孟 颖，唐德善，石蓝星，王晓淋

(河海大学 水利水电学院，南京 210098)

基于改进指标体系的水资源调控方案评价模型

孟 颖，唐德善，石蓝星，王晓淋

(河海大学 水利水电学院，南京 210098)

为更科学合理地对瓯江中上游流域水资源进行优化调控，依据流域的现状和存在的问题选取相应的优势指标和劣势指标，提出了体现依靠优势、克服劣势目标的指标体系。将层次分析法和熵权法相结合,计算指标组合权重。层次分析法确定主观权重，熵权法确定客观权重，既充分考虑了专家意见，又避免了单一赋权的片面性。并结合灰色关联度法建立灰色综合评判模型，计算得到瓯江中上游流域水资源最优调控方案，与传统指标体系和计算方法进行对比，证明提出的指标体系构建方法和综合评价模型是合理可行的。由于改进的指标体系简化了传统指标体系，突出评价的针对性，使得基于该指标体系的灰色综合评判模型可用于瓯江中上游流域水资源调控方案的评价和优选，也为其他流域水资源调控方案优选提供了新的思路。

瓯江中上游流域；水资源调控；改进指标体系；灰色综合评判模型；方案优选

1 研究背景

瓯江发源于丽水市庆元县，瓯江中上游流经丽水地区，下游流经温州地区，是浙江省内第2大河流。瓯江中上游流域虽属于水资源丰沛区，但洪涝灾害、水资源供需不平衡、水环境污染等问题仍然存在，水资源区域调控需要进一步优化。

水资源区域调控采用工程与非工程措施，调节供、需2个方面，对流域内的水资源进行科学配置，其目的是保证流域内水资源的可持续利用，通过对备选调控措施的合理组合可以得到多种不同的水资源配置方案[1]。为了预测不同的水资源配置方案所实现的经济、社会、生态效益等总体效益，需要建立评价体系对配置方案进行综合评判[1]。

1996年左东启等[2]构建了水资源评价研究早期较为完善的指标体系。2002年崔振才等[3]在可持续发展的理论基础上建立了区域水资源与社会经济协调发展评价指标体系。2004年耿雷华等[4]提出了水资源配置的评价准则：社会合理性、经济合理性、生态环境合理性、效率合理性和开发合理性准则。

发展至今，水资源评价指标体系已日趋完善，具有多元化、综合化、适用性强的特点[5-6]，但指标体系往往过于庞大，指标数量过多，缺乏具体问题具体分析的针对性，评价指标的筛选及其权值有待深入研究。

水资源配置方案效果评价方法主要有模糊综合评价法、灰色关联分析法、BP神经网络法等。这些方法都存在着各自的优缺点：模糊综合评价法适用于解决不确定性问题，但其隶属函数确定较为复杂且带有一定的主观性；灰色关联分析法对简单模型较为适用，客观性强，但其对于复杂模型则表现欠佳；BP神经网络法在对构造的网络模型进行训练时，需要较多的水资源评价专家的知识和经验，在传统指标体系下可操作性偏低。

本文针对上述问题，在前人研究的基础上结合瓯江中上游流域的实际，提出了一种新的指标体系的建立方法：依据流域的现状和存在的问题选取相应的优势指标和劣势指标，建立一套科学合理、针对性强的指标体系。通过层次分析法(AHP)计算准则层中不同优势指标、劣势指标的权重，体现不同优、劣势对流域的重要程度，采用熵权法计算同准则中各指标权重，体现不同指标的影响程度。将AHP和熵权法相结合，得到适用于该指标体系的组合权重，并通过灰色关联度法建立灰色综合评判模型，对流域内水资源综合开发利用的调控方案进行优选，找出最有利于实现发挥流域优势、克服流域劣势目标的调控方案。由于改进的指标体系简化了传统指标体系，突出评价的针对性，使得基于该指标体系的灰色综合评判模型可用于复杂的评判情况。

2 研究区概况及水资源调度方案评价指标体系

2.1 瓯江中上游流域水资源现状分析

2.1.1 瓯江中上游水资源配置的优势

瓯江中上游流域拥有丰富优质的水资源，多年平均年径流总量达195.5亿m3，多年平均降水总量约290亿m3，多年平均年水资源总量184亿m3，人均占有量约7 604 m3，高于全国平均水平2.5倍。丽水市总体水质较优，以Ⅰ—Ⅲ水质为主。

2.1.2 瓯江中上游水资源配置的劣势

(1) 防洪能力难提高。流域洪水地区组成复杂，且流域防洪控制能力有限。瓯江流域面积大，流域暴雨洪水成因不同。丽水城区上游的大溪、松阴溪、宣平溪及小安溪流域一般受台风暴雨影响少而受梅雨暴雨影响多，持续时间长，形成量大峰高洪水；丽水城区下游的好溪及小溪等支流受台风暴雨影响机会相对较多，峰高时间短。

