ANP方法在南水北调工程水资源优化配置中的应用

ANP方法在南水北调工程水资源优化配置中的应用

第28卷第2期DOI:10.3969/j.issn.1003 9511.2010.02.006

水 利 经 济

2010年3月ANP方法在南水北调工程水资源优化配置中的应用

陈春林,郑垂勇

(河海大学商学院,江苏南京 210098)

摘要:水资源优化配置研究需要兼顾多个目标,科学、合理地确定多个目标的权重成为水资源优化

配置的关键。针对传统权重确定方法的不足,提出了一种新的确定权重的方法 ANP方法,并介绍了该方法的实现软件和计算步骤。以南水北调工程为例,将ANP方法应用于南水北调工程受水区水资源优化配置,计算结果与实际情况相符。

关键词:水资源;优化配置;ANP;南水北调工程

中图分类号:TV213 4 文献标识码:A 文章编号:1003 9511(2010)02 0025 03 随着人口数量的急剧膨胀和社会经济的快速发展,水资源日益短缺,水资源危机成为影响人类可持续发展的重要问题。水资源的优化配置是水资源可持续利用的前提,因此,优化配置有限的水资源成为一项十分有意义的研究课题。在水资源的优化配置过程中,通常要兼顾多个目标,而这些目标的重要性却并不完全相同。因此,水资源的优化配置研究涉及不同目标的权重问题。如何科学、合理地确定权重就成为水资源优化配置的关键。基于此,本文主要探讨一种新的确定权重的方法 ANP方法,并将该方法应用于南水北调工程受水区水资源优化配置。

[1]

的发展水平与水资源有着非常紧密的关系,因此,水资源优化配置的第一个目标就是使南水北调工程受水区的GDP最大化,用函数表示为

Z1=maxf1(X)=max

i=1

(xigi)

k

(1)

式中:xi为第i个口门配置的水量;gi为概化后第i个口门单位供水量的GDP值;k为受水区供水的总口门数。

b.通过水资源优化配置,使南水北调工程受水区的财政收入最大化。财政收入反映了政府对社会经济发展调控能力的大小,是政府进行宏观调控的基础。在南水北调工程水资源优化配置过程中,要尽可能使受水区的财政收入最大化。其函数形式为

Z2=maxf2(X)=max

收入。

c.通过水资源优化配置,使供水公司的净效益最大化。由于水资源是一种特殊的商品,具有自然属性和商品属性,在进行水资源优化配置过程中必须充分考虑到水资源的经济特性。南水北调工程受水区水资源的优化配置既要发挥政府的宏观调控作用,满足用水户的基本用水需求,又要考虑水资源供给的市场化运作,尽可能地使供水公司的净效益实现最大化。用函数表示为

Z3=maxf3(X)=max

i=1i=1

1 南水北调工程受水区水资源优化配置目标

南水北调工程是解决我国北方地区水资源严重短缺,实现水资源优化配置的特大型基础设施项目[2]。受水区水资源优化配置的总体目标是实现社会效益、经济效益以及生态环境效益的最大化。具体来说,受水区水资源优化配置主要是为了实现以下4个目标:

a.通过水资源优化配置,使南水北调工程受水区的GDP最大化。GDP是衡量一个国家、地区经济发展水平的重要指标。南水北调工程受水区在我国经济发展中具有举足轻重的地位,其GDP水平如何将直接影响我国总体的经济发展。另外,水资源是社会经济发展所必需的一种基础性战略资源,GDP

[3]

(ximi)

k

(2)

式中:mi为概化后第i个口门单位供水量的财政

(xibi)

k

(3)

作者简介:陈春林(1965 ),男,广东潮州人,高级工程师,博士研究生,主要从事资源技术经济及管理研究。

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式中:bi为概化后第i个口门供水公司的单位供水量净效益。

d.通过水资源优化配置,使南水北调工程受水区的总缺水量最小化。水资源优化配置的基本目的就是为了解决黄淮海地区的水资源短缺问题。然而,由于各种条件的限制,现有水利工程并不能完全满足受水区的水资源需求。南水北调工程受水区水资源优化配置的一个重要目标就是使受水区的总缺水量最小化。其函数形式为

