基于层次分析法的皖西地区水资源配置研究

杨 杰，王 周，周作璐

（1.皖西学院 建筑与土木工程学院，安徽 六安237012；2.广东博意建筑设计院有限公司 南京分公司，江苏 南京210019）

1 引言

水资源的配置是一个涉及多系统的决策问题，也是国内外众多学者的研究热点。早在20世纪40年代，国外便开始关注水资源的优化配置，并最早提出了关于水库的优化调度问题。50年代以后，水资源系统工程学的迅速发展，较为全面地论述了水资源开发利用问题。比较正式的研究始于60年代初期，计算机技术在水资源工程中的应用，使水资源合理配置成为可能。到了70年代，水资源系统模拟技术和数学规划的应用与发展，水资源的优化配置研究取得了长足的进步。Hall等［1］运用动态规划与线性规划相结合的方法，对多水库优化运行问题进行分析和求解；Yeh［2］将线性规划、动态规划、非线性规划和模拟技术等系统分析方法在水资源配置中的应用作了全面概述，并以水库调度和管理为例进行了分析；Shafer等［3］提出了在水资源系统模拟框架下的优化配置，并建立了流域管理模型。90年代以来，国外开始将传统的以水量和经济效益最大为目标的水资源优化配置模式向水质优化配置模式转变，即更加注重水质约束、环境效益以及水资源可持续利用研究。Afzal等［4］针对区域灌溉系统建立了线性规划模型，对不同水质的水量使用问题进行分析，体现了水质水量联合优化配置的思想；McKinney等［5］提出了基于GIS系统的流域水资源配置问题，并建立了具有代表性的可持续水资源规划调度模型。

我国在上世纪80年代初开始重视水资源配置问题，其理论研究经历了以需定供、以供定需、基于宏观经济的水资源配置和可持续发展的水资源配置四个阶段［6］，具体的研究方向又分为流域水资源优化配置、区域水资源优化配置、水质水量联合优化的水资源配置和基于水循环的广义水资源合理配置等方面。然而，对于皖西地区水资源优化配置研究成果并不多，夏林益等［7］对皖西丰乐河流域水土流失的分布、水土流失的强度和流失量进行估测和分析，并提出了相应的对策和建议；傅先兰［8］分析了河流生态系统对六安生态城市建设的功能和意义，提出了修复皖西地区河流自然生态系统的一些具体措施；孙贤斌等［9］在对皖西大别山区水源地生态补偿环境调查分析的基础上，提出了该区域生态补偿机制的实施对策。本文利用层次分析法对影响皖西地区水环境与经济协调发展的各因素进行分析，从经济标准、环境标准和社会标准三个方面着手，将影响水资源配置的各个指标进行判断比较，构造层次结构模型，并进行层次排序计算和权重比较，尝试性的探讨皖西地区水资源配置问题。

2 研究区概述

皖西地区即六安市及辖区，位于安徽省西部，其下辖金安、裕安两区和寿县、霍邱、金寨、霍山、舒城五县，总面积达179.76万hm2，是一个集老城区、山区、库区和沿淮蓄洪区为一体的综合性区域。该区域内水资源丰富但分布悬殊：境内的五库（梅山、响洪甸、佛子岭、磨子潭、龙河口）、三河（淠河、史河、杭埠河）、三湖（城东湖、城西湖、瓦埠湖）和一塘（安丰塘）水量充沛，但各种产业分布不均，用水结构不尽合理，严重制约当地经济的发展。因此，优化皖西地区水资源配置，调整工农业用水结构，将有利于实现区域经济的均衡发展和水资源的可持续利用。

