基于AHM-CRITIC赋权的城市综合节水水平评价研究
张晓斌 傅渝亮 汪顺生 赵青青
摘要：
针对采用传统单一赋权方法进行节水评价存在的缺陷，将AHM主观权重和CRITIC客观权重相耦合，并构建了基于水资源紧缺程度、城市节水效率、城市节水管理程度和城市环境保护程度的城市节水综合评价指标体系;在此基础上，建立了基于AHM-CRITIC赋权法的城市综合节水水平评判模型。以郑州市为例，评判了郑州市2010～2015年以及近-中-远期（2020，2022年和2035年）的城市综合节水水平。结果表明：① 在2010～2015年期间，郑州市城市节水情况相对较好，为中等水平，主要是管网漏损率较高、城市供水有效利用率较低限制了综合节水水平的提高;然而随着科技水平的提升和有关政策的落实，可显著提高节水效率、节水管理以及水环境保护程度。② 预测2020，2022年和2035年的综合节水水平标准可达到良好阶段。研究成果可为建立城市节水管控一体化长效机制、评判及预测城市综合节水水平提供理论基础和决策依据。
关 键 词：
城市节水; 综合评判; 控制水平; AHM-CRITIC赋权法; 用水控制目标; 郑州市
中图法分类号：
N945.16
文献标志码：
A
DOI：
10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.017
0 引 言
城市作为社会可持续发展的一个基本结构，其经济和社会的长足发展、生态环境的平衡及其保护，在很大程度上取决于水资源、给水排水（含污水处理-水污染控）和能源等设施的发展水平[1]。随着现代化城市的发展，经济社会的持续增长和人口数量的不断增加，居民生活用水量逐年上涨，使中国缺水地区的范围日益扩大，城市可利用水资源越来越匮乏[2]。20世纪90年代初期，中国城市节水工作即引起政府广泛关注，节水工作得到突破，成绩斐然，城市水资源不充足的现象得到很大的缓解，但从整体来看，供水缺口还在持续扩大，形势并未得到好转，处于严峻的位置[3]。同时，水体污染依然持续，造成水资源短缺愈发的紧张[4-5]。
为落实习近平生态文明思想，缓解城市水资源的供需矛盾，深入贯彻“节水优先”方针，推动形成城市绿色发展方式和生活方式，国家出台了一系列节水政策举措，从国家对城市用水总量和用水效率管控等基本要求出发，把城市节约用水作为水资源开发利用的前提，提高城市用水效率，促进水资源节约、保护和利用，改善城市水环境，实现城市水资源可持续利用和经济社会可持续发展的目标。特别是在明确城市节水评价的内容、技术方法与有关标准，增强节水评价工作的科学性与可操作性等方面作出了相关规定，其中，GB/T28284-2012《节水型社会评价指标体系和评价方法》规定评价指标体系可分为综合性指标、农业用水指标、工业用水指标、生活用水指标等七大类内容，共26个评价指标[6]，为完善城市节水评价制度建设、建设节水型城市有着十分深远的战略意义。
国内的研究热点集中在节水型城市的评价及与之相匹配的指标体系建立及评价方法等方面。刘家宏[7]等认为，城市合理控制用水是开展城市节水的关键指标，从气候、经济发展情况等角度出发，构建出相应的数学模型，以此对城市生活用水展开研究。谭海鸥[8]等认为，需要从多个角度出发，其中包括管理措施节水率、规划用水经济技术水平、节水量等建立城市节水现状评价综合指标体系;桑广新[9]以此为基础，融入了层次分析的方法（Analytic Hierarchy Process，AHP），赋予各项指标相应的数值，对城市节水现状评价提供有益借鉴。
在赋权方法选择方面的研究，目前主要是主观赋值方法，不仅对评价者具备的专业素养提出了更高要求，而且在计算运用方面工作量也较大;另一方面，由于指标之间客观存在变异情况，评价时容易忽略指标变异大小及其冲突性对权重确定的影响。因此，本文以郑州市为例，结合AHM法和CRITIC法加权赋值，构建基于AHM-CRITIC赋权的节水评价模型，并以2010～2015年为基准年，对郑州市节水水平进行评判;同时，对郑州市近-中-远期（2020，2022年和2035年）的城市综合节水水平进行预测，使得加权值的确定更为科学有效。
1 研究方法
1.1 AHM-CRITIC权重赋值
1.1.1 AHM赋权
AHM （Attribute Hierarchical Model），属性层次模型，是以层次分析法（AHP）为基础而提出的，通过各项指标的一一对比，进而确定出所有指标的排序[10]。AHM的赋权步骤一般求解过程如下。
