基于CRITIC-TOPSIS-灰色关联度的淮河流域水资源利用效率评估

管新建，秦海东，孟 钰

(郑州大学水利与环境学院，郑州 450001)

水资源短缺是我国可持续发展过程中一大难点，严重制约着我国经济、社会和环境的协调发展。急切要求我们推进节水型社会建设，合理开发利用水资源，大力提高用水效率。目前，对水资源利用效率评估的方法很多，最为常用的方法为数据包络分析法(DEA)[1]、随机前沿分析法(SFA)[2]和指标体系综合评价方法[3]。而水资源利用效率涉及人-经济社会-生态环境系统，但是DEA和SFA方法难以考虑到生态环境方面，使得评价不全面。指标体系综合评价方法是将评价指标体系和综合评估模型结合，但目前水资源利用效率尚未形成普遍认可的评价指标体系。其中，层次分析法[4]、熵权评估模型[5]和投影寻踪模型[6]得到了较多的应用。层次分析法受主观因素影响较大，存在相关约束下不容易检验等问题。熵权评估模型没有明显的等级划分，缺乏科学性。投影寻踪模型需要进行优化，而优化算法较多没有普适性。基于此，本文将CRITIC法、TOPSIS方法和灰色关联度分析方法结合，建立一种新的水资源利用效率评估模型，这对于完善水资源利用效率评估理论具有重要意义。并将该模型应用于淮河流域，研究成果对于水资源管理部门决策具有重要的参考价值。

1 基于CRITIC-TOPSIS-灰色关联度的水资源利用效率评估模型

1.1 CRITIC法确定权重

CRITIC法是基于评价指标的变异性和冲突性，来确定指标的客观权重[7]。评价指标的变异性用标准差σi表示，冲突性用∑(1-r)表示，其中r表示两指标之间的相关系数。

用Ci表示第i个指标所包含的信息量，则Ci表示为

Ci=σi∑(1-r)i=1,2,…,m

(1)

Ci越大则表明第i个指标所包含的信息量越大，相对重要性也越大。则第i个指标的客观权重wi应为：

(2)

进而得到权重向量w=(w1,w2,…,wm),1≤i≤m。

若指标量纲不同，需要对评价指标矩阵F=(xij)m×n进行标准化处理，得到矩阵Y=(yij)m×n。根据指标的特性，将指标分为两类，越大越优型和越小越优型，分别采用以下公式计算。

对于越大越优型指标：

(3)

对于越小越优型指标：

(4)

1.2 TOPSIS法确定理想解

TOPSIS方法是一种逼近于理想值的排序方法，适用于对多个样本进行优劣判定[8]。

将CRITIC法计算的权重向量w与矩阵Y相乘，得到加权标准化矩阵Z，如式(5)所示。

Z=(zij)m×n=(wiyij)m×n

(5)

确定最优样本和最差样本，如公式(6)和(7)所示。

(6)

(7)

计算各样本到最优样本及最差样本的欧式距离，如公式(8)和(9)所示。

(8)

(9)

1.3 灰色关联度分析

灰色关联度分析方法是利用各样本序列与最优样本和最差样本序列形状变化的关联度度量样本优劣，能较好地反映样本序列之间的非线性关系[9]。

计算各样本到最优样本及最差样本的灰色关联度，其计算公式如下：

(10)

(11)

式中：ρ为分辨系数，根据经验ρ=0.5。

1.4 相对贴近度

对确定的欧式距离和关联度无量纲化处理，如公式(12)所示。

计算每个样本的相对贴近度，如公式(13)所示。

(13)

式中：α1，α2反映决策者对位置和形状的喜好程度，且α1+α2=1。本文中，α1=α2=0.5。

2 实例应用

2.1 淮河流域概况

淮河流域地处我国东部，位于东经111°55′～121°25′，北纬30°55′～36°36′，流域地跨河南、安徽、江苏、山东及湖北5省，其中湖北片区所占面积很小，不将其考虑在评估范围内。淮河流域水资源总量年际与年内波动大，但年总用水量随时间呈现抛物线的形式。近40年来，淮河流域上修建了众多的水利工程，如闸坝5 000多个、各种水库近6 000座、大中小型电力排灌站近5万处等，这些工程虽然在防洪排涝等方面取得了巨大的综合效益，但也造成了严重的水体污染。淮河流域是我国重要的交通枢纽，各工业生产过程需水量都较大。此外，淮河流域是我国十分重要的粮食生产基地，农业用水量所占比例最高。同时，生产生活用水与水生态环境之间的矛盾逐渐加大，水资源短缺问题日渐突出，影响了流域社会经济的发展与水生态环境健康。因此，提高水资源利用效率是解决该地区水问题的重要途径。

2.2 评估指标体系构建

白颖等[10]建议水资源利用效率评价指标体系应该包括综合、工业、农业、生活、生态环境5个方面的指标。与水资源利用效率相关的定性和定量指标超过200个，我们不能对每个指标系统的分析。在选取指标时应以定量为主，兼顾适用性、可行性、代表性与易实现性原则，并结合参考文献[11-13]以及《淮河流域水资源公报》中的淮河片主要用水指标，综合用水指标选取万元GDP用水量，农业用水指标选取单位面积灌溉用水量，工业用水指标选取万元工业增加值用水量，生活用水指标选取城镇人均生活用水量和农村人均生活用水量。目前对生态环境水资源利用的研究越来越重视，由于经济社会的快速发展，工、农业用水占用大量生态用水，使得生态用水量减少，则生态用水比例是一个重要指标。另外，考虑到整个淮河流域的污染情况和水质要求，选取污径比和水功能区达标率。则评估指标体系如表1所示，“+/-”分别代表越大越优型和越小越优型指标。本文的数据主要来源于2011-2016年的《淮河流域水资源公报》。

