基于层次分析法的郑州市水安全综合评价

张修宇 秦天 孙菡芳 杨礼波 刘雪梅

摘 要：基于最严格水资源管理制度中“三条红线”约束条件，构建城市水安全量化指标体系，应用层次分析法确定指标权重，并对郑州市2013—2017年的水安全状况进行了综合评估，同时分析了影响郑州市水安全的主要原因。结果表明：2013年郑州市水资源处于极不安全状态，2014年处于不安全状态，2015年之后随着南水北调中线工程通水，城市污水处理率逐步提高等因素使得郑州市水安全综合评价值不断提高，水安全状况逐渐好转。

关键词：水安全;综合评价;层次分析法;指标体系;郑州市

中图分类号：TV213.4文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.009

Comprehensive Evaluation of Water Safety in Zhengzhou City Based on Analytic Hierarchy Process

ZHANG Xiuyu1， QIN Tian1， SUN Hanfang2， YANG Libo1， LIU Xuemei1

（1.North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China;

2.Center for Rivers & Lakes Protection and Construction Safety， YRCC， Zhengzhou 450003， China）

Abstract：Based on the “three red lines” constraints in the most stringent water resources management system， this paper built a quantitative index system for urban water safety， used AHP to determine the index weight， conducted a comprehensive assessment of water safety situation of Zhengzhou from 2013 to 2017 and analyzed the main factors affecting the water safety of Zhengzhou. The results show that in 2013 the water resources of Zhengzhou were in an insecure state， since the South-to-North Water Diversion Middle Route Project was put into operation in 2015， the urban sewage treatment rate has been gradually increased that has made the comprehensive evaluation value of water safety in Zhengzhou continuously improving and the water safety situation gradually improving.

Key words： water safety; comprehensive evaluation; analytic hierarchy process; evaluation index system; Zhengzhou City

20世纪70年代以来，全球水问题的出现使得世界各国的研究者们对水安全问题展开了广泛研讨，2000年在瑞典斯德哥尔摩世界水讨论会议上首次出现对水安全概念的阐述，即针对在人类生活环境中和经济发展过程中形成的与水相关的危机问题，通称为水安全问题[1]。如何实现城市水资源可持续利用、保障城市水安全成为当前城市发展中的战略性课题[2]，直接决定着城市的可持续发展。城市水安全综合评价是进行城市水安全决策的前提与基础[3]。然而截至目前，水安全还没有一个明确的、被普遍认可的定义，贾绍凤等[4]认为水资源安全的实质是水资源的供给能否满足合理的水资源需求;韩宇平等[5]从风险角度出发，认为水安全问题是自然或人为作用导致的区域水状况恶化，并由此带来的不利影响;陈琳等[6]把城市水安全理解为一种能力，即在水资源影响下城市经济社会、生态环境和人文环境可持续发展的能力。总之，水安全内涵广泛，除了包括防洪安全、水生态安全和水质安全，还应包括供水安全、跨境河流及国家安全等方面。鉴于水安全所具有的空间地域性、全局性和可调控性，夏军等[1]提出变化环境下的水安全是指一定区域内人类生活发展所需的有量与质保证的水资源、能维系人与生态环境健康的可持续发展、保障人民生命財产免受水旱灾害与水环境污染等损失的能力。

水安全是确保人类和经济社会能够可持续发展的必要条件，水安全问题的出现往往伴随着人口数量增长、城市规模持续扩张等一系列社会现象。城市化进程加快需要水资源支撑，人类正在以前所未有的速度和规模开发使用有限的水资源，人类活动范围不断扩大引起用水强度增大，对水资源系统造成了不可承受的压力，导致水资源供需紧张、水旱灾害频繁和生态环境日益恶化，水安全问题越来越受到普遍的重视。大量学者对城市水安全的评价指标进行了研究，利用多种方法对不同城市水安全状况进行了评价。笔者根据2012年国务院3号文件《关于实行最严格水资源管理制度的意见》[7]要求，以用水总量控制、用水效率控制、水功能区限制纳污“三条红线”作为构建评价指标体系的准则层，结合郑州市水安全特征，构建郑州市水安全综合评价指标体系，并对郑州市水安全进行综合评价。

