基于AHP的西咸新区半干旱地区雨水利用效益模糊综合评价

岳红岩

(西安建筑科技大学艺术学院，陕西 西安 710000)

据联合国环境规划署(UNEP)统计，全球干旱半干旱区域约占地球陆地表面的1/3，其中约占19.0%的“人类时代”沙漠，是由人类不合理开发资源造成的。按照干旱指数及水平衡要素综合分带方法，我国干旱指数大于3的半干旱区域占国土面积的21.5%[1]。缺水问题是半干旱地区面临的主要挑战，如何更好地解决或者一定程度上缓解该地区的缺水问题，许多国家和地区都在不断地努力和探索。全球每年具有巨大的降雨总量，雨水处理不当，极易造成经济、环境、生态等问题[2]。将雨水资源化合理利用，能够在一定程度上解决半干旱地区人们所面临的缺水问题。

关于雨水资源化利用研究，国外较早提出了最佳管理措施(BMPs)[3]、低影响开发(LID)[4]、可持续排水系统(SUDS)[5]等。借鉴国外先进经验，国内根据现状相应提出了“海绵城市”进行城市雨洪管理[6]。王思思等[7]对城市绿道雨洪管理进行了探究；蒙小英等[8]分析了雨水基础设施，并提出了相应的景观化方法；来海亮等[9]对城市雨水利用技术推广的难点进行了分析，提出了相应的对策措施；胡继连等[10]对城市雨水资源化利用政策进行了研究；李俊奇等[11]提出了适应我国城市雨水减排的管制措施与经济激励政策策略。目前国内雨水资源化利用大多基于“自然积存、自然渗透、自然净化”的低影响开发理念，从政策层面、技术层面及管理层面对模拟城市自然水文循环，实现城市生态宜居的水文环境进行研究，但是对此做法所产生的社会效益、经济效益及环境效益(生态效益)等方面论述较少。因此，本文以沣西新城为例，结合层次分析法和模糊综合评价法对其雨水利用综合效益进行评价研究。通过明确雨水利用综合效益之间的内在联系及特点，反向指导雨水利用策略的制定与实施，在此基础上，有针对性地提出沣西新城雨水利用相关策略，以期为半干旱地区雨水利用以及可持续性发展提供参考。

1 研究方法

1.1 研究区概况

西咸新区位于陕西省西安市和咸阳市建成区之间，是我国首批16个海绵城市建设试点之一，同时也是西北地区唯一的试点城市[12]。本次研究区沣西新城是西咸新区的五大新城之一，其属于温带大陆性季风性半干旱、半湿润气候区，具有降雨量较少、水资源短缺、砂质土层较多、土壤渗透系数较大等水文地质特征。区域内多为非自重湿陷性黄土，雨季集中，暴雨极易造成洪涝和水土流失等自然灾害。研究区域多年平均降水量为500～550mm，具有半干旱地区水文环境特征，同时相对西北部半干旱地区雨量充足，对于雨水利用效益研究更加直观清晰。目前，沣西新城部分区域对于雨水利用已构建景观绿地、市政道路、建筑小区以及生态雨洪调蓄系统组合的4级雨水综合利用体系。

半干旱地区雨水高效利用面临错综复杂的影响因素，准确把握影响因素的主要方面和次要方面至关重要，需要采取合适的研究方法探寻其中各个因素的主次规律(层次分析法)，有严格的科学理论作为基础，更加具有科学性和有效性；面临雨水利用效益难以精确量化的情况，需要采取适度量化的方法研究其影响程度(模糊综合评价法)。从定性到定量，从模糊到清晰，综合制定与实施半干旱地区雨水高效利用措施。

1.2 评价方法

1.2.1 层次分析法概念诠释

层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是将问题分解为不同组成要素，并依据各个因素之间的关联性、隶属关系，搭建多层次的分析模型，进而使整个决策分析活动最终转化为决策方案、目标的重要权值和优劣次序[13]。本研究通过层次分析法对沣西新城雨水利用效益评价指标进行分析，计算出各评价指标因子的权重。其步骤主要包括建立层次结构及构造判断矩阵、层次单排序及一致性检验、层次总排序及一致性检验、分析计算结果。

