基于層次分析法的威海市水資源利用綜合效益分析

何夢婷

(河海大學 公共管理學院，南京 211100)

引 言

經濟發展與水資源短缺矛盾凸顯，僅靠地表水和地下水已遠遠不能滿足濱海城市發展，常規水源不僅面臨著資源短缺的棘手問題，同時也遭遇著高污染風險。濱海城市多水源綜合利用，不僅能有效緩解水資源供需緊張，也能加強水資源可持續利用。本文選取山東省威海市為例，該市人均占有水資源573m3，僅為國際人均標準的1/2，屬于資源型缺水地區。目前威海市城市供水75%常規水源，但也有再生水、海水淡化水兩種非常規水源工程和引黃水、引江水兩處調水工程。據統計，截至2018年9月威海市完成調水1.84億m3，在2017年底建成3萬m3/d 中水處理系統，對中水進行除鹽等深處理后代替自來水使用。海水淡化工程兩期建成了產水能力分別為2 500m3/d 和7 200m3/d 的海水淡化裝置，每年可節約自來水量超過300萬m3。由此可見，威海市已經意識到常規水源承載力有限，外調水供水工程已逐步穩定，非常規水源利用正不斷發展擴大，多水源供水已經形成基本態勢。

關于水資源利用效益的研究成果較為豐富，Hambira,W. L.[1]研究水的使用、消耗過程中的利用效益。Gude,V. G.[2]結合生態環境、社會經濟和科技，為海水淡化可持續利用提出政策建議。Karimov,B. K.[3]研究分析了農業非常規水資源及其在咸海流域開發荒漠水產養殖的再利用潛力，Becker,N.、Greenfeld, A和Zemah Shamir, S.[4]以以色列基順河為例展開全面和部分河流修復的成本效益分析，Ibrahim, Y[5]等學者制定了一個評估海水淡化技術可持續性的全球綜合框架。該框架綜合了可持續發展的技術經濟、環境和社會因素，并結合了多標準決策分析技術，如層次分析法、擺動法和加權求和法。鄭通漢[6]制定可持續發展水價模型來核算水資源利用效益，并對水價改革提出建議。張世坤[7]構建優化模型力求水資源配置經濟效益最大化，楊樹蓮和段治平[8]給出青島市再生水和自來水的效能指標，指出兩種水源經濟效益。阮本清[9]選取北京市為研究案例，運用多層次模糊綜合評價方法評價雨水、再生水利用工程的綜合效益，最后提出非傳統線性規劃建議。也有學者選擇熵值法建立投影模型對農業水資源高效利用做出評價[10]，余康興[11]選擇Malquist指數分析海水利用的經濟效益，以此提高海水資源利用效率。

綜上所述，國內外有關水資源綜合效益評價研究成果較為豐富，方法選擇多樣如層次分析法、模糊綜合評價法、熵值法、Malquist指數法，評價指標隨著研究的深入也越來越全面，從一開始的只考慮經濟技術效益到現在綜合考慮水資源利用過程中經濟、社會、生態影響。但是，查閱特別關注濱海城市非常規水資源利用的文章鮮少，并且大多數學者在研究方法上也偏重定性分析?；谇叭搜芯砍晒x擇比較典型的濱海城市——威海為例，根據《威海市水安全保障規劃(2018-2035)》可知規劃內地表水仍是城市供水的重要組成部分，而地下水由于超采現象嚴重未納入重點規劃，所以下文重點關注外調水、再生水、淡化水利用的綜合效益，考慮到主觀評價與定量研究的結合，以層次分析法為基礎，從技術經濟、生態環境和社會發展這三個層面選取較為全面且能量化分析的指標，構建威海市水資源利用綜合效益評價模型。較為創新的將單位水資源費用化納入評價指標，彌補之前對水資源有用性價值和稀缺性價值無法量化的不足，同時根據實證調研數據和專家給出的指標評價，提升權重衡量的客觀性。最后根據計算結果給出近期規劃內除常規水源外，威海市供水水源選擇優先次序，為水資源配置提供參考。

