基于综合权重SMI-P法的广西人水和谐度量化评价

王大洋，黄 凯,3，莫崇勋，吴卫熊，冯世伟

(1.广西壮族自治区水利科学研究院，南宁 530023；2.广西大学 土木建筑工程学院，南宁 530004；3.广西水工程材料与结构重点试验室，南宁 530023)

水资源短缺、水环境污染和水生态恶化等问题日益严重和突出，成为人类社会可持续发展的关键因素[1,2]。人类社会与水资源的关系也变得复杂，矛盾冲突日益突出和尖锐。因此，如何科学评价人类社会与水资源的关系，评价人水和谐是一个值得深入研究的科学问题。针对“人水和谐”问题，国内外学者相继开展了相关研究工作。Falkenmark[1]在深入分析水和生态联系的基础上，提出了“人-水”一体化管理水资源的新理念。Lautze[2]通过分析人类社会中的人口增长、人类活动和气候变化对水系统的影响，对人类社会开发、利用和管理水资源给出了切实的参考建议。左其亭[3,4]提出了“人水和谐量化研究框架”和“人水和谐评价指标及量化方法”,在框架和指标体系中，覆盖了水资源、生态环境、社会、经济、技术发展水平及发展安全保障、人对水开发、水对人服务等方面的70项指标因素。戴会超[5]以南京市为例，通过建立人水和谐度模型，并对模糊评价法和灰色关联分析法进行改进，计算得到了2010年南京市人水和谐度。刘欢[6]则以最严格水资源管理制度为背景，以“三条红线”为约束，从取水、用水和排水三个环节作为控制准则建立了新密市人水和谐评价体系，为新密市水资源管理工作提供了有效参考。现有的评价中，一方面对人水和谐的层次划分不够明晰和充分，另一方面针对评估值较小的指标未能在决策时给予足够的重视。而指标量化-多要素综合-多准则集成法(SMI-P)，可以以研究问题为目标，通过分析指标与要素的关系，要素与目标的关系等建立合理的指标评价体系，从而更加清楚地确定各要素与各指标，目标与要素的定量表达式，使评价目标逐层分解和细化，进而更科学地进行量化评价研究。其次，采用层次分析-模糊变权法确定综合权重，可以充分展现不同时期权重随评估值变化产生的变化，突出展现了个别指标因评估值过低而产生对评价结果的影响，从而引起决策者的注意。鉴于此，本文将以广西区域为例，采用综合权重SMI-P法对其人水和谐度进行量化评价研究。

1 研究方法

1.1 单指标量化

人水和谐度的基础是建立子和谐度单元，即量化每个指标的子和谐度。为便于分析和对比，文章通过采用统一的子和谐度量化准则对不同类型的指标进行无量纲化处理。一是可以消除不同类型指标之间的差异，二是可以消除不同量级的数据之间的影响。子和谐度量化采用分段线性隶属度函数法[7]。以每个指标各自领域标准进行分级，不同分级对应不同的子和谐度。如采用5点分段法，(a,0)、(b,0.3)、(c,0.6)、(d,0.8)和(e,1.0)分别对应子和谐度的最差值、较差值、及格值、较好值和最好值，如图1所示，分别为正向指标(越大越优)和逆向指标(越小越优)。通过对每个指标分别处理，进而可将他们统一映射到[0,1]区间，为计算健康度、发展度和协调度奠定基础。

图1 子和谐度变化曲线

1.2 多要素综合

某一区域的人水和谐度是该区域水系统、人文系统相互作用的结果，人水和谐的实现要以健康的水系统作为支撑前提，在区域经济社会发展的同时，衡量和协调好与水系统的关系。为此，选取健康度、发展度和协调度作为控制要素，分别对水系统，人类经济社会系统和两者协调情况进行量化。其中任何一个环节的缺失都可能会影响到人水和谐度的评价结果。因为，针对健康度、发展度和协调度等控制要素，需选取了与之相关的指标建立人水和谐量化指标体系。通过分析各指标的子和谐度与控制要素的关系，进而采用多要素综合方法可计算出对应的健康度、发展度和协调度的值，具体关系如下。

(1)

(2)

(3)

1.3 多准则集成

根据人水和谐的内涵，人水和谐度的计算也需要综合考虑健康度、发展度和协调度。本文结合文献[8]，将健康度、发展度和协调度综合考虑共同表示人水和谐程度，人水和谐度的量化方法为：

HWHD(T)=HED(T)β1DED(T)β2DED(T)β3

(4)

