基于层次分析法的威海市水资源利用综合效益分析

何梦婷

(河海大学 公共管理学院，南京 211100)

引 言

经济发展与水资源短缺矛盾凸显，仅靠地表水和地下水已远远不能满足滨海城市发展，常规水源不仅面临着资源短缺的棘手问题，同时也遭遇着高污染风险。滨海城市多水源综合利用，不仅能有效缓解水资源供需紧张，也能加强水资源可持续利用。本文选取山东省威海市为例，该市人均占有水资源573m3，仅为国际人均标准的1/2，属于资源型缺水地区。目前威海市城市供水75%常规水源，但也有再生水、海水淡化水两种非常规水源工程和引黄水、引江水两处调水工程。据统计，截至2018年9月威海市完成调水1.84亿m3，在2017年底建成3万m3/d 中水处理系统，对中水进行除盐等深处理后代替自来水使用。海水淡化工程两期建成了产水能力分别为2 500m3/d 和7 200m3/d 的海水淡化装置，每年可节约自来水量超过300万m3。由此可见，威海市已经意识到常规水源承载力有限，外调水供水工程已逐步稳定，非常规水源利用正不断发展扩大，多水源供水已经形成基本态势。

关于水资源利用效益的研究成果较为丰富，Hambira,W. L.[1]研究水的使用、消耗过程中的利用效益。Gude,V. G.[2]结合生态环境、社会经济和科技，为海水淡化可持续利用提出政策建议。Karimov,B. K.[3]研究分析了农业非常规水资源及其在咸海流域开发荒漠水产养殖的再利用潜力，Becker,N.、Greenfeld, A和Zemah Shamir, S.[4]以以色列基顺河为例展开全面和部分河流修复的成本效益分析，Ibrahim, Y[5]等学者制定了一个评估海水淡化技术可持续性的全球综合框架。该框架综合了可持续发展的技术经济、环境和社会因素，并结合了多标准决策分析技术，如层次分析法、摆动法和加权求和法。郑通汉[6]制定可持续发展水价模型来核算水资源利用效益，并对水价改革提出建议。张世坤[7]构建优化模型力求水资源配置经济效益最大化，杨树莲和段治平[8]给出青岛市再生水和自来水的效能指标，指出两种水源经济效益。阮本清[9]选取北京市为研究案例，运用多层次模糊综合评价方法评价雨水、再生水利用工程的综合效益，最后提出非传统线性规划建议。也有学者选择熵值法建立投影模型对农业水资源高效利用做出评价[10]，余康兴[11]选择Malquist指数分析海水利用的经济效益，以此提高海水资源利用效率。

综上所述，国内外有关水资源综合效益评价研究成果较为丰富，方法选择多样如层次分析法、模糊综合评价法、熵值法、Malquist指数法，评价指标随着研究的深入也越来越全面，从一开始的只考虑经济技术效益到现在综合考虑水资源利用过程中经济、社会、生态影响。但是，查阅特别关注滨海城市非常规水资源利用的文章鲜少，并且大多数学者在研究方法上也偏重定性分析。基于前人研究成果，选择比较典型的滨海城市——威海为例，根据《威海市水安全保障规划(2018-2035)》可知规划内地表水仍是城市供水的重要组成部分，而地下水由于超采现象严重未纳入重点规划，所以下文重点关注外调水、再生水、淡化水利用的综合效益，考虑到主观评价与定量研究的结合，以层次分析法为基础，从技术经济、生态环境和社会发展这三个层面选取较为全面且能量化分析的指标，构建威海市水资源利用综合效益评价模型。较为创新的将单位水资源费用化纳入评价指标，弥补之前对水资源有用性价值和稀缺性价值无法量化的不足，同时根据实证调研数据和专家给出的指标评价，提升权重衡量的客观性。最后根据计算结果给出近期规划内除常规水源外，威海市供水水源选择优先次序，为水资源配置提供参考。