（1） 权重分析。本次研究当中，以萨蒂（Saaty）9级标度法为主，通过专家评分的方法得到n阶AHP判别矩阵 K =（kij）n×n，其中kij表示衡量要素i与要素j之间的重要性。
（2） 属性判别矩阵构造。
在AHM中，相對属性lij构成n阶属性判别矩阵 L =（lij）n×n，且相对属性lij与标度kij之间具有式（1）的转换关系：
lij= βm βm+1 kij=m i≠j 1 βm+1 kij= 1 k i≠j 0.5 kij=1 i≠j 0 kij=1 i=j （1）
式中：β为属性测度转换参数，通常取β=1或β=2;k为大于2的正整数;m为大于等于2的正整数[11]。
（3） 指标相对属性权重计算。
根据AHM计算步骤，通过式（2）计算各指标的相对属性权重WAHM。
WAHM= 2 n（n-1） n j=1 lij （2）
式中：i=1，2，…，n，n为指标的数量; n i=1 WAHM=1。
1.1.2 CRITIC权重赋值
CRITIC权重赋值法（Criteria Importance Through Inter-criteria Correlation），相对于其他方法，该方法较为客观，考虑了指标变异大小和互相之间的冲突性对权重的影响[12]。通过相关性的方式，反映出各要素间存在的冲突性，其结果更加真实、客观。其一般流程如下：
（1） 计算标准差σj。
（2） 构建相关关系数矩阵 r ij。
r ij表示在2个指标体系内（Xi、Xj）所具备的的相关常数。
（3） 求各指标的权重值WCRI：
WCRI= Cj n i Cj Cj=σj n j=1 （1-rij） （3）
1.1.3 加权权重的确定
确定主观权重WAHM和客观权重WCRI后，采用乘数合成归一法能够有效反映出各项指标的相对权重关系及其在整体中的权重占比[13]，故采用该方法求得综合权重。
WAHM-CRI= WAHMWCRI n j=1 WAHMWCRI （4）
1.2 确定隶属度函数
为了更直观地分析出城市节水情况，通过隶属函数将所有指标量化，对模糊概念予以相应推导[14]。具体隶属度方程如式（5）和式（6）所示。
F+（x）= 0 xb （5）
F-（x）= 1 xb （6）
式中：F+（x）为正指标公式;F-（x）为逆指标公式。
1.3 基于AHM-CRITIC赋权的城市节水水平模型综合评价
1.3.1 节水水平的计算
对城市节水水平的计算采用以下公式：
L= n 1 WAHM-CRIFi （7）
式中：n代表评价体系指标总数，i代表每一个指标;L反映城市节水水平评价值，L越大说明节水水平越高，反之，说明节水水平较低。
1.3.2 节水水平评价标准
根据城市发展的特点，将城市的节水现状依次分为“优、良、中、合格、差”5个等级，依次对应的评价标准数值为0.9～1.0，0.7～0.9，0.5～0.7，0.3～0.5，0～0.3，具体如表1所列。
2 案例应用
2.1 研究区域概况
郑州市是河南省会城市，市辖6个市辖区、5个县级市、1个县，是一个典型的资源型缺水城市，属北温带大陆性季风气候，境内大大小小的河流总计124条，分属于黄河和淮河两大水系[15]。
2013年，郑州市常驻人口共计919.1万人，GDP为6 201.90亿元，年均经济增长12.1%，全市水资源总量6.973 7亿m3，各种供水工程供水总量15.990 8亿m3，水资源缺水率达到了56.39%。在污水方面，排放量较高，总量达到了6.534 5亿m3，且处理效果较差，处理率仅为15.37%;在蓄水量方面，呈现出下降的趋势，由2012年的7 558万m3降低至2013年的5 490万m3。不论是在浅层地段，还是在中深层地段，均存在较为明显的地下水降落漏斗，且每年在不断扩大。从总体上看，郑州市的水资源呈紧缺态势。
2.2 评价指标构建
根据可操作性、代表化和易量化等方面考量，同时参考国家GB/T28284-2012《节水型社会评价指标体系和评价方法》评价标准，确定指标体系，但该标准的适用对象为全国范围内开展节水型社会建设的城市，存在指标过多、评价工作量大且难以契合当地实际的情况，不能较好地反映当地节水工作所取得的成果和存在的问题。因此需要从现有评价指标体系中遴选出符合研究郑州市节水特点的指标。
由于郑州市属紧缺型水资源态势，并且城市节水效率普遍偏低，城市污水排放量大，管理水平落后，为此，总体上客观评价郑州的节水水平，需要综合考虑水资源紧缺程度、城市节水效率、城市节水管理程度和城市环境保护程度等。具体评价指标体系如表2所列。
2.3 指标权重的确定及分析
赋权方法分别采用AHM、CRITIC、AHM-CRITIC三种方法确定权重，并根据式（1）～（4）进行计算，计算结果如表3所列。其指标权重值对比结果如图1所示。
