CN116263903A - 一种基于全生命周期的生活节水综合效益评估指标体系及评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于全生命周期的生活节水综合效益评估指标体系及评估方法,指标体系中包括目标层、准则层和指标层三个层次;指标层中包括节水费效比指标。评估方法包括如下步骤:确定评估对象;评估指标选取;收集基础资料;指标量化计算;综合权重计算;对各层指标进行综合评估分析;评估结果应用。本发明中的指标体系能充分反映全生命周期视角下、包含节水成效与节水收益双维度的生活节水综合效益内涵,并创新提出节水费效比指标的内涵和计算方法,可将具有外部性的节水收益量化。本发明还构建了采用本发明中的指标体系的通用评估方法,可实现从取水‑供水‑用水‑排水‑回用的全生命周期、全链条、全过程的精准评估。
Description
技术领域
本发明涉及生活节水综合效益评估领域,尤其是涉及一种基于全生命周期的生活节水综合效益评估指标体系及评估方法。
背景技术
极端气候影响和经济社会高速发展背景下,我国水资源供需矛盾日益突出,如2022年长江全流域遭遇61年最严重干旱,强化生活节水是应对旱情的重要举措。生活节水工作开始于上世纪70年代末80年代初,我国北方一些城市和地区出现供水形势紧张局面,节水作为一种有效缓解措施得到广泛重视和采用,并随着节水型社会建设向全国纵深推进。传统的生活节水主要是指减少输配水环节的损耗、使用节水型器具和改变生活用水习惯等行为;随着对节水概念理解的不断深入,越来越多专家学者及管理人员认识到节水包括“取水-供水-用水-排水-回用”等全过程、各环节中,采用经济、技术和管理等措施,减少水的消耗,提高用水效率的各类活动。
生活节水链条长、涉及部门多,在经济、社会、生态等方面具有明显效益,但目前对于生活节水综合效益缺乏有效的评估方法,存在效益不明晰、工作评价不全面等问题,困扰当前生活节水工作的深入推进。尤其对于南方丰水地区来说,节水的迫切性和水资源制约不突出,因为缺少对生活节水效益全生命周期和全维度的定量评估,导致对于节水的工作重要性认识不足,难以驱动全社会节水的主动性。
目前国内外对于节水的综合效益内涵和定量评估方法研究较少,已有的研究从评价环节来看,更多关注利用(用水管理)环节,忽略了开发(取水管理、供水管理)和再生利用(排水管理、回用管理)阶段,特别是较少考虑节水和污水再生利用的协同作用;从评价内容来看,大多评价只关注节水量、节水效率和直接经济效益,忽视了社会效益和环境效益等间接效益。为适应生活节水工作推进、管理和评估需要,本发明提出一种基于全生命周期的生活节水综合效益评估指标体系及评估方法,实现从取水-供水-用水-排水-回用的全生命周期节水效益精准评估和节水收益货币化评估,可以为我国特别是南方地区推动节水行动、水资源循环利用和经济社会转型发展起到积极作用。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中缺乏有效评估生活节水综合效益的方法的问题,提供一种基于全生命周期的生活节水综合效益评估指标体系及评估方法,指标体系同时考虑节水成效与节水收益,能充分反映生命周期视角下、包含节水成效与收益双维度的生活节水综合效益内涵;采用该指标体系对生活节水综合效益进行评估,可实现从取水-供水-用水-排水-回用的全生命周期、全链条、全过程的精准评估与管控,推进社会经济系统和生态环境系统协同发展。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种基于全生命周期的生活节水综合效益评估指标体系,包括目标层、准则层和指标层三个层次;目标层中包括1个总体目标,准则层中包括5个准则,指标层中包括11个必选或可选指标,各指标及其选择标准和类型如下:
构建指标体系是直观反映节水效益内涵的手段,也是量化评估节水效益的基础。本发明首先将生活节水全生命周期划分为开发(取水)阶段、供给(供水)阶段、利用(用水)阶段、废弃(排水)阶段与再生利用(回用)阶段,识别每个阶段的生活节水行为及产生的节水效益内涵,依据完整性、科学性、可行性、可比性、独立性的原则,筛选出用于评估各方面节水内涵的适宜指标,构建了由“目标层-准则层-指标层”三个层次组成的指标体系。
本发明构建的评估指标体系中包含1个总体目标、5个准则和11项指标。目标层的总体目标为生命周期视角的生活节水综合效益。准则层包括节水保供、节水降损、节水增效、节水减排、节水收益五个方面。其中,前四个方面考察不同阶段的节水成效;节水收益层则表征货币化的经济效益、社会效益和生态效益,反映节水行为的经济可行性。节水保供准则层旨在反映开发阶段,通过节约用水和非常规水利用减少新鲜淡水取用量,相当于增加了发展用水的供水保障,提高了供水保证率;包括用水总量增长率1项必选指标。节水降损准则层旨在反映供给阶段,通过管网改造、工艺提升等措施减少输水、制水、供水等过程中的水量损失,从而相应减少水资源的取水量;包括原水输水损失率、水厂自用水率、管网漏损率3项必选指标。节水增效准则层旨在反映利用阶段,通过实施节水工程和节水政策等各项节水措施,抑制不合理用水需求,减少水资源消耗量,以最小的水资源投入产生较高的产出效果,达到增产增收的效益;包括万元GDP用水量、人均生活综合用水量2项必选指标和万元工业增加值用水量、灌溉水有效利用系数2项备选指标。节水减排准则层旨在反映废弃和再生利用阶段,通过减量化用水从而减少废污水排放量,再通过污水资源化从而减少污染物的直接排放,达到改善环境的效果;包括再生水利用率1项必选指标和地表水质优良率1项备选指标。节水收益准则层旨在货币化反映各项生活节水措施带来的经济、社会、环境效益,考察节水系统对国民经济的效益贡献,评价节水措施的经济可行性;包括节水费效比1项必选指标。
