□舒丹丹杜青辉(河南省水利勘测设计研究有限公司)
摘要:沙颍河流域位于河南省中部,水资源量较为紧缺,沙颍河流域作为河南省经济总量最大、发展速度最快的地区,水资源供需矛盾尤为突出。文章结合沙颍河流域实际情况,应用层次分析法构建水量分配模型,进行水量分配计算,并与拟定成果对比分析。本次水量分配成果与拟定分水成果比较接近,为沙颍河流域水资源管理与决策提供技术支撑。
关键词:水量分配;层次分析法;沙颍河流域
沙颍河流域位于河南省中部,流域范围包括郑州、开封、洛阳、平顶山、许昌、漯河、南阳、周口、驻马店9个地市的38个县市(其中汝州市为省直管县),流域面积34 480 km2,占河南全省面积的21%。沙颍河流域多年平均水资源总量为76.21亿m3,人均水资源总量为273 m3,不足全省人均水资源总量的3/4,仅为全国的1/7,属于水资源紧缺地区。沙颍河流域作为河南省经济总量最大、发展速度最快的地区,水资源供需矛盾尤为突出。为合理配置和统一调度沙颍河流域水资源,落实最严格的水资源管理制度,实施用水总量控制,规范流域用水秩序,保障流域生活、生产和生态安全,实现经济社会与生态环境和谐发展,必须开展沙颍河流域水量分配工作。
目前,水量分配的方法主要有产水比例法、定额预测法、水资源优化配置法和模糊综合评价法,其中,模糊综合评价法中常见的有模糊优选法、层次分析法、TOP-SIS模型法等。在众多的方法中,层次分析法考虑因素较全面,能体现各分水指标的优先序和权重,因此对于水量分配这种涉及多地区、多因素(社会、经济、环境等)的复杂分配问题有一定的优势。文章采用层次分析模型应用于河南省沙颍河流域水量分配研究。
层次分析法(AHP)最早由美国运筹学家T·L·saaty于20世纪70年代提出,是一种从定性分析到定量分析综合集成的典型的系统工程方法,它将人们对复杂系统的思维过程数学化,将人的主观判断为主的定性分析进行定量化,将各种判断要素之间的差异数值化,帮助人们保持思维过程的一致性,适用于复杂的模糊综合评价系统,是目前被广泛应用的确定权重的方法。
应用层次分析法分配水量时,其主要步骤为:第一、构建层次结构,分为目标层、准则层及方案层;第二、建立判断矩阵,各元素之间的重要性进行两两比较;第三、一致性检验,要符合要求;第四、根据权重进行排序。
本次水量分配对象为河南省沙颍河流域地表水可分配水量。
2.1 选择指标
沙颍河水量分配选取的5项指标,分别是:土地范围、人口数量、GDP总数、生态用水和耕地面积,这些因素考虑了各用水区域的综合影响力,体现了各指标在分水过程中的不同效果。
2.2 构建层次结构
沙颍河水量分配所建立的层次结构见图1。T为目标层,L为准则层,P为方案层。
2.3 建立判断矩阵计算权重
2.3.1 T~L单层矩阵建立及权重计算
T~L单层涉及土地范围、人口数量、GDP总数、生态用水和耕地面积地5项指标,各指标进行两两对比,确定相对重要性并赋值,其中各行政区域生态用水指标认为同等重要性,由此构造判断矩阵L5×5。篇幅有限,矩阵未列出,参考图1层次结构图。
计算判断矩阵的最大特征值λmax,λmax所对应的特征向量即为所要确定的指标权重,并进行矩阵的一致性检验,检验公式为:CI=(λmax-n)/(n-1);CR=CI/RI。式中,CR为判断矩阵一致性比例;RI为判断矩阵的平均随机一致性指标;CI为判断矩阵一致性指标;n为矩阵阶数。RI取值可参考相关书籍资料。经计算,矩阵的最大特征值λmax=5.32,λmax对应的归一化特征向量ω={0.10,0.04,0.52,0.13,0.20},CR=0.07〈0.10,表明矩阵通过一致性验证。
图1 沙颍河水量分配方法层次结构图
2.3.2 L~P单层判断矩阵及权重计算
L~P单层是郑州、开封、洛阳等10个地市针对土地范围、人口数量、GDP总数、生态用水和耕地面积等5项指标每一项的比较结果,建立判断矩阵Pi(i=1,2……5),同样计算判断矩阵的最大特征值λmax,并进行矩阵的一致性检验。
