基于PSR-MODMIIM模型的貴州省水資源保護效果評價

尚 靜 唐德善 王美慧

(河海大學 水利水電學院，南京 210098)

我國水資源數量緊張、水污染嚴重，水生態和水環境問題較為嚴重，而水資源作為人類生存和社會發展的基礎，需要最大化地保護與管理，這樣才能科學合理利用水資源，進而推動人類全面健康發展[1-2].由于水資源保護任務繁重，因此有必要對水資源保護效果進行評價.通過剖析水資源保護工作中的問題，從而深入推進水資源保護.當前，很多學者從不同角度對水資源保護效果進行了研究，如劉穎秋[3]用灰色關聯度法對水資源保護情況進行了評價，朱金峰等[4]用最優組合權重的灰色關聯度分析法對湖南省的農村進行了水資源保護現狀評價，余亞麗等[5]用云模型從水資源系統、水生態系統和社會經濟系統3個維度對安康市水資源保護效果進行了評價.

目前，關于水資源保護效果評價的研究大部分著重于對水質和水量方面的評價，評價指標體系有待完善.當前學者對水資源保護效果評價模型的研究還較少，主要通過關聯度和隸屬度對水資源保護效果等級進行評價，方法多數集中在灰色關聯度和云模型，還沒有學者考慮通過待評價樣本和標準區間的距離來進行評價.本文在已有的研究基礎上，利用PSR模型構建了水資源保護效果評價指標體系，采用組合賦權結合多目標決策-理想區間法對水資源保護效果進行研究，構建基于PSR-MODOMIIM的水資源保護模型，旨在為水資源保護評價提供一條可行的新思路.

1 評價指標體系構建

1.1 PSR模型

壓力(Pressure)-狀態(State)-響應(Response)模型最早由OECD(經濟合作與發展組織)和UNEP(聯合國環境規劃署)為了評價環境狀況而形成的一種體系.PSR模型包括壓力、狀態和響應3個部分，這一思維邏輯以因果關系為基礎，反映各個指標之間的相互作用關系，壓力指標指發生此變化的“原因”;狀態指標表示壓力產生的“效果”;響應指標表示社會在接收到狀態改變的消息后做出的“反應”[6-7].水域系統是一個動態系統，又PSR模型具有極強的全面性和靈活性，因此利用PSR模型可以充分描繪人類、社會、生態、經濟之間因果關系，充分反映各指標間的內部邏輯聯系.

1.2 水資源保護效果評價指標體系構建

水資源保護效果評價指標應遵循全面性與科學性相結合、獨立性與完備性相結合、代表性與可獲得性相結合原則[8]，通過咨詢專家意見并參考相關研究[5，9-10]，基于PSR模型，綜合多方面因素，選取17個指標構建了水資源保護效果評價指標體系，見表1.

表1 水資源保護效果評價指標體系

其中壓力(P)指標主要是包括人口增長、社會經濟、廢污水排放等對于水資源保護帶來的壓力和不利影響的指標;狀態(S)指標主要反映水資源質量、水量等實際現狀的指標;響應(R)指標主要指人類社會針對水資源現狀做出的相應措施，如農業高效節水、城市污水處理率、水土流失治理等.

1.3 指標等級劃分

為了充分體現各項指標對水資源保護效果程度，在已有的研究成果[5，10-12]和相關資料的基礎上，結合貴州省實際情況，廣泛咨詢專家意見，將水資源保護效果等級劃分為Ⅰ(優秀)、Ⅱ(良好)、Ⅲ(合格)、Ⅳ(不合格)4個等級，見表2.

表2 水資源保護效果評價指標等級劃分

2 研究方法

由于水資源保護效果評價是一個多指標，以等級劃分的區間性問題，因此選用多目標決策-理想區間法進行評價.理想區間法具有減少傳統理想點解法(TOPSIS)在評價過程中將指標參考標準視為點概念引起的結果偏差[13]、計算簡單方便、可操作性強的優點.選用層次分析法和熵權法分別求得主客觀權重，引進乘法合成求得組合權重，更具科學和準確性.

2.1 權重的計算

2.1.1 層次分析法確定主觀權重

AHP(層次分析法)[14-15]求解主觀權重步驟如下:

(1)建立層次結構.