Z4=minf4(X)=min (xili)

i=1k

2 1 2 ANP方法的结构

ANP方法将系统元素分为两大部分,第一部分称为控制因素层,包括问题目标及决策准则。所有的决策准则均被认为是彼此独立的,且只受目标元素支配,控制层中可以没有决策准则,但至少有一个目标,控制层中每个准则的权重均可用传统AHP方法获得。第二部分为网络层,它是由所有受控制层支配的元素组组成的,元素组由受其控制的元素组成,元素之间和元素组之间可以是相互依存、反馈的,构成相互影响的网络结构。南水北调工程受水区水资源优化配置就是要实现综合效益最大化,因此,其ANP方法结构的第一层为综合效益。另外,综合效益最大化是通过GDP最大化、财政收入最大化、供水公司净效益最大化以及总缺水量最小化这4个方面来实现的,并且它们之间又是相互影响的,因此,由GDP、财政收入、供水净效益以及缺水量构

(4)

式中:li为概化后第i个口门单位供水量的缺水量。

将以上4个目标的重要性采用权重予以表达,构成总目标函数:

Z=maxf(X)= (xigi)+ (ximi)+

i=1

i=1

k

k

(xibi)-! (xili)

i=1

i=1

kk

(5)

成网络层。

2 1 3 ANP方法的基本步骤

ANP方法的实现步骤如下:%分析问题,建立网络结构,即将决策问题进行系统的分析、组合,形成元素和元素组;&通过专家打分,对存在联系的各元素(组)之间,进行两两比较判断,构造超矩阵; 通过SD软件对超矩阵进行归一化处理,得到加权超矩阵W;(计算W幂方的极限,得超矩阵的综合排序;)得出各节点(即各元素或元素组)相对于目标的综合权重; 进行一致性检验。2 2 ANP方法的实现 SD软件

为了将复杂的ANP计算过程程序化,2001年Rozann等推出了超级决策(superdecision,SD)软件,该软件基于ANP理论,成功地将ANP的计算程序化,是ANP模型计算的有力工具,为ANP方法的推广应用奠定了基础。SD软件具有强大的功能,可以计算任意一个ANP模型并完整地表达计算结果。如果不考虑相关元素之间的关系,则该软件也可以用来计算AHP模型。

式中: , , ,!分别为相应子目标的权重,并且有: + + +!=1。

目标函数中各子目标的权重如何来确定呢?本文将利用ANP方法来确定相应的权重。

2 ANP方法基本思想及SD软件

2 1 ANP方法基本思想2 1 1 ANP方法的提出

在现有确定权重的方法中,层次分析法(AHP)是一种较为常见的方法。但是AHP方法仅仅考虑了各决策层之间的单向依赖关系,即下一层对上一层的影响,未考虑不同决策层或同一层次各元素之间的反馈关系即相互影响。在许多实际问题中,系统内部各元素之间的关系错综复杂、相互影响,各层次内部元素往往是依存的,低层元素对高层元素亦有支配作用,即存在反馈作用,因此,必须考虑层次内部元素的依存和下层元素对上层元素的这种反馈影响

[5][6]

[4]

。为了更为准确地反映客观系统的真实状

况,Satty在AHP理论的基础上,较为系统地提出了网络分析法(ANP)理论。ANP方法的特点就是在层次分析法的基础上,考虑各因素或相邻层次之间的相互影响,利用#超矩阵 对各相互作用影响的因素进行综合分析得出其混合权重[7]。南水北调工程巨大,涉及的因素错综复杂,它们之间的影响并非单向的,而是相互作用、相互影响的,形成一种网络关系,因此,在确定水资源优化配置目标各子目标权重的时候就不能用简单的传统AHP方法,而应该运用ANP方法。!

3 确定南水北调工程受水区水资源优化配置目标权重的ANP模型

a.依据ANP的基本原理和方法,借助SD软件,可以构建南水北调工程受水区水资源优化配置子目标权重的ANP网络结构,如图1所示。ANP网络结构中各箭头的指向反映了各子目标之间的相互影响关系。

b.运用内外专家群体打分法,对于各子目标的优势度进行对比打分。SD软件中提供打分界面的结果如图2所示。

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c.一致性检验结果如图3所示。从图中可以看出:不一致性指数是0 0695,小于0 1,所以通过一致性检验。

d.应用SD软件计算得出子目标权重,结果如图4所示。根据SD软件计算得出的各指标权重可知,在南水北调工程受水区水资源优化配置中,各目标的权重分别为:GDP权重为0 272089,财政收入权重为0 13725,供水公司净效益权重为0 110521,缺水量权重为0 480175