1.2.2 模糊综合评价法概念诠释

模糊综合评价的目的是解决模糊的以及难以量化的问题，其原理是根据模糊数学的隶属度理论，考虑与被评价事物相关的各个因素，对其所作的综合性评价[14]。根据层次分析法分析得出的雨水利用效益各评价指标因子的权重，进一步通过模糊综合评价法对其进行评价，相应提出沣西新城雨水利用策略。其评价过程步骤主要包括建立评价对象指标集和评价集、构建评判矩阵R、评价矩阵和权重的合成、得出评价结论。

1.2.3 评价指标体系的构建

通过调查分析海绵城市雨洪管理以及雨水利用相关理论和专家的研究经验[15]，结合城市可持续指标集主题框架中的“社会-经济-环境”划分纬度[16]，并根据《标准化效益评价》进行梳理归纳总结[17]。为了验证城市采用景观学方法后雨水资源化的综合效益，综合专家的意见与景观学相关理论研究，以及参考其他学者雨水资源化景观学途径的相关研究，构建了相应的评价指标体系，引入Vague集理论进行有效评价[18]。在此基础上，选择复合法建立沣西新城雨水利用综合效益分析体系AHP模型。

最高层(目标层A)是雨水利用效益评价；评价项目层B包括生态效益(B1)、经济效益(B2)、社会效益(B3)；评价指标层C分别对应为改善生态环境(C1)和涵养水源(C2)、直接经济价值(C3)和间接经济价值(C4)、推动城市建设(C5)和改善人们生活(C6)；评价因子层D含有17个雨水利用效益评价的因子，见图1。

图1 雨水利用效益评价指标体系模型

1.2.4 评价指标权重的确定

权重是以某种数量形式的权衡，对比被评价事物中各种因素相对重要程度的量值。在技术评价指标体系中，各指标权重合理与否，直接关系到评价结果的客观性及合理性。在此次研究中，评价指标权重设定严格遵循客观性、相关性、对比性、范围性、层次性这5项基本原则。

本文采取层次分析法(AHP)和专家打分法相结合确定评价指标权重。具体步骤如下：第一步：对专家进行访谈及发放调查表，反复研究确定各个评价指标重要性，构成判断矩阵。为了比较指标层各因素对准则层的影响程度,对层次内的因素进行两两比较,得出各元素的权重,确定判断矩阵C=(Cij)n×n。本文通过1～9标度法判断同一层次上各因素的相对重要程度(见表1)。第二步：列出各评价指标间相对重要程度的判断矩阵，并计算特征值。第三步：运用层次分析法(AHP)，结合相关数据资料、专家意见及研究者认识，加以权衡后，提出雨水利用效益评价指标的权重。第四步：对各评价指标权重值进行一致性检验，当CR值小于0.1时，通过一致性检验[19]。

表1 1～9标度含义

a.建立雨水利用效益评价指标一级判断矩阵，见表2。经过计算得出最大特征值为λmax=3.004;特征向量为(1.744，0.927，0.329)；矩阵权向量为(0.581，0.309，0.110)；一致性检验：CI=(λmax-n)/(n-1)=0.002，查询随机一致性指标RI=0.58；CR=CI/RI=0.003<0.1，本次研究判断矩阵满足一致性检验，计算所得权重具有一致性。

表2 一级判断矩阵

b.对于当前层次结构模型，生态效益、经济效益、社会效益分别作为一个层次进行判断，称为雨水利用综合效益评价分析体系模型的二级判断。

建立雨水利用生态效益的二级判断矩阵，见表3。经过计算得出最大特征值为λmax=2.000;特征向量为(0.667，1.333)；矩阵权向量为(0.333，0.667)；一致性检验：CI=(λmax-n)/(n-1)=0，查询随机一致性指标RI=0；CR=CI/RI<0.1，本次研究判断矩阵满足一致性检验，计算所得权重具有一致性。

表3 雨水利用生态效益二级判断矩阵

建立雨水利用经济效益的二级判断矩阵，见表4。经过计算得出最大特征值为λmax=2.000;特征向量为(1.500，0.500)；矩阵权向量为(0.750，0.250)；一致性检验：CI=(λmax-n)/(n-1)=0，查询随机一致性指标RI=0；CR=CI/RI<0.1，本次研究判断矩阵满足一致性检验，计算所得权重具有一致性。