1 研究方法

层次分析法(AHP法)是由美国数学家T.L.Saaty在1970年第一次提出，可应用于方案决策。国内外学者以此为基础展开了丰富的研究，Zaree, M[12]采用排序法对岩溶地层水资源潜力探测进行研究，首先将APLIS加权模型应用于地区，然后利用层次分析法和TOPSIS技术对APLIS模型进行修正，最后将三个模型的最终地图进行匹配，并与spring和fault地图进行了比较。Sahoo, S[13]利用灰色层次分析法预测环境的脆弱性，从自然、环境和人为影响因素三个方面对未来环境脆弱性区域的情景生成进行研究。国内学者左艺梦、廖洪斌[14]为提高水环境审计效率，同样选择层次分析法对长江环境进行评价体系构建。郑玉萍[15]等建立水资源节约评价体系，综合考虑经济、社会、生态等要素，选取40个指标利用层次分析法对天津市节水现状做出评价。

本文选择层次分析法是考虑到滨海城市多水源利用综合效益涉及因素较多，该方法集合定性与定量，能够较为全面的反应真实情况；其次本文基于课题调研，有利于专家意见收集，最后层次分析法将问题层层分解，细化、具体化到每个指标，有利于水源使用次序决策。

2 威海市水资源利用综合效益评价模型构建

根据文献阅读、资料整理，以威海市为例综合评价多水源利用综合效益。指标选择如图1。

技术经济指标的选择：水资源具有其资源价值，本文根据全成本理论中资源价值的计算确定三种水源资源价值。建设工期作为技术指标在一定程度上能够反映该工程的复杂程度。

生态环境效益指标的选择：单位水电耗指取水、产水、输水过程中单位水消耗的电量，单位水占地面积则表示该供水工程施工占地面积大小，单位水增加的城市污水量指水资源利用后城市产生的污水总量。

图1 多水源滨海城市供水综合效益评价指标体系Fig.1 Index system of comprehensive water supply benefit evaluation for multi-source coastal cities

社会效益指标的选择：考虑多水源利用过程中对社会产生的影响因素，选取年可供水量、供水水质保障度、单位水移民补偿费用为评价指标。其中单位水移民补偿费用主要由外调水工程产生。

3 威海市水资源利用综合效益评价模型计算

3.1 指标确定

根据文献资料[16]确定全成本水价模型计算单位水资源成本，其余数据来源于调研与统计资料，为保证数据时期范围一致，所有指标均选择在近期规划内(2018～2025)。

R=εV1+φV2

(1)

式中：

R——单位水资源成本(元/m3)

εV1——单位水的有用性价值(元/m3)

φV2——单位水的稀缺性价值(元/m3)

ε,φ表示其修正性系数，且(ε,φ)≥0。

水资源的水质决定其有用性价值，为便于计算分析，将威海市常规水源、外调水、中水回用、海水淡化水按质分类为4个等级，等级越高其有用性价值越高。参考[17]研究引入水资源有用性修正系数:

(2)

式中:εi为第i级水的有用性修正系数；δj为第j个效用的权重；εij为第j个用户的第i级水的效用系数。

通过文献阅读整理[18]确定工、农、林、市政、生活、水产这六类用水对象的权重δj和δij：

根据公式(2)可得出εi：

为量化讨论，在此全国水资源稀缺性价值等于其有用性价值，但一般情况下，εV1=φV2不一定成立，所以，可以将水资源稀缺性价值设为：

φV2=μεV1,0≤μ≤1

(3)

式中：μ为相对稀缺性程度=该区域人均占有该水源量/全国人均占有该水源量。

根据计算与调研，指标数据整理见表1。

表1 污水回用、外调水、海水淡化利用综合评价指标Tab.1 Comprehensive evaluation indexes of sewage reuse, externally transferred water and seawater desalination utilization

3.2 指标无量钢化

由于每个指标单位、公式及所代表的功能均不相同，为数据处理公正，下文将进行指标无量纲化。按指标对目标层贡献导向分为正向和逆向指标，公式如下：

(4)

(5)

计算可得指标数据矩阵YT：

3.3 层次单排序及一致性检验

首先根据表2的Saaty标度法及调研专家资料确定判断矩阵，其次计算各判断矩阵的权重，本文选取规范列平均法。最后选取随机一致性比率CR进行一致性检验。Bi对于A的权重为bi，Cj对于Bi的权重为wij，最大特征值为λmax，一致性指标为CI见表2，平均随机一致性指标为RI。计算公式如下：

CR=CI/RI

(6)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(7)

