基于“三條紅線”的區域水資源管理能力評價研究

宋云峰，楊 丹，林洪孝*

1.泰安市水文局，山東 泰安 2710181 2.山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018

1 引言

2011年中央一號文件明確提出實行最嚴格的水資源管理制度，并在文件第六章深入闡述了“建立用水總量控制制度，建立用水效率控制制度，建立水功能區限制納污制度，建立水資源管理責任和考核制度”等水資源管理內容。幾年來，在全國水利系統的一致努力下，最嚴格水資源管理制度在我國已從最初的設想逐步走向了成熟，明確了以“三條紅線”為核心的“四項制度”作為其基本構架。

在四項制度中，水資源管理責任和考核制度是指對各地區水資源開發利用、節約保護主要指標的落實情況進行考核，但是由于最嚴格水資源管理制度推行時間短，省、市、縣三級行政區域水資源管理紅線指標體系尚未建立，最嚴格水資源管理“三條紅線”評價考核制度理論研究和實踐尚處于探索階段[1]，缺乏系統的方法對各城市的水資源管理能力進行評價。為了構建系統的評價方法，本文首先建立了區域水資源管理能力評價指標體系，然后構建了基于灰色關聯分析的改進TOPSIS模型，最后以濟南市為實例，對濟南市2006—2011的水資源管理狀況進行評價，為強化最嚴格水資源管理監督考核提供技術支撐。

2 “三條紅線”水資源管理能力評價指標體系的建立

要對水資源管理進行科學的綜合評價，首先要建立一套評價體系。在遵循系統性、目的性、可行性、代表性等指標體系構建原則下[2]，根據最嚴格水資源管理“三條紅線”之間的相互關系，初步構建了“三條紅線”水資源管理評價指標體系，然后以區域水資源管理的現狀和特點為基礎，結合專家打分表結果，采用層次分析法對指標進行了篩選，最終確立了由用水總量、用水效率、水功能區限制納污3個領域、16個指標組成的指標體系，見表1。

3 基于灰色關聯分析的改進TOPSIS模型

TOPSIS (Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)是逼近理想解排序法，常被用于規劃綜合決策等領域。該方法根據多項指標對多個方案進行比較，通過描述不同方案與理想方案之間的貼近程度，達到評價方案優劣的目的[3]。然而傳統TOPSIS方法存在兩點不足，一是指標權重是事先確定的，具有一定的隨意性；二是當兩個方案關于正負理想解的連線對稱時，由于歐式距離相等無法比較兩個方案的優劣[4]。本文提出了一種基于灰色關聯分析的改進TOPSIS的模型，采用AHP—熵權法計算出各指標權重，權重值客觀可信；同時采用灰色關聯分析法說明各方案指標值與正負理想方案的區別, 根據各方案與正負理想解的灰色關聯度得出的關聯相對貼進度來進一步評價方案的優劣，既保留了TOPSIS 法的優點，同時又克服了TOPSIS 法存在的兩個缺點。

基于灰色關聯分析的改進TOPSIS模型對“三條紅線” 區域水資源管理能力評價的步驟：(1)確定各評價指標的權重；(2)計算正負理想解；(3)計算關聯度；(4)評價區域水資源管理情況。

表1 區域“三條紅線”水資源管理能力評價指標體系

3.1 計算評價指標權重值

3.1.1 指標矩陣的建立和規范化 將m年，n個評價指標值的原始數據構成指標矩陣，即：

(1)

各評價指標的含義、單位和數值均不同，為了消除不同指標間量綱的差異，采用極差變換法，按照公式(2)、(3)對原始數據矩陣進行歸一化處理，形成新的無量綱指標矩陣B=(bij)m×n。

(2)

(3)

經過極差變換之后，標準化指標滿足0≤bij≤1 ，并且正、逆向指標均化為正向指標，最優值為1，最劣值為0[5]。

3.1.2 AHP—熵權法確定權重 分析問題時需要將主觀和客觀結合起來，利用熵值法進行客觀賦權可以客觀分析指標間的聯系，但考慮到各項水資源管理指標在社會經濟其他方面的影響差異，采用AHP專家打分法對得出的權重進行經驗性修正。

(1)熵權法：第j個評價指標的熵值公式為：

(4)

計算出第j個評價指標的熵之后，根據公式(5)算出其熵權。

(5)

(2)AHP法：根據專家評比給出的數量標度構建判斷矩陣，對于每一個成對比較陣計算最大特征根及對應特征向量，利用隨機一致性指標做一致性檢驗。若檢驗通過，采用方根法計算各層元素的權向量，計算方法見公式(6)(7)；若不通過，需重新構造成對比較陣。

(6)

(7)

(3)AHP—熵權法：根據以上兩種方法算出的結果，按式(8)將兩者結合得出綜合權重值：

(8)

3.2 計算正負理想解

AHP—熵權法得出的指標與規范化后的指標矩陣相乘，得到新的權重矩陣C=(cij)m×n，根據此矩陣可構造正理想解方案C+和負理想解方案C-。

(9)

(10)

3.3 灰色關聯分析

根據權重矩陣C=(cij)m×n，計算正理想解C+(參考序列)與各年度指標值的絕對差值，形成絕對差值矩陣ΔC+.