表4 雨水利用经济效益二级判断矩阵

建立雨水利用社会效益的二级判断矩阵，见表5。经过计算得出最大特征值为λmax=2.000;特征向量为(1.600，0.400)；矩阵权向量为(0.800，0.200)；一致性检验：CI=(λmax-n)/(n-1)=0，查询随机一致性指标RI=0；CR=CI/RI<0.1，本次研究判断矩阵满足一致性检验，计算所得权重具有一致性。

表5 雨水利用社会效益二级判断矩阵

c.对于当前层次结构模型，改善生态环境、涵养水源、直接经济价值等6个评价指标分别作为一个层次进行判断，称为雨水利用综合效益评价分析体系模型的三级判断。

建立雨水利用改善生态环境的三级判断矩阵，见表6。经过计算得出最大特征值为λmax=3.025;特征向量为(0.354，0.604，2.042)；矩阵权向量为(0.118，0.201，0.681)；一致性检验：CI=(λmax-n)/(n-1)=0.012，查询随机一致性指标RI=0.58；CR=CI/RI=0.021<0.1，本次研究判断矩阵满足一致性检验，计算所得权重具有一致性。

表6 雨水利用改善生态环境三级判断矩阵

同理可得出：涵养水源的三级判断矩阵、直接经济价值的三级判断矩阵、间接经济价值的三级判断矩阵等5个评价指标判断矩阵，并通过一系列的计算指标层各指标的权重以及对其一致性进行检验，计算得到的CR值均小于0.1，满足一致性检验，计算所得权重具有一致性。雨水利用效益评价指标权重计算结果统计情况见表7。

表7 雨水利用效益评价指标权重

1.2.5 模糊综合评价分析

1.2.5.1 指标集构建

依据沣西新城雨水利用综合效益分析体系AHP模型(见图1)，构建评价指标集U，一级指标U1(生态效益)、U2(经济效益)、U3(社会效益)；二级指标U11(改善生态环境)、U12(涵养水源)、U21(直接经济价值)、U22(间接经济价值)、U31(推动城市建设)、U32(改善人们生活)；三级指标U111(增加生物多样性)、U112(净化空气)、U113(调节小气候)等17个指标。

1.2.5.2 评价集构建

根据语义学标度分级，将雨水利用效益评价结果分为5个等级[20]，评价集合V={v1，v2，v3，v4，v5}={非常好，比较好，一般，比较差，非常差}。为了便于统计和计算，将雨水利用效益主观评价分别赋值为5、4、3、2、1进行量化，见表8。

表8 评价定量分级标准

1.2.5.3 评价指标单因素评价确定

对沣西新城的雨水利用设施和现状进行实地调查，并以西咸新区政府相关统计数据和西安市2010—2018年统计年鉴为参考，调查方法为现场访谈和发放问卷。对50位专家和专业人士进行了现场访谈，并网络发放问卷1000份，经过统计共收回有效访谈及问卷986份，有效率为93.9%。通过对问卷调查的统计分析和对每个指标进行评分，计算各指标因素评价结果，见表9。

表9 雨水利用效益指标评价结果及分值统计情况

1.2.5.4 一级模糊综合评价

本次研究具有复杂程度高和多因素特征，为了获得更加准确的整体指标优化综合评价，故采用加权平均型算子M(∘，⊕)进行研究[21]。对照表6和表8，将A1与R1做复合运算以及隶属度归一化处理。

改善生态环境一级模糊综合评价向量：

B1=A1∘R1=(0.118， 0.201， 0.681)∘

=(0.180， 0.300， 0.368， 0.120， 0.032)

改善生态环境一级模糊综合评价得分：

V1=0.180×5+0.300×4+0.368×3

+0.12×2+0.032×1=3.476

对Wk与Rk(k=2，3，…，6)做一级模糊综合评价复合运算以及隶属度归一化处理，同理可以得出：涵养水源一级模糊综合评价向量和得分分别为B2=(0.350， 0.250， 0.175， 0.225， 0)、V2=3.725；直接经济价值一级模糊综合评价向量和得分分别为B3=(0.100， 0.114， 0.253， 0.300， 0.233)、V3=2.548；间接经济价值一级模糊综合评价向量和得分分别为B4=(0.183， 0.283， 0.317， 0.117， 0.100)、V4=3.332；推动城市建设一级模糊综合评价向量和得分分别为B5=(0.306， 0.192， 0.308， 0.143， 0.051)、V5=3.559；改善人们生活一级模糊综合评价向量和得分分别为B6=(0.208， 0.279， 0.142， 0.100， 0)、V6=3.592。

