杭州城市引配水系統(tǒng)綜合效益評價

梁小俊，樓章華，許月萍，王翠柏，屈國棟

（浙江大學(xué)水文與水資源工程研究所，310058，杭州）

城市引配水系統(tǒng)是以城市為依托，以水利工程為核心而構(gòu)建的一類特殊的人工生態(tài)系統(tǒng)，兼有社會屬性和自然屬性兩個方面，故其構(gòu)成要素涉及自然、經(jīng)濟、社會等方面，具有社會—經(jīng)濟—自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的一切特征。隨著城市化進程的加快，工、農(nóng)業(yè)及生活供需水矛盾不斷凸顯，引發(fā)并加劇了一系列的水環(huán)境和水生態(tài)問題，而短距離引配水工程已成為緩解此矛盾最方便快捷且行之有效的方式。近年，全國陸續(xù)出現(xiàn)了許多城市內(nèi)或城市間不同功能的引配水系統(tǒng)，總體來說，城市引配水系統(tǒng)大體可以分為供水、防洪和環(huán)境三類，但各系統(tǒng)常兼有多種功效。而城市引配水系統(tǒng)位于城市中心或貫穿整個城市，對保證居民生活、促進經(jīng)濟增長、維護城市環(huán)境、促進社會和諧起著至關(guān)重要的作用，因此對城市引配水系統(tǒng)進行綜合效益評價具有十分重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者對水資源系統(tǒng)綜合評價做了大量研究，包括水資源可持續(xù)利用評價、水資源安全評價、水資源風(fēng)險評價等，取得了許多有價值的研究成果。但現(xiàn)階段引配水的研究大多數(shù)以水量、水質(zhì)或者調(diào)水工程本身為研究對象，較少地綜合考慮引配水工程以及周邊環(huán)境所組成的社會、經(jīng)濟和環(huán)境系統(tǒng)。本文從系統(tǒng)論的角度出發(fā)，以杭州市運河引配水系統(tǒng)為研究對象，綜合考慮其社會子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)和自然生態(tài)子系統(tǒng)三方面效益，對改善水質(zhì)為目的的城市引配水系統(tǒng)的效益進行綜合評價，為科學(xué)地調(diào)配水資源、改善城市水環(huán)境提供技術(shù)支持。

一、研究區(qū)概況及引配水系統(tǒng)

杭州市運河片區(qū)位于錢塘江流域和太湖流域的交界處，南以錢塘江為界，西北與東苕溪接壤，東面止于上塘河。該研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，溫和濕潤，光照充足，雨量充沛。根據(jù)杭州氣象站資料，研究區(qū)2003—2008年多年平均氣溫17.83℃，多年平均年日照數(shù)1 650.03 h，多年平均年降雨量1 158.45 mm，多年平均年降雨天數(shù)133 d。研究區(qū)占地面積823 km2，涉及上城區(qū)、下城區(qū)、拱墅區(qū)、西湖區(qū)、江干區(qū)和余杭區(qū)等6個行政區(qū)，歷史悠久，名勝古跡眾多，水路交通方便，工農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)發(fā)達，經(jīng)濟發(fā)展迅速。

但是運河片區(qū)水質(zhì)污染嚴(yán)重，嚴(yán)重阻礙了運河航運、水利、居住、生態(tài)、文化、旅游六大功能的發(fā)揮。從2000年起，杭州市利用原有的水利和交通設(shè)施，實施市區(qū)河道配水，并陸續(xù)建立珊瑚沙引水工程、苕溪引水工程、三堡引水工程等從外河引水。杭州市運河引配水工程是在保證防汛安全，生產(chǎn)、生活用水，航運及重要區(qū)域水環(huán)境的前提下，充分利用外河（錢塘江和東苕溪）潮汐動力和清水資源，通過水閘、泵站等工程設(shè)施的調(diào)度，使運河河網(wǎng)內(nèi)主要河道水體定向、有序流動，加快水體更新速度，改善運河內(nèi)河水質(zhì)的水資源調(diào)度方式。該工程從水環(huán)境修復(fù)入手，使得運河水利功能得以修復(fù)，運河文化遺產(chǎn)得到保護，沿河自然生態(tài)環(huán)境得到改善，沿岸居民生活滿意度提高，并已成為推動杭州市經(jīng)濟發(fā)展的動力。運河引配水工程、運河內(nèi)外自然生態(tài)、沿河社會子系統(tǒng)和經(jīng)濟子系統(tǒng)一起構(gòu)成了杭州市運河引配水系統(tǒng)。

