基于PSR-MODMIIM模型的贵州省水资源保护效果评价

尚 静 唐德善 王美慧

(河海大学 水利水电学院，南京 210098)

我国水资源数量紧张、水污染严重，水生态和水环境问题较为严重，而水资源作为人类生存和社会发展的基础，需要最大化地保护与管理，这样才能科学合理利用水资源，进而推动人类全面健康发展[1-2].由于水资源保护任务繁重，因此有必要对水资源保护效果进行评价.通过剖析水资源保护工作中的问题，从而深入推进水资源保护.当前，很多学者从不同角度对水资源保护效果进行了研究，如刘颖秋[3]用灰色关联度法对水资源保护情况进行了评价，朱金峰等[4]用最优组合权重的灰色关联度分析法对湖南省的农村进行了水资源保护现状评价，余亚丽等[5]用云模型从水资源系统、水生态系统和社会经济系统3个维度对安康市水资源保护效果进行了评价.

目前，关于水资源保护效果评价的研究大部分着重于对水质和水量方面的评价，评价指标体系有待完善.当前学者对水资源保护效果评价模型的研究还较少，主要通过关联度和隶属度对水资源保护效果等级进行评价，方法多数集中在灰色关联度和云模型，还没有学者考虑通过待评价样本和标准区间的距离来进行评价.本文在已有的研究基础上，利用PSR模型构建了水资源保护效果评价指标体系，采用组合赋权结合多目标决策-理想区间法对水资源保护效果进行研究，构建基于PSR-MODOMIIM的水资源保护模型，旨在为水资源保护评价提供一条可行的新思路.

1 评价指标体系构建

1.1 PSR模型

压力(Pressure)-状态(State)-响应(Response)模型最早由OECD(经济合作与发展组织)和UNEP(联合国环境规划署)为了评价环境状况而形成的一种体系.PSR模型包括压力、状态和响应3个部分，这一思维逻辑以因果关系为基础，反映各个指标之间的相互作用关系，压力指标指发生此变化的“原因”;状态指标表示压力产生的“效果”;响应指标表示社会在接收到状态改变的消息后做出的“反应”[6-7].水域系统是一个动态系统，又PSR模型具有极强的全面性和灵活性，因此利用PSR模型可以充分描绘人类、社会、生态、经济之间因果关系，充分反映各指标间的内部逻辑联系.

1.2 水资源保护效果评价指标体系构建

水资源保护效果评价指标应遵循全面性与科学性相结合、独立性与完备性相结合、代表性与可获得性相结合原则[8]，通过咨询专家意见并参考相关研究[5，9-10]，基于PSR模型，综合多方面因素，选取17个指标构建了水资源保护效果评价指标体系，见表1.

表1 水资源保护效果评价指标体系

其中压力(P)指标主要是包括人口增长、社会经济、废污水排放等对于水资源保护带来的压力和不利影响的指标;状态(S)指标主要反映水资源质量、水量等实际现状的指标;响应(R)指标主要指人类社会针对水资源现状做出的相应措施，如农业高效节水、城市污水处理率、水土流失治理等.

1.3 指标等级划分

为了充分体现各项指标对水资源保护效果程度，在已有的研究成果[5，10-12]和相关资料的基础上，结合贵州省实际情况，广泛咨询专家意见，将水资源保护效果等级划分为Ⅰ(优秀)、Ⅱ(良好)、Ⅲ(合格)、Ⅳ(不合格)4个等级，见表2.

表2 水资源保护效果评价指标等级划分

2 研究方法

由于水资源保护效果评价是一个多指标，以等级划分的区间性问题，因此选用多目标决策-理想区间法进行评价.理想区间法具有减少传统理想点解法(TOPSIS)在评价过程中将指标参考标准视为点概念引起的结果偏差[13]、计算简单方便、可操作性强的优点.选用层次分析法和熵权法分别求得主客观权重，引进乘法合成求得组合权重，更具科学和准确性.

2.1 权重的计算

2.1.1 层次分析法确定主观权重

AHP(层次分析法)[14-15]求解主观权重步骤如下:

(1)建立层次结构.