(11)

式中△0i(j)=|c0(j)-ci(j)|,i=1,2,L,m;j=1,2,L,n

(12)

進一步計算得出第i年與正理想解的灰色關聯度為：

(13)

(14)

3.4 區域水資源管理能力評價

(15)

按Si的大小分析歷年來區域水資源管理情況的變化，Si越大，表明第i年越貼近正理想解，水資源管理能力狀況越好；Si越小，表明第i年越貼近負理想解，水資源管理能力狀況越差。

4 模型應用

4.1 濟南市水資源管理現狀

濟南市屬于資源性缺水城市，年內降雨分配不均，在水資源總量有限的情況下，隨著社會經濟快速發展，對水的需求不斷增長，水資源開發利用強度不斷加大，面對全市嚴峻的水資源短缺形勢，建立了濟南市水資源開發利用、用水效率和水功能區限制納污三條“控制紅線”的管理制度，對用水總量、用水效率、納污總量從嚴管理。

為了對近年來濟南市水資源管理能力的實際情況進行評價，應用本文提出的模型對濟南市2006～2011年的“三條紅線”水資源管理進行評價，通過分析評價結果推斷濟南市水資源管理中存在的主要問題，以利考核督查水資源管理責任和制度實施效果。

4.2 模型應用及結果

(1)確定各評價指標的權重：通過收集2006～2011年的《濟南市水資源公報》，將2006～2011年濟南市的各項指標數據列于表2中，在指標數據詳實、可靠、完備的情況下，根據式(1)構成評價指標矩陣A，然后通過式(2)、(3)將矩陣規范化，形成新的無量綱指標矩陣B=(bij)6×16。

使用AHP—熵權法，按照公式(4)～(8)計算出“三條紅線” 水資源管理評價指標體系中各指標權重，見表3。

(2)計算正負理想解：將各指標權重與B=(bij)6×16相乘，得到新權重矩陣的C=(cij)6×16，將此矩陣按照公式(9)(10)分別構造出正理想解方案C+和負理想解方案C-，見表4。

表2 濟南市“三條紅線”水資源管理能力評價指標

表3 濟南市“三條紅線”水資源管理評價指標體系權重

表4 濟南市“三條紅線”水資源管理評價指標體系理想解集

表5 濟南市年度水資源管理能力評價結果

(4)評價區域水資源管理情況：根據表5所示的濟南市歷年水資源管理能力評價結果，濟南市2006～2011年水資源管理水平一直呈上升趨勢，到2011年為止，濟南市的水資源管理狀況對最優評價集的灰色關聯度從0.6251提升到了0.8818，對最劣評價集的灰色關聯度從0.8750降低到了0.6070。灰色相對貼近度從2006年的0.4167上升到了2011年的0.5923，尤其從2009年起明顯提高，反應了濟南市實行最嚴格的水資源管理制度的進程。

結合濟南市的水資源管理實際情況和表2中V1～V16各項指標數據可知，從2006年到2011年，濟南市在用水效率和水功能區限制納污方面的指標數據都呈現較大幅度的改善，用水總量從15.511×108m3上升到17.558×108m3，雖然年均增長約3%，但仍在用水總量控制指標以內，為進一步考慮今后社會經濟發展需水，需進一步強化對用水總量的控制管理，遵循科學配置、以供定需的原則，統籌利用區域外調水、地表水、地下水，促進地下水采補平衡，保障水資源可持續利用，將最嚴格水資源管理制度落實到實處。

5 結語

(1)本模型使用AHP-熵權法確定各指標的權重系數，將主觀因素和客觀數據相結合，同時引入灰色關聯分析根據被評價對象到正負理想解的歐式距離來計算灰色關聯度，并最終采用TOPSIS模型中的關聯相對貼近度對歷年來濟南的水資源管理能力進行評價，模型具有有較好的理論與實際應用價值。

(2)本文對濟南市的評價主要建立在客觀數據的基礎上，評價結果與近年來濟南市水資源管理的實際情況基本相吻，說明該方法具有一定的可行性和可靠性。

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[2] 程乖梅,何士華,鄒 進.水資源可持續利用動態識別研究[J] .水文,2010, 30(5):53-56

[3] 崔振才, 曹廣占, 劉秋生, 等.應用逼近理想解法綜合評價區域水資源承載能力[J].水文,2006, 26(5):7-10

[4] 李 磊,金菊良,朱永楠.TOPSIS方法應用中若干問題的探討[J].水電能源科學,2012, 30 (3):51-54

[5] 李美娟,陳國宏,陳衍泰.綜合評價中指標標準化方法研究[J].中國管理科學,2004,12 (10):45-48