基于改进TOPSIS法的水资源配置方案评价

熊雪珍,何新玥,陈　星,管仪庆,王繄玮,王　丽

(河海大学水文水资源学院,江苏 南京　210098)

基于改进TOPSIS法的水资源配置方案评价

熊雪珍,何新玥,陈星,管仪庆,王繄玮,王丽

(河海大学水文水资源学院,江苏 南京210098)

摘要：以综合效益最优为目标层,水资源利用、经济效益、社会效益、生态效益为准则层,建立临海市水资源配置方案评价指标体系,采用改进TOPSIS法对“五水共治”理念下的4个区域水资源配置方案展开评价。结果表明,高节水、加强水资源开发、保障生态需水的方案4为最优方案。研究旨在为临海市经济、社会、资源、环境的全面发展提供理论支撑。

关键词：五水共治;水资源配置;方案评价;改进TOPSIS法

我国水资源总量丰富,但人均水资源量始终处于较低水平,且水灾害频发,水环境问题严峻。水资源问题已成为制约我国经济和社会可持续发展的关键因素[1]。水资源治理是一个复杂系统,是对区域内自然水和社会水的共同管理,其内涵是在治水的过程中实现人水和谐,是依托水资源配置机制,对涉水工程及主体进行协调和约束,形成一套水资源治理理念和完整的实施方案,达到水资源可持续发展的目的[2]。对配置方案进行评价,是水资源治理的第一步,一方面从水资源供需、利用结构、开发利用程度等方面进行总体把握和评价,找到区域水资源配置过程中影响较大的关键因素,另一方面,根据评价发现配置机制的问题,从而制定各种工程措施和非工程措施[3]。

水资源配置研究从最初的水量分配,转变到目前的综合考虑社会、经济、环境可持续性的协调配置;从单一的水量调控，发展为水量水质的联合调控[4],更注重与水循环要素之间的效应,与经济、社会系统的结合[5]。国外对水资源配置的研究侧重于水资源系统模拟。较成熟的流域模拟及水资源管理模拟模型软件有丹麦的MIKEBASIN,美国的River-Ware等[6-8]。国内对流域水资源配置的理论研究主要从配置目标、配置的水源用户关系上进行分析。贾仰文等[9]在国家 “十五”科技攻关计划研究中,对黄河流域构建了分布式水循环模拟模型和集总式水资源调配模型耦合而成的二元水循环系统模拟模型,提出了“天然-人工”二元水循环基本结构与模式。阙添进等[10]研究城市多水源给排水配置系统建设,提出了城市中水的合理布局和水质转换。海绵城市概念的提出,亦有利于推动我国城市雨洪管理模式的转变和发展[11]。对水资源配置的评价也由定性评价发展到定量评价,常进等[12]引入基于实数编码的加速遗传算法的投影寻踪分类模型,对塔里木河源区水资源利用可持续性进行定量评价分析。近年来,层次分析法、模糊综合评判法、逼近理想解法(TOPSIS)先后被应用到水资源合理配置评价中[13]。

浙江省2014年提出的“五水共治”(治污水、防洪水、排涝水、保供水、抓节水)的战略决策,从治水的综合性与系统性上考虑了水环境、防洪排涝、供水保障等一系列问题的相互关系。不同于传统就水论水的治理模式,强调“五水”作为一个系统,统筹兼顾,互相牵制:水系连通,治污先行;在河道综合治理基础上,保障防洪排涝安全,将洪涝水安全化、资源化;强调节水，保障供水,提高水资源配置能力;优化区域水环境,促进水资源可持续发展。

本文以浙江省临海市为例,结合区域社会、经济、水资源状况及“五水共治”规划,设置4个水资源配置方案,采用改进的TOPSIS法评价优选出最佳水资源配置方案,旨在为临海市“五水共治”下的经济社会、资源环境的全面发展提供理论支撑。