1.2.5.5 二级模糊综合评价

对Ak与Rk(k=1，2，3)做二级模糊综合评价复合运算以及隶属度归一化处理，计算可以得出：

生态效益二级模糊综合评价向量：

B1=A1∘R1=(0.333，0.667)∘

=(0.293， 0.267， 0.239， 0.190， 0.011)

生态效益二级模糊综合评价得分：

V1=0.293×5+0.267×4+0.239×3

+0.190×2+0.011×1=3.641

同理可以得出：经济效益二级模糊综合评价向量和得分分别为B2=(0.121， 0.156， 0.269， 0.254， 0.200)、V2=2.744；社会效益二级模糊综合评价向量和得分分别为B3=(0.302， 0.230， 0.285， 0.142， 0.041)、V3=3.610。

1.2.5.6 三级模糊综合评价

对Ak与Rk(k=1)做二级模糊综合评价复合运算以及隶属度归一化处理，计算可以得出：

雨水利用综合效益三级模糊评价向量：

B1=A1∘R1=(0.581，0.309，0.110)∘

=(0.241，0.229，0.253，0.204，0.073)

雨水利用综合效益三级模糊评价得分：

V1=0.241×5+0.229×4+0.253×3

+0.204×2+0.073×1=3.361

因此，沣西新城雨水利用效益综合评价得分为3.361，根据评价定量分级标准(见表8)，沣西新城雨水利用效益综合评价为一般。综合统计以上实验数据，可得雨水利用效益各指标评价得分以及定级，见表10。

表10 雨水利用效益指标评价分值及定级

2 结果分析

2.1 雨水利用综合效益分析

沣西新城雨水利用综合效益评价得分为3.361分，属于Ⅲ级(一般)水平。在评价项目层B评价中，生态效益(3.641)和社会效益(3.610)评价得分相对较高，为Ⅱ级(比较好)标准；经济效益(2.744)评价得分相对较低，为Ⅲ级(一般)标准。在评价指标层C评价中，涵养水源(3.725)、推动城市建设(3.559)、改善人们生活(3.592)评价得分比较高，为Ⅱ级(比较好)标准；改善生态环境(3.476)、直接经济价值(2.548)、间接经济价值(3.332)评价得分相对较低，为Ⅲ级(一般)标准。本次调查分析研究中，补充土壤水分(4.400)评价得分最高，效益表现最佳；节省市政投资(2.400)评价得分最低，效益表现最差(见图2)。

2.2 雨水利用生态效益分析

生态效益评价数据显示，补充土壤水分评价分值(4.400)最高，其效果最佳，净化空气评价分值(3.100)最低，雨水利用生态效益整体表现比较好(见图2)。雨水通过自然途径绿地和人工措施透水铺装设置，实现自然下渗，能够很好地涵养地下水源以及使土壤水分保持在比较高的含量。绿色植物的增加，为生物提供了更多的栖息地，促进了生物多样性的形成，也调节了城市环境小气候，打造了城市宜居环境。由于目前城市空气污染源较多，绿地和植物在城市面积中占比相对较小以及后期管理维护缺失，因此，雨水利用生态效益在净化空气方面表现不明显。

2.3 雨水利用经济效益分析

经济效益评价数据显示，其促进创新产业评价分值(3.400)最高，节省市政投资评价分值(2.400)最低，雨水利用经济效益权重相对较高，然而整体表现一般(见图2)。随着国家雨水利用相关政策的出台，采取政府引导和市场主导的模式，景观用水和生活用水部分用处理达标的雨水进行替代，减少了洪涝的发生，同时，节约了人们日常生活自来水用水开支。通过一系列对雨水的收集处理，大大改善了城市河流、湖泊等水体水质，优化了水环境，带动了周边商业、地产、旅游等产业的发展。由于雨水利用高效资源化在当地尚处于初级阶段，市政关于雨水利用基础设施建设投入加大，相应市政投资费用较高。因此，前期节省市政投资评价处于比较差，甚至出现“反增长”现象。现代农业技术创新以及专项投入资金的不足，高效农业的发展仍需大量精力和资金的投入。