(2)構造判斷矩陣.對評價指標兩兩之間進行對比，參照9位標度法得出重要性情況，構造判斷矩陣:如果某一個評價指標Ui相對于Uj的重要性為μij，則Uj對于Ui的相對重要性為μij的倒數.判斷矩陣H見式(1):

(3)用Matlab軟件求解判斷矩陣所對應的權重向量.得到權重向量φ1見式(2):

式中:ωm為第n個指標的權重.

(4)一致性檢驗及修正.利用式(3)和式(4)分別計算其一致性指標VCI和一致性比例VCR:

式中:λmax為判斷矩陣的最大特征值;m為判斷矩陣的階數;VRI是判斷矩陣的平均隨機一致性指標，可查表3.若VCR＜0.10，則表明判斷矩陣具有一致性.反之，應進行不斷地修正.

表3 V RI的值

2.1.2 熵權法確定客觀權重

選用熵權法[16-17]求得客觀權重，此方法可以直接反映各個指標間的原始數據信息，是目前應用最多的計算客觀權重的方法.主要是通過計算客觀數據的熵值來確定熵權.其具體的計算步驟如下:

(1)將實際數據進行歸一化處理.定義lji(j=1，2，…，m;i=1，2，…，n)為第j個評價對象的第i項指標.其中對于效益、成本型指標的歸一化處理也不同，分別按式(5)和式(6)進行歸一化計算.

(2)計算熵值Bi和信息效用值hi:

其中:

式中:當sji=0時，xji=0，則ln0無意義，故將xji進行修正:

(3)確定指標客觀權重ωz(z=1，2，…，n)

求得的客觀權重系數ωz(z=1，2，…，n)，則ωz

2.1.3 確定組合權重

采用乘法合成法[18]對主客觀權重進行組合賦權，得到水資源保護效果的組合權重，則計算指標i的組合權重Wi公式為:

式中:φi為AHP所求的主觀權重;ωi為熵權法所求的客觀權重.

2.2 多目標決策-理想區間法

多目標決策-理想區間法(MODMIIM)[12，19-20]的具體計算步驟[21]如下:

(1)構造目標向量函數.選用水資源保護效果評價中的m個指標來綜合評價水資源保護效果，由此進行目標向量函數Q(X)的構造:

式中:qi(X)為第i個指標，i=1，2，…，18.

(2)構造年份指標向量[19-20].設第s年的指標向量Qs為:

式中:s=1，2，…，7;qi，s為第s年的第i個指標值.

(3)構造理想區間向量[19-20].水資源保護效果評價標準表中的每一等級所對應的標準指標構成理想區間向量Qj*為:

式中:j=1，2，3，4;bi，j、ai，j分別是第j個等級的第i個標準指標對應區間的左右端點.設各指標數值在4個等級Ⅰ～Ⅳ中的順序為從小到大，否則該指標應該做倒換處理，則每年所對應的指標也應進行標準化處理.

(4)計算每年各指標到各個等級的理想區間向量的綜合距離[19-20].為了使評價結果更加精確，取第s年的指標值到第j個理想區間向量的綜合距離l(j，s)為:

式中:Wi為權重;Δ(j，s，i)的計算方法[19-20]如下:

1)當評價因子處于1級，即j=1時

2)當評價因子處于2、3級，即j=2、3時

3)當評價因子處于4級時

(5)求最小距離[19-20].取每年中l(j，s)的最短距離lmin(j，s)，最短距離所對應的等級j為第s年水資源保護效果所處的等級.

3 貴州省水資源保護效果評價

貴州省位于我國西南地區，“山多地少，石多土少，雨多庫少”是其典型特征，其中貴州發展的主要短板是工程性缺水，如何科學進行水資源配置、水資源保護、水生態發展是貴州省高質量發展的關鍵所在.因此，對貴州省近年來的水資源保護效果評價有重要的意義，對之后實際工作的進行具有指導性作用.

指標數據來源于2013—2017年《貴州省統計年鑒》《貴州省水資源公報》《貴州省環境公報》《中國人口和就業統計年鑒》等數據資料，個別缺失數據由內插法補齊，原始數據見表4.