1改进的TOPSIS模型简介

TOPSIS法的基本原理是一种逼近理想解的排序法,适用于多目标复杂系统的决策分析[14]。确定理想解和负理想解,定义各评价目标与理想解和负理想解的距离,计算获得各方案与理想解的贴近度,并按贴近度大小进行排序,以此作为评价目标优劣的依据。

传统TOPSIS方法具体计算步骤[15]如下:

步骤1:构造决策矩阵X。设有M个评价方案,每个方案有N个评价指标,xij表示第i个方案中第j个指标值。采集各方案指标值,构造决策矩阵X。

步骤2:对指标进行规范化处理,得到规范化矩阵D。按指标属性分越大越优型指标、越小越优型指标及适中型指标,规范化公式为

越大越优型:

(1)

越小越优型:

(2)

适中型:

(3)

式中,x*为最优值。

步骤3:计算各指标对总目标的权重值wj,得到加权判断矩阵:

(4)

(5)

(6)

其中,适中型指标的理想解与负理想解按与最优值差值确定。

步骤5:定义各方案到理想解的距离,并进行计算排序,以判断方案优劣。

1.1改进的权重计算方法

对传统的TOPSIS进行改进,通常是从权重计算方法及距离公式定义两方面着手[16]。常用的权重计算方式,如客观计算法、变异系数法,是利用客观数据的差异程度,并非从指标含义方面来表征重要程度。当某些指标数据间差异较大时,所求权重偏大,可能与实际不符。主观权重计算的关键步骤判断矩阵则很难排除个人主观影响。因此,选用组合权重方法可以兼顾两方面,利用下列公式:

(7)

式中:αj为变异系数法确定的权重;φj为层次分析法确定的指标权重;wj为通过组合计算公式得到的组合权重。

本文采取变异系数法和层次分析法组合计算权重。

步骤1:运用变异系数法确定权重。计算各指标不同方案取值的平均值Ej和标准差δj,变异系数为δj/Ej,对其进行归一处理即得变异系数法权重αi。

步骤2:运用AHP法计算权重。设准则层有s个准则,t个指标。每个准则分别对应t1,t2,…,ts个指标。运用AHP分层计算权重。准则层权重B={β1,β2,…,βs},各指标相对目标层的权重φ={φ1,φ2,…,φt}。

步骤3: 将指标权重φj与变异系数法确定的权重αj利用上述组合公式组合,求得指标组合权重W={w1,w2,…,wn}

1.2改进的距离计算公式

传统的TOPSIS法的距离公式通常采用的是欧式距离公式,但是这种计算方法所选出的最优解,在贴近理想解的同时可能也贴近负理想解。针对这种情况,本文选用基于垂面距离的正交投影法来定义距离公式[17]。两点间X、Y的垂面距离是指以理想解、负理想解连线方向AB为法向量,在法线方向上分别过这两点作两个平行平面,点X、Y投影在法线上E、F两点之间的距离,如下图所示。X和Y的垂面距离DXY计算公式为如下:

(8)

由于这种方式将距离化为同一直线上距离,因此贴近理想解必远离负理想解。

图1　垂面距离

计算步骤[17-18]如下:

2实例研究

浙江省临海市水资源量相对丰富,但水资源时空分布不均,水资源量分布和社会经济发展布局相矛盾,可调配水量不足,以及水质污染,造成工程型、资源型和水质型缺水并重。临海市“五水共治”的推进，是对水资源进行系统性管理与调配。对“五水共治”理念下的水资源配置进行评价,可为临海市水资源利用决策提供一定理论依据。

临海市多年平均降雨量1 685.5 mm,多年平均水资源总量20.96亿m3。临海市现状水资源开发利用的可供水量为4.2亿m3,仅占本市水资源总量20%。临海市具有丰富的客水资源,灵江最枯年份过境客水达到20亿m3。临海市年总供水能力42 181万m3,地表水源供水占比97%。目前已建水库、山塘324座,合计总库容4.032 2亿m3。供水覆盖主要是中部分区、东部分区、西部分区和城南分区4大区块,其中中部分区、东部分区用水占全市的72%,而中东部城区由于着重工业发展,其用水需求将快速增长。临海市各分区供水情况见表1。

