基于层次分析法的山西省水安全综合评价

(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是经济社会可持续发展和维系生态平衡、环境优美的重要基础[1]。21世纪以来，工业化和城镇化的快速发展对水资源的需求量急剧增加，水环境污染和全球气候变化等因素使得水安全问题日益突出。目前，对水资源安全研究成果较多[2-6]，研究方法也逐渐由定性分析向定量分析转变，但就整体而言，目前学术界对水安全还没有形成一个统一的、明确的定义，水安全问题的研究还处于起步阶段。

山西煤长水短，水资源问题是制约山西省社会经济发展的瓶颈，如何使GDP增长速度与水资源相匹配，在确保水安全的前提下，促进全省GDP的快速增长和模式转变，是山西省未来一段时间面临的重要问题。通过水资源安全评价，可动态监测全省水资源所处的安全等级，以便更好地制定和实施与水资源有关的政策。

1 研究区概况

山西省地处华北地区西部，境内大部分为半干旱气候区，“十年九旱”是其气候的主要特点。根据山西省第二次水资源评价成果，全省多年(1956—2000年)平均水资源量为123.8亿m3，人均水资源量381m3，仅为全国人均水资源量2200m3的17.3%，与山西省第一次水资源评价成果相比，人均水资源量减少了33.6%[7]。山西省作为重要的能源化工基地，随着城市化、工业化进程的加快，水污染问题也逐渐显现，地表水和地下水污染已经成为部分地区缺水的主要原因。水资源量的减少和污染的加剧，使得全省水资源供需矛盾日趋尖锐，水安全已成为影响山西省经济社会发展的重要制约因素。

2 研究方法及指标体系

2.1 研究方法

关于水安全综合评价，国内外学者对其进行了大量研究，虽然目前还没有成熟的研究成果，但已探索出多种评价方法，目前主要研究方法有层次分析法、数理统计法、集对分析法、模糊评价法和Vague集理论等评价方法。在水资源安全综合评价中，各项指标权重的取值是决定评价结果的关键，权重不同，评价结果也将截然不同。而在定性与定量相结合的评价方法中，层次分析法具有系统性、简洁性和实用性等特点，是目前使用较为广泛的一种评价方法。

层次分析法的基本步骤为：

a.根据问题，构造层次分析结构模型。模型要求同层元素对下层某些元素起支配作用，同时又受上层元素支配。每层中各元素所支配的下层元素一般要求不多于9个，否则两两比较会造成判断上的困难。

b.将各层元素与上层中与之有关的元素进行两两比较，建立判断矩阵。判断矩阵要求：

(1)

式中：aij(i,j=1,2,3,…,n)为元素Q与Xj相对其上层元素重要性的比例标度，一般采用1～9标度法赋值，见表1。

c.计算相对权重并进行一致性检验。

(2)

式中：CI为一致性检验指标；λmax为判断矩阵的最大特征根；n为判断矩阵阶数。

若随机一致性比率CR=CI/RI<0.1，则判断矩阵具有满意的一致性，否则需要调整矩阵的元素取值。

表1 1～9标度法

2.2 指标体系建立

指标的选取是进行水安全评价的首要任务，进行指标选取要充分考虑影响水安全的相关因子，并对其进行对比分类，选取具有代表性的指标，以保障研究区域评价的科学性[8]。

由于水资源系统属于复杂系统，层次多，且各子系统间相互作用，因此，在选择评价指标时，应从指标实际物理意义出发，通过分析指标间的相互关系，选择灵敏度高、可度量性好且内涵丰富的指标作为评价因子，同时参考专家意见和研究区的实际情况进行指标筛选，构建水安全评价指标体系，见表2。

表2 水安全评价指标体系

2.3 指标赋权

根据山西省的实际情况，采用层次分析法构建模型，依据标度法对指标进行两两比较，建立判断矩阵，对准则层和指标层进行赋权，并进行一致性检验，结果见表3。

表3 指标权重

3 评价结果

3.1 水安全等级划分

综合考虑山西省水资源状况、经济社会发展水平，以国家标准和有关发展规划值及相关学者的研究成果[9-11]为依据，通过咨询相关领域专家，将山西省水安全划分为5个等级，见表4。

表4 水安全综合评价等级划分

3.2 水安全评价

收集了山西省2009—2018年各项评价指标共12项，组成原始评价集。因各项评价指标量纲不同，不能直接进行相互比较，因此，需对原始数据进行标准化处理，以消除量纲的影响。由于各评价指标对评价方案贡献方向不同，将指标分为越大越优的效益型指标和越小越优的成本型指标，并根据文献[1]的方法进行标准化处理。

(3)

(4)

式中：x(i,j)为指标原始值；xmin(j)、xmax(j)分别为第j个指标的最小值和最大值；y(i,j)为标准化处理后的指标值；k、q为一般常数。

标准化处理后的水安全评级指标值见表5。

表5 标准化处理后的水安全评级指标值

根据上述方法和指标计算出山西省2009—2018年的水安全综合评价值，见表6。评价结果显示，近10年(2009年—2018年)，山西省水资源总体上由不安全状态逐渐向安全状态转化，水安全等级有了较大的提升。其中2009—2010年，全省水资源处于不安全状态，综合表3和表5分析，2009年和2010年全省的水资源总量较近10年均值分别减少了26.8亿m3和21.0亿m3，降水量较近10年均值分别减少了67.9亿m3和95.2亿m3，而万元GDP用水量、万元工业增加值用水量和亩均综合灌溉定额均处于近10年的高点，生态环境补水量和地表水环境力处于近10年的低点，多种因素共同作用导致2009—2010年山西省水安全综合评价值较低。

2011年以后，山西省启动“两纵十横、六河连通”的大水网建设，建成后的大水网使全省供水保障能力得到极大增强。同时，全省加强节水型社会建设，实行最严格水资源管理制度，全省万元GDP用水量、万元工业增加值用水量和亩均综合灌溉用水量则在逐步下降，生态环境补水量和地表水环境力逐渐提高，降水量也基本处于丰水期，多种因素使得全省水安全状态有了大幅提升，全省水资源基本处于安全状态。2015年，由于水资源总量和生态环境补水量处于近10年的低点，降水量和地表水环境力处于近10年的最低点，万元GDP用水量、万元工业增加值用水量和亩均综合灌溉用水量较2014年均有所上升，多种因素共同导致了2015年水安全程度较低。

综合分析2009—2018年各项指标及综合评价结果，2016年所选的效益型指标，特别是水资源总量、供水总量、降水总量和产水模数均是近10年来的最优值，成本型指标万元GDP用水量、万元工业增加值用水量和亩均灌溉定额虽然较上年有轻微上升，但排水量、生态环境用水量、地表水环境力和中水回用量较上年有了大幅改善，致使2016年全省水安全综合评价值达到近10年的最大值，水安全等级处于近10年中的最优。

表6 水安全评级结果

4 结 语

在对山西省水资源开发利用调查的基础上，选择影响水安全的相关因素，建立了水安全综合评价指标体系，运用层次分析法对各项评价指标进行了赋权，并对全省水安全状态进行了综合评价。总体上，近10年来山西省水安全程度逐步提高，水安全等级由不安全状态提高到了安全状态，且在2016年达到近10年的最优值，研究成果符合山西省实际情况，评价结果合理。根据评价结果，若要提高山西省水安全等级，在保证水资源总量平稳增加的同时，进一步加大技术投入，提高行业用水效率，增加水环境保护投资，加大污水处理力度，减少各行业污水排放量，同时提升人们的环保及节水意识，配合完善的水资源管理系统和预警机制，是确保水资源和社会经济发展协调一致的关键。