基于改進TOPSIS法的水資源配置方案評價

熊雪珍,何新玥,陳　星,管儀慶,王繄瑋,王　麗

(河海大學水文水資源學院,江蘇 南京　210098)

基于改進TOPSIS法的水資源配置方案評價

熊雪珍,何新玥,陳星,管儀慶,王繄瑋,王麗

(河海大學水文水資源學院,江蘇 南京210098)

摘要：以綜合效益最優為目標層,水資源利用、經濟效益、社會效益、生態效益為準則層,建立臨海市水資源配置方案評價指標體系,采用改進TOPSIS法對“五水共治”理念下的4個區域水資源配置方案展開評價。結果表明,高節水、加強水資源開發、保障生態需水的方案4為最優方案。研究旨在為臨海市經濟、社會、資源、環境的全面發展提供理論支撐。

關鍵詞：五水共治;水資源配置;方案評價;改進TOPSIS法

我國水資源總量豐富,但人均水資源量始終處于較低水平,且水災害頻發,水環境問題嚴峻。水資源問題已成為制約我國經濟和社會可持續發展的關鍵因素[1]。水資源治理是一個復雜系統,是對區域內自然水和社會水的共同管理,其內涵是在治水的過程中實現人水和諧,是依托水資源配置機制,對涉水工程及主體進行協調和約束,形成一套水資源治理理念和完整的實施方案,達到水資源可持續發展的目的[2]。對配置方案進行評價,是水資源治理的第一步,一方面從水資源供需、利用結構、開發利用程度等方面進行總體把握和評價,找到區域水資源配置過程中影響較大的關鍵因素,另一方面,根據評價發現配置機制的問題,從而制定各種工程措施和非工程措施[3]。

水資源配置研究從最初的水量分配,轉變到目前的綜合考慮社會、經濟、環境可持續性的協調配置;從單一的水量調控，發展為水量水質的聯合調控[4],更注重與水循環要素之間的效應,與經濟、社會系統的結合[5]。國外對水資源配置的研究側重于水資源系統模擬。較成熟的流域模擬及水資源管理模擬模型軟件有丹麥的MIKEBASIN,美國的River-Ware等[6-8]。國內對流域水資源配置的理論研究主要從配置目標、配置的水源用戶關系上進行分析。賈仰文等[9]在國家 “十五”科技攻關計劃研究中,對黃河流域構建了分布式水循環模擬模型和集總式水資源調配模型耦合而成的二元水循環系統模擬模型,提出了“天然-人工”二元水循環基本結構與模式。闕添進等[10]研究城市多水源給排水配置系統建設,提出了城市中水的合理布局和水質轉換。海綿城市概念的提出,亦有利于推動我國城市雨洪管理模式的轉變和發展[11]。對水資源配置的評價也由定性評價發展到定量評價,常進等[12]引入基于實數編碼的加速遺傳算法的投影尋蹤分類模型,對塔里木河源區水資源利用可持續性進行定量評價分析。近年來,層次分析法、模糊綜合評判法、逼近理想解法(TOPSIS)先后被應用到水資源合理配置評價中[13]。

浙江省2014年提出的“五水共治”(治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節水)的戰略決策,從治水的綜合性與系統性上考慮了水環境、防洪排澇、供水保障等一系列問題的相互關系。不同于傳統就水論水的治理模式,強調“五水”作為一個系統,統籌兼顧,互相牽制:水系連通,治污先行;在河道綜合治理基礎上,保障防洪排澇安全,將洪澇水安全化、資源化;強調節水，保障供水,提高水資源配置能力;優化區域水環境,促進水資源可持續發展。

本文以浙江省臨海市為例,結合區域社會、經濟、水資源狀況及“五水共治”規劃,設置4個水資源配置方案,采用改進的TOPSIS法評價優選出最佳水資源配置方案,旨在為臨海市“五水共治”下的經濟社會、資源環境的全面發展提供理論支撐。

1改進的TOPSIS模型簡介

TOPSIS法的基本原理是一種逼近理想解的排序法,適用于多目標復雜系統的決策分析[14]。確定理想解和負理想解,定義各評價目標與理想解和負理想解的距離,計算獲得各方案與理想解的貼近度,并按貼近度大小進行排序,以此作為評價目標優劣的依據。