由图1可以看出：相对其他准则层而言，衡量水资源紧缺程度、城市节水效率以及水环境保护程度的评价指标权重值较大。其中，以CRITIC法中的污径比权重值最大，并且达到0.62，该方法计算结果偏大，主要是考虑了2010～2015年污径比年际相对值计算得到标准差值较大，指标值变异强度较高造成的，并认为污径比所蕴含的信息量越大，而AHM法中的万元工业产值新增水量权重为最高，其权重值为0.23，可为判定节水城市产业工业耗水水平是否过大，水资源是否相对匮乏，选择了AHM-CRITIC法，且同时考虑了污径比和万元工业产值新增水量的权重，能够赋予其更多优势，并规定更多缺陷，从而获取更加准确的结果。
2.4 评价指标隶属度确定
指标隶属度是表征评价指标隶属于城市节水水平的程度，处于0～1范围内，本次基于AHM-CRITIC模型对模糊控制中模糊量的精确化的方法采用常见的获取方法[16]，各指标的隶属度分级标准如表4所列。
通过查询2010～2015年水资源公报以及鄭州市统计年鉴等相关资料，最终确定了隶属度值，如表5所列。
3 结果分析
3.1 现状水平年评价结果分析
3.1.1 综合节水水平变化规律
在确定各项指标的权重及隶属度后，采用公式（7）计算郑州市2010～2015年城市综合节水水平变化情况，结果如图2所示。
从评价结果可以看出：节水水平总体趋势逐年增加，在2012年以前，郑州市城市节水水平属于中等偏下阶段，2012年以后处于中等偏上阶段，因此，整体上呈现出逐渐上升状态，发展不断向好。2013年，其节水水平已达到峰值（0.605），但在随后的2 a中其水平略有下滑，然而城市综合节水平始终保持在中等偏上（2013～2015年）。
3.1.2 节水控制水平分析
为了推进郑州市全市节水型社会建设工程项目建设，从郑州市2012年和2013年政府工作报告可以看出：2012年，通过刘湾水厂开工建设等改造工程的开展，预计2014年完工后，城市的污水处理率可提高40%，城市污水处理能力的提高得到进一步落实;同时，启动了一批典型企业和高校节水综合技术改造工程等节水型社会建设示范工程建设，比如郑州宇通客车兴建了生产区污水处理再回用工程、改造喷淋车间循环用水工程、喷涂车间工艺水循环利用工程等。2014年预计工业用水重复利用率已达到91.0%，万元产值取水量可降低为1.70 m3;解放军信息工程学院投入专项资金改造锅炉蒸汽冷凝水系统，用作供暖系统补水，每年可节约用水近6 000 t。并且在此基础上兴建了雨水利用工程雨水窖3个，年节约用水2万t，有利于进一步规范水资源开发、利用、节约和保护活动[17]。2013年，完成了城市污水处理厂等一系列提标改造任务，并投入运行，运行工作有序推进。生态水系工程的建设，城市污水处理控制水平有效提高，因此2013年的城市综合节水水平在5 a内成效最为明显，符合预期控制。
考核年为2014年和2015年时，其城市节水水平相较2013年均有所降低，主要是因为人均供水量和城市供水有效利用率2个指标实际有所下降，根据2014年和2015年《中国水资源公报》全国人均供水用水情况统计，人均供水量低于全国水平，郑州省仅为434 m3/人（2014年）和432 m3/人（2015年）（全国2014年446.8 m3/人，全国2014年445 m3/人）;另一方面，根据相关政策要求，2014年和2015年城市供水有效利用率目标值为85%，实际利用率远低于目标值，均未达标;另外，由于郑州城市化建设步伐逐渐加快，会产生大量污水，且这些污水没有进行处理，直接向外排出，虽然当地政府加以重视，加大了污水处理池的修建，但依然无法满足污水处理的要求，对外界环境造成较大破坏，水资源配置不合理。
综上所述，2014～2015年相对2013年的城市节水水平虽有所下降，但总体仍在控制范围内，因此，指标控制应用效果总体较好，个别指标有待改进。
3.2 目标水平年评价结果分析
为贯彻党的十九大精神，全面推动社会节水，形成节水式生产方式，保障国家水安全，促进高质量发展，以《国家节水行动方案》（简称为行动方案）（2019年）为主要目标，以2015年为参考年，特别是在城市节水水平方面，分别制定了近、中、远期3个阶段的城市节水目标。
（1） 近期目标为：截至2020年，万元国内生产总值用水量（万元国内生产总值用水量=用水总量/GDP总量=人均供水量/人均GDP）和万元工业增值用水量控制2指标较2015年分别降低23%和20%，全国范围内公共供水管网漏损率控制达到10%以内。