表1　临海市分区供水情况

2.1现状水资源供需分析

临海市需水总量包括生活需水量、生产需水量和生态需水量。以2013年为现状水平年、2016年为近期规划年、2020年为中期规划年,在90%来水保证率情况下分析《临海市五水共治规划》中需水预测的结果,可以发现临海市用水结构发生的变化。在现有工况下,统计得出现状供水情况下,不同水平年各分区的供需水情况(图2和表2)。

图2　不同水平年临海市各类需水量占比

分析数据可知临海市生活需水、公共需水、工业需水将成为用水主要构成。工业用水增长迅速,需水总量整体有增大趋势。而这几种用水对水质要求

表2　不同规划水平年水资源供需平衡分析 　万m3

较高,要满足未来城市发展需水要求,必须在水资源配置过程中更加重视水环境治理,保证一定优质水供水比例。临海市东部分区作为临海市副城,将重点发展工业,用水趋势向中部分区和东部分区集中,现状工况下规划年东部区缺水量逐年增大,但东部分区已无可开发水资源利用量。因此,在对临海市水资源配置进行评价时,必须将地区中水回用、优质水供水比例及水资源开发利用等指标考虑进去。

2.2水资源配置方案设置

基于“五水共治”治水理念,临海市以河道综合治理为基础,保障防洪排涝安全,提高水资源配置能力,完善供水安全保障体系,优化区域水环境,维护水资源的可持续发展。综合临海市“五水共治”报告及节水规划,按照“五水共治”治水理念,笔者拟定了4套合理配置方案,分别进行分析比较。

方案1:采用传统的水资源治理方案,保证一定水资源量补给河道内生态需水。加强农田节水措施,灌溉水利用系数提高10%,城市生活用水定额下降10%。同时强化供水措施,修建小田岙山塘，满足临海城中心区需水,并将牛头山水库调水供给城东区。

方案2:加强节水,改善工业、农业节水工艺,推进生活用水节水器具,使之达到国家领先水平。灌溉水利用系数提高15%,城市生活用水定额下降15%。强化供水措施,修建方溪水库,保证一定水资源量补给河道内生态需水。

方案3:加强节水,灌溉水利用系数提高10%,城市生活用水定额下降10%。加强蓄水工程建设,将洪水资源化,保障供水。开发非常规水资源,推进中水回用工程,以补充河道内生态需水。

方案4:加强节水,灌溉水利用系数提高15%,城市生活用水定额下降15%。加强供水保障,修建方溪水库,保障供水需求。加强污水治理,增加水资源可利用量,提高非常规水源地的利用,并保证一定水资源量补给河道内生态需水。

构建以综合效益最优为目标层,水资源开发利用、经济效益、社会效益、生态效益为准则层,根据地区水资源利用特点,遴选出准则层对应的指标,建立临海市水资源配置方案评价指标体系。各方案评价指标值见表3。

表3　临海市各水资源配置方案指标值

2.3规范决策矩阵

其中B13、B21、B22、B43为越小越优型指标,B42为适中型指标,其余为越大越优型指标,利用前文所述公式,求得规范矩阵D:

通过变异系数法求得各指标权重:A={α1,α2,…,αn}={0.027,0.028,0.041,0.034,0.105,0.071,0.165,0.027,0.260,0.038,0.017,0.077,0.110}，通过AHP法求求得各指标权重,见表4。

表4　AHP法各指标权重

对AHP法所求的权重进行一致性检验,结果见表5。

表5　一致性检验结果

CR均小于0.1,则所求权重通过一致性检验。

wi=(0.020,0.011,0.055,0.052,0.253,0.068,0.133,0.050,0.100,0.070,0.007,0.102,0.081)

进而求得加权决策矩阵A:

2.4各方案到理想解距离

从得到的加权决策矩阵A中,按照公式(5)、(6)确定理想解和负理想解:

表6　平移后各指标及理想解、负理想解

计算得各方案与理想解距离di=(0.002 575,0.000 932,0.0 011 16,0.000 448),由于距离越小越优,可确定方案4最优。

浙江临海市属大田平原区,地表水资源量较少,人均水资源量低于全国平均水平。水利工程的开发利用程度偏低,地表水工程规模较小,丰富的客水资源没有得到充分利用。提高水资源开发利用率是水资源优化配置的关键一步。同时临海市主要产业为工业和农业,而两者在节水方面还有很大提升空间,因此需推进节水工艺、改进灌溉方式。临海市中部与东部水资源分配不均匀,中部余水较多,东部工业发展快,而东部地区水资源可利用量少,水资源缺口有增大趋势。要满足未来城市发展需求,必须考虑全市范围的水资源调配,加大水资源开发利用程度。小田岙山塘、方溪水库完工并投入使用,可向中部区供水,并向东部供水7 645万m3,剩余水量补给生态需水量。在此基础上,加强污水治理,增加可供水资源量,提高优质水所占比例,重视非常规水资源的开发利用,减轻废污水对水环境的压力及用水负担,从综合的角度对“五水”进行统一治理与利用。方案4最大限度满足了要求,是高节水、加强水资源开发利用,保障供水,保障生态的组合方案,体现了“五水共治”思想下的水资源配置的合理性,与临海市的水资源现状符合,可作为最优配置方案。

3结语

进行水资源配置方案评价时,需充分考虑当地水资源现状,结合当地发展规划,把握用水结构变化趋势,从社会效益、经济效益、生态、水资源开发利用等方面,全面考虑水资源配置的科学性。笔者采用改进的TOPSIS法进行水资源配置方案评价。在诸多的评价方法中,TOPSIS法对原始数据的信息利用最为充分,对数据分布、样本含量、指标多少没有严格的限制,数据计算简单可行。不仅适用于小样本资料,也适用于多评价对象、多指标的大样本资料。利用TOPSIS进行综合评价,可以得出良好的可比性评价排序结果。相较于层次分析法和模糊综合评价法,TOPSIS法以定义距离的方式筛选出优选结果,更为直观。权重方法与距离计算公式可以灵活选用,因此很大程度上会影响评价结果。本文在这两方面对TOPSIS进行了改进,综合考虑主客观两方面,采取AHP和变异系数的组合权重。距离定义采用基于垂面距离的正交投影法,避免了优选结果，同时贴近理想解、负理想解的情况,使TOPSIS的评价结果更加科学合理。

本文采用改进的TOPSIS对临海市水资源配置方案进行评价,确定了最佳水资源配置方案,并从评价角度阐明“五水共治”理念在实践应用中的科学性,为“五水共治”规划在临海市的推进与实施提供理论支撑。

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Evaluation on water resources allocation schemes based on improved TOPSIS

XIONG Xuezhen, HE Xinyue, CHEN Xing, GUAN Yiqing, WANG Yiwei, WANG Li

(CollegeofHydrologyandWaterResource,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：Taking comprehensive benefits as the target layer, and water resources utilization, economic, social and ecological benefits as the criterion layer, an evaluation index system of for Linhai City water resources allocation scheme was established, and four regional water resources allocation schemes under the idea of co-governance on five water categories were evaluated based on the improved TOPSIS. The results show that the scheme 4 is the best, which is to promote water-saving, to strengthen the development of water resources, and to ensure the ecological water demand. The aim of this study is to provide the theoretical support for the all-round development of Linhai City’s economy, society, resources, and environment.

Key words：co-governance on five water categories; water resources allocation; scheme evaluation; improved TOPSIS

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.004

基金项目:国家自然科学基金(51579148);苏州市水利科技计划(2014-07-06)

作者简介:熊雪珍(1993—),女,硕士研究生,研究方向为水文及水资源。E-mail:xiong_xz@hhu.edu.cn 通信作者:陈星,讲师。E-mail:chenxing@hhu.edu.cn

中图分类号：TV213.4

文献标志码：A

文章编号：1004-6933(2016)02-0014-07

(收稿日期：2015-12-28编辑：彭桃英)