(2) 供水安全风险高。随着城市发展以及水资源时间分配不均，水资源供需矛盾尤其是工程性缺水日益凸显，丽水市城区主要供水水源供水能力不足，且输水管道受到工业污水的污染，城市供水安全不能得到有效保证。

(3) 生态改善难度大。瓯江干流脱水现象普遍存在。瓯江干流大规模水电开发造成自然生态河段减少。同时，由于电站调峰运行，峰谷电价对发电效益的影响较大，河道生态流量难以保障，部分河段脱水现象成为常态，河湖水系连通格局受到较大影响。

2.2 评价指标体系建立

借鉴已有的研究成果，参照已有的指标体系[7-8]，针对瓯江中上游流域的优势劣势，共选取13个相应的评价指标，见表1。

3 调度方案灰色综合评判模型

3.1 熵权-AHP确定权重系数

熵权法是从指标的数值差异程度客观地来反映指标重要程度，计算出指标权重，易受原始数据影响，而且如果改变评价对象，所得的指标权重可能会改变，从而影响评价值；层次分析法是主观赋权法的常用方法，由多位专家依据指标的重要性大小打分，取其平均值，计算得到指标权重，依靠专家的专业知识和个人偏好得到评价结果， 一定程度上容易受到主观偏好的影响。因此，本文根据所建立的评价体系的特性，结合层次分析法和熵权法，计算组合权重，层次分析法确定主观权重，熵权法确定客观权重，既充分考虑了专家意见，又避免了单一赋权的片面性，其步骤如下。

步骤1： 根据评价指标体系构建层次结构模型。

表1 调控方案评价指标体系Table 1 Assessment index system for the control alternatives

注：P5社会不良影响为定性指标，其余指标均为定量指标。

步骤2：层次分析法计算准则层主观权重。引入“1—9”标度方法将准则层n个因素的重要性比较定量化，构造n×n阶准则层判断矩阵B，计算准则层判断矩阵B的最大特征根λmax和特征向量，归一化处理和一致性检验后，得到该层有关因素相对于目标层的权重值WC[9]。

步骤3：熵权法计算指标层客观权重。

(1) 构建判断矩阵R，即

(1)

式中：i为评价指标；j为评价方案；rij为第i个评价指标对第j个方案的评价指标值。

(2) 对判断矩阵进行归一化处理，即

(2)

式中：rmax，rmin分别为同一指标下不同方案的评价指标值rij中的最大值和最小值；bij为经归一化后的评价指标值。

(3) 确定各个指标的熵值Hi，即

(3)

其中

(4)

(4) 得到评价指标的权重(熵权)，即：

(5)

(6)

式中：ωi为第i个评价指标的熵权；WP为指标层相对权重矩阵。

步骤4：计算指标层各指标组合权重，即

(7)

3.2 灰色关联度法确定方案排序

首先进行指标值的规范化处理，采用均值法进行数据处理，即将各个指标除以该指标序列的平均值[10]。

其次构建规范化处理后的最优指标集和各评判对象的指标矩阵E，即

(8)

然后进行评判矩阵的确定，根据灰色系统理论[11]可求得第j个评判方案的第i个指标的灰色关联系数，即

(9)

(10)

最后进行灰色综合评判(总目标层的综合评判)。U=WA×T(u1，u2，…，un)，uj愈大，说明第j个设计组合方案愈接近最优方案。因此，当uj=max(u1，u2，…，un) 时，第j个设计组合方案为所有组合方案中的最优方案。

4 实例研究

4.1 调控方案说明

本文选取了瓯江中上游流域水资源2030水平年的15个调控方案进行了评价，调控方案见表2。

表2 调控方案集Table 2 Control alternatives

注：“★”代表采取某项调控措施，例如上蓄方案2为采取“兴修水库+工农业节水”2项调控措施。

4.2 评价指标和权重计算

根据各调控方案的水资源配置结果和流域的社会经济资料，计算各调控方案的评价指标见表3，根据专家打分和信息熵计算各指标的组合权重，结果见表 4。

4.3 调控方案评价结果

各调控方案评价结果见表5。

由表5可知:①从各方案与最优方案的关联度看，方案10“北洪南调隧洞+南水北引+工农业节水+产业结构调整+生态调度”的调控方案为最优方案；②从方案总体来看，中分的5个方案要优于上蓄方案和下疏方案，这是因为虽然从投资角度来看，中分方案前期投入较大，但充分实现了洪水的资源化，所以从长远来看，在水平年2030年，中分方案为最优方案;③在中分的5个方案中，虽然方案10前期投入最多，工程量最大，但由于其具有更好的可持续发展性，故为最优方案。