。

效益最大化的目标,应将满足受水区对水资源的需求、尽可能减少缺水量作为水资源优化配置的第一目标。事实上,缓解我国黄淮海地区水资源严重短缺正是建设南水北调工程的直接目的。由此看来,以上构建的ANP模型及其计算结果是符合实际的。

b.在受水区总缺水量最小化的情况下,通过南水北调水资源在不同受水区的配置,尽量使受水区的GDP以及财政收入最大化。缓解受水区水资源短缺归根结底的目的还在于促进受水区社会经济的协调可持续发展,而GDP和财政收入的增加是社会经济发展所不可或缺的,因此,从这个角度来看,受水区的GDP以及财政收入的最大化应作为南水北调工程水资源优化配置过程中优先考虑的第二目标。

c.在南水北调工程水资源优化配置过程中,还要适当考虑供水公司的经济利益,这与南水北调工

图1 确定目标权重的ANP

网络结构

程#准市场运作 的管理运营体制也是吻合的。

综上所述,本文所构建的南水北调工程受水区水资源优化配置ANP模型及其计算结果是比较科学合理的,可以为南水北调工程决策实践提供有益的参考和依据。参考文献:

[1]SCHLUTERM,SAVITSKYAG,MCKINNEYDC,etal.Opti

图2 SD软件专家对各子目标重要性

打分结果

mizinglong termwaterallocationintheAmudaryaRiverdelta:awatermanagementmodelforecologicalimpactassessment[J].EnvironmentalModelling&Software,2005,20:529 545.

[2]水利部长江水利委员会.南水北调中线工程规划[R].

武汉:水利部长江水利委员会,2001.

[3]尹宏伟,李勇,郑垂勇.跨流域调水工程受水区水资源优

化配置的模型[J].统计与决策,2007(23):38 41.[4]SEKITANIK,TAKAHASHII.Aunifiedmodelandanalysisfor

AHPandANP[J].JournaloftheOperationsResearchSocietyofJapan,2000,44(1):67 89.

[5]TAKAHASHII.RecenttheoreticaldevelopmentsofAHPand

ANP[C]//Anon.ProceedingsoftheFifthConferenceofISAHP.Tokyo:[s.n.],1999:46 56.

图3 目标权重的ANP

模型一致性检验结果

图4 SD软件计算得出的子目标权重

[6]SAATYTL.Decisionmakingwithdependenceandfeedback

[M].Pittsburgh:RWSPublication,1996:26 67.

[7]王莲芬.网络分析法(ANP)的理论与算法[J].系统工程

理论与实践,2001(3):44 50.

(收稿日期:2009 12 20 编辑:张志琴

)

4 结 论

从以上ANP模型分析的结果可以看出:缺水量

权重最大,GDP权重次之,财政收入权重再次,权重最小的是供水公司净效益。这一结果有如下几方面的政策启示意义。

a.在南水北调工程水资源优化配置过程中,为了充分发挥工程的水资源优化配置作用,实现综合

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Applicationofanalyticnetworkprocess(ANP)inoptimalallocationofWaterResourcesforSouth to northWaterTransferProject/CHENChun lin,etal(SchoolofBusiness,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract:Theresearchesontheoptimalallocationofwaterresourcesincludevariousgoals.Howtoscientificallyandrationallydeterminetheweightsofdifferentgoalsisthekeytotheoptimalallocationofwaterresources.Withregardtotheshortcomingsofthetraditionalmethodsindeterminationoftheweights,anewmethod,analyticnetworkprocess(ANP),wasproposed.Therelevantsoftwareandprocedureswereintroduced.TheproposedANPwasappliedintheoptimalallocationofwaterresourcesinthewaterreceivingareasofSouth to NorthWaterTransferProject.AconclusionisdrawnthatthecalculateresultsoftheANPmodelagreewiththeactualones.

