天津市水资源节约评价方法与实例

郑玉萍 ，黄骁卓 ，林 健 ，薄永占 ，杨 华

（1.天津市控制地面沉降工作办公室，300061,天津；2.九三学社天津市委员会，300204，天津；3.天津市水利勘测设计院，300074，天津）

我国是一个严重缺水的国家。随着工业化水平的大幅度提升、城镇化速度的不断加快，高消耗、高污染和低效率的粗放型经济增长模式对我国自然环境和水生态系统造成了巨大破坏，水资源匮乏问题在江河断流、水体污染、湿地面积减少、地下水超采、地面沉降等一系列水环境、水生态问题下愈发彰显，迫切需要提升城市的水资源管理水平，全面提高水资源利用的效率和效益，控制用水总量，使宝贵的水资源发挥最大效能。

目前，我国城市节约用水的具体措施和办法主要由城市节约用水办公室研究、组织并实施。不同地区、不同宏观用水主体之间尚缺乏统一、科学、有效且具有横向可比性的节水水平评价指标体系和评价方法。鉴于此，本文以具有典型代表性的北方缺水型发达城市天津市为研究对象，基于Yaahp软件，建立了由40个基础指标构成，涵盖了用水量、用水效率和用水效益三大要素，综合参考不同产业门类的大型水资源节约评价指标体系，构造了判断矩阵，并采用2016年基础数据，分别采用层次分析法（AHP）和模糊综合评价法对天津市节约用水水平进行了评价，对结论进行了分析和可推广性探讨，以期为同类研究工作和水资源管理者提供参考。

一、天津社会经济发展及水资源状况

1.社会经济状况

据2016年统计数据，当年天津全市生产总值（GDP）17 885.39 亿元，按可比价格计算，比上年增长9.0%。其中第一产业增加值220.22亿元，增长3.0%；第二产业增加值8 003.87亿元，增长8.0%；第三产业增加值9 661.30亿元，增长10.0%。三次产业结构为 1.2∶44.8∶54.0。

2.水资源状况

（1）水资源量

根据《2016年天津市水资源公报》，全市2016年度平均降水量622.1mm，折合降水总量74.15亿m3；地表水资源量14.10亿m3，折合年径流深118.3mm；入境水量20.96亿m3，出境、入海水量合计为28.17亿m3；矿化度小于2g/L的浅层地下水资源量6.08亿m3。

（2）供用水量

2016年全市总供水量27.65亿m3，其中地表水源（当地地表水、入境水、引滦引江水）供水19.49亿m3，地下水源（浅层、深层、地热）供水 4.73亿 m3，其他水源（污水处理回用、海水淡化）供水 3.43亿 m3。

2016年全市总用水量27.65亿m3，其中生活（城镇生活、城镇公共设施、农村生活）用水 5.59亿 m3，工业用水5.53亿 m3，农业（农田、林果灌溉和鱼塘补水、牲畜用水）用水12.05亿 m3，生态环境（城镇、河湖）补水4.49 亿 m3。

（3）水资源供需分析

据《天津市水务发展“十三五”规划》，2020年全市正常年份需水总量为 38.00亿 m3，其中生活需水8.45亿m3，生产需水21.03亿m3，生态环境需水8.52亿m3，需水量预测见表1。

表1 天津市2020年需水量预测

2020年正常年份总可供水量为38.00亿m3，其中当地地表水占29%，地下水占9%，外调水占44%，非常规水源占18%，可供水量预测见表2。

表2 天津市2020年可供水量预测

二、数据来源及类型

1.数据来源

本次评价工作以天津市市域现状水资源配置条件下的各方面数据和资料为主要来源。其中包括2016年度天津市行业统计及经济运行数据、2016年度天津市节水型城市考核指标汇总数据、2016年度天津市节水基础数据、天津市2016年度实行最严格水资源管理制度考核工作复核技术资料、关于2016年度实行最严格水资源管理制度技术核查情况的报告等基础资料和专业数据。

2.数据类型

（1）数据类型

本次参与区域水资源节约评价指标体系建立的数据可以分为3个类型：①绝对数数据（如水资源总量、当年总供水量、农业用水量、工业用水量、生活用水量等）；②比值型数据（如人均水资源占有量、万元GDP用水量、供水量模数等）；③百分比数据（如节水器具使用率、管网漏损率、工业用水重复利用率等）。

（2）数据类别

参与指标体系建立的数据可分为3个类别：①用水量数据（如人均供水量、农业亩均灌溉用水量、生态环境补水量等）；②用水效率数据（如计划用水率、节水器具普及率、水功能区达标率等）；③用水效益数据（如人均GDP增长率、万元工业GDP用水量等）。