2.4 雨水利用社会效益分析

社会效益评价数据显示，补充地下水和节水意识教育评价分值均为(3.900)最高，处于比较好的状态，减少洪涝灾害评价分值(3.100)最低，雨水利用社会效益整体表现比较好(见图2)。雨水的高效收集和利用，很大程度上缓解了部分地区水资源短缺问题，实现了对城市地下水的补充，在干旱半干旱地区效果尤为明显。雨水利用技术、政策、法规等不断地完善和发展，大大促进了人们节水意识的养成和参与雨水收集利用的积极性，进而改善了人们的生活质量。目前城市雨水利用基础设施处理雨水规模和总量有限，在减少洪涝自然灾害和减轻城市排水压力方面，表现效果处于一般标准。

3 建 议

通过定性化分析和定量化评价的调查研究，对半干旱地区西咸新区沣西新城雨水利用生态效益、经济效益、社会效益现状进行分析评价研究，总结雨水利用过程中存在的不足，进而指导雨水收集利用生态措施、经济措施以及社会措施的制定与实施，促进城市及社会可持续发展。针对以上分析研究，针对半干旱地区雨水高效利用提出以下建议。

3.1 雨水利用生态策略

3.1.1 增加自然途径

城市雨水自然下渗过程，很大程度上是依靠绿地来完成的，城市绿地的建设直接影响着雨水高效收集与利用。绿地植物在进行光合作用时能释氧固碳，对降低碳足迹以及碳氧平衡起着重要作用。植物具有很强的吸收二氧化碳和释放氧气能力，生长良好的草坪绿地在进行光合作用时，每平方米每小时可吸收二氧化碳1.5g，将一个人1h呼出的二氧化碳吸收只需要25m2草坪。通过增加城市绿地面积和提高质量，能够更好地为其他生物提供良好的生态栖息地环境，提高生物多样性；植物配置选择方面优先考虑本土植物，以便实现较高的存活率和便于管理维护，同时，可以适当采用适宜当地水文环境生长的外来树种，提高雨水利用景观观赏性；充分利用水生植物和微生物对集蓄雨水水质进行净化，保持良好的生态效果。采取增加绿地、植被等自然途径作为雨水收集与利用的生态措施，对雨水资源化利用、降低碳平衡及降低城市热岛效应意义重大。

3.1.2 加强人工管理

“三分建，七分管”，说明城市生态效益实现最大化，后期的管理与维护至关重要，尤其干旱半干旱生态脆弱地区的雨水收集与利用对后期的管理与维护要求更高。生态基础设施建设，在方案、施工图设计、验收等阶段增加雨水利用措施的审查，保证其严格按照图纸施工，并达到雨水利用生态措施的控制目标与指标要求。后期管理与维护要全面考虑各种因素，制定管理计划与维护标准，实现实施到人、责任到人。

3.2 雨水利用经济策略

3.2.1 创新多用途用水

雨水径流污染程度直接影响河流治理以及雨水回用，传统水环境采用的“末端治理”是一种治标不治本的模式，现代水环境治理需要转变为“源头减排、过程阻断、末端治理”全过程防控水污染的治水模式，水质处理使污染物含量达到一定百分比的削减后，才可排入下游天然河道或者水体。降雨前期尽可能通过生态植草沟、生态渗水池、人工湿地及雨水储集罐等设备和设施对雨水进行自然下渗和收集，以“产生在当地、留置在当地、利用在当地”为原则，降低雨水径流排入城市管网及对城市河流的污染。降雨中期进行雨水收集，经过过滤、沉淀等简单处理进行存储，可以满足景观绿化的用水需求以及节约用水开支。降雨后期雨水大量被排入城市雨水管网，甚至随着雨水管网直接排出城市系统，造成雨水资源的浪费。通过雨水管网对雨水进行收集，进而经过统一处理后排入污水处理厂，进行分级处理，经过简单初级处理达到市政水质要求，可用于市政建设用水；经过多级深度处理，达到生活水质要求，可用于人们日常生活用水。

