淮河蚌埠闸上枯水期供水安全评价技术研究

陈竹青汪跃军王位鑫

淮河蚌埠闸上枯水期供水安全评价技术研究

陈竹青1汪跃军1王位鑫2

一、供水安全评价指标体系

1.建立原则

供水安全评价的核心问题，是制定科学、客观、合理、尽可能全面反映影响系统安全因素的评价指标体系。其分析和判断原则包括目的性、科学性、系统性、可操作性、时效性、突出性、可比性、定性与定量。

指标体系设立的目的性决定了指标体系的设计必须符合科学性的原则，而科学性原则又要通过系统性来体现。在满足系统性原则之后，还必须满足可操作性以及时效性的原则。这两条原则决定了指标体系设计应遵循政令性和突出性原则，此外，可操作性原则还决定了指标体系必须满足可比性的原则。上述各项原则都要通过定性与定量相结合的原则才能体现。最后，所有上述各项原则皆由评价的目的性所决定，并以目的性原则为前提。指标体系的建立原则间关系如图1。

2.建立方法

科学、合理的供水安全评价指标体系的建立，一般经历两个阶段。

第一阶段：从分析各种因素指标体系入手，对评价方案做出条理清晰、层次分明的系统分析；从整体最优原则出发，考虑局部服从整体、宏观结合微观、远期结合近期，并综合多种因素确定评价方案的总目标；对目标按其构成要素之间的逻辑关系进行分解，形成系统完整的综合评价指标体系。

第二阶段：综合运用频度统计法、理论分析法、专家咨询法、主成分分析法等指标筛选方法，使评价指标满足指标体系建立的原则。

3.指标体系

水资源评价指标的选取是进行水资源承载力评价中的关键问题。区域水资源承载力评价指标的选取，关键在于选择合理的指标来综合反映区域“社会—经济—环境”的发展规模和质量。影响水资源承载力的因素很多，具体涉及到到供水安全方面，主要考虑水量、水质、水环境承载力、抗风险能力四个方面。

综合以上因素考虑，结合淮河流域工农业供水现状等运用频度分析法、专家咨询法等筛选出区域水资源承载力评价的指标体系见表4。该指标体系包括三个层次，即目标层、准则层和指标层。

其中目标层即评价目标为保证供水安全，准则层指评价的准则或者角度，这里从供水条件及潜力、实际供水保障、生态环境保障和抗风险能力四个方面来综合评价供水安全。

图1　指标体系建立原则关系图

二、基于AHP构权的多层次综合模糊评价模型

本次评价将层次分析法和模糊综合评价两者结合，采用基于AHP构权的多层次综合模糊评价模型。

层次分析法（Analytic Hierarchy Process简称AHP）是将决策问题按总目标、各层子目标、评价准则直至具体的备投方案的顺序分解为不同的层次结构，然后得用求解判断矩阵特征向量的办法，求得每一层次的各元素对上一层次某元素的优先权重，最后再加权和的方法递阶归并各备择方案对总目标的最终权重，此最终权重最大者即为最优方案。

模糊综合评价的基本思想是利用模糊线性变换原理和最大隶属度原则，考虑与被评价事物相关的各个因素，对其作出合理的综合评价。当影响因素集合U的元素较多时，每个因素的重要程度系数也就相应减小，这时系统中事物之间的优劣次序往往难以分开，仅由一级模型进行评价往往显得比较粗糙，不能很好地反映事物的本质，从而无法得出有意义的评价结果。对于这种情形，可以把因素集合U中的元素按某些属性分成几个子系统，先对每一个子系统作综合评价，然后对评价结果进行“类”元素的高层次的综合评价。

基于AHP构权的多层次模糊综合评价模型是在多层次模糊综合评价模型的基础上，运用AHP对影响水资源承载力的各个因素按层次赋权。模糊综合评价的各个因素集就是AHP的准则层及各准则下的指标层。

