基于熵權(quán)法的流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)——以淮河流域?yàn)槔?/h1>
2016-10-10 06:59:42劉倩倩
長江科學(xué)院院報(bào) 2016年9期
劉倩倩，陳 巖
(南京林業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院， 南京 210037)
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基于熵權(quán)法的流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)
——以淮河流域?yàn)槔?/p>
劉倩倩，陳巖
(南京林業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院， 南京210037)
流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)可以量化表現(xiàn)出水資源的脆弱性程度，客觀地反映研究區(qū)的水安全狀況。根據(jù)水資源脆弱性的表現(xiàn)形式及成因，設(shè)置了水量、水質(zhì)、洪澇災(zāi)害、旱災(zāi)4個(gè)一級(jí)指標(biāo)，自然因素、人為因素、承載因素3個(gè)二級(jí)指標(biāo)，分級(jí)構(gòu)建了水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，在線性加權(quán)法的基礎(chǔ)上采用熵權(quán)法構(gòu)建了水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型。以淮河流域?yàn)槔M(jìn)行實(shí)證分析，從時(shí)間、空間2個(gè)維度上對(duì)2003—2012年淮河流域整體及流域內(nèi)的4個(gè)省份進(jìn)行水資源脆弱性評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：時(shí)間上，10 a間淮河流域整體水資源脆弱度數(shù)值逐年減小，水資源脆弱性呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì),流域內(nèi)河南、安徽、江蘇、山東4省的水資源脆弱性在10 a間均有所緩解；空間上，淮河流域水資源自西向東越來越脆弱。研究結(jié)果表明目前淮河流域水資源脆弱性狀況呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，但仍然存在一些問題，有待進(jìn)一步管理和調(diào)控。
流域水資源；脆弱性評(píng)價(jià)；線性加權(quán)法;熵權(quán)法；淮河流域
1 研究背景
水資源是一切生物賴以生存的重要資源，隨著人類社會(huì)對(duì)水資源的需求越來越大，水資源短缺、水環(huán)境惡化等問題正面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。水資源脆弱性評(píng)價(jià)作為量化表現(xiàn)水資源脆弱性程度的一種方法，可以客觀地反映水安全狀況，全面地考慮水資源脆弱性的各類影響因素，為水資源的管理和調(diào)控提供重要參考。水資源脆弱性作為水資源狀況的一個(gè)重要度量標(biāo)準(zhǔn)，近年來在國內(nèi)外受到了廣泛的關(guān)注。最早在20世紀(jì)60年代末，Albinet等[1]提出了地下水資源脆弱性的概念。1996年IPCC[2]將水資源脆弱性的概念擴(kuò)展到了整個(gè)水資源系統(tǒng)，并將其與氣候變化聯(lián)系起來，這一定義被廣泛接受，并被應(yīng)用到氣候變化下的水資源脆弱性評(píng)價(jià)研究中。隨后，國內(nèi)學(xué)者對(duì)造成水資源脆弱性的影響因素做了更全面的補(bǔ)充[3]，為目前水資源脆弱性的概念奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，本文作者認(rèn)為流域水資源脆弱性是指在自然環(huán)境因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的雙重影響下，水資源系統(tǒng)在水量、水質(zhì)、洪澇災(zāi)害、旱災(zāi)等方面表現(xiàn)出的對(duì)這些干擾因素的敏感性，及其結(jié)構(gòu)和功能受到損害的趨勢(shì)和程度。目前，水資源脆弱性的定量評(píng)價(jià)方法主要包括函數(shù)法和指標(biāo)法。函數(shù)法主要是夏軍等[4]提出的函數(shù)模型，即認(rèn)為水資源脆弱性是水資源系統(tǒng)受氣候變化、人類活動(dòng)等尺度因子影響的敏感性和抗壓性的比值。指標(biāo)法中，在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建上，研究者們根據(jù)研究區(qū)域特點(diǎn)和研究側(cè)重的不同，分別基于水資源脆弱性的內(nèi)涵和概念[5-6]、水資源脆弱性的影響因素[7-10]、研究區(qū)的特點(diǎn)和實(shí)際情況[11-13]、DPSIR概念模型[14]、水資源的供給和需求[15]、PSR模式[16-19]構(gòu)建指標(biāo)體系。在評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建上，研究者采用了AHP法[5, 8, 10]、主成分-因子分析法[11]、專家意見法[15]、客觀法[16]或模糊層次分析法[18]對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)，通過與線性加權(quán)法[5-6, 8, 10-11, 15]、分形理論[7]、模糊物元評(píng)價(jià)模型[9]、粒子群投影尋蹤插值模型[14]、集對(duì)分析[16-17]等方法的合成，對(duì)單一年份下某地區(qū)或某地區(qū)不同水平年的水資源脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