3 层次分析法在皖西地区水资源配置中的应用

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简记AHP）是由美国运筹学家沙旦（T.L.Saaty）于20世纪70年代提出的一种多目标规划方法，也是一种解决复杂问题的定性与定量相结合的决策分析方法［10］（P227－228）。其本质 是 根 据 总 的 目 标，将 问 题 分 解为若干子系统，并按它们之间的从属关系形成递阶层次结构；然后，通过对同一层次内的各个指标两两比较，确定其相对于上一层目标的重要性，即权重系数；如此进行层层分析，最终求出所有指标相对于总目标的重要程度。利用层次分析法将皖西地区水资源配置分解为若干系统，建立层次分析结构模型，构造比较矩阵，逐层计算特征值，从而确定了各指标因素的相对重要性排序。

3.1 层次结构模型

水资源的配置是一个涉及多领域、宽范围的复杂系统工程，基于皖西地区水资源规划实际，选取经济、环境和社会三个标准层进行综合分析。经济标准方面：生活用水和农业灌溉用水为涉水的主导领域，皖西作为一个经济落后的革命老区，虽然近几年工业有了较快的发展，但工业水平远低于全省平均水平，工业用水的效益尚未被充分挖掘，水力发电、水产养殖以及水运航运的经济效益也未能充分的发挥。环境标准方面：区域内每年有近三分之一的工业废水和三分之二的生活污水未经处理直接排放，还有部分企业的未达标的废水被偷排、漏排；此外，受上游采砂船滥挖乱采铁砂的影响，水土流失严重，农业生产中化肥和农药大量流失，部分河流水环境趋于恶化，淠河总干下游河段水质曾一度降到Ⅲ类以下。社会标准方面：公众节水意识不高，家庭生活用水浪费现象十分普遍，如未使用节水设施，无一水多用意识等；另外，用水方式不科学，如农业灌渠一直沿用传统的土质明渠输水，大水漫灌，水的浪费十分严重，灌溉中有近一半的水在输送过程发生了渗漏损失，同时由于采用大水漫灌，又有相当比例的进入田间的水被渗漏和蒸发；再者，工业用水重复率低，地区工业用水的重复利用率仅为20%～30%，低于全国平均水平。据此，建立起包括1个目标层、3个标准层和15个指标层的水资源优化配置层次分析结构模型，见表1。

表1 水资源优化配置层次分析结构

3.2 两两比较矩阵的编制

在水资源配置问题中，问题的总目标A对下一层元素B具有支配关系，同时B对下层元素C也起着支配作用，从而形成了自上而下的逐层支配关系。两个元素相互比较时的重要性标度可根据德尔菲法确定，即相对于A的两个比较元素Bi和Bj，当Bi和Bj是同等重要时取值为1；当Bi比Bj略微重要时取值为3；当Bi比Bj较重要时取值为5；当Bi比Bj明显重要时取值为7；当Bi比Bj绝对重要时取值为9；其中，2、4、6、8为上述两个比较元素中间状态时所对应的标度值；反之，Bj比Bi的判断数为Bi比Bj的判断数的倒数，即分别取1/3、1/5、1/7和1/9。由此可得：Bii＝1，Bij＝1/Bji，且Bij＞0。根据这种方法可确定各层次间的比较矩阵，见表2、表3、表4和表5。

表2 A＼｜B比较矩阵

表3 B1＼｜C比较矩阵

表4 B2＼｜C比较矩阵

表5 B3＼｜C比较矩阵

3.3 层次单排序及一致性检验

在两两比较矩阵A中，各个指标的权重排序可利用平均近似法进行计算，通过求解比较矩阵的最大特征根λ得到特征向量W，即满足AW＝λW，此特征向量的分量为对应元素在单层排序下的权重值。此外，由于两两比较矩阵中的各个元素是两者之间的相互比较，在因素众多的元素比较计算中可能会得到一些不一致的结论；因此，需要对指标的一致性进行检验，从而才能确定权重的有效性。引入一致性指标CI和一致性率CR，其中，CI＝（λ－n）/（n－1），CR＝CI/RI，一般规定当CR≤0.1时，两两比较矩阵满足一致性要求，否则需重新调整和比较判断；式中，RI为自由度指标，是两两比较矩阵一致性的修正值，1～9阶矩阵所对应的RI值分别为：0.00、0.00、0.58、0.90、1.12、1.26、1.32、1.41和1.45。层次单排序及一致性检验结论见表6。