(2)构造判断矩阵.对评价指标两两之间进行对比，参照9位标度法得出重要性情况，构造判断矩阵:如果某一个评价指标Ui相对于Uj的重要性为μij，则Uj对于Ui的相对重要性为μij的倒数.判断矩阵H见式(1):

(3)用Matlab软件求解判断矩阵所对应的权重向量.得到权重向量φ1见式(2):

式中:ωm为第n个指标的权重.

(4)一致性检验及修正.利用式(3)和式(4)分别计算其一致性指标VCI和一致性比例VCR:

式中:λmax为判断矩阵的最大特征值;m为判断矩阵的阶数;VRI是判断矩阵的平均随机一致性指标，可查表3.若VCR＜0.10，则表明判断矩阵具有一致性.反之，应进行不断地修正.

表3 V RI的值

2.1.2 熵权法确定客观权重

选用熵权法[16-17]求得客观权重，此方法可以直接反映各个指标间的原始数据信息，是目前应用最多的计算客观权重的方法.主要是通过计算客观数据的熵值来确定熵权.其具体的计算步骤如下:

(1)将实际数据进行归一化处理.定义lji(j=1，2，…，m;i=1，2，…，n)为第j个评价对象的第i项指标.其中对于效益、成本型指标的归一化处理也不同，分别按式(5)和式(6)进行归一化计算.

(2)计算熵值Bi和信息效用值hi:

其中:

式中:当sji=0时，xji=0，则ln0无意义，故将xji进行修正:

(3)确定指标客观权重ωz(z=1，2，…，n)

求得的客观权重系数ωz(z=1，2，…，n)，则ωz

2.1.3 确定组合权重

采用乘法合成法[18]对主客观权重进行组合赋权，得到水资源保护效果的组合权重，则计算指标i的组合权重Wi公式为:

式中:φi为AHP所求的主观权重;ωi为熵权法所求的客观权重.

2.2 多目标决策-理想区间法

多目标决策-理想区间法(MODMIIM)[12，19-20]的具体计算步骤[21]如下:

(1)构造目标向量函数.选用水资源保护效果评价中的m个指标来综合评价水资源保护效果，由此进行目标向量函数Q(X)的构造:

式中:qi(X)为第i个指标，i=1，2，…，18.

(2)构造年份指标向量[19-20].设第s年的指标向量Qs为:

式中:s=1，2，…，7;qi，s为第s年的第i个指标值.

(3)构造理想区间向量[19-20].水资源保护效果评价标准表中的每一等级所对应的标准指标构成理想区间向量Qj*为:

式中:j=1，2，3，4;bi，j、ai，j分别是第j个等级的第i个标准指标对应区间的左右端点.设各指标数值在4个等级Ⅰ～Ⅳ中的顺序为从小到大，否则该指标应该做倒换处理，则每年所对应的指标也应进行标准化处理.

(4)计算每年各指标到各个等级的理想区间向量的综合距离[19-20].为了使评价结果更加精确，取第s年的指标值到第j个理想区间向量的综合距离l(j，s)为:

式中:Wi为权重;Δ(j，s，i)的计算方法[19-20]如下:

1)当评价因子处于1级，即j=1时

2)当评价因子处于2、3级，即j=2、3时

3)当评价因子处于4级时

(5)求最小距离[19-20].取每年中l(j，s)的最短距离lmin(j，s)，最短距离所对应的等级j为第s年水资源保护效果所处的等级.

3 贵州省水资源保护效果评价

贵州省位于我国西南地区，“山多地少，石多土少，雨多库少”是其典型特征，其中贵州发展的主要短板是工程性缺水，如何科学进行水资源配置、水资源保护、水生态发展是贵州省高质量发展的关键所在.因此，对贵州省近年来的水资源保护效果评价有重要的意义，对之后实际工作的进行具有指导性作用.

指标数据来源于2013—2017年《贵州省统计年鉴》《贵州省水资源公报》《贵州省环境公报》《中国人口和就业统计年鉴》等数据资料，个别缺失数据由内插法补齐，原始数据见表4.