经计算:
λmax1=10.59,ω1={0.16,0.02,0.05,0.18,0.04,0.13,0.07,0.03,0.31,0.02},CR1=0.04〈0.10;
λmax2=10.27,ω2={0.25,0.04,0.03,0.13,0.05,0.16,0.10,0.03,0.21,0.02},CR2=0.02〈0.10;
λmax3=10.48,ω3={0.25,0.05,0.04,0.13,0.08,0.18,0.10,0.03,0.14,0.02},CR3=0.04〈0.10;
λmax4=10,ω4={0.10,0.10,0.10,0.10,0.10,0.10,0.10,0.10,0.10,0.10},CR4=0;
λmax5=10.42,ω5={0.12,0.04,0.02,0.15,0.04,0.20,0.09,0.03,0.29,0.02},CR5=0.03〈0.10。
由计算结果可知,矩阵Pi(i=1,2……5)均通过一致性检验。
2.3.3 各指标权重层次总排序
利用同一层次中所有层次单排序的结果,按层次结构图从上到下计算所有的层次总权重和总排序:P1、P2、P3、…、P10对总目标的权重分别为0.19、0.05、0.04、0.14、0.07、0.17、0.09、0.04、0.19、0.03;CR〈0.1,故层次总排序通过一致性检验。上述可作为最后的决策依据,即各城市的权重排序为P1〉P9〉P6〉P4〉P7〉P5〉P2〉P3〉P8〉P10,P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10分别代表郑州市、开封市、洛阳市、平顶山市、汝州市、许昌市、漯河市、南阳市、周口市、驻马店市。
2.4 计算结果
沙颍河流域2020水平年多年平均情况下,可分配的当地地表水量为18.98亿m3,流域预留7 700万m3,各用水区域按照层次分析法得到的地表水分配成果详见表1。
表1 沙颍河流域地表水分配成果表单位:万m3
行政区划名称郑州市开封市洛阳市平顶山市汝州市2020年分配水量35 205 9 343 7 922 24 532 12 221行政区划名称许昌市漯河市南阳市周口市驻马店市2020年分配水量30 196 16 828 6 702 33 657 5 427
2.5 成果对比分析
将层次分析法水量分配成果与拟定的分配成果进行对比,见图2。
图2 不同成果对比图
可以看出,层次分析法的水量分配成果整体与拟定分配成果比较接近,个别地市也存在差别。开封市、驻马店市在沙颍河流域的面积较小,在用水指标的权重方面考虑欠佳,因此与拟定分水成果差别较大;平顶山市土地面积较大,经济实力在沙颍河流域处于中上水平,其工业用水占总用水量的比例较大。本次层次分析法在水源条件、产业结构、生活水平等方面建立的指标较片面,因此分水成果差别较大。
河南省沙颍河流域涉及地市较多,如何协调好各行政区域之间的水量分配,使“人与水”和谐发展,需要不断的实践和探索。本次采用层次分析法进行沙颍河流域水量分配,考虑了土地范围、人口数量、GDP总数、生态用水和耕地面积这些因素的影响。通过计算成果的对比分析,层次分析法的成果与拟定方案整体差别不大。但是本研究考虑的因素并不全面,如何与用水总量控制、工程条件等结合,还需进行深入研究。
参考文献:
[1]李奔,谈广鸣.国际河流不同水量分配方法及应用[J].水电能源科学,2012,30(10):9-11.
[2]郝相如.拒马河水量分配研究[D].清华大学工程硕士论文,2010.
编辑:符蕾
中图分类号:TV214
文献标识码::B
文章编号::1673-8853(2017)05-0087-02
收稿日期:2017-02-17
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