Keywords:waterresources;optimalallocation;ANP;South to NorthWaterTransferProject

UtilizationefficiencyofwaterresourcesinZhejiangProvince/LIUQing sheng(ZhejiangWaterConservancyandHydropowerCollege,Hangzhou310018,China)Abstract:Throughtheanalysisofthecorrelationbetweentheutilizationefficiencyofwaterresourcesandtheeconomicdevelopment,theutilizationefficiencyofwaterresourcesinZhejiangProvincefrom2000to2007wasevaluatedfrom3aspectsofproduction,agricultureandlivingbyuseofthefactoranalysismethod.Theresultsshowthatthelevelofeconomicdevelopmentandthesituationofwatershortagearethemostimportantandsignificantfactorsfortheutilizationefficiencyofwaterresources.Sincethewaterutilizationefficiencyofproductionispositivelycorrelatedwiththelevelofeconomicdevelopment,waterresourcesallocationshouldfocusontheareaswithhighmarginalutilizationefficiency.

Keywords:factoranalysis;waterresources;efficiency;evaluation

UrbanwaterpriceinChinaundermarket orientedurbanwaterservices/WANGYi ning(InstituteofGeographicScienceandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China;GraduateSchoolofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Abstract:Basedontheanalysisoftheoveralllevelofurbanwaterpricefromtheperspectiveofgeography,thetapwaterprice,waterresourcesfeeandsewagetreatmentfeeofvariouscitiesinChinawerecompared.Therelationshipbetweenthefourbasicgeographicalcharacteristics(citysize,economicdevelopmentlevel,residents+incomelevelandwaterresourceslevel)ofthecitiesandtheurbanwaterpriceaswellastheirinfluencesonthemarket orientedurbanwaterserviceswas!

demonstrated.Finally,thewaterpricereformunderthemarket orientedurbanwaterservicesinthefutureinChinawasprospected.Amulti stepwaterpriceprogramwasproposed.

Keywords:urbanwaterprice;factorforwaterprice;market orientedwaterservice;publicwaterserviceequalization

Modelforinfluencingfactorsoffarmers+willingnesstopayforirrigationwaterpricebasedonsocialcapital/ZHANGWen ming,etal(KeyLaboratoryofEfficientIrrigation DrainageandAgriculturalSoil WaterEnvironmentinSouthernChinaofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;RuralDevelopmentResearchInstitute,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract:Theinfluencingfactorsoffarmers+willingnesstopayforirrigationwaterpricewerequantitativelyanalyzedbasedonthesocialcapital.Thesocialcapitalwasquantizedbyuseofthetrustindexandthemutualityindex.Theguidancetechniqueoffarmers+willingnesstopaywasimprovedbycombiningtheopenquestionnaireswiththedichotomouschoiceones.Aquantitativeanalysismodelwasestablishedbyadoptingthemultiplelinearregressionmethod.TakingZaoheIrrigationDistrictasacasestudy,theinfluencesofvariousfactorsonthefarmers+willingnesstopayforirrigationwaterpricewereinvestigatedbasedonthebasicdatabyusingquestionnaires.Theresultsshowthatthesocialcapitalisoneofthemostimportantfactorsforfarmers+willingnesstopayforirrigationwaterprice.Otherfactorssuchasthenumberoffamilyworkforces,thecultivatedarea,thetimelinessofwatersupplyandtheworkingabilityofwateradministratorsalsohavesignificantinfluences.Moreattentionshouldbepaidtothefarmers+socialcapitalandtheservicelevelofwatersupplyintheirrigationdistrictsshouldbeimproveforthereformofirrigationwaterprice.Keywords:irrigationwaterprice;contingentvaluationmethod;willingnesstopay;socialcapital

Transferpriceofwaterrightsofreservoirs/LIYu kang,etal(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,ShandongAgriculturalUniversity,Tai+an271018,China)

Abstract:ThetransferofwaterrightsofreservoirsinChinawasanalyzedbasedonthedepictionofwaterrightsandwaterrightsofreservoirs.7componentfactorsforthetransferpriceofwaterrightsofreservoirswereproposed:waterpriceforresources,waterpriceforprojects,waterpriceforcostofwatersavingprojectsintransferofwaterrights,waterpriceforagriculturalcompensation,waterpriceforecologicalcompensation,taxandprofit.Theabovefactorswerediscussed,andthecorrespondingmodelstocalculatethewaterpriceswereputforward.Keywords:reservoir;waterright;transferofwaterright

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