1 研究方法

層次分析法(AHP法)是由美國數學家T.L.Saaty在1970年第一次提出，可應用于方案決策。國內外學者以此為基礎展開了豐富的研究，Zaree, M[12]采用排序法對巖溶地層水資源潛力探測進行研究，首先將APLIS加權模型應用于地區，然后利用層次分析法和TOPSIS技術對APLIS模型進行修正，最后將三個模型的最終地圖進行匹配，并與spring和fault地圖進行了比較。Sahoo, S[13]利用灰色層次分析法預測環境的脆弱性，從自然、環境和人為影響因素三個方面對未來環境脆弱性區域的情景生成進行研究。國內學者左藝夢、廖洪斌[14]為提高水環境審計效率，同樣選擇層次分析法對長江環境進行評價體系構建。鄭玉萍[15]等建立水資源節約評價體系，綜合考慮經濟、社會、生態等要素，選取40個指標利用層次分析法對天津市節水現狀做出評價。

本文選擇層次分析法是考慮到濱海城市多水源利用綜合效益涉及因素較多，該方法集合定性與定量，能夠較為全面的反應真實情況；其次本文基于課題調研，有利于專家意見收集，最后層次分析法將問題層層分解，細化、具體化到每個指標，有利于水源使用次序決策。

2 威海市水資源利用綜合效益評價模型構建

根據文獻閱讀、資料整理，以威海市為例綜合評價多水源利用綜合效益。指標選擇如圖1。

技術經濟指標的選擇：水資源具有其資源價值，本文根據全成本理論中資源價值的計算確定三種水源資源價值。建設工期作為技術指標在一定程度上能夠反映該工程的復雜程度。

生態環境效益指標的選擇：單位水電耗指取水、產水、輸水過程中單位水消耗的電量，單位水占地面積則表示該供水工程施工占地面積大小，單位水增加的城市污水量指水資源利用后城市產生的污水總量。

圖1 多水源濱海城市供水綜合效益評價指標體系Fig.1 Index system of comprehensive water supply benefit evaluation for multi-source coastal cities

社會效益指標的選擇：考慮多水源利用過程中對社會產生的影響因素，選取年可供水量、供水水質保障度、單位水移民補償費用為評價指標。其中單位水移民補償費用主要由外調水工程產生。

3 威海市水資源利用綜合效益評價模型計算

3.1 指標確定

根據文獻資料[16]確定全成本水價模型計算單位水資源成本，其余數據來源于調研與統計資料，為保證數據時期范圍一致，所有指標均選擇在近期規劃內(2018～2025)。

R=εV1+φV2

(1)

式中：

R——單位水資源成本(元/m3)

εV1——單位水的有用性價值(元/m3)

φV2——單位水的稀缺性價值(元/m3)

ε,φ表示其修正性系數，且(ε,φ)≥0。

水資源的水質決定其有用性價值，為便于計算分析，將威海市常規水源、外調水、中水回用、海水淡化水按質分類為4個等級，等級越高其有用性價值越高。參考[17]研究引入水資源有用性修正系數:

(2)

式中:εi為第i級水的有用性修正系數；δj為第j個效用的權重；εij為第j個用戶的第i級水的效用系數。

通過文獻閱讀整理[18]確定工、農、林、市政、生活、水產這六類用水對象的權重δj和δij：

根據公式(2)可得出εi：

為量化討論，在此全國水資源稀缺性價值等于其有用性價值，但一般情況下，εV1=φV2不一定成立，所以，可以將水資源稀缺性價值設為：

φV2=μεV1,0≤μ≤1

(3)

式中：μ為相對稀缺性程度=該區域人均占有該水源量/全國人均占有該水源量。

根據計算與調研，指標數據整理見表1。

表1 污水回用、外調水、海水淡化利用綜合評價指標Tab.1 Comprehensive evaluation indexes of sewage reuse, externally transferred water and seawater desalination utilization

3.2 指標無量鋼化

由于每個指標單位、公式及所代表的功能均不相同，為數據處理公正，下文將進行指標無量綱化。按指標對目標層貢獻導向分為正向和逆向指標，公式如下：

(4)

(5)

計算可得指標數據矩陣YT：

3.3 層次單排序及一致性檢驗

首先根據表2的Saaty標度法及調研專家資料確定判斷矩陣，其次計算各判斷矩陣的權重，本文選取規范列平均法。最后選取隨機一致性比率CR進行一致性檢驗。Bi對于A的權重為bi，Cj對于Bi的權重為wij，最大特征值為λmax，一致性指標為CI見表2，平均隨機一致性指標為RI。計算公式如下：

CR=CI/RI

(6)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(7)

