杭州城市引配水系统综合效益评价

梁小俊，楼章华，许月萍，王翠柏，屈国栋

（浙江大学水文与水资源工程研究所，310058，杭州）

城市引配水系统是以城市为依托，以水利工程为核心而构建的一类特殊的人工生态系统，兼有社会属性和自然属性两个方面，故其构成要素涉及自然、经济、社会等方面，具有社会—经济—自然复合生态系统的一切特征。随着城市化进程的加快，工、农业及生活供需水矛盾不断凸显，引发并加剧了一系列的水环境和水生态问题，而短距离引配水工程已成为缓解此矛盾最方便快捷且行之有效的方式。近年，全国陆续出现了许多城市内或城市间不同功能的引配水系统，总体来说，城市引配水系统大体可以分为供水、防洪和环境三类，但各系统常兼有多种功效。而城市引配水系统位于城市中心或贯穿整个城市，对保证居民生活、促进经济增长、维护城市环境、促进社会和谐起着至关重要的作用，因此对城市引配水系统进行综合效益评价具有十分重要的意义。

国内外学者对水资源系统综合评价做了大量研究，包括水资源可持续利用评价、水资源安全评价、水资源风险评价等，取得了许多有价值的研究成果。但现阶段引配水的研究大多数以水量、水质或者调水工程本身为研究对象，较少地综合考虑引配水工程以及周边环境所组成的社会、经济和环境系统。本文从系统论的角度出发，以杭州市运河引配水系统为研究对象，综合考虑其社会子系统、经济子系统和自然生态子系统三方面效益，对改善水质为目的的城市引配水系统的效益进行综合评价，为科学地调配水资源、改善城市水环境提供技术支持。

一、研究区概况及引配水系统

杭州市运河片区位于钱塘江流域和太湖流域的交界处，南以钱塘江为界，西北与东苕溪接壤，东面止于上塘河。该研究区属亚热带季风气候，四季分明，温和湿润，光照充足，雨量充沛。根据杭州气象站资料，研究区2003—2008年多年平均气温17.83℃，多年平均年日照数1 650.03 h，多年平均年降雨量1 158.45 mm，多年平均年降雨天数133 d。研究区占地面积823 km2，涉及上城区、下城区、拱墅区、西湖区、江干区和余杭区等6个行政区，历史悠久，名胜古迹众多，水路交通方便，工农业、旅游业发达，经济发展迅速。

但是运河片区水质污染严重，严重阻碍了运河航运、水利、居住、生态、文化、旅游六大功能的发挥。从2000年起，杭州市利用原有的水利和交通设施，实施市区河道配水，并陆续建立珊瑚沙引水工程、苕溪引水工程、三堡引水工程等从外河引水。杭州市运河引配水工程是在保证防汛安全，生产、生活用水，航运及重要区域水环境的前提下，充分利用外河（钱塘江和东苕溪）潮汐动力和清水资源，通过水闸、泵站等工程设施的调度，使运河河网内主要河道水体定向、有序流动，加快水体更新速度，改善运河内河水质的水资源调度方式。该工程从水环境修复入手，使得运河水利功能得以修复，运河文化遗产得到保护，沿河自然生态环境得到改善，沿岸居民生活满意度提高，并已成为推动杭州市经济发展的动力。运河引配水工程、运河内外自然生态、沿河社会子系统和经济子系统一起构成了杭州市运河引配水系统。

二、引配水系统综合效益评价指标体系的建立

评价指标体系的建立过程是一个运用系统思想分析问题的过程。遵守系统性、协调性、一致性、独立性、可测性、科学性和可比性原则，根据城市引配水系统的特征，结合不同子系统的个性差异，围绕城市引配水系统的功效和各子系统间相互影响，利用定性定量分析手段，建立能够准确客观地反映城市引配水系统状况的综合效益指标体系。

