基于AHP的平原水网地区水利基础设施空间规划指标体系评价与研究

孙 晨，陈金杭，苏 晨

(1.南京水科院勘测设计有限公司，江苏 南京 210098；2.河海大学设计研究院有限公司，江苏 南京 210098)

水利基础设施作为国家重要的基础设施，也是国土空间规划的重要组成部分，需要在尽快形成国家水利基础设施网络的前提下有机纳入国土空间规划中，并考虑必要的国家重大工程预留空间和廊道，水利基础设施空间规划作为国土空间总规划的重要专项规划，是维护水利空间的重要手段，也是表达水生态的重要途经[1]。为贯彻落实中央关于统一规划体系、建立国土空间规划体系并监督实施的有关部署，适应新形势下“多规合一”要求，做好水利规划与国土空间规划之间的衔接，为“水利工程补短板、水利行业强监管”提供规划基础和依据，编制水利基础设施空间布局规划是十分迫切和必要的[2- 4]。本文根据水利空间要素关系，重要性程度确定主要指标，采用层次分析法建立适用于平原水网地区水利空间规划指标体系和评价模型，并以淮安市为例，对该模型进行验证。

1 指标体系

水利基础设施空间布局规划的核心是建立规划指标体系，进行各项水利空间规划指标赋值，对水利基础设施空间布局现状进行评价，对规划工程的实施效果进行预测。当前该方面的研究相对较少，水利专业相近的指标体系研究包括水利信息化评价指标体系的构建、河长制评价指标体系相关性构建、河北省水利发展规划指标体系构建及预测、Ecological effect evaluation of water diversion in the Yellow River delta wetland[5- 9]等。

参照《水利基础设施空间布局规划编制技术大纲》《河湖健康评价指南(试行)》《城市水系规划规范》等，结合水利基础设施空间规划的各项要素关系及其重要性程度，确定水利基础设施空间布局规划的指标体系，包括目标层(O)、准则层(C)和指标层(I)三级体系。目标层以水利基础设施空间布局总体评价指数(EHI)为目标，用以确定水利基础设施空间布局的总体水平；准则层包括水安全、水资源、水生态、水空间、水工程5个部分；指标层根据水利空间要素、特性等合理确定，共13个具体指标，见表1。

2 评价方法

层次分析法(A nalytic Hierarchy Process， AHP)于20世纪70年代由美国运筹学家托马斯·塞蒂提出，适用于多目标、多准则、多要素、多层次的非结构化复杂系统问题的研究[10]。AHP可将复杂问题分解为若干层次和若干因素，在各因素间进行比较和计算，得出不同方案重要程度的权重，已成熟应用于多个领域[11- 15]。

表1 水利基础设施空间规划指标体系

2.1 指标权重

本文采用层次分析法进行确定水利基础设施空间布局各指标权重。第一个阶段计算分析5个准则层所占权重，第二阶段计算分析各指标占各准则层的权重，从而得出每个指标的综合权重，指标权重模型如图1所示。

图1 指标权重模型

Z代表水利基础设施空间布局总体评价指数(EHI)；A1，A2，A3，A4，A5分别代表5个准则层的重要性、可行性、基础条件、技术水平、人力财力；B1，B2，B3，B4，B5分别代表水安全、水资源、水生态、水空间、水工程5个准则层。

2.2 指标数据同化处理

由于各指标的底层因子存在差异性，直接使用会影响计算结果的准确性，因此需对底层因子进行标准化处理，使收集到的多个记录的同一因子的数据的平均值转换为零、标准差转化为1。变量标准化的公式为：

(1)

xj=∑xij/n

(2)

Sj=∑(xij-xj)2/(n-1)

(3)

式中，yij—标准化后的变量值，xij—第i个分区第j个指标的值，xj、Sj—第j个指标的平均值和标准差。

2.3 构造两两比较判断矩阵

判断矩阵表示针对上一层次中的某元素而言，评定该层次中各有关元素相对重要性的状况。首先假定共有n个因子，构成集合C={c1，c2，c3，…cn)，然后根据建立的层次结构模型，分别构造两两比较判断矩阵。

判断矩阵如下

A=aijn×n

(4)

该矩阵满足条件：aij>0，aij=1/aji(i≠j)，aij=1，i，j=1，2…n

aij的大小根据萨蒂提出的l～9及其倒数作为衡量尺度的标度方法给出。对判断矩阵进行一致性检验，考察层次分析法得到的结果是否合理。

2.4 层次排序及一致性检验

层次单排序是确定本层次与之有联系的元素重要性次序的权重值，它是本层次所有元素对上一层次而言的重要性排序的基础。首先要计算出判断矩阵A的最大特征根λmax，再利用AW=λmaxW计算出对应的特征向量W，W经标准化后，即为同一层次中相应元素对于上一个层次中某个元素相对重要性的权重。

为了检验判断矩阵亦即专家赋权的一致性，需要进行一致性检验，公式如下：

CI=λmax-n/(n-1)

(5)

当CI=0时，判断矩阵具有完全一致性；反之，CI愈大，则判断矩阵的一致性就愈差。为了检验判断矩阵是否具有令人满意的一致性，则需要将CI与平均随机一致性指标RI进行比较，其公式为：

(6)

CR=CI/RI

(7)