（3）数据用途

参与指标体系建立的数据按照用途可以分为：①综合用水（如人均供水量、水资源开发利用率等）；②工业用水（如工业用水比例、工业用水年增长率等）；③农业用水（如有效灌溉面积百分比、灌溉水利用系数等）；④生活用水 （如节水器具使用率、城镇居民人均生活用水量等）；⑤生态环境用水（如生态环境用水率、城市污水处理率等）。

三、天津市水资源节约评价指标体系

1.指标体系建立的原则

评价指标体系不是对单一因素的评价，而是从水量、用水效率、用水效益三方面来进行评价，其中每个方面又涉及综合用水、工业用水、农业用水、生活用水及生态用水等5个用水方向，各方向进一步对应数个最底层指标，从而构建成为较为完善的区域水资源节约评价指标体系。

评价指标体系建立时综合考虑了如下原则：①科学性原则；②系统性原则；③可推广性原则；④动态性原则；⑤可比性原则；⑥可操作性原则；⑦综合性原则。

2.评价指标体系架构

在充分考虑区域水资源配置、经济运行、用水行业类别等因素的基础上，参考大量国内外文献和资料，最终确定本次水资源节约评价指标体系的架构由4个层次组成，分别是：①水资源节约评价总评层（A层）——1个指标；②水资源节约评价指标类型层（B层）——3个指标；③水资源节约评价指标用途层（C层）——11个指标；④水资源节约评价指标基础层（D层）——40个指标，见图1。

图1 天津市水资源节约评价指标体系架构图

3.基础指标构成

本次评价工作的基础数据是评价指标体系中的基础指标 （D级指标）。本次评价共涵盖了40个基础指标，具体情况见表3。

表3 基础指标列表

四、天津市水资源节约评价

本次水资源节约评价工作在建立上述指标体系的基础上，分别采用层次分析法（AHP）和模糊综合评价法进行评价。层次分析法具有所需定量数据少、系统性强的优点，因此，AHP方法可以弥补水文资料不足方面的缺陷；模糊综合评价法能够较好地解决模糊难以量化的问题，因此，适合解决水文资料不确定性方面的问题。鉴于水资源节约评价指标的复杂多样性、评判标准的非同一性，同时考虑到收集到的资料具有难以量化、数据测量相对误差较大、数据量少、影响因素众多、复杂非线性关系等特点，以及评价方法需要具备一定可推广性的特点，本次工作选取上述两种方法作为水资源节约评价的方法，并对结果进行分析和对比。

1.构造判断矩阵确定权重值

判断矩阵的构建，是在同一层级中，对各要素进行两两重要性判别，并形成判断矩阵。本次重要性判别是通过向10名业内资深专业人士发放问卷，并进行结果汇总梳理后生成的，具有充分的权威性及代表性。重要性判别依据见表4。每一个判断矩阵都具有性质：①aij＞0；②aii=1；③aji=1/aij。其中，各级判断矩阵都在建立后进行了层次排序与一致性检验，并根据检验结果进行微调，以使得判断逻辑正确。最终形成15个（3个层级）判断矩阵，典型判断矩阵如表5所示。

表4 节水指标两两比较赋值规则

表5 B2（用水效率指标）两两比较判断矩阵

表6 节水指数等级划分标准

表7 评价定量区间表

2.基于层次分析法（AHP）的水资源节约评价

（1）评价方法与评分标准

基于层次分析法（AHP）的节水指数（WSI）公式为：

式中，Pi为第i项指标的得分，wi为第i项指标的权重。首先将各指标Pi值归一化为满分10分，令各基本指标的得分范围处于0～10分。

Pi的确定，主要考虑的因素包括：①与全国平均水平的比较与占标率；②与全国人均用水定额的对照取值；③与最严格水资源考核制度的匹配程度；④与“十三五”规划数的匹配程度。参考的主要标准包括：《天津市水务发展“十三五”规划》《天津市2016年度实行最严格水资源管理制度考核工作复合技术资料》《城市居民生活用水量标准（GB/T 50331—2002）》《城镇供水管网漏损控制及评定标准（CJJ 92—2016）》《污水综合排放标准（GB/T 8978—1996）》《地下水质量标准（GB/T 14848—1993）》，以及经济运行、资源量分布等相关全国平均数据。

为合理反映水资源节约程度，对最终的节水指数进行了等级划分。划分标准如表6所示。节水指数WSI得分区间为0～10分，在此区间划分为优、良、中、低、差等5个等级。其中节水指数0～6分为不及格，节水水平为“差”。通过WSI指数量化，从而可以实现不同区域间的节水水平对比。

（2）评价结果

经过上述层级递进的计算过程，可得本次基于层次分析法（AHP）的水资源节约评价得分为7.75分。根据前述综合得分判别标准（见表5），天津市节水水平为“中”（见表6）。