現(xiàn)有研究中存在以下3點(diǎn)問題：第1，目前評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建不利于進(jìn)行流域水資源脆弱性的成因分析，由于造成流域水資源脆弱性的影響因素繁多復(fù)雜，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建應(yīng)當(dāng)全面且具有代表性；第2，在指標(biāo)法中，各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定對(duì)最終結(jié)果起到了決定性的作用，目前常用的AHP法、主成分分析-因子分析法、分形理論等方法分別具有主觀性強(qiáng)、線性特征較為明顯、分維數(shù)計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn)；第3，當(dāng)前研究者大多是從單一維度上對(duì)某區(qū)域的水資源脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，不能全面反映出水資源脆弱性時(shí)間變化趨勢(shì)和空間分布狀態(tài)。僅從時(shí)間上進(jìn)行分析，則無法了解某區(qū)域水資源脆弱性的分布格局，使得在制定水資源空間優(yōu)化配置和合理開發(fā)應(yīng)用的政策時(shí)缺乏針對(duì)性；僅從空間上進(jìn)行分析，則無法反映某區(qū)域水資源脆弱性的變化趨勢(shì)，不利于未來水資源脆弱性的預(yù)測(cè)以及水資源保護(hù)措施的前饋控制。因此，本文根據(jù)水資源脆弱性成因和表現(xiàn)形式，從水量、水質(zhì)、洪澇災(zāi)害、旱災(zāi)4個(gè)方面考慮構(gòu)建脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，在線性加權(quán)法的基礎(chǔ)上，選擇客觀性較強(qiáng)的熵權(quán)法對(duì)指標(biāo)賦權(quán)，從時(shí)間和空間2個(gè)維度對(duì)淮河流域的水資源脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
2 流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)模型
2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)正、負(fù)向判定
本文通過計(jì)算水資源脆弱度對(duì)流域水資源脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)為脆弱度數(shù)值越大，脆弱性越高，即流域水資源越脆弱。因此在本文中，設(shè)定指標(biāo)數(shù)值越大造成的脆弱性越高的評(píng)價(jià)指標(biāo)為正向指標(biāo)，指標(biāo)數(shù)值越小造成的脆弱性越低的評(píng)價(jià)指標(biāo)為逆向指標(biāo)。
2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立
水資源系統(tǒng)是一個(gè)包含了水資源本身及水資源開發(fā)和利用的復(fù)雜系統(tǒng)，其脆弱性的構(gòu)成因素十分復(fù)雜，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系涉及的范圍和內(nèi)容也非常多。在參考了現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，本文依據(jù)水資源脆弱性的表現(xiàn)形式，同時(shí)結(jié)合水資源脆弱性成因構(gòu)建了流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。
首先，流域水資源脆弱性的表現(xiàn)形式作為脆弱性研究中最為外在、直觀的一部分，為探究流域水資源脆弱性成因，建立流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系提供了有效的線索。本文認(rèn)為流域水資源脆弱性主要是通過水量、水質(zhì)、洪災(zāi)和旱災(zāi)反映出來，并以這4個(gè)指標(biāo)作為度量。其次，根據(jù)水資源脆弱性內(nèi)涵[6]，流域水資源脆弱性的影響因素主要可以分為自然環(huán)境脆弱性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)脆弱性，考慮到水資源系統(tǒng)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)中起到的特殊性作用，本文又將社會(huì)經(jīng)濟(jì)脆弱性劃分為人為因素和承載因素，即認(rèn)為流域水資源脆弱性的成因主要包括自然因素、人為因素以及承載因素3個(gè)方面。
