基于AHP的平原水網地區水利基礎設施空間規劃指標體系評價與研究

孫 晨，陳金杭，蘇 晨

(1.南京水科院勘測設計有限公司，江蘇 南京 210098；2.河海大學設計研究院有限公司，江蘇 南京 210098)

水利基礎設施作為國家重要的基礎設施，也是國土空間規劃的重要組成部分，需要在盡快形成國家水利基礎設施網絡的前提下有機納入國土空間規劃中，并考慮必要的國家重大工程預留空間和廊道，水利基礎設施空間規劃作為國土空間總規劃的重要專項規劃，是維護水利空間的重要手段，也是表達水生態的重要途經[1]。為貫徹落實中央關于統一規劃體系、建立國土空間規劃體系并監督實施的有關部署，適應新形勢下“多規合一”要求，做好水利規劃與國土空間規劃之間的銜接，為“水利工程補短板、水利行業強監管”提供規劃基礎和依據，編制水利基礎設施空間布局規劃是十分迫切和必要的[2- 4]。本文根據水利空間要素關系，重要性程度確定主要指標，采用層次分析法建立適用于平原水網地區水利空間規劃指標體系和評價模型，并以淮安市為例，對該模型進行驗證。

1 指標體系

水利基礎設施空間布局規劃的核心是建立規劃指標體系，進行各項水利空間規劃指標賦值，對水利基礎設施空間布局現狀進行評價，對規劃工程的實施效果進行預測。當前該方面的研究相對較少，水利專業相近的指標體系研究包括水利信息化評價指標體系的構建、河長制評價指標體系相關性構建、河北省水利發展規劃指標體系構建及預測、Ecological effect evaluation of water diversion in the Yellow River delta wetland[5- 9]等。

參照《水利基礎設施空間布局規劃編制技術大綱》《河湖健康評價指南(試行)》《城市水系規劃規范》等，結合水利基礎設施空間規劃的各項要素關系及其重要性程度，確定水利基礎設施空間布局規劃的指標體系，包括目標層(O)、準則層(C)和指標層(I)三級體系。目標層以水利基礎設施空間布局總體評價指數(EHI)為目標，用以確定水利基礎設施空間布局的總體水平；準則層包括水安全、水資源、水生態、水空間、水工程5個部分；指標層根據水利空間要素、特性等合理確定，共13個具體指標，見表1。

2 評價方法

層次分析法(A nalytic Hierarchy Process， AHP)于20世紀70年代由美國運籌學家托馬斯·塞蒂提出，適用于多目標、多準則、多要素、多層次的非結構化復雜系統問題的研究[10]。AHP可將復雜問題分解為若干層次和若干因素，在各因素間進行比較和計算，得出不同方案重要程度的權重，已成熟應用于多個領域[11- 15]。

表1 水利基礎設施空間規劃指標體系

2.1 指標權重

本文采用層次分析法進行確定水利基礎設施空間布局各指標權重。第一個階段計算分析5個準則層所占權重，第二階段計算分析各指標占各準則層的權重，從而得出每個指標的綜合權重，指標權重模型如圖1所示。

圖1 指標權重模型

Z代表水利基礎設施空間布局總體評價指數(EHI)；A1，A2，A3，A4，A5分別代表5個準則層的重要性、可行性、基礎條件、技術水平、人力財力；B1，B2，B3，B4，B5分別代表水安全、水資源、水生態、水空間、水工程5個準則層。

2.2 指標數據同化處理

由于各指標的底層因子存在差異性，直接使用會影響計算結果的準確性，因此需對底層因子進行標準化處理，使收集到的多個記錄的同一因子的數據的平均值轉換為零、標準差轉化為1。變量標準化的公式為：

(1)

xj=∑xij/n

(2)

Sj=∑(xij-xj)2/(n-1)

(3)

式中，yij—標準化后的變量值，xij—第i個分區第j個指標的值，xj、Sj—第j個指標的平均值和標準差。

2.3 構造兩兩比較判斷矩陣

判斷矩陣表示針對上一層次中的某元素而言，評定該層次中各有關元素相對重要性的狀況。首先假定共有n個因子，構成集合C={c1，c2，c3，…cn)，然后根據建立的層次結構模型，分別構造兩兩比較判斷矩陣。

判斷矩陣如下

A=aijn×n

(4)

該矩陣滿足條件：aij>0，aij=1/aji(i≠j)，aij=1，i，j=1，2…n

aij的大小根據薩蒂提出的l～9及其倒數作為衡量尺度的標度方法給出。對判斷矩陣進行一致性檢驗，考察層次分析法得到的結果是否合理。

2.4 層次排序及一致性檢驗

層次單排序是確定本層次與之有聯系的元素重要性次序的權重值，它是本層次所有元素對上一層次而言的重要性排序的基礎。首先要計算出判斷矩陣A的最大特征根λmax，再利用AW=λmaxW計算出對應的特征向量W，W經標準化后，即為同一層次中相應元素對于上一個層次中某個元素相對重要性的權重。

為了檢驗判斷矩陣亦即專家賦權的一致性，需要進行一致性檢驗，公式如下：

CI=λmax-n/(n-1)

(5)

當CI=0時，判斷矩陣具有完全一致性；反之，CI愈大，則判斷矩陣的一致性就愈差。為了檢驗判斷矩陣是否具有令人滿意的一致性，則需要將CI與平均隨機一致性指標RI進行比較，其公式為：

(6)

CR=CI/RI

(7)