1.因素集的划分及评语集的建立

在综合分析水资源承载力系统及其影响因素后，根据前面选取的指标体系，将因素集划分为：

其中，

本研究借鉴已有研究成果和一些专家建议，将上述因素对供水安全影响程度划分为5个等级，每个因素各等级的数量指标见表1。

表1　指标等级分类标准

其中，V1级表示状况很差，供水现状极不安全，进一步开发潜力较小，如果按照原定社会经济发展方案继续发展将会发生水资源短缺现象，水资源将成为国民经济发展的瓶颈因素，应采取相应的对策和措施；V5级属情况很好级别，表示本区供水现状极安全，水资源仍有较大的承载能力，水资源利用程度、发展规模都较小，水资源能够满足研究区社会经济发展对水资源的需求；V3级介于V1级和V5级之间，这一级别表明研究区供水安全级别一般，介于安全与不安全的临界状态，水资源供给、开发、利用已有相当规模，但仍有一定的开发利用潜力，如果对水资源加以合理利用，注重节约保护，研究区内水资源在一定程度上可以满足国民经济发展的需求。V2和V4分别介于V1V3和V3V5之间，表示供不安全和安全的状态。

表2　目标层总判断矩阵

表3　指标的正负性

为了定量地反映各级因素对水资源承载能力的影响程度，对Vl、V2、V3、V4、V5进行-2到2间评分，值越大表示越安全。其中V1=-2表示极不安全状态；V2=-1表示不安全状态；V3=0表示介于安全和不安全之间的临界状态；V4=1表示安全状态；V5=2表示极安全状态。

2.AHP法确定水资源承载力评价指标权重

根据选取的指标体系，采用AHP方法，建立各指标相应的判断矩阵。其中目标层的总判断矩阵见表2。

同理可以建立各级准则层指标的判断矩阵，求得相应单排序向量，并对各判断矩阵进行一致性检验，如果不满足一致性要求，则重新建立判断矩阵直到满足检验，最后得到承载力评价指标的最终权重，即总排序。

3.隶属函数的建立

隶属函数的建立必须考虑各单项指标的变化规律。由于指标数量多，因此对指标进行分类。在分类中，定义单项指标与上一层指标变化趋势一致的指标为“正指标”，不一致的为“负指标”，各个指标的正负见表3。

各指标对应各评语论域的值可以根据该指标的实际值对照各评价因素的分级值获得。为了消除各等级之间数值相差不大，而评价等级相差一级的跳跃现象，必须对其进行模糊化处理，使隶属函数在各级之间平滑过渡。计算隶属度时，令正效应指标的评价集V=[V1V2V3V4V5]，负效应指标的评价集V=[V5V4 V3V2V1]，另外，k1，k3，k5，k7分别为V1，V2，V3，V4，V5的临界值。k2，k4，k6分别为V2，V3，V4的中点，如图2。

图2　隶属公式参数分布示意图

4.指标权重的确定

（1）建立判断矩阵

采用专家打分法分别对4个准则层及其内部的指标进行打分，请6位专家按照九级标度法为四个准则层和对应的准则层内部指标进行9级标度打分，然后对不同专家的意见进行人为赋权，综合各位专家意见后即可以得到初步的判断矩阵，得到初步的判断矩阵后再进行一致性进行检验。如果通过则可以使用，如果不能通过则返回调整不同专家的赋权，直到通过一致性检验为止。

（2）确定各层指标权重

求出各层判断矩阵其最大特征值，及其所对应的特征向量，归一化后，即为该层次指标对于上一层次某相关指标的相对重要性权值。对于准则层，可以求得：

d=（4.1294-0.0166+0.7353i-0.0166 -0.7353i-0.0962）

Wa=（0.4723 0.3165 0.1208 0.0904）

其中，d为准则层判断矩阵各特征值所组成向量，可知准则层判断矩阵最大特征值为4.1294，其对应的特征向量经归一化处理后所得到的Wa=（0.4723 0.3165 0.1208 0.0904）即为准则层A、B、C、D四个准则对于目标层的权重。