綜上，本研究分別設(shè)置了水量、水質(zhì)、洪澇災(zāi)害、旱災(zāi)4個(gè)一級(jí)指標(biāo)，在各一級(jí)指標(biāo)下又設(shè)置了自然脆弱性、人為脆弱性、承載脆弱性3個(gè)二級(jí)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，初步設(shè)置了36個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。但部分指標(biāo)數(shù)據(jù)由于不可獲得或不完整，無法應(yīng)用于指標(biāo)體系中。故根據(jù)構(gòu)建指標(biāo)體系的完備性、科學(xué)性、實(shí)用性、相互獨(dú)立性等原則以及各指標(biāo)在相關(guān)研究中出現(xiàn)的頻數(shù)，對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行了篩選，最終選定24項(xiàng)指標(biāo)，具體指標(biāo)如表1所示。
表1 流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Index system of evaluating the vulnerability of basin water resources
2.3基于熵權(quán)法的流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型
本文主要采用熵權(quán)法構(gòu)建水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型，即首先通過熵權(quán)法為評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)，其次通過其與線性加權(quán)法的耦合對(duì)研究區(qū)水資源脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。熵權(quán)法作為一種客觀賦權(quán)法，它是對(duì)當(dāng)前的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，根據(jù)信息論的基本原理確定指標(biāo)權(quán)重，權(quán)重僅與當(dāng)前樣本數(shù)據(jù)相關(guān)，避免了主觀因素帶來的偏差，具有較強(qiáng)的客觀性。線性加權(quán)法是一種綜合指數(shù)計(jì)算方法，其運(yùn)算原理是通過將各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)脆弱性的不同影響程度進(jìn)行疊加，把多個(gè)指標(biāo)換算成一個(gè)綜合值，即水資源脆弱度，從而對(duì)研究區(qū)的水資源脆弱性狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。其計(jì)算過程中包含了所有指標(biāo)變量，并且考慮了各指標(biāo)影響程度的不同，具有計(jì)算過程簡(jiǎn)便、易懂、結(jié)果易于解釋的優(yōu)點(diǎn)。構(gòu)建基于熵權(quán)法的水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型步驟如下。
(1)標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)的趨向和量綱不同，為了便于指標(biāo)比較和數(shù)據(jù)計(jì)算，需對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，對(duì)于正向指標(biāo)——越大越脆弱型采用式(1)計(jì)算，對(duì)于逆向指標(biāo)——越小越脆弱型采用式(2)計(jì)算。
(1)
(2)
式中：rij為標(biāo)準(zhǔn)化后第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象相對(duì)于第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值；xij為標(biāo)準(zhǔn)化前第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象相對(duì)于第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)值；ximin為第j個(gè)評(píng)價(jià)指中的最小數(shù)值；ximax為第j個(gè)評(píng)價(jià)指中的最大數(shù)值。
(2)構(gòu)建指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣。設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，則標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)可構(gòu)成指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣R。
(3)指標(biāo)熵值計(jì)算。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)值，用熵權(quán)法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值，則第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值表達(dá)式為
(3)
其中：
(4)
(5)
這里規(guī)定若fij=0，則fijlnfij=0[20]。
(4)指標(biāo)熵權(quán)計(jì)算。根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值Hj，即可計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)，則第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)表達(dá)式為
(6)