4.4 评价结果对比

为了检验本文所建立的评价体系和评价模型的适用性，用基于传统指标体系的文献[12-13]的评价方法进行计算，并与本文的计算结果进行对比分析。不同评价方法的评价结果及排序见表6。

表3 调控方案评价指标Table 3 Index values of the alternatives

表4 评价指标组合权重Table 4 Combination weights of indexes

表5 调控方案归一化评价结果Table 5 Normalized assessment results of the alternatives

从表6可知，基于传统指标体系下的模糊决策模型与 BP神经网络模型得出的最优方案均为方案10，其评价结果及排序与本文模型基本一致，仅在个别方案的排序上有所出入，表明本文所建立的基于改进指标体系的灰色综合评判模型具有很好的适用性。

表6 不同评价方法评价结果及排序Table 6 Evaluation results and sorting of different methods

5 结 语

(1) 依据水资源丰沛区——瓯江中上游流域的优势劣势，将传统的评价指标筛选分类，从水资源利用、防洪能力、供水安全、生态改善4个方面选取13个指标建立了水资源调控方案评价指标体系，一方面使建立的评价体系更具有针对性和适用性，另一方面也更利于指标权重的赋权分析。

(2) 结合灰色关联度法建立灰色综合评判模型。为克服该模型中确定指标和目标权重的困难，避免单一赋权的片面性，采用熵权-层次分析法计算指标组合权重，层次分析法计算准则层主观权重，熵权法确定指标层客观权重。

(3) 利用上述的水资源调控方案评价模型对瓯江中上游流域15个调控方案进行了评价，通过计算分析得出，瓯江中上游流域水资源调控的最优方案为“北洪南调隧洞+南水北引+工农业节水+产业结构调整+生态调度”，可充分利用该流域水资源，将洪水资源化，化劣势为优势，实现流域社会、经济、环境的协调发展。通过与传统评价方法的评价结果对比验证，证明本文提出的指标体系构建方法和综合评价模型是合理可行的，可用于流域水资源调控方案的评价和优选。

[1] 吴泽宁，曹 茜，王海政，等. 黄河流域水资源多维调控效果评价指标体系[J]. 人民黄河，2005，27(1): 36-38.

[2] 左东启，戴树声，袁汝华，等. 水资源评价指标体系研究[J]. 水科学进展， 1996，7(4): 88-95.

[3] 崔振才，田文苓. 区域水资源与社会经济协调发展评价指标体系研究[J]. 河北工程技术高等专科学校学报，2002，(1): 15-19.

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[11]门宝辉，赵燮京，梁 川. 多目标决策灰色关联投影法在水利工程开发中的应用[J]. 武汉大学学报(工学版)，2003，36(4): 36-39.

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[13]杨丽美. 天津市水资源配置方案评价研究[D]. 天津：天津大学, 2007.

(编辑：陈 敏)

Evaluation Model of Water Resources Regulation andControl Schemes Based on Improved Index System

MENG Ying, TANG De-shan, SHI Lan-xing, WANG Xiao-lin

(College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

In the aim of optimizing the water resources regulation and control in the middle and upper reaches of Oujiang river, an index system which contains advantageous indexes and defective indexes is proposed according to the current situation of the basin. The weights are calculated by combining entropy method which determines objective weights and Analytic Hierarchy Process which determines subjective weights, hence experts’ opinions are taken into consideration and one-sidedness of single-weighting is avoided. Furthermore, a grey evaluation model on regulation and control schemes is built in association with Grey Relation Degree, and the optimal regulation and control scheme is calculated. The present index system and model are verified reasonable and practicable through comparison with other methods. The improved index system simplifies the traditional index system and makes the evaluation more targeted. As a result, the evaluation model based on it could be applied to the middle and upper reaches of Oujiang River, and provides a new idea of optimizing regulation and control schemes for other basins.

middle and upper reaches of Oujiang river; water resources regulation and control; improved index system; grey comprehensive evaluation model; scheme optimization

2016-03-08;

2016-04-22

孟 颖(1991- )，女，浙江绍兴人，硕士研究生，研究方向为水利水电工程规划，(电话)15151822196(电子信箱)shangkezu@163.com。

唐德善(1955- )，男，江苏泰州人，教授，博士生导师，研究方向为水利水电工程、水利水电建设与管理、管理科学与工程和技术经济及管理，(电话)13915969926(电子信箱)Tds808@163.com。

10.11988/ckyyb.20160191

2017,34(5):9-13

TV213.4

A

1001-5485(2017)05-0009-05