本发明选取的指标能代表生活用水生命周期中开发阶段、供给阶段、利用阶段、废弃阶段与再生利用阶段五个阶段的节水行为所产生的节水效益,既覆盖节水保供、节水降损、节水增效、节水减排等成效,又涵盖经济、社会、环境效益。既能科学、真实、客观地反映区域生活节水成效和效益,又能反映各项节水措施对生活节水效益的影响。并且本发明选取的指标数据可得,以定量评价为主,计算方法简便可行,具有较强的可操作性。同时,本发明选取的指标能够反映不同区域用水系统与经济-社会-环境耦合系统的差异,便于区域之间的横向比较和区域内部的纵向研究分析。指标层级之间既相互联系,具有一定的逻辑关系;同时又具有独立性,相关性较小,避免相互重叠。
因此,本发明构建的指标体系同时考虑节水成效与节水收益,能充分反映生命周期视角下、包含节水成效与收益双维度的生活节水综合效益内涵。采用本发明中的指标体系对生活节水综合效益进行评估,可采用实现从取水-供水-用水-排水-回用的全生命周期、全链条、全过程的精准评估,最终的评估结果全面、科学、可靠,对实际应用具有指导价值。
本发明还提供了一种使用上述的指标体系的生活节水综合效益评估方法,包括如下步骤:
(1)确定评估对象:绘制评估对象用水系统生命周期图,了解全生命周期视角下的生活节水各阶段特征及相应的节水行为,确定边界条件、评估时段及评估重点;生活用水的全生命周期包括开发阶段、供给阶段、利用阶段、废弃阶段与再生利用阶段;
(2)评估指标选取:评估指标的选取是评估流程中关键步骤,不同的评估对象其选取的指标也不尽相同;根据生活节水生命周期各阶段特征、评估对象自然地理和经济社会实际状况,从上述的指标体系中选取适宜指标;
(3)收集基础资料:获取各指标评估所需的相关数据和信息;
(4)指标量化计算:根据指标计算公式和评判标准,逐项计算指标值和指标赋分;
(5)综合权重计算:采用基于层次分析法和熵权法的指标权重确定方法来综合确定指标体系中各指标的权重值,最终得到各指标的综合权重;
(6)对各层指标进行综合评估分析:利用耦合费用效益分析的模糊综合评价法对生活节水效益进行综合评估分析,最终得到目标层综合赋分值和节水效益等级;
(7)评估结果应用:根据目标层综合赋分值和节水效益等级,甄别评估对象生活节水的薄弱环节。
本发明根据评估对象的用水系统在全生命周期内各阶段特征、评估对象自然地理和经济社会实际状况,选取适宜的评估指标,构建多层次的评估指标体系;通过各行业主管部门统计数据及数字监控信息,获取各指标评估所需的相关数据和信息,再根据计算公式,对各指标进行量化计算,并融合主观分析与客观评估确定各指标综合权重,最终得到科学全面的评估结果。通过得到的生活节水综合效益评估综合等级,可甄别评估对象生活节水的薄弱环节,从而对不同节水系统、节水措施和节水政策进行分析、比较和优化,并提出改进建议。实现从取水-供水-用水-排水-回用的全生命周期、全链条、全过程的精准评估与管控,推进社会经济系统和生态环境系统协同发展。
本发明采用基于层次分析法和熵权法的指标权重确定方法来综合确定指标体系中各指标的权重值,层次分析法和熵权法可对各指标的权重进行界定,既能保留不同层级指标层的评价,又能反映指标的相对重要程度。层次分析法是一种主观赋权法,受专家或个人的知识及经验影响较大,但能较为直观的解释应用;熵权法是一种客观赋权法,可以在很大程度上排除人为因素的干扰,但是由指标的统计性质来计算,容易忽略指标的重要程度。因此,本发明采用层次分析法和熵权法相结合的方法来确定指标综合权重,以确保评估结果的可靠性。
同时,本发明采用耦合费用效益分析的模糊综合评价法对生活节水效益进行综合评估分析,费用效益分析法的重点在对于成本和效益进行计算和比较,它不仅分析直接的效益和成本,还分析包含间接的成本和效益;模糊综合评价法是将定性评价转化为定量评价的一种有效方法,它的特点是能比较直观地将模糊的问题量化,并且所得结果的系统性较强,不会造成信息缺失,采用耦合费用效益分析的模糊综合评价法,可对全生命周期的所有节水成效和节水效益进行全面综合评价。
作为优选,步骤(4)中,节水费效比指标的计算公式为:
式中:N为节水费效比;Ci为第i种节水费用值,包括节水工程投资的年折旧费、运行费、设备更新费、人员管理费,单位为元;Bi为第i种节水效益值,包括经济效益B1、社会效益B2、生态环境效益B3,单位为元。对于一个给定的节水系统,若N<1,说明该系统的效益值大于费用值,节水措施具有经济价值,是经济可行的;若N>1,说明该系统的效益值小于费用值,说明节水措施在经济上是不可行的;N值越小说明效益越显著,反之说明效益越弱。