3.2.2 构建怡人水环境

雨水收集与利用管理以建设宜居城市、增强城市弹性与适应性及创造环境友好型城市水文环境为目标，力求通过综合的水文循环系统管理，采用雨水花园、生物调节池等可持续雨水设施处理降水、暴雨等各类水源，加强雨水收集与利用效益及增加其经济效益。人都具有亲水性，生活中对于舒适怡人水景的需求不亚于对植物景观的需求，提供怡人的水环境，对于“宜居城市”的建设显得尤为重要。雨水径流经过植物的过滤，汇集到河流、水池等城市水体设施中，再经过水生植物以及特殊处理净化水质，最终形成良好的水环境，能够在一定程度上带动城市水环境周边商业、地产等行业的发展，通过周边行业经济的发展，反过来会促进水环境的建设投入以及合理性开发，两者形成相辅相成、相互促进的发展模式。

3.2.3 发展高效农业

雨水资源合理化高效利用，是实现经济、生态、社会综合效益最佳的高效农业的重要手段之一。灌溉是农业用水的主要方式，雨水经过一系列收集与处理，达到灌溉用水水质标准，将雨水资源与现代农业相结合，实现雨水资源循环经济生态利用模式。对于半干旱地区雨水资源用于农业用水可采用滴灌和节水型喷灌技术，做到节约用水、科学用水，实现雨水资源用于农业效益最大化，促进当代高效农业的可持续发展。

3.3 雨水利用社会策略

3.3.1 改善下垫面

城市中存在大面积的下垫面硬化，暴雨发生时，雨水很难通过其进行下渗，极易造成洪涝灾害以及增加市政管网的排水压力。针对大面积硬化的下垫面，在合适的位置采用透水混凝土、透水沥青混合料、透水砖等透水材料进行建设，增加设施渗透性，能够很好地降低雨水径流系数，补充地下水。在城市建设中，优先考虑自然下垫面生态设计，硬质材料与软质材料相结合的方式，雨水高效处理的同时考虑其景观效果。

3.3.2 完善政策法规

雨水利用相关政策法规的制定，对于雨水资源高效利用实施与推广起着至关重要的作用。政府加强建设中的雨水利用设施监管力度并完善相关考核评估制度，明确雨水利用设施管理机构，加强雨水利用工程阶段性检查以及利用现代科学技术以定性与定量相结合的方式进行考核评估，助力雨水资源高效利用实施推进工作的顺利开展。政府制定雨水利用相关经济奖惩政策，对积极进行雨水利用的公司或个人进行适当的财政方面补贴；相反，对不进行雨水利用的公司或个人收取一定的雨水排放费用，按照雨水径流污染物负荷或者硬化面积大小进行核算，建立雨水排放收费制度，以提高人们对雨水利用的积极性，实现雨水资源高效利用良性发展。

3.3.3 鼓励公众参与

公众参与雨水高效利用相关政策制定与实施，是全民积极参与雨水利用行为活动的基础和强有力的保障。城市景观设计中，通过雕塑、特色水体、娱乐设施等景观小品与雨水收集与利用理念相结合，使雨水收集与利用实实在在发生在人们周围，让人们能够“看得见，摸得到，学得会”，促使人们“想去做，积极做，愉快做”。社会各组织和团体加强雨水资源高效收集与利用的宣传工作，鼓励大家积极参与雨水的收集利用，并提高节约用水意识，实现生态可持续以及社会可持续发展。

4 结 语

雨水全面高效利用理论技术体系仍然处于探索与研究阶段，雨水利用综合效益评价体系的建立显得尤为重要。当下雨水高效收集与利用通常以生态建设为基础，而忽视其经济效益和社会效益带来的影响。本文通过对沣西新城雨水利用效益进行评价研究，发现雨水利用综合效益以生态效益为优先，经济效益为基础，社会效益为目标，三者相互促进以及相互协调，才能实现雨水利用综合效益最大化。针对研究发现的雨水利用存在的不足，从生态效益、经济效益以及社会效益3个方面，提出半干旱地区雨水高效利用措施以及策略。在雨水利用综合效益评价指标定量分析中，指标的选取和方法处理仍然可以继续改进和完善，以提高雨水利用效益评价的精确度。随着社会不断进步和科学技术不断发展，以及各学者坚持不懈的探索研究，雨水利用综合效益将会得到进一步提升，最终实现社会全面可持续发展。