基于AHP-TOPSIS法的漳河水量分配組織實施管理評估

劉博靜，宋秋波，丁菊鶯，徐 凱

（1.天津市中水科技咨詢有限責任公司，天津 300170；2.水利部海河水利委員會，天津 300170）

1 引言

我國開展的涉水評價工作主要側重于水利工程建設、法律法規和水資源論證后評估。隨著跨省河流水量分配工作不斷推進，關于水量分配相關工作的需求增多，前人的研究多集中在對分水水量的研究，方法主要有層次分析法（AHP）、理想點法（TOP?SIS）、總量控制法等。馮普林等[1]、鮑燕寒等[2]、段琪彩等[3]、舒丹丹等[4]先后利用層次分析法研究確定了不同區域的水量分配；張先起等[5]、王笑梅等[6]、潘妮等[7]均利用TOPSIS模型研究確定了不同區域分配水量。我國最早一批跨省河流水量分配方案已經執行數年，針對其實施效果的研究寥寥無幾。周肆訪等[8]采用典型年類比的方法研究了黃河水量分配方案實施后河道最低水量及入海徑流量的變化，王冰等[9]將ELECTRE__法應用于灤河水量分配組織實施評估。

水量分配方案組織實施管理評價過程是一個多主體、多準則、多目標決策過程[10]，解決的步驟主要包括指標體系的建立、指標得分量化、指標權重確定、綜合評價。本文針對漳河分水方案及其組織實施管理工作，建立了評估指標體系并進行評估，聯合應用AHP-TOPSIS 法對漳河水量分配組織實施管理進行了評估。

2 流域概況

漳河發源于山西省境內，流經河北、河南兩省邊界。上游分濁漳、清漳兩支，在合漳匯合，出岳城水庫進入平原，至稱鉤灣匯入衛運河，如圖1所示。根據漳河上游水資源規劃，1956—2000 年漳河上游多年平均天然徑流量為13.83億m3。

圖1 漳河上游流域示意

為解決漳河上游水事糾紛、加強水資源統一管理，1989 年國務院以國發〔1989〕42 號文件批準并轉發了水利部組織編制的《漳河水量分配方案》。方案將漳河上游可利用水量合理分配給山西、河南和河北3 省。漳河分水方案規定：按濁漳河紅旗渠首河段、清漳河匡門口來水量及觀臺以上區間來水量之和扣去岳城水庫棄水進行分配，河南、河北2省的分水比例定為48%和52%；各灌區的水量由2 省在配額內自行安排；枯水年2省的分水比例定為各50%。同時，規定了灌溉季節和非灌溉季節的基流、各灌區的引水流量。

3 指標體系

3.1 構建指標體系

進行分水方案組織實施管理評估的關鍵步驟之一為構建評估指標體系。郝永懷等[11]基于社會、經濟、生態環境、效率等準則，提出了反映水—社會—經濟系統特征的指標體系；陳翔等[12]基于分水方案制定原則，提出水量分配核算指標體系；張康等[13]基于綜合性、可操作性、獨立性和代表性的原則，提出了珠江流域水量分配實施后評估指標體系；宋秋波等[14]基于水量分配方案組織實施特點，建立了水量分配方案組織實施評價指標體系庫。目前，指標體系的研究還處于初級階段，總體上還未形成完整、規范、權威的評價工作體系。

筆者根據漳河水量分配特點，構建了漳河水量分配組織實施管理評估指標體系，主要涵蓋3 個方面：①分水方案，考慮方案的科學性、合理性、可操作性和可持續性；②組織實施管理過程，考慮人員及制度建設情況，分水指標的確定過程以及工程管理方案；③效果與效益，包括直接效益和間接效益。詳見表1。

3.2 指標內涵

各子準則層及其指標層在劃分時考慮指標間的關聯關系，將具有相互影響與制約的指標歸于一個子準則層，可有效避免子準則層間各指標具有正向和逆向關系進而影響權重賦值。

方案質量本質是指方案具備分水的能力的屬性，方案的科學性、合理性、可操作性和可持續性共同決定了分水能力的大小。方案的科學合理，用D1～D33 個指標表征，資料準確和完備是分水方案編制成功的基礎，技術方法合理且符合實際是方案編制成功的必要手段，區域間用水公平是方案合理的必要條件。方案的可操作性用D4和D52 個指標表征，不同來水條件下的分水方案和控制斷面下泄水量是實現不同水平年型分水結果的必要條件。方案的可持續性用D6和D72 個指標表征，長期實施的方案應充分考慮區域水資源情勢和用水量的變化。

表1 指標體系與權重

組織實施與管理過程是指方案執行能力的屬性。組織實施管理過程主要包含3 個步驟：①人員和制度保障（D8和D9），包括組織實施管理機構的管理水平和執行力、完備的制度與協調機制；②年分水指標確定過程（D10和D11），包括來水量預測精度和用水計劃與分水指標的制定與實施；③調度與監控過程（D12和D13），包括年調度方案和水量水質監控方案的制定與落實。

效果與效益是表征方案執行結果的屬性。水量分配直接效果是實現河流重要控制斷面水量水質下泄目標和水量在不同分區的合理分配，用D14和D15表示，選用控制斷面水量水質控制目標達標率和各分區年分配水量偏離系數表征直接目標達成度。水量分配方案的直接效果體現在維護社會健康穩定發展、促進區域經濟發展、改善區域生態環境3 個方面，用D16～D19表示。