表2 平均隨機一致性指標RITab.2 Mean random consistency index RI

根據公式(6)、(7)求得層次單排序及一致性檢驗結果見表3～表7。

表3 判斷矩陣A-Bj及一致性檢驗Tab.3 Judgment matrix A-Bj and consistency test

表4 判斷矩陣B1-Cj及一致性檢驗Tab.4 Judgment matrix B1-Cj and consistency test

表5 判斷矩陣B2-Cj及一致性檢驗Tab.5 Judgment matrix B2-Cj and consistency test

表6 判斷矩陣B3-Cj及一致性檢驗Tab.6 Judgment matrix Bj-Cj and consistency test

由表4判斷矩陣B1-Cj不滿足一致性檢驗，需要修正見表7。

表7 修正后的判斷矩陣B1-Cj及再次檢驗Tab.7 Corrected judgment matrix B1-Cj and re-test

3.4 層次總排序及一致性檢驗

記Wj為指標Cj對于總目標A的權重，則Wj=bi×wij由可得：

W=(W1,W2,W3,W4,W5,W6,W7,W8,W9)=(0.156,0.099,0.042,0.064,0.064,0.032,0.335,0.151,0.054)

一致性檢驗結果CR=0.04<0.1，所以層次總排序滿足一致性。

3.5 威海市污水回用、外調水、淡化水利用綜合效益計算

根據文獻[19]可知綜合效益分析模型為：

R=W×Y

(8)

式中：R代表該水資源利用綜合效益，W為各指標對目標A的權重向量，Y是指標數據矩陣。兩個矩陣相乘最后計算可得污水回用的綜合效益為2.12，外調水的綜合效益為0.92，海水淡化的綜合效益為2.05。由此得出，近期規劃內除常規地表水、地下水供給外，優先使用再生水綜合效益最大，其次可考慮利用淡化水，而外調水利用綜合效益最低。

4 結論與建議

4.1 結論

根據上述分析結果顯示，近期規劃內(2018～2025年)污水回用利用綜合效益最高，海水淡化綜合效益與污水回用不相上下，但外調水利用效益最低。由此可見威海市目前應優先大力發展污水處理，同時在遠期規劃內規模化建設海水淡化工程，不可過分依賴外調水供給。根據各指標數據不難發現，影響外調水綜合利用效益的因素有三個：單位水工程投資、單位水占地面積和單位水移民補償費用，而這三個指標值作為負指標，很大程度上降低外調水利用綜合效益。特別是單位水移民補償費用，在這三種水源中僅有外調水需要支付。

除指標本身的影響外，各評價指標的權重計算中體現出以下兩點：(1)水資源定價越來越重視水資源本身價值，以往城市供水定價更多考慮工程水價和污水處理費用，對于水的有用性價值和稀缺性價值則大多忽略不計或者難以量化計算。在三種水源中，資源費最高的還是外調水，其他兩種水源資源費基本相當。(2)在這三種水源綜合效益對比中，供水水質保障度指標影響權重占比最高?？梢?，隨著社會經濟發展，城市供水水質成為用水戶關注焦點，而常常因為上游污染風險大，外調水到達下游受水區后水質不宜飲用。相對于外調水水質的不穩定，再生水和淡化水的出水質量在檢驗標準的提高下不斷提升，達到居民生活飲用標準。

4.2 建議

濱海城市應充分結合實際水利現狀，不過度依賴客水供水，科學配置外調水供給比例。同時對調水工程造成影響的移民要做好補償工作，對于府際跨流域調水工程，政府間的有效溝通是調水區與受水區生態穩定的重要保障。

濱海城市建設污水處理設施時需要考慮不同用水戶需求，配備相對應的管道。對于企業污水利用，濱海城市應鼓勵企業自身污水回用，創新污水處理科學技術，提高再生水回用深度處理能力，創造企業用水經濟效益。對于市政供水如：景觀綠化、道路清掃等均可優先使用再生水。對于城市居民用水，政府應加強水質合格的宣傳。對于農業灌溉用水，利用再生水可大大降低自來水的消耗。

濱海城市可以積極利用豐富的海水資源，加快推進海水淡化產業發展。有條件發展大型淡化水企業的濱海城市可以將淡化水納入城市供水系統，積極爭取國家部委及省直部門關于海水淡化領域產業、研發、人才等方面的政策及資金支持，加快淡化工藝的研究，提升設備利用率，降低化學藥劑污染源，延長膜和管道使用壽命。目前威海市海水淡化項目投資以政府為主，也可鼓勵除政府外第三方資本參與海水淡化產業投資，促使經濟綜合效益最大化。