本发明创新提出节水费效比指标的内涵和计算方法,可在分析节水系统的经济效益、社会效益、环境效益的基础上,将社会效益、环境效益转换成经济效益,求和得到货币化的综合经济效益;并与节水成本对比,考察节水措施的经济可行性。特别是通过将节水产生或可能产生的社会效益和环境效益量化,可以对提升南方丰水地区节水驱动力起到正面作用。
作为优选,所述的经济效益B1包括再生水供水收益和因节水与再生水利用节省的原水、管网水水费,计算公式如下:
B1=B11+B12+B13
B11=P再生×Q再生
B12=P原×Q节1
B13=P供×Q节2
式中:B11为再生水供水收益,包括政府补贴,单位为元;B12为减少原水取用节省的水费,单位为元;B13为减少管网水取用节省的水费,单位为元;P再生为再生水价格,单位为元/吨;P原为原水价格,单位为元/吨;P供为供水价格,实行居民生活和非居民生活分类水价,单位为元/吨;Q再生为再生水利用量,单位为吨;Q节1为原水节省量,单位为吨;Q节2为管网水节省量,单位为吨。
作为优选,所述的社会效益B2包括再生水利用于工农业生产对GDP的拉动作用,计算公式如下:
式中:GDPj为第j个利用再生水的企业或单位或区域所贡献的GDP,单位为元;Q再生,j为第j个利用再生水的企业或单位或区域使用再生水量,单位为元;Q常规,j为第j个利用再生水的企业或单位或区域使用常规水量,单位为元;n为利用再生水的企业或单位或区域总数。
作为优选,所述的生态环境效益B3包括减少污染物的排放效益和减少受污染水体的修复费用,计算公式如下:
B3=B31+B32
式中:B31为减少污染物的排放效益,单位为元;B32为减少受污染水体的修复费用,单位为元;α为单位当量的排污费标准,规定值一般为0.7,单位为元;β为单位重量污染物i的处理费用,单位为元;mi为第i种污染物的浓度,单位为毫克每升;Q再生为再生水利用总量,单位为立方米;Q节为节水总量,单位为立方米;ni为污染物i的水体标准浓度;x为污染物类别总数。
作为优选,步骤(5)中各指标的综合权重的计算公式为:
式中:Wj为第j个指标的综合权重;w'j为专家权重;Qj为客观权重。
作为优选,专家权重采用层次分析法确定,将各指标按照支配关系分组形成有序的递阶层次结构,通过两两比较的方式确定层次中各因素的相对重要性,并利用判断矩阵特征向量的计算确定下层指标对上层指标的贡献程度;客观权重是根据指标层的实际评价值,利用熵权法计算各指标或准则层的权重系数。
作为优选,步骤(6)中目标层综合赋分值的计算公式为:
式中:TG为目标层综合赋分;Aj为单项指标的赋分;Wj为单项指标的综合权重得分。
作为优选,步骤(6)中节水效益等级划分如下:
因此,本发明具有如下有益效果:
(1)根据生活节水全生命周期的系统性、循环性、耦合性、外部性、动态性特点,依据完整性、科学性、可行性、可比性、独立性的原则,筛选出适宜指标,构建了由“目标层-准则层-指标层”三个层次组成的指标体系;构建的指标体系同时考虑节水成效与节水收益,能充分反映生命周期视角下、包含节水成效与收益双维度的生活节水综合效益内涵;
(2)采用本发明中的指标体系和“确定评估对象-评估指标选取-收集基础资料-指标量化计算-综合权重计算-综合评估分析-评估结果应用”七个步骤的评估方法对生活节水综合效益进行评估,可实现从取水-供水-用水-排水-回用的全生命周期、全链条、全过程的精准评估与管控,适用于不同应用场景的节水综合效益评估;
(3)采用本发明提出的节水费效比指标和计算方法,可在分析节水系统的经济效益、社会效益、环境效益的基础上,将社会效益、环境效益转换成经济效益,求和得到货币化的综合经济效益;并与节水成本对比,考察节水措施的经济可行性;特别是通过将节水产生或可能产生的社会效益和环境效益量化,可以对提升南方丰水地区节水驱动力起到正面作用;
(4)采用本发明评估方法评估得到的生活节水综合效益评估综合等级,可甄别评估对象生活节水的薄弱环节,进而反映出区域内部节水效益年际之间的纵向差异、不同区域用水系统与经济-社会-环境耦合系统的节水效益的横向差异、以及各项节水措施对生活节水效益的影响,从而对不同节水系统、节水措施和节水政策进行分析、比较和优化,并提出改进建议。
附图说明
图1是本发明生活节水综合效益评估的技术流程图。
图2是本发明生活用水生命周期阶段划分图。
图3是实施例1中义乌市城市生活节水示范区生活用水生命周期图。
图4是实施例1中义乌市城市生活节水示范区节水综合效益评估指标雷达图。
图5是实施例2中永康市农村生活节水示范区生活用水生命周期图。
图6是实施例2中永康市农村生活节水示范区节水综合效益评估指标雷达图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
总实施例:
一种基于全生命周期的生活节水综合效益评估方法,技术流程如图1所示,适用于不同应用场景,步骤为:
(1)确定评估对象:绘制评估对象的生活用水生命周期阶段划分图,如图2所示,了解全生命周期视角下的生活节水各阶段特征及相应的节水行为,确定边界条件、评估时段及评估重点;生活用水的全生命周期包括开发阶段、供给阶段、利用阶段、废弃阶段与再生利用阶段。
(2)评估指标选取:构建评估指标体系,依据评估对象的实际状况,从指标体系中选取适宜指标;评估指标体系包括目标层、准则层和指标层三个层次;目标层中包括1个总体目标:生命周期视角的生活节水综合效益;准则层和指标层中的各准则和指标如表1所示:
表1生活节水效益综合评估指标汇总表
(3)收集基础资料:采用统计资料和线上计量监控资料相结合的方式,收集评估对象的基础资料,获取项目实施以来近三年的基础数据。
(4)评估指标体系中各项指标的计算:根据指标计算公式和评判标准,逐项计算指标值和指标赋分。各指标计算公式和评价标准如下:
1)用水总量增长率。综合性指标,评价支撑同样的经济社会发展规模,实施相关节水措施之后的用水总量,较上一评价时段新鲜淡水用水总量的变化值,为负向指标。计算公式为:
式中:θ为用水总量增长率,单位为百分比;Q为评价时段用水总量,按照水资源公报统计口径计算,不包括非常规水源利用量,单位为立方米;Q0为上一评价时段用水总量,按照水资源公报统计口径计算,不包括非常规水源利用量,单位为立方米;
用水总量增长率评价标准如表2:
表1用水总量增长率评价标准
2)原水输水损失率。评价原水取水总量和自来水厂入厂水量之差占取水总量的百分比,反映原水输水效率,为负向指标。计算公式为:
式中:θ原为原水输水损失率,单位为百分比;θ原为原水取水量,单位为立方米;θ入厂为自来水厂入厂水量,单位为立方米;
原水输水损失率评价标准如表3:
表2原水输水损失率评价标准
3)水厂自用水率。评价自来水厂成品水出厂水量和自来水厂入厂水量之差占入厂水量的百分比,反映制水效率,为负向指标。计算公式为:
式中:θ水厂为水厂自用水率,单位为百分比;Q出厂为自来水厂出厂水量,单位为立方米;水厂自用水率评价标准如表4:
表3水厂自用水率评价标准
4)管网漏损率。评价自来水厂收费水量和自来水厂成品水出厂水量之差占成品水出厂水量之差的百分比,反映管网供水效率,为负向指标。计算公式为:
式中:θ管为管网漏损率,单位为百分比,可采用城市统计年鉴数据;Q收费为自来水厂收费水量,单位为立方米;
管网漏损率评价标准如表5:
表4管网漏损率评价标准
5)万元GDP用水量。评价每产生一万元地区生产总值的用水总量,综合反映通过节水提升水资源产出效益,为负向指标。计算公式为:
式中:WGDP为万元GDP用水量,单位为立方米;G为地区评价年生产总值,单位为万元;万元GDP用水量评价指标如表6:
表5万元GDP用水量评价标准
6)人均生活综合用水量。评价区域生活用水量按常住人口的平均值,综合反映生活用水效率,为负向指标。计算公式为:
式中:Q人为人均生活综合用水量,单位为升/天;Q生活为评价年生活用水量,单位为立方米;Q公共为评价年公共用水量,单位为立方米;P常为常住人口,单位为万人;
人均生活综合用水量评价标准如表7:
表6人均生活综合用水量评价标准
7)万元工业增加值用水量。评价每产生一万元工业增加值的工业用水量,当再生水利用于工业生产领域时选用,反映通过再生水利用提升水资源产出效益,为负向指标。计算公式为:
式中:W工业为万元工业增加值用水量,单位为立方米;Q工业为工业用水量,按照水资源公报统计口径计算,不包括非常规水源利用量,单位为立方米;Z工业为地区评价年工业增加值,单位为万元;
万元工业增加值用水量评价标准如表8:
表7万元工业增加值用水量评价标准
8)农田灌溉水有效利用系数。评价作物灌溉需水量占灌溉水量的比例系数,当再生水利用于农业灌溉领域时选用,反映通过再生水利用提升水资源产出效益,为正向指标。计算公式为:
式中:K灌为农田灌溉水有效利用系数;Q灌需为灌溉农作物净灌溉需水量,等于作物需水量扣除生长期的有效降水量,单位为立方米,可根据农业用水定额确定;Q灌为实际灌溉水量,单位为立方米,按取水点计量水量统计计算;
农田灌溉水有效利用系数评价标准如表9:
表8农田灌溉水有效利用系数评价标准
式中:K再生为再生水利用率,单位为百分比;Q再生为再生水利用总量,再生水是指污水经过处理后,达到一定水质要求,满足某种使用功能,可以安全、有益使用的水,单位为立方米;Q处理为污水处理总量,单位为立方米;
再生水利用率评价标准如表10:
表9再生水利用率评价标准
10)地表水质优良率。评价地表水质优于Ⅲ类水监测断面个数占监测断面总数的比例,当再生水利用于景观环境领域时选用,反映通过再生水利用改善水环境质量,为正向指标。计算公式为:
式中:K优良为地表水质优良率,单位为百分比;R优良为达到或优于地表水Ⅲ类水标准的水质监测断面个数;R总为水质监测断面总数;
地表水质优良率评价标准如表11:
表10地表水质优良率评价标准
11)节水费效比。借鉴国民经济评价方法,根据费用-效益评价模型,引入费效比指标对节水系统的费用-效益进行分析评价,为负向指标。计算公式为:
式中:N为节水费效比;Ci为第i种节水费用值,包括节水工程投资的年折旧费、运行费、设备更新费、人员管理费,单位为元;Bi为第i种节水效益值,包括经济效益B1、社会效益B2、生态环境效益B3,单位为元;
其中经济效益包括再生水供水收益和因节水与再生水利用节省的原水、管网水水费。计算公式如下:
B1=B11+B12+B13
B11=P再生×Q再生
B12=P原×Q节1
B13=P供×Q节2
式中:B11为再生水供水收益,包括政府补贴,单位为元;B12为减少原水取用节省的水费,单位为元;B13为减少管网水取用节省的水费,单位为元;P再生为再生水价格,单位为元/吨;P原为原水价格,单位为元/吨;P供为供水价格,实行居民生活和非居民生活分类水价,单位为元/吨;Q再生为再生水利用量,单位为吨;Q节1为原水节省量,单位为吨;Q节2为管网水节省量,单位为吨;
