基于协商定权的流域用水水平组合评价

惠 蕾，梁 曦

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

1 研究背景

用水水平评价是一个多层次多指标的系统整体分析评价问题，用于测评的指标多且关系复杂；用水水平又是水资源高效利用的主要表征之一，把握流域的用水情况，对流域综合用水水平进行合理的评价，有利于了解流域发展与用水需求之间的矛盾，从而从用水方加强管理，改善流域用水结构和用水方案，提高水资源利用效率，促进流域社会经济的可持续发展和区域生态环境良好循环，保障节水型社会的建立。当前采用的用水水平的评价有多层次灰色关联综合评价方法[1]、物元模型[2]、属性识别模型[3]、层次分析法（AHP）[4]、集对分析[5]、模糊综合评价[6]等多种单一的评价方法。层次分析法是常用的一种主观评价方法，评价模型以人的主观判断作为赋权基础，主观因素太多；熵权系数法评价模型中，消除了人为确定权重的主观误差，各项指标的权重由样本数据计算得到，但仅单纯地反映客观。对同一评价问题，每一种单一评价方法都只是从某种角度对被评价对象做出综合评价，存在不可避免的局限性。因此，本文将采用基于协商定权的组合评价模型，充分利用层次分析法和熵权法所提供的信息，将主客观方法相结合，实现两者的优势互补，尽可能地提高评价水平，使评估结果更为科学、合理和准确。

2 协商定权理论

由于流域气候水文特性及产业结构等不同，不同区域有不同的用水特点，使得用水水平评价涉及因素复杂，评价指标较多。权重反映用水水平指标的相对重要程度，一般而言，由于从不同方面考虑，衡量指标因素对用水水平的影响程度会有差异，指标权重的取值也不尽相同。在单一的主观评价或客观评价的定权方法中，权重取值易受到专家的偏好和经验等主观因素影响，使得单人定权的权值不符合实际。为避免这种影响，将主客观相结合，可考虑使用群组定权的方法来结合大家意见，通过群组定权方法将个人的偏好和爱好集结为群体的偏好和爱好，使权值科学、合理[7]。协商定权属于群组定权中的一种，在定权者看法不一致或利益冲突时，各方通过协商将各指标的权重确定下来[8]，该方法简洁方便，本文使用此方法来完成群组定权。

设定权者共有 ng(≥2)个，分别为 P1，P2，…，Png。Pi(i=1,2,…,

群协商因子为：，φj＝φ（Dj）=mp（Dj）+εj·l（Dj）,j=1,2,…m（1）协商区间的宽度。εj为协商系数，可采用最小损失法确定。定义损失函数：

寻找权重的问题转化为求解下面的非线性优化问题，

式中：ypk是根据第k个定权者给出的权重采用权重系数法得到的第i个对象的评价值；yi即根据协商定权得到的第i个对象的评价值。

3 基于协商定权的组合评价数学模型

Step1 基于层次分析法(AHP)的流域水资源用水水平评

（1）判断矩阵建立

针对评定指标层中各有关元素相对重要性的状况，对目标层逐项进行两两评价比较，根据专家意见确定各评价指标的相对重要性并赋以相应的分值，其比较结果以T.L.Saaty的1～9标度法表示（见表1），可以得到两两比较判断矩阵 A=（αij）n×n。

（2）各评价指标的相对权重

采用和积法计算权向量 ω=（ω1，ω2，……，ωn）为：

最大特征值λmax为：

（3）一致性检验

式中：CR为判断矩阵的随机一致性系数；CI为判断矩阵的一般为判断矩阵的平均随机一致性指标，对于1～10阶判断矩阵，RI的值对应如表2。

CR＜0.1，即表示判断矩阵具有令人满意的一致性；否则，调整判断矩阵，直止满意。

（1）特征矩阵中的特征值进行归一化处理。对参与评价的越大越优型、越小越优型各项指标归一化方法如下：

（2）第i个评价指标的权重：

表2 随机一致性指标RI值表

（3）各样本的综合评价值：

采用协商定权法求解综合评价中权重，将问题转化为如式（3）的非线性规划问题。当指标个数比较多时,上述优化问题是一个多维非线性问题，使用传统运筹学中的优化方法很难找到全局最优解。遗传算法借鉴了生物进化论的自然选择思想和遗传学中生物进化机制，利用随机技术来指导对被编码的参数空间进行高效率搜索，是一种全局随机搜索算法，具有全局优化性、隐含并行性和智能性，使用简单的特点[9]。本文采用遗传算法求解上述非线性规划问题得到协商系数，最终计算出群定最优组合权重系数，从而利用组合赋权法将主客观方法结合起来。

4 实例研究

滦河流域位于华北平原东北部，全长888 km，流域面积44750 km2，主要支流有小滦河、兴州河、伊逊河、武烈河、老牛河、柳河、瀑河、洒河、长河、青龙河等。近年来，随着滦河流域水资源经济区天津、唐山、秦皇岛等城市的发展迅速，人口增幅较大，水量需求不断上升。据用水部门统计，2007年滦河流域承德市总用水量达到9.34亿m3，唐山市总用水量达到33.32亿m3，秦皇岛市总用水量达到10.54亿m3，其中滦河流域承德区域、唐山市、秦皇岛市的河道外生态用水量分别为0.25亿m3、4.15亿m3、1.38亿m3。各用水部门中，承德市农业用水占该区总用水74.3%，唐山市农业用水占总用水56.5%，秦皇岛市农业用水占总用水62.3%。

4.1 用水水平评价指标体系建立

针对河北省滦河流域的特点，选取流域内承德、唐山、秦皇岛作为研究区域，建立基于水资源的各分区用水水平评价指标体系，具体指标选取及2007年各指标值见表3。其中，目标层为区域用水水平，用以衡量滦河流域水资源系统支撑整个流域可持续发展的综合用水水平，准则层分为区域生活用水水平、区域农业用水水平、区域工业用水水平，区域生态环境用水水平分别反映研究区域各用水户水资源利用情况。

表3 滦河流域用水水平评价指标及指标值

4.2 应用分析

各指标不同方法评价计算结果见表4～表6。

表4 指标层3种方法评价结果

表5 目标层三种方法评价结果

表6 熵权法各区域指标评价结果

由指标层评价结果可以看出三种方法评价结果基本一致，指标层各指标综合评价值在0.3～0.6左右，处于中等发展水平，说明滦河流域三市水资源仍有较大节水潜力，尤其是农业用水节水潜力巨大；各计算指标权重客观反映了各指标对水资源用水水平影响程度，从表4分析可得生态用水因素在滦河流域三市用水中影响程度最高，其次是工业用水重复利用率和生活用水；从表5可以看出农业仍是主要用水大户，其次是工业、生活、生态；从表6可看出各区域用水综合评价中，唐山用水水平最高，承德最低，这与滦河流域唐山、承德、秦皇岛三市的实际情况是相符的。

5 结论

（1）针对河北省滦河流域的特点，建立了滦河流域基于水资源的各分区用水水平评价指标体系，分别采用AHP法、熵权法评判各个分区生活、农业、工业、生态用水水平的高低。

（2）为将主观客观结合，本文采用了基于协商定权法的组合组合评价模型，将其应用于滦河流域用水水平综合评价，组合评价法评价结果既考虑了主观信息又考虑了客观信息，确定出的评价指标权重更科学，评价结果与实际相符，说明该模型能有效地对流域用水水平进行评价。

（3）各计算指标权重客观反映了各指标对水资源用水水平影响程度，得出用水水平排序，从而掌握各区水资源开发利用程度及其节水潜力，为滦河流域水资源开发利用提供了科学依据。

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