式中：HWHD(T)为某一时刻或时期的人水和谐度；β1、β2、β3分别为健康度、发展度和协调度对应的指数权重。依据区域水系统、发展状况和协调程度进行确定。

为将定量计算和定性描述相对应，需将人水和谐度进行分级。通过式(4)可知，人水和谐度值域为[0,1]，故将人水和谐度分为严重不和谐(0≤HWHD<0.2)、不和谐(0.2≤HWHD<0.4)、较不和谐(0.4≤HWHD<0.6)、较和谐(0.6≤HWHD<0.8)及和谐(0.8≤HWHD<1.0)等5个级别。通过计算分析某一区域不同时段的人水和谐度值可以判断其所处的人水和谐情况，进而为水资源开发、利用和管理工作提供参考。

1.4 综合权重确定

单一的权重确定方法不论是主观权重或是客观权重，均难以达到全面反映指标特性的目的。为更好地确定指标权重，全面综合反映指标特性，需采用综合权重方法进行分析。综合权重可以将两种权重的优势相结合，减少人为主观性和过度依赖数据的缺点，从而使权重更为科学合理。

1.4.1 基础权重

基础权重的确定主要依据指标的类别和属性，当影响目标的因素是复杂多层次结构时，可采用层次分析法[9](AHP)进行构建指标结构，逐层分析确定各指标权重。在每一层中，通过两两对比分析，并按照统一的规则采用专家咨询法进行指标重要性打分，从而确定判断矩阵。其次，对判断矩阵的一致性情况进行评判，并对满足一致性评判的矩阵归一化处理即可确定各指标的基础权重。

1.4.2 模糊变权法

常用的权重计算方法多为常权法，即权重一旦确定后，其不会再随着评估值的波动而变化。该方法不能使那些评估值较低的指标突显出来以引起决策者的重视。模糊变权法较好地解决了这一问题，它以常权法确定的权重作为基础，在针对不同时期或者不同对象的评估值时，可以根据评估值向量的变化对评价指标权重进行实时调整以达到充分反映数据信息的目的，同时也使得决策更科学合理[10,11]。其计算步骤如下。

步骤①：若待评价指标A1,A2,…,An的评估值分别为μ1,μ2,…,μn，μi∈[0,μm]是一个无量纲数，μm=1，10，100等，分别表示一分制，十分制或者百分制等。μi的大小反映了指标Ai完成程度，μi=0时表明指标Ai完成丧失功能或作用，μi=μm时表明指标 达到理想值。

步骤③：w0i为指标Ai功能完全丧失时Ai的权重的上界，以此法达到加大过低指标权重，引起决策者注意的目的。w0i=wi(μm,…,μm,0,μm,…,μm)，w0i∈(0,1)，当待评价的指标多于3个时，采用式(5)计算：

(5)

步骤④：引入非负有界，不增可微的函数λi(μi)，λi(μi)∈(0,μm)，λ0i和λmi分别是λi(μi)在定义域[0,μm]上取得的最小值和最大值。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

步骤⑤：对上述函数进行归一化处理得到变权权重，也就是综合权重。

(11)

2 广西区域人水和谐度量化评价研究

2.1 广西壮族自治区概况

广西壮族自治区位于我国西南边陲，周围分别与广东、贵州、湖南、云南接壤，南与海南隔海相望，南面濒临北部湾、面向东南亚、西南毗邻越南、是我国唯一一个沿海自治区。同时，广西作为中国—东盟博览会的永久举办地，作为“丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”的“一带一路”的节点，其经济社会的发展是在推动我国与东南亚的合作交流与共同发展中发挥着举足轻重的作用。广西境内水资源总量不稳定，时空分布也不均匀，汛期为4-9月，占全年降水量的80%以上，水域面积有8 026 km2，约占陆地总面积3.4%。因此，较好地实现“人水和谐”对区域今后的可持续发展意义重大。

2.2 指标体系构建及分级

通过对广西区域水资源系统、人文系统和两系统之间的相互协调等实际情况的分析，综合考虑健康度、发展度和协调度的影响因素，并结合参考文献[4]，选取了2010-2015年广西区域影响人水和谐实现的23个指标，其中健康度要素中包括4个指标，发展度要素中包括11个指标、协调度中包括8个发展指标，以此作为计算2010-2015年广西区域人水和谐度的基础。各要素及其对应的指标具体情况见图2。各指标的具体数据参考《广西统计年鉴2010-2015年》、《广西水利统计公报2010-2015年》、《广西水资源公报2010-2015年》、《广西环境公报2010-2015年》、《全国水资源公报2010-2015年》及广西水利厅、水文水资源局相关数据资料。以不同节水水平国家和地区的节水情况作为参考，分别对正向指标和逆向指标进行分级，将指标体系划分为最差值、较差值、及格值、较好值和最好值5个级别，具体见表1。