其中社会效益B2包括再生水利用于工农业生产对GDP的拉动作用,计算公式如下:
式中:GDPj为第j个利用再生水的企业或单位或区域所贡献的GDP,单位为元;Q再生,j为第j个利用再生水的企业或单位或区域使用再生水量,单位为元;Q常规,j为第j个利用再生水的企业或单位或区域使用常规水量,单位为元;n为利用再生水的企业或单位或区域总数;
其中生态环境效益B3包括减少污染物的排放效益和减少受污染水体的修复费用,计算公式如下:
B3=B31+B32
式中:B31为减少污染物的排放效益,单位为元;B32为减少受污染水体的修复费用,单位为元;α为单位当量的排污费标准,规定值在实施例中采用0.7,单位为元;β为单位重量污染物i的处理费用,单位为元;mi为第i种污染物的浓度,单位为毫克每升;Q再生为再生水利用总量,单位为立方米;Q节为节水总量,单位为立方米;ni为污染物i的水体标准浓度;x为污染物类别总数;
节水费效比评价标准如表12:
表11节水费效比评价标准
(5)综合权重计算:采用层次分析法,根据专家代表打分对各指标进行主观赋权,确定专家权重;采用熵权法,根据指标值对各指标进行客观赋权,确定客观权重;最终计算得到综合权重。
1)专家权重的计算:专家权重采用层次分析法确定。层次分析法采用“分解-判断-综合”的基本决策思维过程,把复杂的问题分解为各个组成因素,按照支配关系分组形成有序的递阶层次结构,通过两两比较的方式确定层次中各因素的相对重要性,并利用判断矩阵特征向量的计算确定下层指标对上层指标的贡献程度。层次分析法确定指标权重的步骤如下:
①建立递阶层次结构。根据评估对象的具体情况确定诊断指标,按照指标属性的不同进行分类组合,形成递阶层次结构;
②构造两两比较判断矩阵。层次结构中各层的元素可以依次相对于上一层元素进行两两比较,对其重要性赋值,据此建立判断矩阵。两个指标的相对重要程度采用1~9的标度法赋值,具体标度及含义见表13:
表13层次分析法判断矩阵标度及其含义
③确定权重系数。求判断矩阵的最大特征根λmax及其对应的特征向量W,将W归一化,可得同一层次中相应元素对于上一层次中的某个因素相对重要性的排序权值,这就是层次单排序。层次单排序的关键是如何求解判断矩阵A的最大特征根λmax及其对应的特征向量W。一般采用方根法来计算,其计算方法如下:
I)计算判断矩阵每行元素的乘积Mi:
II)计算Mi的n次方根wi:
III)归一化特征向量W=(w1,w2,...,wn)T,得权重向量W:
则w'=(w1',w2',...,wn')T,即为所求的权重向量;
④一致性检验。为了保证权重的可信度,需要对判断矩阵进行一致性检验。根据矩阵理论,在层次分析法中引入判断矩阵最大特征根以外的其余特征根的负平均值,作为衡量判断矩阵偏离一致性的指标。具体检验过程如下:
I)计算判断矩阵的最大特征根λmax:
II)计算一致性指标CI:
III)计算一致性比率CR:
式中:CR为随机一致性比率;CI为一致性指标;RI为平均随机一致性指标,RI的取值根据表14确定:
表14层次分析法判断矩阵的平均随机一致性指标RI
根据CR值与0.1进行比较,当CR<0.1时,判断矩阵具有满意的一致性,w'=(w1',w2',...,wn')T即为权重系数;否则需要重新调整判断矩阵的取值,反复上述步骤,直至具有满意的一致性为止;
准则层和指标层的专家权重系数确定方法一致,通过建立判断矩阵、量化计算、通过一致性检验,最终确定各指标和各准则层的专家权重值。
2)客观权重的计算。客观权重是根据指标层的实际评价值,利用熵权法计算各指标或准则层的权重系数。根据信息论基本原理,信息量越大,不确定性越小,熵也越小;反之,信息量越小,不确定性越大,熵也越大。可见,信息量是系统有序程度的度量,而熵则是系统无序程度的度量。所以,可以通过熵的定量计算来反映各指标的作用程度大小。熵权法是一种在综合考虑各因素所提供的信息量的基础上,计算一个综合指标的数学方法。熵权法确定权重系数的步骤如下:
①数据标准化。设m个评分人,n个评价指标,xij是第i个评分人对第j个指标的打分,是第j个指标的最高分。对于正向指标,/>越大越好;对于负向指标,/>越小越好;对于趋中性指标,/>为50。根据指标的特征,xij与/>之比称为xij对于/>的接近度,记为dij;
②确定指标信息熵。第j个评价指标的相对重要程度的不确定性由信息熵,计算公式为:
由熵的极值可知,当各个dij/dj均趋于某一固定值p时,记为dij/dj→p,即各个dij/dj均相等时信息熵就越大,从而评价指标的不确定性也就越大。当dij/dj=1时,信息熵达到最大Emax,Emax=ln m;
③确定指标熵权。用Emax对信息熵Ej进行归一化处理,则诊断指标j的评价决策重要性的熵为:
则第j个评价指标的客观权重Qj可由下式计算:
其中:
对于某项指标,可以用熵值来判断某个指标的离散程度,其信息熵值越小,指标的离散程度越大,该指标对综合评价的影响(即权重)就越大,如果某项指标的值全部相等,则该指标在综合评价中不起作用。当评价对象确定以后,可以根据熵权来对评价指标进行调整和修改,以利于得到更精确和可靠的指标体系权重。