(5)綜合評(píng)價(jià)值——水資源脆弱度的計(jì)算。在確定指標(biāo)權(quán)重后，通過線性加權(quán)法計(jì)算水資源脆弱度WVI(Water Vulnerability Index)。即將標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的乘積線性相加，其運(yùn)算公式為
(7)
式中：wj為對(duì)應(yīng)的第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。
3 實(shí)例應(yīng)用
3.1研究區(qū)概況
淮河流域地處我國東部，途經(jīng)湖北、河南、安徽、江蘇、山東5省，并且與多條重要河道交錯(cuò)毗鄰，近年來，其水資源脆弱性問題日益突出。在水量方面，多年來隨著淮河流域人口數(shù)量不斷增長，其人均用水量越發(fā)不足。據(jù)淮河水利委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，截至2012年，淮河流域總?cè)丝谟?949年的6 836萬人增長至17 391.82萬人，2012年其人口密度約為全國平均人口密度(140.39人/km2)的4.64倍，而當(dāng)年淮河流域的人均用水量僅為373.43 m3/人。在水質(zhì)方面，人口數(shù)量的急劇增長以及工業(yè)的高速發(fā)展導(dǎo)致生活污水、工業(yè)廢水的排放量逐年增加，水質(zhì)環(huán)境不斷惡化。據(jù)相關(guān)報(bào)道，淮河流域在2004,2007,2008,2010年等多年均發(fā)生了重大水污染事故。在洪澇災(zāi)害方面，由于淮河流域大部分水利設(shè)施始建于20世紀(jì)70年代，其老化、年久失修等問題影響了現(xiàn)有水利工程正常運(yùn)作，導(dǎo)致工程調(diào)蓄能力不足，洪澇災(zāi)害頻發(fā)。2012年沂沭泗地區(qū)出現(xiàn)了自1993年以來最大的洪水。在旱災(zāi)方面，由于淮河流域地處我國南北氣候過渡帶，夏季濕潤炎熱，冬季干燥寒冷，其降水的時(shí)空分布非常不均勻，因此導(dǎo)致淮河流域的部分地區(qū)旱災(zāi)頻繁。2009年淮河流域內(nèi)安徽省先后發(fā)生了嚴(yán)重春旱和3次洪澇災(zāi)害。目前，淮河流域水資源脆弱性問題已成為制約其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素，考慮到淮河流域目前的水資源特點(diǎn)和水環(huán)境狀況，本文選取淮河流域?yàn)檠芯繀^(qū)。其中，由于淮河流域只流經(jīng)湖北省的2座城市，且流經(jīng)面積均很小，所以本文中只對(duì)淮河流域整體以及淮河流域內(nèi)的河南、安徽、江蘇、山東4省的水資源脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
3.2淮河流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)
3.2.1樣本數(shù)據(jù)處理
根據(jù)構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系查找淮河流域以及淮河流域內(nèi)的河南、安徽、江蘇、山東4省的各指標(biāo)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于《淮河流域水資源公報(bào)》(2003—2012年)、《治淮匯刊(年鑒)》(2004—2013年)以及《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》(2004—2013年)。其中，人均用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、水質(zhì)達(dá)標(biāo)下降率、COD排放超標(biāo)倍數(shù)、人口密度、萬元GDP廢水排放量、洪澇災(zāi)害面積比、墾殖指數(shù)以及干旱面積受災(zāi)比為正向指標(biāo)——指標(biāo)數(shù)值越大造成的脆弱度數(shù)值越大，脆弱性越高；年降水量、年降水量變差系數(shù)、地表水資源開發(fā)利用率、地下水資源開發(fā)利用率、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率、生態(tài)環(huán)境用水率、森林覆蓋率、水閘的數(shù)量、水土流失治理率、除澇面積比例、年降水量變化率、地下水資源量、有效灌溉面積比、大中型水庫總庫容量占總供水量之比以及百萬方水承載人口數(shù)為逆向指標(biāo)——指標(biāo)數(shù)值越小造成的脆弱度數(shù)值越大，脆弱性越高。正向指標(biāo)按照式(1)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，逆向指標(biāo)按照式(2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。
3.2.2指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣的建立
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)即可構(gòu)建指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣R，即
3.2.3評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算
將標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)值代入式(3)，式(4)，式(5)，式(6)中計(jì)算24個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值和熵權(quán)，所得熵權(quán)即為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，其結(jié)果如表2所示。