2.3 结果分析

利用CRITIC法确定各指标权重，如表2所示。

0.105,0.064,0.088,0.062,0.078,0.098,0.066,0.075,0.063,

0.082,0.098,0.064,0.076,0.059,0.079,0.101,0.062,0.083,

0.058,0.083,0.114,0.067)

0.073,0.090,0.080,0.115,0.091,0.078,0.090,0.085,0.110,

0.089,0.080,0.092,0.084,0.116,0.088,0.088,0.093,0.084,

0.113,0.086,0.085,0.089)

表1 淮河流域水资源利用效率评估指标体系Tab.1 Evaluation index system of water use efficiency of the Huai River Basin

表2 淮河流域水资源利用效率指标权重Tab.2 Index weight of water use efficiency of the Huai River Basin

0.652,0.505,0.602,0.512,0.499,0.675,0.538,0.664,0.514,

0.506,0.693,0.567,0.662,0.543,0.512,0.750,0.584,0.694,

0.552,0.525,0.753,0.586)

0.474,0.498,0.532,0.601,0.620,0.458,0.509,0.446,0.576,

0.652,0.452,0.490,0.439,0.565,0.621,0.439,0.477,0.458,

0.538,0.634,0.464,0.477)

图1 淮河流域及4个片区的相对贴近度Fig.1 Relative closeness of the Huai River Basin and its four areas

由图1可反映出淮河流域及4个片区水资源利用效率的时间变化。2011-2016年，淮河流域及4个片区的相对贴近度有上升趋势，说明淮河流域及各片区的水资源利用效率有所提高。出现这种变化的原因有以下几点：国家部门、流域管理机构和科研单位在规划水资源配置方面做了大量工作；水资源管理制度逐渐完善；“人水和谐”概念得到加强，人们用水、节水意识提高并做出行动；对提高工、农业用水效率方面加大了投资。

由图2可反映出淮河流域及4个片区水资源利用效率的空间变化。2016年各片区的水资源利用效率明显高于2011年，说明“十二五”期间，国家及流域机构在水资源管理工作中取得了显著地进展，如水资源规划体制不断完善，节水型社会建设取得明显成效，水资源保护工作取得突破，水资源管理基础与能力建设不断加强。但是，江苏片区水资源利用效率最低，明显低于其他片区。分析江苏片区用水效率低下的原因能揭示淮河流域存在的用水问题。

图2 2011年和2016年各片区相对贴近度Fig.2 Relative closeness of each area in 2011 and 2016

江苏片区有5市属于苏北区域，3市属于苏中区域。由图3可看出，江苏片区单位面积灌溉用水量超过淮河流域整体约67%。2011年，江苏省政府颁布的《关于实施农业现代化工程的意见》明确指出，将江苏打造成高效设施农业强省。但苏北地区灌溉方式较粗放，科技对现代农业没有起到支撑作用，是发达省份的落后地区。农业节水技术资金投入不足，掌握现代生产技术的人数较少，且以种植水稻为主，耗水量很大。

图3 A1指标变化趋势图Fig.3 The change trend of the A1 index

近年来江苏片区农村人均生活用水量虽然有所下降，但下降幅度很小，而且超过淮河流域平均用水量约34%，见图4。这表明江苏政府对提高生活用水效率没有给予足够的支持。有些农村地区取水成本较低且没有取水量限制，没有对水资源重复利用的意愿，不仅造成了水资源严重浪费，还加大了污水排放量。与发达国家相比，我国污水处理厂的建设远远落后，许多废水处理技术仍不发达。由于废水处理后的质量仍然较差，不能饮用或使用。而且农村生活污水处理措施基本为零，输水管道设施、水消毒设施缺乏，管理体制也不完善。虽然生活用水占总用水量的比例较低，但它是不可忽视的。

图4 D2指标变化趋势图Fig.4 The change trend of the D2 index

相对于工农业和生活用水，生态用水所占比重非常小。淮河流域属于相对缺水地区，而江苏片区生态用水占比小于全国生态用水占比，不足1%，且有下降趋势，见图5。江苏片区依然是第一产业占主导，农田灌溉挤占大量生态用水。另外，环境基础设施建设不配套、公共管理体制失衡和农户整体环保意识不强也是造成生态用水减少的原因。

图5 E1指标变化趋势图Fig.5 The change trend of the E1 index

3 结 语

本文所建立的评估指标体系涵盖了综合、工业、农业、生活和生态环境5个方面，具有科学性。采用CRITIC-TOPSIS-灰色关联度评估模型对淮河流域水资源利用效率进行定量分析，给出了评估结果。结果表明，淮河流域水资源利用效率整体上有上升趋势，其中，江苏片区水资源利用效率最低。通过分析江苏片区水资源利用效率底下的原因能够揭示淮河流域用水存在的问题，可为水资源管理部门提供决策参考。

鉴于此次评价结果及水资源利用效率现状，建议调整产业结构、加快技术创新、推动水循环经济发展、科学规划基础设施建设、培养节约用水和循环用水的习惯以提高水资源利用效率。同时，该评估模型可推广到其他地区，分析不同地区水资源利用效率的差异。