3.4 层次总排序及一致性检验

当每个指标都满足一致性要求时，即可对该指标在总目标中的权重进行求解。具体方法是：分别求出各指标相对于各标准的权重和各标准相对于总目标的权重，将上下两层权重向量求积便是指标层相对于总目标的权重值。层次总排序计算见表7。另外，总排序计算的结果同样需要进行一致性检验，方法是将一致性指标CI和自由度指标RI分别乘以对应指标在总目标下的权重后累计求和，再利用公式CR＝CI/RI，进行求解；只有当CR≤0.1时，各指标相对于总目标的层次排序才能满足一致性要求。根据上文计算得：CI＝0.036，RI＝1.185，CR＝0.030＜0.1，说明层次总排序满足一致性，计算结果有效。各指标相对于总目标的层次排序如图1。

表6 层次单排序及一致性检验结论表

表7 层次总排序表

图1 层次总排序统计图

4 结论

层次分析法是一种实用的最优化技术，本文正是基于这种决策方法对皖西地区水资源配置进行分析和研究，并得出如下结论：

（1）在包括三层共计15个指标的皖西地区水资源配置层次分析结构模型中：单位产值工业用水量（C13）的权重系数最大，水力发电指标（C14）的权重第二，直排污废水占总排水的比重（C21）其权重居第三，单位产值农业用水量（C11）的权重系数第四，而指标水资源开发潜力（C33）的权重最小。

（2）根据权重系数的统计显示，经济标准居于首位，只有保证工业生产用水和电力行业用水，才能促进本区域经济的大力发展；再次，皖西地区作为一个农业灌区，农业用水要始终放在一个相当重要的位置，要保证农业的稳定发展，这与该地区“十二五”规划纲要中提出的“工业化核心战略”和“全力推进向农业强市、工业大市跨越”的指导思想是一致的；此外，环境标准不容忽视，经济发展的同时，注重节能减排，控制直排污废水占总排水的比重，努力建设资源节约型和环境友好型的生态文明城市。

（3）据此制定皖西地区水资源配置方案：以工业用水为主导，以农业用水为支撑，兼顾水环境的治理与修复，供需水量与产值效能相结合的产业结构模式，从而为区域的可持续发展提供参考。

［1］Hall W A，Shephard R W.Optimum Operations for Planning of a Complex Water Resources System［R］.Water Resour Cent，1967.

［2］G Yeh.Water Resource Systems Models：Their Roles in Planning［J］.Journal of Water Resource Planning and Management，1992，118（3）：215－223.

［3］Shafer J M，Labadie J.Synthesis and Calibra－tiono a River Basin Water Management Model［R］.Co－Orado State University，1978.

［4］Afzal J，Noble D H.Optimizati on Model for Alter Native Use of Different Quality Irrigati Onwaters［J］.Journal of Irrigati on and Drainage Engineering，1992，118（2）：218－228.

［5］McKinney D C，Cai X.Linking GIS and Water Resource Management Models：an Method an Objectoriented Method［J］.Environmental Modeling and Software，2002，17（5）：413－425.

［6］邵东国，贺新春，黄显峰，等.水资源优化配置研究［J］.人民黄河，2005，27（11）：76－80.

［7］夏林益，王心源，张广胜.皖西丰乐河流域水土流失及防治对策［J］.水土保持研究，2006，13（3）：162－164.

［8］傅先兰.修复河流自然生态系统，建设六安生态城市［J］.皖西学院学报，2005，15（5）：42－45.

［9］孙贤斌，黄润，王升堂，等.安徽省省会经济圈水源地生态补偿环境调查分析［J］.水土保持研究，2012，19（1）：164－167.

［10］朱海霞，张雪阳.运筹学［M］.西安：陕西人民出版社，2007.