1.运河引配水工程对各子系统的影响分析

运河引配水工程包括灌溉工程、引水或输水工程、控制工程（闸门、翻水站等）、防洪工程、清淤工程、截污工程等，包括自然及人文保护建筑工程，对自然生态的影响有：①水文效应。如引起不同河段流速、流量和水位的变化；改变洪水状况；增加局部河段淤积，或加剧冲刷；改善水质。②水生生态效应。水文效应的改变直接影响水生生物的生存环境。水质的改善利于浮游动植物、底栖生物、鱼类等的生存繁殖；各类控制工程对河道的隔断作用，对水生生物产生负面影响。③施工、运营期影响。施工期对河道外自然环境产生负面影响，主要有植被破坏、水质污染、影响景观和人文古迹等。运营期影响主要体现在清淤、截污工程减少污染源，间接改善水质和自然环境等方面。④对上下游、左右岸影响。引水工程与节污工程使得下游水质变好，减少环境影响，提高河流美观度；沿河两岸绿地、公园、休闲场所的建设，保护生态、增加动植物种类的数量，同时提高水上娱乐价值。⑤其他影响。运河引水来自钱塘江和东苕溪，其中以钱塘江为主。运河引水对此两河流有一定的负面影响。

运河引配水工程保证生产、生活用水，对杭州市经济发展有长期的正面影响。通过满足工业需水，促进工业经济增长；水质改善可以减少工业器械的腐蚀磨损，延长使用寿命，间接减少企业成本，减少资源浪费。保证农业灌溉用水及其水质，使农田增产，农作物保质，增加农民收入，促进农村经济发展。优质充足的水资源促进了杭州市以西湖为核心的旅游产业发展。旅游业的发展促进了交通、金融及服务业等的发展，使得杭州市财政收入增加，杭州市居民总体受益。

杭州市运河引配水工程对社会子系统的影响存在短期负面影响，包括就业、受益和发展机会的不均等，可能导致社会群体之间不平等程度的扩大；征地拆迁造成移民经济受损，安置不合理导致移民生产、生活和心理上的影响等。但是，仍以长期正面影响为主，包括：①提高居民生活质量。娱乐场所增加，如公园、运动场、游乐场、博物馆等；提高水的卫生和健康质量，减少因水引起的疾病；环境变好，生活舒适度提高；就业率增加，如旅游、园林维护以及引水或输水工程、控制工程等的修建、运行和维修等带来的工作。②促进航运发展。运河引配水保证运河水量利于航运，包括旅游客运及货物运输。③促进水利教育事业发展。水利工程的修建、运行和维护，以及洪涝干旱的预测、评价及实地指挥等都需要专业人员协作，水利技术人员需求增大促进水利教育事业发展。

自然生态、经济和社会子系统的稳定、发展是运河引配水工程实施、运行、维护的重要前提和有力保证。同时，各子系统间相互影响相互制约，自然环境的改善促进经济发展、利于社会和谐；社会经济发展对自然生态提出更高的要求也造成更大的压力。

2.综合效益评价指标体系

以杭州市运河引配水系统的特征、功能以及运河引配水工程对自然生态、经济和社会子系统的影响为依据，充分考虑各子系统之间的相互关系，通过专家调研法筛选具有代表性的因子建立评价指标体系，见表1。

①自然子系统包括河道内与河道外自然生态环境。河道内水质、生态环境的改善已由水动力、水质模型进行模拟并作出相应的评价。以河道外自然环境为评价对象，重点考虑施工、运营期影响（以污染为主，即“源”），上下游、左右岸影响（以受益为主，即“汇”）选取7个评价因子。公园个数反映运河沿岸公园数目变化情况。一般来说公园个数增加，公园面积相应增大。但是，统计数据显示公园个数增加时，公园面积有时会减少，因此同时选取此两个评价因子。对影响源地的负面影响视引水量多少而定，运河引水较少，影响较小，不予考虑。②经济子系统的利润体现在工业、农业及旅游业三方面，均属于间接受益。③社会子系统的效益评价，从教育、航运与就业三个指标考虑，其中教育由水利、环境和公共设施管理的专业技术人员总数反映，具有代表性。运河水质好坏直接影响运河航运、水利、居住、生态、文化、旅游功能的发挥，影响相关行业从业人员数量，用相关失业率反映。

三、引配水系统综合效益评价方法

模糊综合评价法、集对分析评价法、灰色关联度评价法以及聚类分析法等方法均可用于评价综合效益。但模糊综合评价以模糊数学为基础，将一些边界不清、不易定量的因素定量化，能够反映城市引配水系统多指标性、模糊性等特点，更方便实用。