（2） 中期目标为：截至2022年，万元工业增值用水量、万元国内生产总值用水量较2015年分别减少28%和30%，全国总用水控制力度在6 700亿m3以内。
（3） 远期目标为：截至2035年，全国用水总量趋势控制范围达到7 000亿m3以内。
根据水资源公报、行动方案等相关文件资料，对郑州市2020，2022年和2035年实际资料中各评价指标值进行调整修订，则修订后的各指标的隶属度如表6所列。
由表6可以看出：评价指标、水资源占有量、人均GDP、人均供水量、需水模数、污径比、万元工业产值新水量、综合生活用水量、节水灌溉率、城市供水有效利用率隶属度均有所提升，对近、中、远期郑州市城市节水水平L值进行计算，具体如表7所列。
由表7可以看出：郑州市近、中、远期的城市节水水平L值均达到了0.6以上，当考核年为2035年时，其L值接近0.8，当万元生产总值用水量控制在大于1 800 m3/万元、万元工业增加值用水量控制在小于50 m3/万元时，其公共供水管网漏损率控制在10%～20%以内，郑州市2020年才能满足国家节水行动方案的目标要求。根据《郑州市水资源公报》（2010年～2015年）和《中国水资源公报》（2010年～2015年）中生活用水量随年份变化基本呈线性趋势，用水总量和生活综合用水量相关性极高，并经线性拟合，结合行动方案中全国用水总量目标，最终计算出在2022年和2035年郑州市综合生活用水量应分别控制在245 L/（人·d）和342.5 L/（人·d）才能达到用水总量目标任务。
4 结论与讨论
4.1 结 论
根据郑州市的多年水资源状况和供用水等资料，在对不同年限的水资源量、用水人口、用水组成、用水量、工业用水状况、公共事业用水状况、生活用水状况和节水状况分析研究的基础上，采用基于AHM-CRITIC赋权法的模糊综合评价方法评判了2010～2015年的综合节水水平，从结果来看，郑州市城市综合节水水平处于中等阶段，能达到初步控制目标，主要原因是水资源极为短缺，同时城市管网漏损较严重;但随着郑州市城市节水效率、城市节水管理程度和环境保护程度的提高[18]，综合節水水平逐年提高，用水控制目标能有效实现，呈良性发展的趋势。
根据中国水资源公报、郑州市水资源公报以及2019年《国家节水行动方案》等相关材料，通过控制相关指标，确定了郑州市近期（2020年）、中期（2022年）、远期（2035年）城市化节水水平控制指标隶属度。在其他指标未发生变化的条件下，近期（2020年）节水控制水平可从万元生产总值用水量、万元工业增加值用水量、以及公共供水管网漏损率3个指标进行控制，具体控制值分别为万元生产总值用水量应大于1 800 m3/万元以上、万元工业增加值用水量应控制在小于50 m3/万元时，其公共供水管网漏损率应控制在10%-20%以内，节水水平才能有效提高，并可满足2020年和2022年近、中期国家节水行动方案的目标控制要求，而2022年和2035年在其他指标值未发生变化的条件下，郑州市生活综合用水量应分别控制在245 L/（人·d）和342.5L/（人·d）才能达到中、远期用水总量控制目标。
4.2 讨 论
在分析2010～2015年郑州市城市节水效率、城市节水管理程度和环境保护程度3个方面节水水平指标评价研究基础上，以2013年与其他年份进行了对比，结果发现：污径比、万元工业产值新水量、人均供水量、城市供水有效利用率、城市污水处理率、城市污水处理回用率6个指标建设水平的降低易影响郑州市整体城市综合节水水平降低的发生，应采取相关措施加强对涉及相关指标的行业部门“监管”及治理力度，由党政主要负责人牵头主导，科研单位高校单位专家参与访问与调研等多种研究形式，进行实地走访，收集城市节水“短板”问题根源，提出针对性治理和节水改革方案，完善城市节水基础建设，大力倡导城市节约用水科学技术研究，推广先进技术，提高城市节约用水科学技术水平;并尽早建立“管办分离、市场运作”为核心的城市节水管控一体化的长效机制。
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（编辑：赵秋云）
引用本文：
张晓斌，傅渝亮，汪顺生，等.
基于AHM-CRITIC赋权的城市综合节水水平评价研究
[J].人民长江，2021，52（8）：113-119.
Evaluation on urban comprehensive water saving level based on AHM-CRITIC weighting method
ZHANG Xiaobin1，FU Yuliang2，WANG Shunsheng2，ZHAO Qingqing1