二、引配水系統(tǒng)綜合效益評價指標(biāo)體系的建立

評價指標(biāo)體系的建立過程是一個運用系統(tǒng)思想分析問題的過程。遵守系統(tǒng)性、協(xié)調(diào)性、一致性、獨立性、可測性、科學(xué)性和可比性原則，根據(jù)城市引配水系統(tǒng)的特征，結(jié)合不同子系統(tǒng)的個性差異，圍繞城市引配水系統(tǒng)的功效和各子系統(tǒng)間相互影響，利用定性定量分析手段，建立能夠準(zhǔn)確客觀地反映城市引配水系統(tǒng)狀況的綜合效益指標(biāo)體系。

1.運河引配水工程對各子系統(tǒng)的影響分析

運河引配水工程包括灌溉工程、引水或輸水工程、控制工程（閘門、翻水站等）、防洪工程、清淤工程、截污工程等，包括自然及人文保護建筑工程，對自然生態(tài)的影響有：①水文效應(yīng)。如引起不同河段流速、流量和水位的變化；改變洪水狀況；增加局部河段淤積，或加劇沖刷；改善水質(zhì)。②水生生態(tài)效應(yīng)。水文效應(yīng)的改變直接影響水生生物的生存環(huán)境。水質(zhì)的改善利于浮游動植物、底棲生物、魚類等的生存繁殖；各類控制工程對河道的隔斷作用，對水生生物產(chǎn)生負(fù)面影響。③施工、運營期影響。施工期對河道外自然環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，主要有植被破壞、水質(zhì)污染、影響景觀和人文古跡等。運營期影響主要體現(xiàn)在清淤、截污工程減少污染源，間接改善水質(zhì)和自然環(huán)境等方面。④對上下游、左右岸影響。引水工程與節(jié)污工程使得下游水質(zhì)變好，減少環(huán)境影響，提高河流美觀度；沿河兩岸綠地、公園、休閑場所的建設(shè)，保護生態(tài)、增加動植物種類的數(shù)量，同時提高水上娛樂價值。⑤其他影響。運河引水來自錢塘江和東苕溪，其中以錢塘江為主。運河引水對此兩河流有一定的負(fù)面影響。

運河引配水工程保證生產(chǎn)、生活用水，對杭州市經(jīng)濟發(fā)展有長期的正面影響。通過滿足工業(yè)需水，促進工業(yè)經(jīng)濟增長；水質(zhì)改善可以減少工業(yè)器械的腐蝕磨損，延長使用壽命，間接減少企業(yè)成本，減少資源浪費。保證農(nóng)業(yè)灌溉用水及其水質(zhì)，使農(nóng)田增產(chǎn)，農(nóng)作物保質(zhì)，增加農(nóng)民收入，促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展。優(yōu)質(zhì)充足的水資源促進了杭州市以西湖為核心的旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展。旅游業(yè)的發(fā)展促進了交通、金融及服務(wù)業(yè)等的發(fā)展，使得杭州市財政收入增加，杭州市居民總體受益。

杭州市運河引配水工程對社會子系統(tǒng)的影響存在短期負(fù)面影響，包括就業(yè)、受益和發(fā)展機會的不均等，可能導(dǎo)致社會群體之間不平等程度的擴大；征地拆遷造成移民經(jīng)濟受損，安置不合理導(dǎo)致移民生產(chǎn)、生活和心理上的影響等。但是，仍以長期正面影響為主，包括：①提高居民生活質(zhì)量。娛樂場所增加，如公園、運動場、游樂場、博物館等；提高水的衛(wèi)生和健康質(zhì)量，減少因水引起的疾??；環(huán)境變好，生活舒適度提高；就業(yè)率增加，如旅游、園林維護以及引水或輸水工程、控制工程等的修建、運行和維修等帶來的工作。②促進航運發(fā)展。運河引配水保證運河水量利于航運，包括旅游客運及貨物運輸。③促進水利教育事業(yè)發(fā)展。水利工程的修建、運行和維護，以及洪澇干旱的預(yù)測、評價及實地指揮等都需要專業(yè)人員協(xié)作，水利技術(shù)人員需求增大促進水利教育事業(yè)發(fā)展。