图2 人水和谐度量化评价指标体系

表1 评价指标体系分级

2.3 子和谐度计算

根据所获得的各个指标统计数据，按照1.1节中的单指标量化方法对指标体系中各个指标的子和谐度计算，通过计算得到介于[0,1]之间的子和谐度，结果见表2。

表2 2010-2015年各指标子和谐度

2.4 权重计算

根据各指标的子和谐度，分别采用层次分析法和模糊变权法计算基础权重和综合权重。针对层次分析法，可采用Yaaph软件划分层次和构建结构。在对控制要素的健康度、发展度和协调度进行权重确定时，采用相同的重要性评判标准，即权重均为0.333 3。通过计算得到各层次各指标的基础权重，之后根据1.4.2中介绍的模糊变权法的计算步骤确定各指标的综合权重，各指标的基础权重和综合权重见表3。

表3 各指标基础权重和综合权重

2.5 人水和谐度计算

根据多要素综合的思想，通过各指标的综合权重和子和谐度，按照公式(1)～(3)可以计算出2010-2015年广西区域的健康度、发展度和协调度。并依此为基准，利用多准则集成可以计算出该时段广西区域的人水和谐度。因在发展过程中，健康度、发展度和协调度地位无明显差异，故在式(4)中指数权重β1、β2、β3均选取1/3进行计算，结果见表4。将健康度、发展度、协调度和人水和谐度的历年情况进行对比分析，见图3。

表4 人水和谐度计算结果

2.6 结果分析

通过表4和图3可知，广西区域在2010-2015年的发展过程中，健康度经历了上升-下降-上升的过程，下降年份出现在2013年，其健康度值为0.634。据统计数据推断，健康度下降的原因可能是该年份高耗水企业数量的增加幅度变大，由此产生的工业废水量和排污量增加，加之该年份水资源总量较2012年减少，进而可能导致该时期地表水水质达标率有所降低，建设工程项目的增多也可能造成一定程度的水土流失，进而影响了区域水系统健康。2013年之后，随着最严格水资源管理制度的开展和落实，健康度出现明显的回升，表明广西区域在实施最严格水资源管理工作方面加大了投入力度。其中工业方面表现在通过调整行业用水模式和产业结构，万元工业产值用水量由2013年的214 m3减少至2014年的196 m3，工业重复用水率也由2013年的88.4%增加至2014年的89.7%，行业改革和用水管理调整成效显著。在2010-2015年中，发展度呈现缓慢上升的趋势，0.606 2增加至0.680 3，增幅为12.2%，表明该时期关系区域发展总体而言呈现稳中上升的趋势。协调度在2010-2015年则表现出明显的上升趋势，协调度由2010年的0.691 3增加至2015年的0.820 7，增幅达18.7%。表明在“十二五”期间，广西区域在协调经济社会发展和水资源健康方面付出了较大的努力，注重经济发展和资源环境保护相协调，在发展经济的同时，注重其带来的负面影响，积极及时采取有效的措施加以预防和保护，从而能够实现可持续发展。在2010-2015年间，人水和谐度虽然在2013年有下降，但总体表现出上升的趋势，其值在0.644 4～0.719 7之间，为较和谐状态。总体表明，在此期间广西区域在注重经济社会发展，水系统健康和协调两者关系之间做出了较大的努力，并取得明显成效，人水和谐方面呈现出较为和谐的上升态势。良好的发展态势可以为今后“十三五”和“河长制”等工作的顺利开展提供良好的基础背景。

3 结 语

(1)基于层次分析-模糊变权法的综合权重可以反映出不同时期，指标权重随评估值变化而调整变化的情况，从而使权重充满动态性。SMI-P法能够较为清楚地表达评价指标和要素、要素和评价目标之间的定量关系，使得评价过程清晰合理，评价结果更加可靠。

(2)广西区域人水和谐度评价结果显示，在2010-2015年期间，健康度在2012年有小幅度降低，2013得到回升，健康度值范围在0.634 0～0.694 8之间。发展度呈现稳中上升的态势，其范围在0.606 2～0.667 8之间。协调度则呈现明显的上升态势，其范围在0.691 3～0.820 7之间。广西区域人水和谐度虽有小幅度波动，但总体呈现上升态势，其范围在0.646 6～0.719 7之间，人水和谐等级均处于较和谐。

(3)建议广西区域以良好的人水和谐为基础背景，充分落实最严格水资源管理制度，为今后“河长制”工作的顺利开展做好保障，也为实现“山清水秀，人水和谐”的目标打好基础。