1 水安全综合评价指标体系的建立

1.1 郑州市概况

郑州市地处河南省中部，属北温带季风气候区，多年平均降水量629.2 mm，降水时空分布不均。郑州市年均产水系数为0.28，年均水资源总量为5.973亿m3（不含黄河过境水量）。人均水资源量不足440 m3，仅占全国人均水平的1/6，属于极度缺水的地区。1987年国务院批准的《黄河可供水量分配方案》中，河南省每年的黄河分水量指标为55.4亿m3，其中郑州市每年的黄河分水量指标为4.3亿m3。2014年底南水北调中线一期工程建成通水，每年分配给郑州市的水量为5.4亿m3。

1.2 构建指标体系

按照最严格水资源管理制度“三条红线”的要求，从水量约束、用水效率约束、水质约束3个层面，构建水安全综合评价指标体系：①在水量约束层面，选取人均水资源量、供水总量和降水总量3个指标，郑州市供水主要来源为黄河水、南水北调水和当地地下水，地表水和地下水供水量是影响城市水安全的重要因素;②在用水效率约束层面，万元GDP用水量反映城市经济发展所消耗的水量，万元工业增加值用水量反映城市工业发展所消耗的水量，农田灌溉用水定额反映农业发展所消耗的水量，城镇人均综合用水量反映供水标准下城镇综合用水量与人口之间的比例关系;③在水质约束层面，城市污水处理率越高，对提升水质和节约用水的贡献就越大，废污水年排放总量反映工业、第三产业和城乡居民等用水户每年排放的废污水量，日均污水处理量反映城市的污水处理能力。建立的郑州市水安全综合评价指标体系见表1。

2 郑州市水安全综合评价

2.1 水安全评价方法

水安全综合评价常用的方法有集对分析法、模糊集对分析法、主成分分析法和层次分析法等。集对分析法[8-10]是一种数学理论，用来处理系统确定与不确定性问题，其本质是集对与联系度，通过同、异、反3种思想来剖析事物的相互联系，描绘事物间的对立与统一关系。模糊集对分析法[11-12]是一种多目标决策措施，它在集对分析的实践基础上，借用模糊联系度的概念来解决确定与不确定性问题，当集对分析中用于评估标准的集合不能精确时，评价指标中最优或最劣值将作为标准，通过计算评价因素与最优或最劣值的贴近度来判别评价要素的标准等级。主成分分析法[13-15]属于客观赋值，它使用降维技术，将多个变量用少数几个主成分指标来表示，以确保尽可能多地保留原有变量所包含的初始信息。层次分析法[16-20]是一种层次权重决策分析方法，由美国运筹学家Saaty提出，其基本思想是用目标、准则、方案等层次来系统表达与决策有关的元素，由此进行定性和定量分析。相比于前3种研究方法来说，层次分析法的解题思路更系统、灵活，在计算方法上更为简洁，可以将繁琐的问题用有序的递阶层次构造表示，再通过定性计算和定量计算，量化经验判别，对决策方案进行排序。定性和定量分析相结合的特点表明层次分析法更适合解决多准则决策问题，考虑到郑州市水安全涉及经济、社会、水资源、生态环境等诸多方面，笔者采用层次分析法来计算指标权重。应用层次分析法解决实际问题通常包括以下4个步骤[16]。

（1）建立递阶层次结构模型。用层次分析法处理问题时需要构造层次结构模型，层次一般分为目标层、准则层、指标层。

（2）构造各层的判断矩阵。在准则层中，各准则对于目标评价来说重要程度不尽相同，因此所占重要性权重不同，通常用数字1、2、…、9及其倒数作为标度来定义判断矩阵A=（aij）n×n（见表2）。

（3）计算判断矩阵的最大特征值与对应的特征向量，进行层次单排序和一致性检验。①计算一致性指标CI：

CI=λmax-nn-1（1）

式中：λmax为判断矩阵的最大特征值;n为判断矩阵阶数。

②查找平均随机一致性指标RI（见表3）。

水安全评价指标体系中的各个评价指标对于方案评价贡献不尽相同，有些指标数值越大对评价结果越有利，这类指标称为正向指标;反之，指标数值越小对评价结果越有利的称为逆向指标。采用文献[20]中的方法，对表5中的指标数据进行归一化处理。