自然生態(tài)、經(jīng)濟和社會子系統(tǒng)的穩(wěn)定、發(fā)展是運河引配水工程實施、運行、維護的重要前提和有力保證。同時，各子系統(tǒng)間相互影響相互制約，自然環(huán)境的改善促進經(jīng)濟發(fā)展、利于社會和諧；社會經(jīng)濟發(fā)展對自然生態(tài)提出更高的要求也造成更大的壓力。

2.綜合效益評價指標(biāo)體系

以杭州市運河引配水系統(tǒng)的特征、功能以及運河引配水工程對自然生態(tài)、經(jīng)濟和社會子系統(tǒng)的影響為依據(jù)，充分考慮各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，通過專家調(diào)研法篩選具有代表性的因子建立評價指標(biāo)體系，見表1。

①自然子系統(tǒng)包括河道內(nèi)與河道外自然生態(tài)環(huán)境。河道內(nèi)水質(zhì)、生態(tài)環(huán)境的改善已由水動力、水質(zhì)模型進行模擬并作出相應(yīng)的評價。以河道外自然環(huán)境為評價對象，重點考慮施工、運營期影響（以污染為主，即“源”），上下游、左右岸影響（以受益為主，即“匯”）選取7個評價因子。公園個數(shù)反映運河沿岸公園數(shù)目變化情況。一般來說公園個數(shù)增加，公園面積相應(yīng)增大。但是，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示公園個數(shù)增加時，公園面積有時會減少，因此同時選取此兩個評價因子。對影響源地的負(fù)面影響視引水量多少而定，運河引水較少，影響較小，不予考慮。②經(jīng)濟子系統(tǒng)的利潤體現(xiàn)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及旅游業(yè)三方面，均屬于間接受益。③社會子系統(tǒng)的效益評價，從教育、航運與就業(yè)三個指標(biāo)考慮，其中教育由水利、環(huán)境和公共設(shè)施管理的專業(yè)技術(shù)人員總數(shù)反映，具有代表性。運河水質(zhì)好壞直接影響運河航運、水利、居住、生態(tài)、文化、旅游功能的發(fā)揮，影響相關(guān)行業(yè)從業(yè)人員數(shù)量，用相關(guān)失業(yè)率反映。

三、引配水系統(tǒng)綜合效益評價方法

模糊綜合評價法、集對分析評價法、灰色關(guān)聯(lián)度評價法以及聚類分析法等方法均可用于評價綜合效益。但模糊綜合評價以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，能夠反映城市引配水系統(tǒng)多指標(biāo)性、模糊性等特點，更方便實用。

1.模糊綜合評價模型

首先建立評判的指標(biāo)集，則指標(biāo)特征值矩陣為 Xm×n=（xij）m×n，xij表示該目標(biāo)層第j年，第i個因子的特征值，m、n分別代表因子數(shù)和年數(shù)。

對不同的評價因子采用不同的標(biāo)準(zhǔn)化方法得到優(yōu)屬度矩陣 Rm×n=（rij）m×n。

應(yīng)用取大運算和取小運算分別計算相對最大（最優(yōu)年）優(yōu)屬度g=（g1，g2，…gm）T和相對最?。ㄗ盍幽辏﹥?yōu)屬度 b=（b1，b2，…bm）T。

計算歐式貼近度，根據(jù)其值大小對各年發(fā)展水平進行比較。

2.基于層次分析法和熵值法的指標(biāo)融合權(quán)重

合理確定各因子權(quán)重對評價系統(tǒng)非常重要。目前，確定權(quán)重的方法有很多種，分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法?；趯哟畏治龇ê挽刂捣ǖ闹笜?biāo)融合權(quán)重，使主觀和客觀相結(jié)合，計算權(quán)重更加合理、真實。

（1）層次分析法確定因子主觀權(quán)重

為減少專家主觀色彩，選用三標(biāo)度法確定判斷矩陣A，經(jīng)數(shù)學(xué)變換為間接判斷矩陣及擬優(yōu)一致矩陣，應(yīng)用MATLAB中eig函數(shù)得到最大特征根及相應(yīng)的最大特征向量，經(jīng)歸一化處理得到各因子相對于上一層相關(guān)指標(biāo)的權(quán)重值。

（2）基于信息熵的專家自身權(quán)重

信息熵是信息準(zhǔn)確度和價值的有效測度。信息量越大，不確定性越小，熵值也越小。基于信息熵的專家自身權(quán)重的確定，充分利用各專家制定判斷矩陣給出的信息，避免多次打分帶來的主觀誤差，且計算簡便。