表4 2013—2017年贵州省评价指标原始数据

根据式(1)～(4)求主观权重，式(5)～(11)求权重客观权重，式(12)求得组合权重，结果见表5.

表5 贵州省水资源保护效果评价指标权重

利用式(16)～(19)求得每年18个指标到4个等级的距离l(j，s)，见表6.

表6 2013—2017年各年份到各等级理想区间的距离

确定各年份的最短距离和所属等级，结果见表7.

表7 各年份到所属区间的最小距离及所属等级

从贵州省水资源保护效果评价模型得出的结果可以看出:贵州省2013—2017年水资源保护效果整体呈上升趋势，结合表4所给的原始数据，可以看出计算结果与贵州省的实际情况一致，证明了评价结果的可靠性，也证实了水资源保护效果评价模型的合理性.2013—2014年水资源保护效果评价结果为合格，且2014的总体评价结果要低于2013年，原因是当年人均生活用水量和废污水总排放量大幅度增加.2015—2017年为良好，并在2017年达到最优，参考各年份的原始数值，2017年水土流失治理面积、灌溉水利用系数、森林覆盖率、城市污水处理率等指标均为5年内最大值，表明2016年年底在全国范围内全面实施河长制和2017年贵州省出台《贵州省水资源保护条例》，无疑加快了水资源的保护步伐，并取得了良好成效.虽然2017年贵州省整体水资源保护效果良好，但是个别分项指标仍然存在不足之处，如单位工业增加值用水量、人均生活用水量、人均水资源量、废污水总排放量、水功能区水质达标率、灌溉水有效利用系数、工业固体废物综合利用率等处于合格阶段，还有较大的提升空间.因此贵州省应该从薄弱之处入手，补全短板，进一步增强水资源保护效果，为此提出以下建议:

(1)贵州省属于丰水地区，但由于贵州田高水低，蓄水能力较差，近70%的降水在雨季就流失了，导致人均水资源量较少，应建设骨干水源工程，实施蓄引堤工程，从根本上解决缺水问题.另外贵州还应对节约用水、保护水资源进行大力宣传和引导，在水资源费收取中实行阶梯水价，减少人们不必要的用水，降低人均生活用水量，确保水资源总量.

(2)贵州省废污水总排放量较多、水功能区水质达标率2017年仅78.2%，处于较低水平，说明水质情况亟需改善，需要对入河排污口进行排查、监测、污水溯源、整治，加快建设城镇和乡村污水处理设施、水源地保护建设工程，另外每条河湖都应编制“一河(湖)一策”，对阶段性目标和任务有更清楚的认知，从根本上高效地解决水质问题.

(3)贵州省2017年单位工业增加值用水量为57.7 m3，虽然低于国内平均值，但与国际低于15 m3的顶尖水平还有较大差距.贵州省应优化工业用水配置，调整产业结构，根据企业生产情况，政府应出台相关政策，关停一些污染大、耗水高的小型企业，加大工业固体废物的治理和综合利用，创建节水清洁型工业.

(4)贵州省2017年灌溉水有效利用系数为0.464，与国家灌溉水有效利用系数0.52还有一定的差距.需要大力推进农业节水，发展循环型农业和节水型农业，加强农田节水灌溉工程建设，因地制宜选取合适的灌溉方式，例如滴灌、喷灌、微喷、膜下灌溉等，达到节约用水目的.

4 结 论

1)从压力(P)、状态(S)、和响应(R)三个方面构建了水资源保护效果评价指标体系，将多目标决策-理想区间法、组合权重与水资源保护效果评价相结合，建立了基于组合赋权-MODMIIM的水资源保护效果评价模型.为水资源保护效果评价提供一条科学合理的新途径.

2)利用模型对贵州省2013—2017年水资源保护效果评价指标实际值进行分析计算，判断各年份水资源保护效果等级，得到评价结果与研究区实际情况一致，表明该评价模型具有合理性.

3)废污水总排放量、水功能区水质达标率等对贵州省水资源保护效果影响较大，应考虑诸种影响因素，提出相应整改措施，这对进一步推动水资源保护具有重要意义.