數。

若隨機一致性比率CR=CI/RI<0.1，則判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調整矩陣的元素取值。

表1 1～9標度法

2.2 指標體系建立

指標的選取是進行水安全評價的首要任務，進行指標選取要充分考慮影響水安全的相關因子，并對其進行對比分類，選取具有代表性的指標，以保障研究區域評價的科學性[8]。

由于水資源系統屬于復雜系統，層次多，且各子系統間相互作用，因此，在選擇評價指標時，應從指標實際物理意義出發，通過分析指標間的相互關系，選擇靈敏度高、可度量性好且內涵豐富的指標作為評價因子，同時參考專家意見和研究區的實際情況進行指標篩選，構建水安全評價指標體系，見表2。

表2 水安全評價指標體系

2.3 指標賦權

根據山西省的實際情況，采用層次分析法構建模型，依據標度法對指標進行兩兩比較，建立判斷矩陣，對準則層和指標層進行賦權，并進行一致性檢驗，結果見表3。

表3 指標權重

3 評價結果

3.1 水安全等級劃分

綜合考慮山西省水資源狀況、經濟社會發展水平，以國家標準和有關發展規劃值及相關學者的研究成果[9-11]為依據，通過咨詢相關領域專家，將山西省水安全劃分為5個等級，見表4。

表4 水安全綜合評價等級劃分

3.2 水安全評價

收集了山西省2009—2018年各項評價指標共12項，組成原始評價集。因各項評價指標量綱不同，不能直接進行相互比較，因此，需對原始數據進行標準化處理，以消除量綱的影響。由于各評價指標對評價方案貢獻方向不同，將指標分為越大越優的效益型指標和越小越優的成本型指標，并根據文獻[1]的方法進行標準化處理。

(3)

(4)

式中：x(i,j)為指標原始值；xmin(j)、xmax(j)分別為第j個指標的最小值和最大值；y(i,j)為標準化處理后的指標值；k、q為一般常數。

標準化處理后的水安全評級指標值見表5。

表5 標準化處理后的水安全評級指標值

根據上述方法和指標計算出山西省2009—2018年的水安全綜合評價值，見表6。評價結果顯示，近10年(2009年—2018年)，山西省水資源總體上由不安全狀態逐漸向安全狀態轉化，水安全等級有了較大的提升。其中2009—2010年，全省水資源處于不安全狀態，綜合表3和表5分析，2009年和2010年全省的水資源總量較近10年均值分別減少了26.8億m3和21.0億m3，降水量較近10年均值分別減少了67.9億m3和95.2億m3，而萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量和畝均綜合灌溉定額均處于近10年的高點，生態環境補水量和地表水環境力處于近10年的低點，多種因素共同作用導致2009—2010年山西省水安全綜合評價值較低。

2011年以后，山西省啟動“兩縱十橫、六河連通”的大水網建設，建成后的大水網使全省供水保障能力得到極大增強。同時，全省加強節水型社會建設，實行最嚴格水資源管理制度，全省萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量和畝均綜合灌溉用水量則在逐步下降，生態環境補水量和地表水環境力逐漸提高，降水量也基本處于豐水期，多種因素使得全省水安全狀態有了大幅提升，全省水資源基本處于安全狀態。2015年，由于水資源總量和生態環境補水量處于近10年的低點，降水量和地表水環境力處于近10年的最低點，萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量和畝均綜合灌溉用水量較2014年均有所上升，多種因素共同導致了2015年水安全程度較低。

綜合分析2009—2018年各項指標及綜合評價結果，2016年所選的效益型指標，特別是水資源總量、供水總量、降水總量和產水模數均是近10年來的最優值，成本型指標萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量和畝均灌溉定額雖然較上年有輕微上升，但排水量、生態環境用水量、地表水環境力和中水回用量較上年有了大幅改善，致使2016年全省水安全綜合評價值達到近10年的最大值，水安全等級處于近10年中的最優。

表6 水安全評級結果

4 結 語

在對山西省水資源開發利用調查的基礎上，選擇影響水安全的相關因素，建立了水安全綜合評價指標體系，運用層次分析法對各項評價指標進行了賦權，并對全省水安全狀態進行了綜合評價。總體上，近10年來山西省水安全程度逐步提高，水安全等級由不安全狀態提高到了安全狀態，且在2016年達到近10年的最優值，研究成果符合山西省實際情況，評價結果合理。根據評價結果，若要提高山西省水安全等級，在保證水資源總量平穩增加的同時，進一步加大技術投入，提高行業用水效率，增加水環境保護投資，加大污水處理力度，減少各行業污水排放量，同時提升人們的環保及節水意識，配合完善的水資源管理系統和預警機制，是確保水資源和社會經濟發展協調一致的關鍵。