基于協商定權的流域用水水平組合評價

惠 蕾，梁 曦

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

1 研究背景

用水水平評價是一個多層次多指標的系統整體分析評價問題，用于測評的指標多且關系復雜；用水水平又是水資源高效利用的主要表征之一，把握流域的用水情況，對流域綜合用水水平進行合理的評價，有利于了解流域發展與用水需求之間的矛盾，從而從用水方加強管理，改善流域用水結構和用水方案，提高水資源利用效率，促進流域社會經濟的可持續發展和區域生態環境良好循環，保障節水型社會的建立。當前采用的用水水平的評價有多層次灰色關聯綜合評價方法[1]、物元模型[2]、屬性識別模型[3]、層次分析法（AHP）[4]、集對分析[5]、模糊綜合評價[6]等多種單一的評價方法。層次分析法是常用的一種主觀評價方法，評價模型以人的主觀判斷作為賦權基礎，主觀因素太多；熵權系數法評價模型中，消除了人為確定權重的主觀誤差，各項指標的權重由樣本數據計算得到，但僅單純地反映客觀。對同一評價問題，每一種單一評價方法都只是從某種角度對被評價對象做出綜合評價，存在不可避免的局限性。因此，本文將采用基于協商定權的組合評價模型，充分利用層次分析法和熵權法所提供的信息，將主客觀方法相結合，實現兩者的優勢互補，盡可能地提高評價水平，使評估結果更為科學、合理和準確。

2 協商定權理論

由于流域氣候水文特性及產業結構等不同，不同區域有不同的用水特點，使得用水水平評價涉及因素復雜，評價指標較多。權重反映用水水平指標的相對重要程度，一般而言，由于從不同方面考慮，衡量指標因素對用水水平的影響程度會有差異，指標權重的取值也不盡相同。在單一的主觀評價或客觀評價的定權方法中，權重取值易受到專家的偏好和經驗等主觀因素影響，使得單人定權的權值不符合實際。為避免這種影響，將主客觀相結合，可考慮使用群組定權的方法來結合大家意見，通過群組定權方法將個人的偏好和愛好集結為群體的偏好和愛好，使權值科學、合理[7]。協商定權屬于群組定權中的一種，在定權者看法不一致或利益沖突時，各方通過協商將各指標的權重確定下來[8]，該方法簡潔方便，本文使用此方法來完成群組定權。

設定權者共有 ng(≥2)個，分別為 P1，P2，…，Png。Pi(i=1,2,…,

群協商因子為：，φj＝φ（Dj）=mp（Dj）+εj·l（Dj）,j=1,2,…m（1）協商區間的寬度。εj為協商系數，可采用最小損失法確定。定義損失函數：

尋找權重的問題轉化為求解下面的非線性優化問題，

式中：ypk是根據第k個定權者給出的權重采用權重系數法得到的第i個對象的評價值；yi即根據協商定權得到的第i個對象的評價值。

3 基于協商定權的組合評價數學模型

Step1 基于層次分析法(AHP)的流域水資源用水水平評

（1）判斷矩陣建立

針對評定指標層中各有關元素相對重要性的狀況，對目標層逐項進行兩兩評價比較，根據專家意見確定各評價指標的相對重要性并賦以相應的分值，其比較結果以T.L.Saaty的1～9標度法表示（見表1），可以得到兩兩比較判斷矩陣 A=（αij）n×n。