表4 2013—2017年貴州省評價指標原始數據

根據式(1)～(4)求主觀權重，式(5)～(11)求權重客觀權重，式(12)求得組合權重，結果見表5.

表5 貴州省水資源保護效果評價指標權重

利用式(16)～(19)求得每年18個指標到4個等級的距離l(j，s)，見表6.

表6 2013—2017年各年份到各等級理想區間的距離

確定各年份的最短距離和所屬等級，結果見表7.

表7 各年份到所屬區間的最小距離及所屬等級

從貴州省水資源保護效果評價模型得出的結果可以看出:貴州省2013—2017年水資源保護效果整體呈上升趨勢，結合表4所給的原始數據，可以看出計算結果與貴州省的實際情況一致，證明了評價結果的可靠性，也證實了水資源保護效果評價模型的合理性.2013—2014年水資源保護效果評價結果為合格，且2014的總體評價結果要低于2013年，原因是當年人均生活用水量和廢污水總排放量大幅度增加.2015—2017年為良好，并在2017年達到最優，參考各年份的原始數值，2017年水土流失治理面積、灌溉水利用系數、森林覆蓋率、城市污水處理率等指標均為5年內最大值，表明2016年年底在全國范圍內全面實施河長制和2017年貴州省出臺《貴州省水資源保護條例》，無疑加快了水資源的保護步伐，并取得了良好成效.雖然2017年貴州省整體水資源保護效果良好，但是個別分項指標仍然存在不足之處，如單位工業增加值用水量、人均生活用水量、人均水資源量、廢污水總排放量、水功能區水質達標率、灌溉水有效利用系數、工業固體廢物綜合利用率等處于合格階段，還有較大的提升空間.因此貴州省應該從薄弱之處入手，補全短板，進一步增強水資源保護效果，為此提出以下建議:

(1)貴州省屬于豐水地區，但由于貴州田高水低，蓄水能力較差，近70%的降水在雨季就流失了，導致人均水資源量較少，應建設骨干水源工程，實施蓄引堤工程，從根本上解決缺水問題.另外貴州還應對節約用水、保護水資源進行大力宣傳和引導，在水資源費收取中實行階梯水價，減少人們不必要的用水，降低人均生活用水量，確保水資源總量.

(2)貴州省廢污水總排放量較多、水功能區水質達標率2017年僅78.2%，處于較低水平，說明水質情況亟需改善，需要對入河排污口進行排查、監測、污水溯源、整治，加快建設城鎮和鄉村污水處理設施、水源地保護建設工程，另外每條河湖都應編制“一河(湖)一策”，對階段性目標和任務有更清楚的認知，從根本上高效地解決水質問題.

(3)貴州省2017年單位工業增加值用水量為57.7 m3，雖然低于國內平均值，但與國際低于15 m3的頂尖水平還有較大差距.貴州省應優化工業用水配置，調整產業結構，根據企業生產情況，政府應出臺相關政策，關停一些污染大、耗水高的小型企業，加大工業固體廢物的治理和綜合利用，創建節水清潔型工業.

(4)貴州省2017年灌溉水有效利用系數為0.464，與國家灌溉水有效利用系數0.52還有一定的差距.需要大力推進農業節水，發展循環型農業和節水型農業，加強農田節水灌溉工程建設，因地制宜選取合適的灌溉方式，例如滴灌、噴灌、微噴、膜下灌溉等，達到節約用水目的.

4 結 論

1)從壓力(P)、狀態(S)、和響應(R)三個方面構建了水資源保護效果評價指標體系，將多目標決策-理想區間法、組合權重與水資源保護效果評價相結合，建立了基于組合賦權-MODMIIM的水資源保護效果評價模型.為水資源保護效果評價提供一條科學合理的新途徑.

2)利用模型對貴州省2013—2017年水資源保護效果評價指標實際值進行分析計算，判斷各年份水資源保護效果等級，得到評價結果與研究區實際情況一致，表明該評價模型具有合理性.

3)廢污水總排放量、水功能區水質達標率等對貴州省水資源保護效果影響較大，應考慮諸種影響因素，提出相應整改措施，這對進一步推動水資源保護具有重要意義.