4 評估

4.1 方法介紹

TOPSIS 法[15]是C.L.Hwang 和K.Yoon 2 個 人 于1981 年首次提出，是一種有效的多指標、多目標決策，其以距理想解和負理想解的距離為基準，作為評價各方案可行性的依據。該方法具有直觀的幾何意義，概念清晰；計算簡易，對原始數據的利用比較充分，信息損失比較少；應用靈活，范圍廣，是一種有效的多目標決策方法。

假設一個多屬性決策問題的備選方案集為：

衡量方案優劣的屬性向量為：

此時方案集X 中的每個方案xi的n 個屬性值構成的向量Yi={yi1,…,yij,…,yin} 作為n 維空間的一個點，可以唯一地表征方案xi。

則TOPSIS法的具體算法如下。

用向量規范法求規范決策矩陣：

式中：zij為規范化的屬性值，i= 1,…,m,j = 1,…,n。

引入權重向量wj={w1,…,wi,…,wn}，則：

從而，構成加權規范陣X ={xij} 。

計算備選方案xi到正理想解的距離：

計算備選方案xi到負理想解的距離：

計算各方案的排隊指標值（即綜合評價指數）：

TOPSIS 法權重計算利用數據本身的信息確定，指標的均方差（數據的離散程度）決定指標的權重。專家對某一個指標的認同度越高，則該項指標權重越大。這一結果顯然與實際情況不符。為了克服這一缺點，筆者利用AHP法計算權重。

美國T.L.Saaty 教授[16]提出用層次分析法確定權重，具體步驟可分為：建立遞階層次結構模型，構造出各層次中的所有判斷矩陣，層次單排序及一致性檢驗，層次總排序及一致性檢驗。計算的關鍵步驟是構造判斷矩陣：請熟悉漳河分水方案及其組織實施管理的15位專家學者，通過專家對各層所屬的指標間一一比較，采用1～9 標度法，進行各層內各個指標間的重要性對比，構造判斷矩陣。為節省篇幅，AHP 權重計算原理與步驟見文獻[1-4]，具體指標權重計算結果見表1。

4.2 評估應用

（1）針對水量分配組織實施管理的效益屬性，推薦（90～100，70～90，60～70，0～60）代表（優，良，中，差）4 個評價等級，4 個評價等級代表4 個不同方案。請熟悉漳河分水方案組織實施管理的15位專家學者，對19 個D 層指標進行打分。將專家打分矩陣轉化成隸屬度矩陣。隸屬度即是指某個指標15 位專家在優、良、中、差4 個級別上的打分人數。

（2）對專家打分隸屬度矩陣進行規范化，得到規范化矩陣，將權重矩陣引入規范化矩陣，得到加權規范化矩陣，進而得到各指標的理想解。專家打分隸屬度、規范化矩陣和指標理想解，詳見表2。

表2 專家打分隸屬度、規范化矩陣和指標理想點

表3 評價等級的排隊指標值Ci*計算結果

4.3 結果與分析

TOPSIS 法計算得到漳河水量分配方案組織實施管理的評價等級的綜合評價指標Ci*得分依次為0.274、0.708、0.551 和0.192。由Ci*值的大小可確定各方案的排序為：良＞中＞優＞差，即最后的評價結果為“良”，且更偏向于中。

從專家的打分隸屬度表和評價結果可知，漳河分水方案較為科學合理，具有可持續性和可操作性；方案組織實施與管理過程較為科學嚴謹完備；實施效果基本符合原定目標，降低了水事矛盾的發生率，產生了一定的社會、經濟和生態效益。同時也存在不足，漳河上游水資源情勢發生較大變化，水資源量呈減少趨勢，而各分區的用水量卻呈現增加趨勢，分水方案對這一情況考慮不足；另外漳河上游來水量預測精度一般，各分區實際分水水量和年度分水指標偏離度較大，各省仍有水事矛盾發生，產生的社會、經濟效益有所降低。

5 結論與展望

（1）本文構建的1目標3準則8內涵19指標的漳河水量分配組織實施管理評估指標體系，指標因素符合實際、覆蓋全面，能夠合理反映評估目的。

（2）基于AHP-TOPSIS 法的漳河水量分配組織實施管理評估結果為“良”，說明分水方案基本達到了原定目標，對于新一輪江河分水方案的制定與實施具有借鑒意義。同時，方案組織實施過程中也存在不足，可從進一步優化管理體制機制、進行漳河上游來水水量精細預報研究、嚴格控制重要斷面下泄水量等方面優化漳河水量分配方案的實施。

（3）TOPSIS 法賦權重基于專家對于指標層的4個評價等級（優、良、中、差）的均方差，即認可度越高，則該指標權重越大，與實際情況不符。筆者利用AHP 層次分析法賦權重，提高了權重值的準確性和合理性。

（4）AHP 法利用1～9 標度法，進行各層內各個指標間的重要性對比，構造判斷矩陣，進而確定指標權重。TOPSIS 法基于專家對于指標的認可度，對不同評價等級進行綜合評價指標計算，進而確定評價等級。AHP-TOPSIS 方法聯合應用，方法科學、結果合理。

（5）該方法計算簡便、思路清晰、計算結果合理，還可用于工程評價，項目決策，土壤、水資源、大氣等質量評價等方面，具有廣泛的應用前景。