（2）各評價指標的相對權重

采用和積法計算權向量 ω=（ω1，ω2，……，ωn）為：

最大特征值λmax為：

（3）一致性檢驗

式中：CR為判斷矩陣的隨機一致性系數；CI為判斷矩陣的一般為判斷矩陣的平均隨機一致性指標，對于1～10階判斷矩陣，RI的值對應如表2。

CR＜0.1，即表示判斷矩陣具有令人滿意的一致性；否則，調整判斷矩陣，直止滿意。

（1）特征矩陣中的特征值進行歸一化處理。對參與評價的越大越優型、越小越優型各項指標歸一化方法如下：

（2）第i個評價指標的權重：

表2 隨機一致性指標RI值表

（3）各樣本的綜合評價值：

采用協商定權法求解綜合評價中權重，將問題轉化為如式（3）的非線性規劃問題。當指標個數比較多時,上述優化問題是一個多維非線性問題，使用傳統運籌學中的優化方法很難找到全局最優解。遺傳算法借鑒了生物進化論的自然選擇思想和遺傳學中生物進化機制，利用隨機技術來指導對被編碼的參數空間進行高效率搜索，是一種全局隨機搜索算法，具有全局優化性、隱含并行性和智能性，使用簡單的特點[9]。本文采用遺傳算法求解上述非線性規劃問題得到協商系數，最終計算出群定最優組合權重系數，從而利用組合賦權法將主客觀方法結合起來。

4 實例研究

灤河流域位于華北平原東北部，全長888 km，流域面積44750 km2，主要支流有小灤河、興州河、伊遜河、武烈河、老牛河、柳河、瀑河、灑河、長河、青龍河等。近年來，隨著灤河流域水資源經濟區天津、唐山、秦皇島等城市的發展迅速，人口增幅較大，水量需求不斷上升。據用水部門統計，2007年灤河流域承德市總用水量達到9.34億m3，唐山市總用水量達到33.32億m3，秦皇島市總用水量達到10.54億m3，其中灤河流域承德區域、唐山市、秦皇島市的河道外生態用水量分別為0.25億m3、4.15億m3、1.38億m3。各用水部門中，承德市農業用水占該區總用水74.3%，唐山市農業用水占總用水56.5%，秦皇島市農業用水占總用水62.3%。

4.1 用水水平評價指標體系建立

針對河北省灤河流域的特點，選取流域內承德、唐山、秦皇島作為研究區域，建立基于水資源的各分區用水水平評價指標體系，具體指標選取及2007年各指標值見表3。其中，目標層為區域用水水平，用以衡量灤河流域水資源系統支撐整個流域可持續發展的綜合用水水平，準則層分為區域生活用水水平、區域農業用水水平、區域工業用水水平，區域生態環境用水水平分別反映研究區域各用水戶水資源利用情況。

表3 灤河流域用水水平評價指標及指標值

4.2 應用分析

各指標不同方法評價計算結果見表4～表6。

表4 指標層3種方法評價結果

表5 目標層三種方法評價結果

表6 熵權法各區域指標評價結果

由指標層評價結果可以看出三種方法評價結果基本一致，指標層各指標綜合評價值在0.3～0.6左右，處于中等發展水平，說明灤河流域三市水資源仍有較大節水潛力，尤其是農業用水節水潛力巨大；各計算指標權重客觀反映了各指標對水資源用水水平影響程度，從表4分析可得生態用水因素在灤河流域三市用水中影響程度最高，其次是工業用水重復利用率和生活用水；從表5可以看出農業仍是主要用水大戶，其次是工業、生活、生態；從表6可看出各區域用水綜合評價中，唐山用水水平最高，承德最低，這與灤河流域唐山、承德、秦皇島三市的實際情況是相符的。

5 結論

（1）針對河北省灤河流域的特點，建立了灤河流域基于水資源的各分區用水水平評價指標體系，分別采用AHP法、熵權法評判各個分區生活、農業、工業、生態用水水平的高低。

（2）為將主觀客觀結合，本文采用了基于協商定權法的組合組合評價模型，將其應用于灤河流域用水水平綜合評價，組合評價法評價結果既考慮了主觀信息又考慮了客觀信息，確定出的評價指標權重更科學，評價結果與實際相符，說明該模型能有效地對流域用水水平進行評價。

（3）各計算指標權重客觀反映了各指標對水資源用水水平影響程度，得出用水水平排序，從而掌握各區水資源開發利用程度及其節水潛力，為灤河流域水資源開發利用提供了科學依據。

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