一般當CR<0.1時，我們認為判斷矩陣滿足一致性檢查，否則就需要調整判斷矩陣，直到滿足一致性檢查為止。

表2 層次總排序表

3 實例應用

3.1 淮安市水利概況

淮安位于江蘇省中北部，江淮平原東部，坐落于古淮河與京杭大運河交點，境內有中國第四大淡水湖洪澤湖，全境有80%的國土面積處在設計洪水位以下，是名副其實的“洪水走廊”?；窗彩幸怨呕春訛榻绶譃閮纱笏?，以北屬沂沭泗水系，以南屬淮河下游水系，本地徑流只占14%，上中游入境客水占總量的86%。境內湖泊眾多、河網密布，全市平原水網地區占國土面積的81%，主要河道有淮河、淮河入江水道、淮沭河、京杭大運河、古淮河等8條流域性河道，列入國家重點支持江河湖泊動態名錄的湖泊4個，包括洪澤湖、高郵湖、寶應湖及白馬湖。淮安市現已基本建成了防洪、除澇、降漬、蓄水灌溉等水利工程體系，全市流域性河道堤防長902km，大型涵閘5座，中型涵閘38座，流域性河道主要穿堤涵閘82座，大型排灌站15座。

淮安市是蘇皖地區水利戰略要地，境內洪澤湖上承安徽境內淮河干流洪水，通過淮河入海水道、灌溉總渠、分淮入沂經鹽城、宿遷等地區向東排入黃海，通過入江水道、高郵湖、邵伯湖流經揚州向南排入長江。同時淮安市承擔著南水北調東線工程最重要的調蓄和翻水任務，江水經江都水利樞紐、京杭大運河、三河通過洪澤站進入洪澤湖，經洪澤湖調蓄后分別通過淮安站、泗洪站翻水經京杭大運河、徐洪河向北輸水。隨著社會經濟的發展，人民群眾對水利保障程度的要求也將越來越高，鑒于淮安市水利的重要性，對其進行水利基礎設施空間布局規劃是十分必要的，對規劃的指標體系進行研究是保障其水利基礎設施空間規劃合理性的基本因素。

3.2 模型計算

(1)構造矩陣。

通過查閱淮安市大量基礎資料，并結合現場實際調研，構造成對比較矩陣如下：

(2)計算矩陣的最大特征值和歸一化特征向量，對矩陣的一致性進行檢驗并計算層次單排序權向量。

構造成對比較矩陣的最大特征值為λ=5.31，所對應的歸一化特征向量為：

ω={0.681，0.112，0.067，0.094， 0.046}

一致性驗算：

滿足一致性要求。

對成對比較矩陣B1，B2，B3，B4，B5可以求出層次單排序的權向量，計算結見表3。

表3 成對比較矩陣層次單排序的權向量計算表

(3)層次總排序的權值計算與一致性檢查檢驗。

以B1為例進行權值計算，B1對總目標的權值為：

B1=0.178×0.684+0.106×0.112+0.052×0.067+0.018×0.094+0.025×0.046=0.139

同理，B2，B3，B4，B5分別為0.186，0.272，0.336，0.067。

B1，B2，B3，B4，B5對目標的總權重為{0.139，0.186，0.272，0.336，0.067}

CR=0.027<0.1，滿足一致性要求。

因此，水安全、水資源、水生態、水空間、水工程的權重依次為0.139、0.186、0.272、0.336、0.067。

各指標占準則層的權重的方法與步驟同上，通過計算，指標權重見表4。

表4 指標權重計算表

3.3 計算結果

本文在查閱淮安市的最新統計年鑒、水利普查、水生態城市建設規劃、防洪排澇規劃、水資源綜合規劃、水土保持規劃、退圩還湖規劃等大量基礎資料的基礎上，對地區水安全、水資源、水生態、水空間、水工程等方面的各個指標做了系統的了解，對13個指標進行賦值，計算EHI為0.902，具體如下：

(1)總體評價指數EHI為0.902，說明淮安市水利基礎設施空間布局總體合理?；窗彩性诮陙淼乃こ探ㄔO與管理方面成效較為顯著，也為未來規劃的水利工程留有一定的余地。

(2)水安全的3個指標評價較高，說明淮安市流域、區域以及圩區防洪工程建設完善，淮安市防洪安全較為可靠。

(3)水資源的3個指標中，水資源開發利用率相對較低，主要原因是地下水資源開采與利用近年來有所降低，這也符合國家收緊地下水開采的有關政策要求。

(4)水生態的3個指標評價較高，符合國家生態市、水生態文明城市這一實際情況。

(5)水空間3個指標中有2個指標評價相對較低，其中河湖空間有效保有率評價較低主要是因為部分湖泊被圈圩、圍網養殖占用，說明急需實施退圩還湖工程，恢復湖泊水面；水利預留空間評價較低主要是因為對水利設施的規劃工程尚未預留實施空間，說明急需結合國土空間總規劃編制水利空間規劃，為水利已建、在建以及規劃工程留足空間范圍。

(6)水工程中的水利工程完好率評價相對較高，說明淮安市水利工程尤其是大、中型水利工程管護相對到位，完好率較高。

4 結論

基于AHP建立的平原水網地區水利基礎設施空間規劃指標體系評價模型是對水利空間規劃指標體系評價的創新。本文以淮安市為例進行了模型驗證，評價結果表明：該地區水利基礎設施空間布局總體合理，各指標評價賦值與淮安市水安全、水資源、水生態、水空間、水工程的實際情況基本吻合，本文建立的指標體系和評價模型可為類似平原水網地區水利基礎設施空間規劃總體布局的評價提供參考與借鑒。