傳統TOPSIS方法具體計算步驟[15]如下:

步驟1:構造決策矩陣X。設有M個評價方案,每個方案有N個評價指標,xij表示第i個方案中第j個指標值。采集各方案指標值,構造決策矩陣X。

步驟2:對指標進行規范化處理,得到規范化矩陣D。按指標屬性分越大越優型指標、越小越優型指標及適中型指標,規范化公式為

越大越優型:

(1)

越小越優型:

(2)

適中型:

(3)

式中,x*為最優值。

步驟3:計算各指標對總目標的權重值wj,得到加權判斷矩陣:

(4)

(5)

(6)

其中,適中型指標的理想解與負理想解按與最優值差值確定。

步驟5:定義各方案到理想解的距離,并進行計算排序,以判斷方案優劣。

1.1改進的權重計算方法

對傳統的TOPSIS進行改進,通常是從權重計算方法及距離公式定義兩方面著手[16]。常用的權重計算方式,如客觀計算法、變異系數法,是利用客觀數據的差異程度,并非從指標含義方面來表征重要程度。當某些指標數據間差異較大時,所求權重偏大,可能與實際不符。主觀權重計算的關鍵步驟判斷矩陣則很難排除個人主觀影響。因此,選用組合權重方法可以兼顧兩方面,利用下列公式:

(7)

式中:αj為變異系數法確定的權重;φj為層次分析法確定的指標權重;wj為通過組合計算公式得到的組合權重。

本文采取變異系數法和層次分析法組合計算權重。

步驟1:運用變異系數法確定權重。計算各指標不同方案取值的平均值Ej和標準差δj,變異系數為δj/Ej,對其進行歸一處理即得變異系數法權重αi。

步驟2:運用AHP法計算權重。設準則層有s個準則,t個指標。每個準則分別對應t1,t2,…,ts個指標。運用AHP分層計算權重。準則層權重B={β1,β2,…,βs},各指標相對目標層的權重φ={φ1,φ2,…,φt}。

步驟3: 將指標權重φj與變異系數法確定的權重αj利用上述組合公式組合,求得指標組合權重W={w1,w2,…,wn}

1.2改進的距離計算公式

傳統的TOPSIS法的距離公式通常采用的是歐式距離公式,但是這種計算方法所選出的最優解,在貼近理想解的同時可能也貼近負理想解。針對這種情況,本文選用基于垂面距離的正交投影法來定義距離公式[17]。兩點間X、Y的垂面距離是指以理想解、負理想解連線方向AB為法向量,在法線方向上分別過這兩點作兩個平行平面,點X、Y投影在法線上E、F兩點之間的距離,如下圖所示。X和Y的垂面距離DXY計算公式為如下:

(8)

由于這種方式將距離化為同一直線上距離,因此貼近理想解必遠離負理想解。

圖1　垂面距離

計算步驟[17-18]如下:

2實例研究

浙江省臨海市水資源量相對豐富,但水資源時空分布不均,水資源量分布和社會經濟發展布局相矛盾,可調配水量不足,以及水質污染,造成工程型、資源型和水質型缺水并重。臨海市“五水共治”的推進，是對水資源進行系統性管理與調配。對“五水共治”理念下的水資源配置進行評價,可為臨海市水資源利用決策提供一定理論依據。

臨海市多年平均降雨量1 685.5 mm,多年平均水資源總量20.96億m3。臨海市現狀水資源開發利用的可供水量為4.2億m3,僅占本市水資源總量20%。臨海市具有豐富的客水資源,靈江最枯年份過境客水達到20億m3。臨海市年總供水能力42 181萬m3,地表水源供水占比97%。目前已建水庫、山塘324座,合計總庫容4.032 2億m3。供水覆蓋主要是中部分區、東部分區、西部分區和城南分區4大區塊,其中中部分區、東部分區用水占全市的72%,而中東部城區由于著重工業發展,其用水需求將快速增長。臨海市各分區供水情況見表1。