3)综合权重的计算。为保证权重系数的合理性,在综合考虑主观因素与客观因素的基础上,将专家权重和客观权重进行综合,计算出各指标的综合权重,其计算式为:
式中:Wj为第j个指标的综合权重;w'j为专家权重;Qj为客观权重。
将熵权法与层次分析法结合,融合主观分析与客观评估,确定综合权重。基于专家权重和客观权重计算结果,根据综合权重计算公式,得到各指标综合权重。
(6)对各层指标进行综合评估分析:利用耦合费用效益分析的模糊综合评价法对生活节水效益进行综合评估分析,最终得到目标层综合赋分值和节水效益等级。
1)目标层综合计算。根据综合评估原则,对单个评价指标在体系中所在权重进行评分,并对各层级的最终得分进行汇总,最终得到节水效益的综合评估赋分,其赋分方式如下:
式中:TG为目标层综合赋分;Aj为单项指标的赋分;Wj为单项指标的综合权重得分。
2)评估等级确定。为了形象评估生活节水综合效益,将目标层综合赋分划分为5个区间,不同的区间代表不同的节水效益等级。等级划分表详见表15:
表15生活节水综合效益评估等级划分表
(7)评估结果应用:根据目标层综合赋分值和节水效益等级,绘制雷达图,甄别评估对象生活节水的薄弱环节。
实施例1(城市生活节水实施例):
一种基于全生命周期的生活节水综合效益评估方法,步骤为:
(1)确定评估对象:评估对象是城市生活节水示范区(义乌市稠江街道)生活用水系统。义乌市供用水系统较为复杂,境内水库、自来水厂、供水管网、污水处理厂均已联网,根据调研分析,绘制义乌市城市生活节水示范区生活用水生命周期图,如图3所示;其中:
①生活用水开发阶段:义乌市优质水供水系统由境内六座中型水库和域外横锦水库引水、通济桥水厂引水工程组成;
②生活用水供给阶段:主城区现有标准化水厂2座,分别为江东水厂和城北水厂;现状镇街水厂包括上溪水厂、苏溪(义北)水厂、义南水厂、佛堂水厂、大陈水厂、卫星水厂、城西等7座标准化水厂;此外,义乌市现已连通了各片区主要供水干管,形成了主要水源相互备用、相互应急的供水格局;
③生活用水利用阶段:义乌市生产与生活分质供水工程总体上由两部分组成,优质生活用水由自来水厂供给;部分市政杂用水和工业用水由义乌江水经生态水厂处理后的低品质水和再生水供给;
④生活用水废弃阶段:义乌市按照排污范围划分为8个片区,分别为:主城区、江东、后宅、佛堂、大陈、义亭、苏溪、赤岸污水处理系统,现有9座污水处理厂;
⑤生活用水再生利用阶段:尾水再生利用包括工业生产用水、市政杂用水和景观环境用水三个用途。稠江工业水厂生产高品质再生水,再生水回用于工业生产用水和市政杂用水;同时,将接近地表水准Ⅲ类标准的污水处理厂尾水进行景观环境配水。
(2)评估指标选取:由于该示范区为经济开发区所在地,再生水利用主要用于工业生产用水、市政杂用水和景观环境用水三个用途,不涉及农业灌溉用水,因此根据表1,选择除农田灌溉水有效利用系数之外的10个指标,构建“目标层-准则层-指标层”三个层次的指标体系。
(3)收集基础资料:采用统计资料和线上计量监控资料相结合的方式,收集示范区基础资料,获取项目实施以来近三年基础数据,如表16中所示:
表16:义乌市城市生活节水示范区基础信息表
从表中可见,十万人规模示范区新鲜淡水资源取用量实现了零增长。
(4)定量指标计算:根据总实施例中的指标计算公式和评判标准,逐项计算指标值和指标赋分;2020年和2021年的指标值和赋分值列于表19,其中节水效益计算结果列于表17:
表17义乌市城市生活节水示范区节水收益
由表可知,若只考虑直接经济效益,节水费效比>1,经济不可行;若考虑经济效益、社会效益和生态环境效益的情况下,节水收益远远大于节水成本,节水费效比远远<1,收益达到20~80亿元,相当可观,具有很好的经济可行性;且随着再生水利用量增加,节水收益相应增加。
(5)综合权重计算:采用基于层次分析法和熵权法的指标权重确定方法来综合确定指标体系中各指标的权重值,最终得到各指标的综合权重;结果如表18中所示;
①专家权重(层次分析法):邀请行业专家、节水管理人员、示范区民众对指标进行两两比较,建立判断矩阵,根据总实施例中的公式计算各项指标权重;并用一致性检验公式对判断矩阵进行检验,计算得λmax=5.05819,CR=0.01299,CI=0.01455,CR<1,证明判断矩阵具有满意的一致性,最终确定指标专家权重。对于义乌相对缺水地区而言,专家代表普遍认为用水总量增长率最为重要;另外,节水费效比、再生水利用率、地表水质优良率也具有较大影响;
②客观权重(熵权法):根据总实施例中的公式对义乌市城市生活节水示范区2019~2021年指标数据进行标准化处理,正向指标进行正向化处理,负向指标进行逆向化处理,得到标准化数据。利用MATLAB软件对用水总量增长率、原水输水损失率等10项指标进行客观权重计算。由熵权法基本原理可知,指标的信息熵越小,指标的离散程度越大,该指标对综合评价的影响(即权重)就越大。对于义乌示范区而言,用水总量增长率、万元GDP用水量、人均生活综合用水量、万元工业增加值用水量、节水费效比与节水行为响应明显,年际之间变化较大,相对重要;
③综合权重:将熵权法与层次分析法结合,融合主观分析与客观评估,确定综合权重。基于专家权重和客观权重计算结果,根据综合权重计算公式,得到各指标综合权重;
表18义乌市城市生活节水示范区指标体系及权重