熵值越小，不確定度越小，專家的決策水平越高，給出的評分越科學(xué)。反之，熵值越大，專家給出的評價結(jié)論可信度越低，給出的評價越不科學(xué)。

（3）融合權(quán)重

各因子融合權(quán)重的計算公式為：

其中： S=[S1，S2，…SL]為專家自身權(quán)重。

W=[ω1，ω2，…ωm]為融合權(quán)重。

ωα=（wlk）T表示第 l個專家給出的第k 個因子的主觀權(quán)重；l=1，2，3， …，L，共L 個專家；k=1，2，…，m，共 m 個因子。

四、運河引配水系統(tǒng)綜合效益的模糊評價

1.各因子權(quán)重

邀請3位專家給出杭州市運河引配水系統(tǒng)指標(biāo)體系（表1）中各個因子的兩兩判斷矩陣，計算各因子主觀權(quán)重及相應(yīng)的專家自身權(quán)重，融合得到各因子權(quán)重。

表1 綜合效益評價指標(biāo)體系

2.綜合效益模糊評價

根據(jù)《杭州市區(qū)河道配水規(guī)劃》，2003年為項目初始運行年，選擇作為基準(zhǔn)年。為驗證運河系統(tǒng)運行是否合理、有效，對2003—2008年整個系統(tǒng)的綜合效益展開評價，有效對比各子系統(tǒng)的發(fā)展情況及綜合效益狀況。通過查閱2004—2009年《杭州市統(tǒng)計年鑒》和《杭州市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，獲得指標(biāo)體系中各因子的原始值，經(jīng)系數(shù)處理法得到受引配水系統(tǒng)直接影響的因子值。

結(jié) 合 W1、W2、W3及 3 個 子 系 統(tǒng)權(quán)重 w=[0.42，0.29，0.29]， 利用公 式（1）求得相應(yīng)的歐式貼近度，如圖1。

杭州市運河引配水系統(tǒng)以提高水質(zhì)改善環(huán)境為主要目的，自然子系統(tǒng)效益最好，且保持穩(wěn)定。運河引配水系統(tǒng)對經(jīng)濟和社會子系統(tǒng)的影響以長期影響為主，系統(tǒng)運行之初取得效益較緩，2005年后社會子系統(tǒng)和經(jīng)濟子系統(tǒng)的效益水平逐年提高，增長速率逐年加大。各子系統(tǒng)間相互影響相互制約，經(jīng)濟和社會發(fā)展對自然子系統(tǒng)造成壓力，因此2003—2005年，經(jīng)濟和社會子系統(tǒng)收益較慢時，相應(yīng)的自然子系統(tǒng)收益較快；2005年后，經(jīng)濟和社會子系統(tǒng)增長速率明顯加大，但是自然子系統(tǒng)效益出現(xiàn)波動。在未來的發(fā)展中需要進一步協(xié)調(diào)自然、經(jīng)濟和社會子系統(tǒng)間的平衡，使得整個城市引配水系統(tǒng)健康、穩(wěn)定、高效地發(fā)揮其在城市發(fā)展中的作用。

五、結(jié) 論

結(jié)合運河功能，全面分析運河引配水工程對自然、環(huán)境和經(jīng)濟子系統(tǒng)的影響及各子系統(tǒng)間的相互作用，針對以改善水質(zhì)為目的引配水系統(tǒng)建立了評價指標(biāo)體系。采用基于歐式貼近度的模糊綜合評價模型，客觀評價各年各子系統(tǒng)的效益水平及綜合效益水平，結(jié)果顯示2003—2008年以改善水質(zhì)為目的杭州市運河引配水系統(tǒng)其經(jīng)濟、自然和社會子系統(tǒng)效益均穩(wěn)定增長。其中，經(jīng)濟子系統(tǒng)效益增長速率最大，社會系統(tǒng)次之，自然環(huán)境效益保持在較穩(wěn)定水平，增長率最小。對基于信息熵的專家自身權(quán)重法改進，采用判斷矩陣的上半矩陣（不包括對角線）作為各專家的意見矩陣，避免因計算重復(fù)導(dǎo)致的信息熵偏大、不確定度增大、專家可信度減小的誤差，使得計算權(quán)重更加客觀。

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