同理可以求得指标层中各个指标对于相应的准则层的权重，将其分别与对应准则层权重相乘即可得到最后的层次总排序，见表4。

表4　指标权重表

5.计算最终评价结果

（1）模糊加权变换：

B=ωR

其中，B为模糊综合评价向量，ω为权重向量，R为隶属度矩阵。

表5　蚌埠闸以上地区隶属度矩阵

表6　蚌埠闸以上地区供水安全综合评价结果

图3　蚌埠闸以上供水安全综合评价结果

（2）按照（1）步骤分别计算出一、二级隶属度加权矩阵后，分别计算相应的安全等级：

L=VB

其中，L为最终安全得分，以-2～2表示，值越大表示越安全；V=[-2 -1012]为评价向量。

三、供水安全评价

1.枯水期水资源供需态势分析

根据《河中游枯水期水资源配置及调度研究》成果，淮河蚌埠闸以上区域枯水期水资源供需态势如下：

（1）已发生的典型受旱年，蚌埠闸上区域均缺水，其中秋季缺水比午季缺水严重，主要原因是秋季水稻灌溉的水量比较大，其中上桥枢纽在干旱年份从淮河抽水到茨淮新河灌溉占了相当大的比重。蚌埠闸上区域在受旱典型年平均缺水量为5.46亿m3，年最大缺水量为1978年10.5亿m3，最小缺水量为2000年2.7亿m3。逐月最大缺水量为2001年7月的4.34亿m3，最小缺水量为2000年4月的640万m3。

（2）通过对不同年型需水缺水态势分析，王蚌区间连续3个月枯水期现状水平年20%、50%、95%和95%保证率下的缺水量分别为0亿m3、0.209亿m3、 1.265亿m3和2.22亿m3，连续5个月枯水期现状水平年20%、50%、95%和95%保证率下的缺水量分别为0亿m3、0.399亿m3、2.415亿m3和4.242亿m3。

淮河蚌埠闸上区域是淮河流域地表水用水集中的地区之一，是淮南煤矿和火力发电基地，淮南和蚌埠两市城镇生活、工业生产以及沿淮农业灌溉的主要取水水源，闸上供水对安徽沿淮淮北地区的社会、经济发展具有巨大作用。针对该区段水资源的天然时空分布、用水竞争以及水资源不合理开发利用引起的生态环境问题，开展供水安全综合评价。

2.计算隶属度

根据本文提出的隶属函数建立方法，推求蚌埠闸以上地区隶属度矩阵，计算结果见表5。

3.评价结果

将权重与隶属度矩阵相乘后得到各层的最终评价得分，见表6。

由表6、图3可以看出，蚌埠闸以上地区供水安全综合评价得分为-0.17分，略低于一般水平，总体来看水资源状况良好。在四个准则层中，实际供水保障得分最高，为0.4294分，超过一般水平，而生态环境保障及抗风险能力得分都低于-1分，处于不安全与极不安全之间，其中抗风险能力得分最低，接近-1.5分。

四、结论

本文以淮河蚌埠闸上区域为研究对象，综合指标体系建立的原则及方法两方面因素，建立以保证供水安全为目标层，供水条件及潜力、实际供水保障、生态环境保障和抗风险能力为准则层的综合评价指标体系，基于AHP构权的多层次综合模糊评价模型，开展淮河中游枯水期供水安全评价。研究结果表明：蚌埠闸以上地区供水充足，水资源总量及过境水量充足，但是由于水资源时空分配不均，所以在特枯年缺水情势严峻，抗风险能力不足，同时存着在对生态环境保障措施不足的问题，影响地区供水安全及水资源的可持续利用

（作者单位：1.淮河水利委员会水文局（信息中心）2330012.水利部水文局（信息中心）100053）