1.模糊综合评价模型

首先建立评判的指标集，则指标特征值矩阵为 Xm×n=（xij）m×n，xij表示该目标层第j年，第i个因子的特征值，m、n分别代表因子数和年数。

对不同的评价因子采用不同的标准化方法得到优属度矩阵 Rm×n=（rij）m×n。

应用取大运算和取小运算分别计算相对最大（最优年）优属度g=（g1，g2，…gm）T和相对最小（最劣年）优属度 b=（b1，b2，…bm）T。

计算欧式贴近度，根据其值大小对各年发展水平进行比较。

2.基于层次分析法和熵值法的指标融合权重

合理确定各因子权重对评价系统非常重要。目前，确定权重的方法有很多种，分为主观赋权法和客观赋权法。基于层次分析法和熵值法的指标融合权重，使主观和客观相结合，计算权重更加合理、真实。

（1）层次分析法确定因子主观权重

为减少专家主观色彩，选用三标度法确定判断矩阵A，经数学变换为间接判断矩阵及拟优一致矩阵，应用MATLAB中eig函数得到最大特征根及相应的最大特征向量，经归一化处理得到各因子相对于上一层相关指标的权重值。

（2）基于信息熵的专家自身权重

信息熵是信息准确度和价值的有效测度。信息量越大，不确定性越小，熵值也越小。基于信息熵的专家自身权重的确定，充分利用各专家制定判断矩阵给出的信息，避免多次打分带来的主观误差，且计算简便。

熵值越小，不确定度越小，专家的决策水平越高，给出的评分越科学。反之，熵值越大，专家给出的评价结论可信度越低，给出的评价越不科学。

（3）融合权重

各因子融合权重的计算公式为：

其中： S=[S1，S2，…SL]为专家自身权重。

W=[ω1，ω2，…ωm]为融合权重。

ωα=（wlk）T表示第 l个专家给出的第k 个因子的主观权重；l=1，2，3， …，L，共L 个专家；k=1，2，…，m，共 m 个因子。

四、运河引配水系统综合效益的模糊评价

1.各因子权重

邀请3位专家给出杭州市运河引配水系统指标体系（表1）中各个因子的两两判断矩阵，计算各因子主观权重及相应的专家自身权重，融合得到各因子权重。

表1 综合效益评价指标体系

2.综合效益模糊评价

根据《杭州市区河道配水规划》，2003年为项目初始运行年，选择作为基准年。为验证运河系统运行是否合理、有效，对2003—2008年整个系统的综合效益展开评价，有效对比各子系统的发展情况及综合效益状况。通过查阅2004—2009年《杭州市统计年鉴》和《杭州市国民经济和社会发展统计公报》，获得指标体系中各因子的原始值，经系数处理法得到受引配水系统直接影响的因子值。

结 合 W1、W2、W3及 3 个 子 系 统权重 w=[0.42，0.29，0.29]， 利用公 式（1）求得相应的欧式贴近度，如图1。

杭州市运河引配水系统以提高水质改善环境为主要目的，自然子系统效益最好，且保持稳定。运河引配水系统对经济和社会子系统的影响以长期影响为主，系统运行之初取得效益较缓，2005年后社会子系统和经济子系统的效益水平逐年提高，增长速率逐年加大。各子系统间相互影响相互制约，经济和社会发展对自然子系统造成压力，因此2003—2005年，经济和社会子系统收益较慢时，相应的自然子系统收益较快；2005年后，经济和社会子系统增长速率明显加大，但是自然子系统效益出现波动。在未来的发展中需要进一步协调自然、经济和社会子系统间的平衡，使得整个城市引配水系统健康、稳定、高效地发挥其在城市发展中的作用。

五、结 论

结合运河功能，全面分析运河引配水工程对自然、环境和经济子系统的影响及各子系统间的相互作用，针对以改善水质为目的引配水系统建立了评价指标体系。采用基于欧式贴近度的模糊综合评价模型，客观评价各年各子系统的效益水平及综合效益水平，结果显示2003—2008年以改善水质为目的杭州市运河引配水系统其经济、自然和社会子系统效益均稳定增长。其中，经济子系统效益增长速率最大，社会系统次之，自然环境效益保持在较稳定水平，增长率最小。对基于信息熵的专家自身权重法改进，采用判断矩阵的上半矩阵（不包括对角线）作为各专家的意见矩阵，避免因计算重复导致的信息熵偏大、不确定度增大、专家可信度减小的误差，使得计算权重更加客观。

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