3.基于模糊综合分析法的水资源节约评价

（1）评价方法与评分标准

模糊综合评价过程有4个步骤：确定综合评价因素体系；确定评判等级判别矩阵T；确定模糊关系矩阵R，得出综合得分矩阵M；计算模糊合成值X。

根据模糊合成值与量化的评语等级值进行综合评价。

①被评价事物的影响因素域和评价等级域的确定。本次基于模糊综合评价法的节约用水影响因素域（集合）按照前述指标体系进行确定，共分为4个等级，各等级分别由不同要素组成；评价等级则分为5个等级，并且依次量化赋值为 t1=9.5，t2=8.5，t3=7.5，t4=6.5，t5=5.5， 构成本次等级判别矩阵 T，如公式（2）所示：

②指标隶属度计算和模糊关系矩阵构建。按照从小到大或从大到小的顺序，按照5个等级的要求，以最优和最劣作为等级两端的极值，并分别列于等级两端。将优劣程度区间按照标准值进行排列和区间等分。然后根据实测数据位于标准区间的位置，按照隶属度函数进行模糊关系矩阵的计算，从而得到模糊关系矩阵R。

③计算结果的得出。直接使用层次分析法（AHP）所构建完毕的归一化权重，以判断矩阵与模糊关系矩阵逐级相乘，得到综合得分矩阵M。

按照公式（3）所示的方法，以综合得分矩阵M与等级判别矩阵T相乘：

然后根据最终矩阵运算的结果，确定模糊综合评价得分X所处的区间（表7），即为最终评价结果。

（2）评价结果

最终模糊综合评价得分为X=8.52，评定等级为“良”。

4.评价结果分析

（1）基于两种评价方法的评价结果差异分析

两种分析评价方法在相同的指标权重取值下，得出了差异化的评价结果，其主要原因在于：

①两种数学方法的评价思路和理念不同。层次分析法是以指标实际数与全国平均水平、全国人均用水定额、最严格水资源管理考核制度、“十三五”规划数等数据作为标准，进行单个要素的对标打分而确定的单指标得分，主观性相对较强；而模糊数学法是将上述的某个指标区间化，采用隶属度的概念，将实际值按照隶属度进行打分，内含了隶属程度的概念，相对来说参考因素要相对丰富，客观性更强。

②两种数学方法的打分依据不同。层次分析法是以10分为满分，0分为最低分，以1个参考值进行对比打分；模糊数学法是将2个参考值进行区间化划分，按照隶属程度进行计算打分。

（2）评价方法和评价结果适用性分析

①指标体系的适用性。本次指标体系基本覆盖了各个产业部门、各个用水环节、主要用水要素，对我国国情水情，特别是类似于天津的缺水地区，具有较高的适用性。需要注意的是，其他区域在进行水资源节约评价时，应在该指标体系的基础上，根据当地实际，结合产业结构、用水结构的特点，适当对各指标的权重值进行调整，以期达到更好的效果。

②评价方法的适用性。层次分析法（AHP）具有所需定量数据少、系统性强的特征，因此，本方法较好地解决了水文数据资料不够全面而造成的误差。而模糊综合评价方法能够较好地解决模糊的、难以量化的问题，比较适合解决评价各种水文资料非确定性的问题。层次分析法和模糊综合评价法利用了方法特有的系统性、包容性的特点，给出了具有可比性的评价结果。因此，上述2种方法在区域水资源节约评价当中，具有良好的适用性。

③评价结论的适用性。本次评价结论在横向上，可以与不同地区比较节水水平；纵向上，可以以不同年份数据进行评价并比较节水水平。因此，得出的结论具有良好的适用性。

五、结论与建议

1.结论

①本次天津市水资源节约评价建立了由40个底层指标、11个三级指标、3个二级指标、1个目标组成的四级区域水资源节约评价体系，涵盖了社会经济运行、产业结构体系、气象水文条件、水文地质条件、环境保护现状等要素。指标体系涉及面广，要素构成合理，具有较好的严谨性、科学性、合理性、适用性和可推广性。

②根据天津市2016年数据，采用层次综合分析法（AHP）的水资源节约评价得分7.75分，评定等级为“中”；采用模糊综合评价法的水资源节约评价得分8.52分，评定等级为“良”。

③本次水资源节约评价工作，评价方法和评价结论也均具有良好的适用性和可推广性。

2.建议

①由于数据及篇幅所限，本次并未引入人工神经网络、灰色系统理论等数学模型进行评价。在数据更为丰富翔实的情况下，建议尝试不同的评价方法，以期得出更加优化的区域水资源节约评价理论。

②建议在条件具备的情况下，进一步在不同地区、不同时间开展横向、纵向的评价工作，并对方法和结论进行验证，以求进一步完善评价指标体系及评价方法，以期对水资源管理部门制定管理制度、判断节水状况起到良好的参考作用。