(6)对各层指标进行综合评估分析:根据总实施例中的公式计算得义乌示范区节水综合效益评估结果,如表19中所示:
表19义乌市城市生活节水示范区节水综合效益评估结果表
从表中可知,2020年和2021年,义乌示范区节水综合效益赋分为94分和92.5分,均具有非常好的节水效益。
为了更直观展现年际间和各指标间的节水效果,绘制指标层评估雷达图,如图4所示。从图4中可以看出,2020年和2021年示范区用水总量增长率、原水输水损失率、水厂自用水率、万元GDP用水量、人均生活综合用水量、地表水质优良率、节水费效比均有非常好的表现。
相较而言,2021年的管网漏损率和万元工业增加值用水量优于2020年,2021年的再生水利用率劣于2020年。这是由于,示范区开展了深度学习与分布式在线水力模型耦合的管网漏损区域识别技术与示范,能够大大提高检漏效率和精准度,辅助减少管网漏损;再生水回用于工业生产的量从2020年的8家企业54.62万m3提高到2021年的11家企业190.79万m3,置换了大量的工业新鲜淡水使用量,提高了万元工业增加值用水量;但是由于城西河施工、楼下泵站未运行,再生水回用于景观环境配水量从2020年2649万m3的下降到2021年的1154万m3,再生水回用总量也从2020年2705万m3的下降到2021年的1345万m3,再生水利用率相应下降。通过实施例1发现,评估结果和评估对象不同年际采取的节水措施具有很好的响应关系。
(7)评估结果应用:根据评估结果和薄弱环节,建议义乌示范区重点从以下两方面持续深化城市节水和污水再生利用:①加强城市管网漏损控制,将城市供水管网漏损率控制在9%以内。②优化再生水水系激活工程。
实施例2(农村生活节水实施例):
一种基于全生命周期的生活节水综合效益评估方法,步骤为:
(1)确定评估对象:评估对象是永康市舟山镇千人规模和万人规模农村生活节水示范区生活用水系统。绘制永康市农村生活节水示范区生活用水生命周期图,如图5所示,其中:
①生活用水开发阶段:永康市舟山镇优质水供水系统由源口水库、方丘水库和指备塘水库组成;
②生活用水供给阶段:源口水厂与新楼水厂通过供水主管进行连接,用于满足舟山镇域镇区及村庄的用水需求;源口水厂水源取水地为源口水库,新楼水厂水源为方丘水库;另外,舟一村还保留单村饮用水净化工程(舟一水厂),水源为指备塘水库;
③生活用水利用阶段:目前舟山镇供水主要由源口水厂和新楼水厂进行统一供水;
④生活用水废弃阶段:千人规模示范区内包含两座原有污水处理站和一座新建联村(大路任村-新楼村)污水处理站,经过污水处理站处理过后的生活污水接入生态塘进一步净化后回用于田间灌溉;万人规模示范区内现有17座污水处理站,舟一村、舟二村、舟三村的生活污水经过污水处理终端处理后进行农田灌溉回用,其余区域的生活污水经过处理达标后直排舟山溪;
⑤生活用水再生利用阶段:千人规模示范区在舟山镇联村区(新楼村-大路任村)建成了1处以“污水再生回用+高效节水灌溉”为一体的再生水灌溉示范工程,面积225亩;万人规模示范区在舟山镇集镇区(舟三村)建成1处以“污水再生回用+高效节水灌溉+灌溉试验研究”为一体的再生水灌溉示范区,占地面积425亩。
(2)评估指标选取:舟山镇是永康市传统的农业大镇,全域不发展工业,示范区位于饮用水源保护区内,再生水利用主要用于农田灌溉用水和景观环境用水两个用途,不涉及工业生产用水,因此根据表1,选择除万元工业增加值用水量之外的10个指标,构建“目标层-准则层-指标层”三个层次的指标体系。
(3)收集基础资料:采用统计资料和线上计量监控资料相结合的方式,收集示范区基础资料,获取项目实施以来近三年基础数据,如表20中所示:
表20永康市农村生活节水示范区基础信息表
从表中可见,千人规模和万人规模示范区新鲜淡水资源取用量实现了零增长。
(4)定量指标计算:根据总实施例中的指标计算公式和评判标准,逐项计算指标值和指标赋分;2020年和2021年的指标值和赋分值列于表23,其中节水效益计算结果列于表21:
表21永康市农村生活节水示范区节水收益
由表可知,由于再生水回用于农业灌溉不收取水费,不产生直接经济效益,若只考虑直接经济效益,节水费效比>1,经济不可行;若考虑经济效益、社会效益和生态环境效益的情况下,节水收益远远大于节水成本,节水费效比远远<1,收益达到2000~7000万元,相当可观,具有很好的经济可行性;且随着再生水利用量增加,节水收益相应增加。
(5)综合权重计算:采用基于层次分析法和熵权法的指标权重确定方法来综合确定指标体系中各指标的权重值,最终得到各指标的综合权重;结果如表22中所示;
①专家权重(层次分析法):邀请行业专家、节水管理人员、示范区民众对指标进行两两比较,建立判断矩阵,根据总实施例中的公式计算各项指标权重;并用一致性检验公式对判断矩阵进行检验,计算得λmax=5.05728,CR=0.01279,CI=0.01432,CR<1,证明判断矩阵具有满意的一致性,最终确定指标专家权重。对于舟山镇源头地区而言,专家代表普遍认为地表水质优良率最为重要;另外,用水总量增长率、人均生活综合用水量也具有较大影响;