（ 1.Yuncheng University，Yuncheng 044000，China; 2.School of Water Conservancy，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China ）
Abstract：
Aiming at the shortcomings of the traditional single weighting method in the study of water saving evaluation methods，we combined the AHM subjective weight and the CRITIC objective weight to construct the AHM-CRITIC couplig weighting method.Based on the degree of water resources shortage，urban water-saving efficiency，the degree of urban water-saving management and urban water environmental protection，we constructed the comprehensive evaluation index system of urban water-saving，and established the evaluation model of urban comprehensive water-saving level based on AHM-CRITIC weighting method.Taking Zhengzhou City as an example，we evaluated the comprehensive water saving level from 2010 to 2015 and near-medium-long-term （in 2020，2022 and 2035）.The results showed that during the period from 2010 to 2015，the urban water saving situation in Zhengzhou City was relatively good，which was at a medium level，however the high leakage rate of pipe network and the low effective utilization rate of urban water supply limited the improvement of comprehensive water saving level.With the improvement of science and technology and the implementation of relevant policies，water-saving efficiency，water-saving management and environmental protection could be significantly improved.It is predicted that the comprehensive water saving standards will reach a good stage in 2020，2022 and 2035.The results can provide a theoretical basis and decision-making basis for establishing an integrated long-term mechanism of urban water-saving management and control，and evaluating and predicting the urban comprehensive water-saving level.
Key words：
urban water saving;comprehensive evaluation;control level;AHM-CRITCI weighting method;water control objectives;Zhengzhou City
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