表1　臨海市分區供水情況

2.1現狀水資源供需分析

臨海市需水總量包括生活需水量、生產需水量和生態需水量。以2013年為現狀水平年、2016年為近期規劃年、2020年為中期規劃年,在90%來水保證率情況下分析《臨海市五水共治規劃》中需水預測的結果,可以發現臨海市用水結構發生的變化。在現有工況下,統計得出現狀供水情況下,不同水平年各分區的供需水情況(圖2和表2)。

圖2　不同水平年臨海市各類需水量占比

分析數據可知臨海市生活需水、公共需水、工業需水將成為用水主要構成。工業用水增長迅速,需水總量整體有增大趨勢。而這幾種用水對水質要求

表2　不同規劃水平年水資源供需平衡分析 　萬m3

較高,要滿足未來城市發展需水要求,必須在水資源配置過程中更加重視水環境治理,保證一定優質水供水比例。臨海市東部分區作為臨海市副城,將重點發展工業,用水趨勢向中部分區和東部分區集中,現狀工況下規劃年東部區缺水量逐年增大,但東部分區已無可開發水資源利用量。因此,在對臨海市水資源配置進行評價時,必須將地區中水回用、優質水供水比例及水資源開發利用等指標考慮進去。

2.2水資源配置方案設置

基于“五水共治”治水理念,臨海市以河道綜合治理為基礎,保障防洪排澇安全,提高水資源配置能力,完善供水安全保障體系,優化區域水環境,維護水資源的可持續發展。綜合臨海市“五水共治”報告及節水規劃,按照“五水共治”治水理念,筆者擬定了4套合理配置方案,分別進行分析比較。

方案1:采用傳統的水資源治理方案,保證一定水資源量補給河道內生態需水。加強農田節水措施,灌溉水利用系數提高10%,城市生活用水定額下降10%。同時強化供水措施,修建小田岙山塘，滿足臨海城中心區需水,并將牛頭山水庫調水供給城東區。

方案2:加強節水,改善工業、農業節水工藝,推進生活用水節水器具,使之達到國家領先水平。灌溉水利用系數提高15%,城市生活用水定額下降15%。強化供水措施,修建方溪水庫,保證一定水資源量補給河道內生態需水。

方案3:加強節水,灌溉水利用系數提高10%,城市生活用水定額下降10%。加強蓄水工程建設,將洪水資源化,保障供水。開發非常規水資源,推進中水回用工程,以補充河道內生態需水。

方案4:加強節水,灌溉水利用系數提高15%,城市生活用水定額下降15%。加強供水保障,修建方溪水庫,保障供水需求。加強污水治理,增加水資源可利用量,提高非常規水源地的利用,并保證一定水資源量補給河道內生態需水。

構建以綜合效益最優為目標層,水資源開發利用、經濟效益、社會效益、生態效益為準則層,根據地區水資源利用特點,遴選出準則層對應的指標,建立臨海市水資源配置方案評價指標體系。各方案評價指標值見表3。

表3　臨海市各水資源配置方案指標值

2.3規范決策矩陣

其中B13、B21、B22、B43為越小越優型指標,B42為適中型指標,其余為越大越優型指標,利用前文所述公式,求得規范矩陣D:

通過變異系數法求得各指標權重:A={α1,α2,…,αn}={0.027,0.028,0.041,0.034,0.105,0.071,0.165,0.027,0.260,0.038,0.017,0.077,0.110}，通過AHP法求求得各指標權重,見表4。

表4　AHP法各指標權重

對AHP法所求的權重進行一致性檢驗,結果見表5。

表5　一致性檢驗結果

CR均小于0.1,則所求權重通過一致性檢驗。

wi=(0.020,0.011,0.055,0.052,0.253,0.068,0.133,0.050,0.100,0.070,0.007,0.102,0.081)

進而求得加權決策矩陣A:

2.4各方案到理想解距離

從得到的加權決策矩陣A中,按照公式(5)、(6)確定理想解和負理想解:

表6　平移后各指標及理想解、負理想解

計算得各方案與理想解距離di=(0.002 575,0.000 932,0.0 011 16,0.000 448),由于距離越小越優,可確定方案4最優。

浙江臨海市屬大田平原區,地表水資源量較少,人均水資源量低于全國平均水平。水利工程的開發利用程度偏低,地表水工程規模較小,豐富的客水資源沒有得到充分利用。提高水資源開發利用率是水資源優化配置的關鍵一步。同時臨海市主要產業為工業和農業,而兩者在節水方面還有很大提升空間,因此需推進節水工藝、改進灌溉方式。臨海市中部與東部水資源分配不均勻,中部余水較多,東部工業發展快,而東部地區水資源可利用量少,水資源缺口有增大趨勢。要滿足未來城市發展需求,必須考慮全市范圍的水資源調配,加大水資源開發利用程度。小田岙山塘、方溪水庫完工并投入使用,可向中部區供水,并向東部供水7 645萬m3,剩余水量補給生態需水量。在此基礎上,加強污水治理,增加可供水資源量,提高優質水所占比例,重視非常規水資源的開發利用,減輕廢污水對水環境的壓力及用水負擔,從綜合的角度對“五水”進行統一治理與利用。方案4最大限度滿足了要求,是高節水、加強水資源開發利用,保障供水,保障生態的組合方案,體現了“五水共治”思想下的水資源配置的合理性,與臨海市的水資源現狀符合,可作為最優配置方案。

3結語

進行水資源配置方案評價時,需充分考慮當地水資源現狀,結合當地發展規劃,把握用水結構變化趨勢,從社會效益、經濟效益、生態、水資源開發利用等方面,全面考慮水資源配置的科學性。筆者采用改進的TOPSIS法進行水資源配置方案評價。在諸多的評價方法中,TOPSIS法對原始數據的信息利用最為充分,對數據分布、樣本含量、指標多少沒有嚴格的限制,數據計算簡單可行。不僅適用于小樣本資料,也適用于多評價對象、多指標的大樣本資料。利用TOPSIS進行綜合評價,可以得出良好的可比性評價排序結果。相較于層次分析法和模糊綜合評價法,TOPSIS法以定義距離的方式篩選出優選結果,更為直觀。權重方法與距離計算公式可以靈活選用,因此很大程度上會影響評價結果。本文在這兩方面對TOPSIS進行了改進,綜合考慮主客觀兩方面,采取AHP和變異系數的組合權重。距離定義采用基于垂面距離的正交投影法,避免了優選結果，同時貼近理想解、負理想解的情況,使TOPSIS的評價結果更加科學合理。

本文采用改進的TOPSIS對臨海市水資源配置方案進行評價,確定了最佳水資源配置方案,并從評價角度闡明“五水共治”理念在實踐應用中的科學性,為“五水共治”規劃在臨海市的推進與實施提供理論支撐。

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Evaluation on water resources allocation schemes based on improved TOPSIS

XIONG Xuezhen, HE Xinyue, CHEN Xing, GUAN Yiqing, WANG Yiwei, WANG Li

(CollegeofHydrologyandWaterResource,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：Taking comprehensive benefits as the target layer, and water resources utilization, economic, social and ecological benefits as the criterion layer, an evaluation index system of for Linhai City water resources allocation scheme was established, and four regional water resources allocation schemes under the idea of co-governance on five water categories were evaluated based on the improved TOPSIS. The results show that the scheme 4 is the best, which is to promote water-saving, to strengthen the development of water resources, and to ensure the ecological water demand. The aim of this study is to provide the theoretical support for the all-round development of Linhai City’s economy, society, resources, and environment.

Key words：co-governance on five water categories; water resources allocation; scheme evaluation; improved TOPSIS

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.004

基金項目:國家自然科學基金(51579148);蘇州市水利科技計劃(2014-07-06)

作者簡介:熊雪珍(1993—),女,碩士研究生,研究方向為水文及水資源。E-mail:xiong_xz@hhu.edu.cn 通信作者:陳星,講師。E-mail:chenxing@hhu.edu.cn

中圖分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)02-0014-07

(收稿日期：2015-12-28編輯：彭桃英)