一般当CR<0.1时，我们认为判断矩阵满足一致性检查，否则就需要调整判断矩阵，直到满足一致性检查为止。

表2 层次总排序表

3 实例应用

3.1 淮安市水利概况

淮安位于江苏省中北部，江淮平原东部，坐落于古淮河与京杭大运河交点，境内有中国第四大淡水湖洪泽湖，全境有80%的国土面积处在设计洪水位以下，是名副其实的“洪水走廊”。淮安市以古淮河为界分为两大水系，以北属沂沭泗水系，以南属淮河下游水系，本地径流只占14%，上中游入境客水占总量的86%。境内湖泊众多、河网密布，全市平原水网地区占国土面积的81%，主要河道有淮河、淮河入江水道、淮沭河、京杭大运河、古淮河等8条流域性河道，列入国家重点支持江河湖泊动态名录的湖泊4个，包括洪泽湖、高邮湖、宝应湖及白马湖。淮安市现已基本建成了防洪、除涝、降渍、蓄水灌溉等水利工程体系，全市流域性河道堤防长902km，大型涵闸5座，中型涵闸38座，流域性河道主要穿堤涵闸82座，大型排灌站15座。

淮安市是苏皖地区水利战略要地，境内洪泽湖上承安徽境内淮河干流洪水，通过淮河入海水道、灌溉总渠、分淮入沂经盐城、宿迁等地区向东排入黄海，通过入江水道、高邮湖、邵伯湖流经扬州向南排入长江。同时淮安市承担着南水北调东线工程最重要的调蓄和翻水任务，江水经江都水利枢纽、京杭大运河、三河通过洪泽站进入洪泽湖，经洪泽湖调蓄后分别通过淮安站、泗洪站翻水经京杭大运河、徐洪河向北输水。随着社会经济的发展，人民群众对水利保障程度的要求也将越来越高，鉴于淮安市水利的重要性，对其进行水利基础设施空间布局规划是十分必要的，对规划的指标体系进行研究是保障其水利基础设施空间规划合理性的基本因素。

3.2 模型计算

(1)构造矩阵。

通过查阅淮安市大量基础资料，并结合现场实际调研，构造成对比较矩阵如下：

(2)计算矩阵的最大特征值和归一化特征向量，对矩阵的一致性进行检验并计算层次单排序权向量。

构造成对比较矩阵的最大特征值为λ=5.31，所对应的归一化特征向量为：

ω={0.681，0.112，0.067，0.094， 0.046}

一致性验算：

满足一致性要求。

对成对比较矩阵B1，B2，B3，B4，B5可以求出层次单排序的权向量，计算结见表3。

表3 成对比较矩阵层次单排序的权向量计算表

(3)层次总排序的权值计算与一致性检查检验。

以B1为例进行权值计算，B1对总目标的权值为：

B1=0.178×0.684+0.106×0.112+0.052×0.067+0.018×0.094+0.025×0.046=0.139

同理，B2，B3，B4，B5分别为0.186，0.272，0.336，0.067。

B1，B2，B3，B4，B5对目标的总权重为{0.139，0.186，0.272，0.336，0.067}

CR=0.027<0.1，满足一致性要求。

因此，水安全、水资源、水生态、水空间、水工程的权重依次为0.139、0.186、0.272、0.336、0.067。

各指标占准则层的权重的方法与步骤同上，通过计算，指标权重见表4。

表4 指标权重计算表

3.3 计算结果

本文在查阅淮安市的最新统计年鉴、水利普查、水生态城市建设规划、防洪排涝规划、水资源综合规划、水土保持规划、退圩还湖规划等大量基础资料的基础上，对地区水安全、水资源、水生态、水空间、水工程等方面的各个指标做了系统的了解，对13个指标进行赋值，计算EHI为0.902，具体如下：

(1)总体评价指数EHI为0.902，说明淮安市水利基础设施空间布局总体合理。淮安市在近年来的水利工程建设与管理方面成效较为显著，也为未来规划的水利工程留有一定的余地。

(2)水安全的3个指标评价较高，说明淮安市流域、区域以及圩区防洪工程建设完善，淮安市防洪安全较为可靠。

(3)水资源的3个指标中，水资源开发利用率相对较低，主要原因是地下水资源开采与利用近年来有所降低，这也符合国家收紧地下水开采的有关政策要求。

(4)水生态的3个指标评价较高，符合国家生态市、水生态文明城市这一实际情况。

(5)水空间3个指标中有2个指标评价相对较低，其中河湖空间有效保有率评价较低主要是因为部分湖泊被圈圩、围网养殖占用，说明急需实施退圩还湖工程，恢复湖泊水面；水利预留空间评价较低主要是因为对水利设施的规划工程尚未预留实施空间，说明急需结合国土空间总规划编制水利空间规划，为水利已建、在建以及规划工程留足空间范围。

(6)水工程中的水利工程完好率评价相对较高，说明淮安市水利工程尤其是大、中型水利工程管护相对到位，完好率较高。

4 结论

基于AHP建立的平原水网地区水利基础设施空间规划指标体系评价模型是对水利空间规划指标体系评价的创新。本文以淮安市为例进行了模型验证，评价结果表明：该地区水利基础设施空间布局总体合理，各指标评价赋值与淮安市水安全、水资源、水生态、水空间、水工程的实际情况基本吻合，本文建立的指标体系和评价模型可为类似平原水网地区水利基础设施空间规划总体布局的评价提供参考与借鉴。