表2 平均随机一致性指标RITab.2 Mean random consistency index RI

根据公式(6)、(7)求得层次单排序及一致性检验结果见表3～表7。

表3 判断矩阵A-Bj及一致性检验Tab.3 Judgment matrix A-Bj and consistency test

表4 判断矩阵B1-Cj及一致性检验Tab.4 Judgment matrix B1-Cj and consistency test

表5 判断矩阵B2-Cj及一致性检验Tab.5 Judgment matrix B2-Cj and consistency test

表6 判断矩阵B3-Cj及一致性检验Tab.6 Judgment matrix Bj-Cj and consistency test

由表4判断矩阵B1-Cj不满足一致性检验，需要修正见表7。

表7 修正后的判断矩阵B1-Cj及再次检验Tab.7 Corrected judgment matrix B1-Cj and re-test

3.4 层次总排序及一致性检验

记Wj为指标Cj对于总目标A的权重，则Wj=bi×wij由可得：

W=(W1,W2,W3,W4,W5,W6,W7,W8,W9)=(0.156,0.099,0.042,0.064,0.064,0.032,0.335,0.151,0.054)

一致性检验结果CR=0.04<0.1，所以层次总排序满足一致性。

3.5 威海市污水回用、外调水、淡化水利用综合效益计算

根据文献[19]可知综合效益分析模型为：

R=W×Y

(8)

式中：R代表该水资源利用综合效益，W为各指标对目标A的权重向量，Y是指标数据矩阵。两个矩阵相乘最后计算可得污水回用的综合效益为2.12，外调水的综合效益为0.92，海水淡化的综合效益为2.05。由此得出，近期规划内除常规地表水、地下水供给外，优先使用再生水综合效益最大，其次可考虑利用淡化水，而外调水利用综合效益最低。

4 结论与建议

4.1 结论

根据上述分析结果显示，近期规划内(2018～2025年)污水回用利用综合效益最高，海水淡化综合效益与污水回用不相上下，但外调水利用效益最低。由此可见威海市目前应优先大力发展污水处理，同时在远期规划内规模化建设海水淡化工程，不可过分依赖外调水供给。根据各指标数据不难发现，影响外调水综合利用效益的因素有三个：单位水工程投资、单位水占地面积和单位水移民补偿费用，而这三个指标值作为负指标，很大程度上降低外调水利用综合效益。特别是单位水移民补偿费用，在这三种水源中仅有外调水需要支付。

除指标本身的影响外，各评价指标的权重计算中体现出以下两点：(1)水资源定价越来越重视水资源本身价值，以往城市供水定价更多考虑工程水价和污水处理费用，对于水的有用性价值和稀缺性价值则大多忽略不计或者难以量化计算。在三种水源中，资源费最高的还是外调水，其他两种水源资源费基本相当。(2)在这三种水源综合效益对比中，供水水质保障度指标影响权重占比最高。可见，随着社会经济发展，城市供水水质成为用水户关注焦点，而常常因为上游污染风险大，外调水到达下游受水区后水质不宜饮用。相对于外调水水质的不稳定，再生水和淡化水的出水质量在检验标准的提高下不断提升，达到居民生活饮用标准。

4.2 建议

滨海城市应充分结合实际水利现状，不过度依赖客水供水，科学配置外调水供给比例。同时对调水工程造成影响的移民要做好补偿工作，对于府际跨流域调水工程，政府间的有效沟通是调水区与受水区生态稳定的重要保障。

滨海城市建设污水处理设施时需要考虑不同用水户需求，配备相对应的管道。对于企业污水利用，滨海城市应鼓励企业自身污水回用，创新污水处理科学技术，提高再生水回用深度处理能力，创造企业用水经济效益。对于市政供水如：景观绿化、道路清扫等均可优先使用再生水。对于城市居民用水，政府应加强水质合格的宣传。对于农业灌溉用水，利用再生水可大大降低自来水的消耗。

滨海城市可以积极利用丰富的海水资源，加快推进海水淡化产业发展。有条件发展大型淡化水企业的滨海城市可以将淡化水纳入城市供水系统，积极争取国家部委及省直部门关于海水淡化领域产业、研发、人才等方面的政策及资金支持，加快淡化工艺的研究，提升设备利用率，降低化学药剂污染源，延长膜和管道使用寿命。目前威海市海水淡化项目投资以政府为主，也可鼓励除政府外第三方资本参与海水淡化产业投资，促使经济综合效益最大化。