②客观权重(熵权法):根据总实施例中的公式对永康农村生活节水示范区2019~2021年指标数据进行标准化处理,正向指标进行正向化处理,负向指标进行逆向化处理,得到标准化数据。利用MATLAB软件对用水总量增长率、原水输水损失率等10项指标进行客观权重计算。由熵权法基本原理可知,指标的信息熵越小,指标的离散程度越大,该指标对综合评价的影响(即权重)就越大。对于永康示范区而言,再生水利用率、水厂自用水率、管网漏损率与节水行为响应明显,年际之间变化较大,相对重要;
③综合权重:将熵权法与层次分析法结合,融合主观分析与客观评估,确定综合权重。基于专家权重和客观权重计算结果,根据综合权重计算公式,得到各指标综合权重;
表22永康市农村生活节水示范区指标体系及权重
(6)对各层指标进行综合评估分析:根据总实施例中的公式计算得永康示范区节水综合效益评估结果,如表23中所示:
表23永康市农村生活节水示范区节水综合效益评估结果表
从表中可知,2020年,永康千人示范区和万人示范区节水综合效益赋分均为74.3分,节水效益一般;2021年,永康千人示范区和万人示范区节水综合效益赋分提高到94.1分和90.6分,证明示范区建设具有非常好的节水效益。
为了更直观展现年际间和各指标间的节水效果,绘制指标层评估雷达图,如图6所示。从图6中可以看出,2020年和2021年示范区用水总量增长率、原水输水损失率、人均生活综合用水量、地表水质优良率、节水费效比均有非常好的表现。
针对千人示范区,2021年的水厂自用水率、管网漏损率、万元GDP用水量、灌溉水有效利用系数、再生水利用率均要优于2020年。这是由于2021年示范区管网供水由单村供水工程改为新楼水厂集中供水,制水输水效率提高,水厂自用水率和管网漏损率明显降低;2021年千人规模生活污水安全利用示范工程正式运行,将处理后的农村生活污水接入生态塘进一步净化后,通过泵站经低压管道输水至田间进行精准灌溉,再生水利用率达到近74%,置换了部分农田灌溉新鲜淡水取用量,农田增产效益明显,万元GDP用水量、灌溉水有效利用系数、再生水利用率均显著提升。
针对万人示范区,节水效益提升情况与千人示范区类似,同样是由于新楼水厂与源口水厂集中供水,万人规模生活污水安全利用示范工程正式运行,2021年的水厂自用水率、管网漏损率、万元GDP用水量、灌溉水有效利用系数、再生水利用率均要优于2020年。
相比较而言,千人示范区节水效益比万人示范区更明显,这是由于万人示范区范围更广,目前只实现了舟山镇区(舟一村、舟二村、舟三村)的再生水灌溉利用,从整个示范区而言再生水利用率达到约16.4%,虽然取得了显著的节水效益,但不及千人示范区明显。通过实施例2发现,评估结果和评估对象不同年际采取的节水措施具有很好的响应关系。通过实施例1和实施例2对比发现,评估结果和不同评估对象节水系统差异具有很好的响应关系。
(7)评估结果应用:根据评估结果和薄弱环节,建议永康示范区重点从以下两方面持续深化农村节水和污水再生利用:①加强村镇管网漏损控制,将村镇供水管网漏损率控制在9%~10%。②优化再生水精准灌溉工程。针对灌溉利用的间歇性与农村生活污水排放连续性的矛盾,推广应用农村生活污水水肥资源差别化利用技术。
Claims (10)
2.一种使用如权利要求1所述的指标体系的生活节水综合效益评估方法,其特征是,包括如下步骤:
(1)确定评估对象:了解全生命周期视角下评估对象的生活节水各阶段特征及相应的节水行为;所述的全生命周期包括开发阶段、供给阶段、利用阶段、废弃阶段与再生利用阶段;
(2)评估指标选取:依据评估对象的实际状况,从如权利要求1所述的指标体系中选取适宜指标;
(3)收集基础资料:获取各指标评估所需的相关数据和信息;
(4)指标量化计算:根据指标计算公式和评判标准,逐项计算指标值和指标赋分;
(5)综合权重计算:采用基于层次分析法和熵权法的指标权重确定方法来综合确定指标体系中各指标的权重值,最终得到各指标的综合权重;
(6)对各层指标进行综合评估分析:利用耦合费用效益分析的模糊综合评价法对生活节水效益进行综合评估分析,最终得到目标层综合赋分值和节水效益等级;
(7)评估结果应用:根据目标层综合赋分值和节水效益等级,甄别评估对象生活节水的薄弱环节。
4.根据权利要求3所述的评估方法,其特征是,所述的经济效益B1包括再生水供水收益和因节水与再生水利用节省的原水、管网水水费,计算公式如下:
B1=B11+B12+B13
B11=P再生×Q再生
B12=P原×Q节1
B13=P供×Q节2
式中:B11为再生水供水收益,包括政府补贴,单位为元;B12为减少原水取用节省的水费,单位为元;B13为减少管网水取用节省的水费,单位为元;P再生为再生水价格,单位为元/吨;P原为原水价格,单位为元/吨;P供为供水价格,实行居民生活和非居民生活分类水价,单位为元/吨;Q再生为再生水利用量,单位为吨;Q节1为原水节省量,单位为吨;Q节2为管网水节省量,单位为吨。
8.根据权利要求7所述的评估方法,其特征是,专家权重采用层次分析法确定,将各指标按照支配关系分组形成有序的递阶层次结构,通过两两比较的方式确定层次中各因素的相对重要性,并利用判断矩阵特征向量的计算确定下层指标对上层指标的贡献程度;客观权重是根据指标层的实际评价值,利用熵权法计算各指标或准则层的权重系数。
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