正向指标：

Ii=0（xixiM）（3）

逆向指标：

Ii=1（xi

0（xi>xiM）（4）

式中：Ii为各评价指标归一化之后的值;xi为第i个指标的原始值;xim、xiM分别为指标i在某一评价年份中的极小值和极大值。

求得Ii后，利用下式计算区域总的水安全综合指数I[21]：

I=∑Ni=1WiIi（5）

式中：Wi为指标i的归一化权重;N为水安全评价指标总数（本文中N=10）。

依據上述方法计算得出，郑州市2013—2017年的水安全综合评价值分别为0.10、0.35、0.44、0.71、0.78。综合考虑郑州市的水资源状况和当前经济社会发展水平，结合我国的用水水平和国家有关规划以及相关学者的研究成果[22]，将郑州市水安全评价分为5个等级，见表6。

2013年郑州市的水安全评价值为0.10，属于“极不安全”等级。结合郑州市水安全综合评价指标的权重值（见表4）分析，人均水资源量C1与城市污水处理率C8的权重较大，但表5中数据显示2013年郑州市人均水资源量仅为190.90 m3，城市污水处理率仅为56.00%，且日均污水处理量C10也未达到平均水平，加之2013年降水量比上年减小14.7%（见2013年度郑州市水资源公报），属特枯年份，人均水资源占有量降低，两方面因素使得2013年郑州市水安全综合评价值得分较低。

2014年郑州市水安全评价值为0.35，属于“不安全”等级。2014年郑州市降水总量为34.37亿m3，虽比2013年增加了36.41%（见2014年度郑州市水资源公报），但仍小于多年平均降水量，属偏枯年份，由此导致人均水资源占有量减少;由于2014年郑州市的城市污水处理率C8与日均污水处理量C10均较上年有所提高，因此2014年的水安全评价得分略高于2013年，但仍处于不安全的状态。

2015年水安全评价值为0.44，属于“基本安全”等级。2015年城市污水处理率C8较高，降水量比上年增加9.6%（见2015年度郑州市水资源公报），属平水年份。南水北调中线工程通水后，南水北调水成为郑州市主要供水水源，有效缓解了城市用水压力，且2015年的日均污水处理量C10相较上年有所提升，该指标权重较大，综合计算后使2015年郑州市水安全综合评价值比2014年有所提高。

2016年和2017年的水安全评价值分别为0.71、0.78，属于“安全”等级。2016年降水量比上年增加11.4%（见2016年度郑州市水资源公报），属于平水年，且2016年和2017年人均水资源占有量较大，万元工业增加值用水量C5较低，城市污水处理率C8较高，结合指标权重分析计算，得出2017年水安全综合评价得分略高于2016年，综合看来2016年和2017年这两年的水安全综合评价得分是研究期中较高的。

综合2013—2017年数值分析，2016年和2017年所选指标无论正向逆向，考虑最终数据计算方面，尤其是表4中权重最大的5个指标（人均水资源量C1、城市生活污水处理率C8、万元工业增加值用水量C5、日均污水处理量C10和农田灌溉用水定额C6），其对应的数据值均为这5 a数据中相对最优的，这与郑州市近年来加强节水型社会建设、实行最严格废污水排放制度和最严格水资源管理制度密切相关。

3 结 语

本文针对郑州市水安全进行评价，所建立的评价指标体系是以水安全为目标层、以最严格水资源管理“三条红线”为准则层、由10个指标组成的，运用层次分析法计算出各指标的权重，进而得出水安全综合评价指标值，结果显示2013年郑州市水安全处于“极不安全”等级，2014年处于“不安全”等级，2015年处于“基本安全”等级，2016年和2017年处于“安全”等级。

影响郑州市水安全的主要因素为人均水资源量、城市污水处理率、万元工业增加值用水量和日均污水处理量，另外也受农田灌溉用水定额等因素的影响。2013年到2017年郑州市水安全等级逐步提高，主要原因是中线南水北调工程通水后人均水资源占有量增加、万元工业增加值用水量降低、城市污水处理率和日均污水处理量提高。南水北调水和黄河水是郑州市的主要过境水资源，充分利用南水北调水、用好用足黄河过境水对保障郑州市供水安全具有重要意义。

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【责任编辑 张华兴】