3.2.4水資源脆弱度計(jì)算
將各評(píng)價(jià)對(duì)象標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣R和24個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重Wj代入式(7)，即可分別計(jì)算出2003年至2012年淮河流域整體以及河南、安徽、江蘇、山東4省在淮河流域流經(jīng)部分的水資源脆弱度。其結(jié)果如表3所示。
表2 水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Table 2 Weights of indexes evaluating the vulnerability of water resources
表3 水資源脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Evaluation result of water resources vulnerability
3.2.5水資源脆弱度等級(jí)劃分
為了便于比較淮河流域各年份與各地區(qū)的水資源脆弱度，需對(duì)水資源脆弱度等級(jí)進(jìn)行劃分。由于目前關(guān)于水資源脆弱度等級(jí)的劃分尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或方法，本文參照文獻(xiàn)[6],根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果的數(shù)值分布和專家經(jīng)驗(yàn)確定水資源脆弱度的閾值，從而對(duì)脆弱度等級(jí)進(jìn)行劃分。具體方法是將標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)按升序排列，那么第一組指標(biāo)數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果即為不脆弱的狀態(tài)，依次計(jì)算各組指標(biāo)數(shù)據(jù)的水資源脆弱度。然后根據(jù)樣本脆弱度的數(shù)值分布和專家意見，依次選定不脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱的閾值，由此將淮河流域及流域內(nèi)四省的水資源脆弱度劃分為5個(gè)等級(jí)，具體劃分如表4所示。
表4 流域水資源脆弱度等級(jí)劃分Table 4 Ratings of basin water resources vulnerability
3.3結(jié)果分析
根據(jù)2003—2012年淮河流域整體以及河南、安徽、江蘇、山東4省在其流經(jīng)部分的水資源脆弱度計(jì)算結(jié)果，可繪制圖1和圖2的走勢(shì)圖。
圖1 2003—2012年淮河流域水資源脆弱性走勢(shì)Fig.1 Trend of water resources vulnerability in Huaihe river basin in 2003-2012
圖2 2003—2012年淮河流域流經(jīng)的四省水資源脆弱性走勢(shì)Fig. 2 Trend of water resources vulnerability of the four provinces of Huaihe river basin in 2003-2012
3.3.1淮河流域整體水資源脆弱性分析
將淮河流域整體水資源脆弱度計(jì)算結(jié)果參照表4可以看出：2003年其資源脆弱性為重度脆弱；2004—2008年其水資源脆弱性為中度脆弱；2009年其水資源脆弱性為重度脆弱；2010—2012年其水資源脆弱性為輕度脆弱。同時(shí)，從圖1中可以看出除2009年以外，2003—2012年淮河流域整體水資源脆弱度數(shù)值逐年減小，脆弱性逐年降低，流域水資源脆弱性呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。對(duì)比原始數(shù)據(jù)可以看到，在水量的獲取方面，10 a間淮河流域的地表水和地下水資源開發(fā)利用率逐年提高，從2003年的0.178和0.228分別增加到0.671和0.515，水資源得到充分利用。在水量的供給方面，淮委制定了嚴(yán)格的水資源管理制度，使得萬元工業(yè)增加值用水量從2003年的186.1 m3/萬元顯著降低至37.9 m3/萬元；在水質(zhì)方面，淮河流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)的投入力度越來越大，在2003年時(shí)其生態(tài)環(huán)境用水率僅為0.009 7，到2012年已經(jīng)增至0.020 3。在水資源保護(hù)工作中，淮委對(duì)水功能區(qū)和入河排污口進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)督管理，并開展多地區(qū)的水污染聯(lián)防工作，使得COD排放量超標(biāo)倍數(shù)和萬元GDP廢水排放量得到有效控制，目前盡管COD的排放量尚未達(dá)標(biāo)，但其超標(biāo)倍數(shù)已穩(wěn)定在0.5以下，萬元GDP的廢水排放量也由最初的35.91 t/萬元減少至10.21 t/萬元；在洪澇災(zāi)害方面，淮河流域的水土流失治理率和除澇面積比例逐年增加，目前分別達(dá)到了0.789和0.937?；春恿饔虻乃Y源管理措施和調(diào)控手段全面涵蓋了水量、水質(zhì)、洪澇災(zāi)害和旱災(zāi)多個(gè)方面，對(duì)降低水資源脆弱性卓有成效。
此外，從圖1中可見2009年的淮河流域整體水資源脆弱度數(shù)值明顯增大，可見當(dāng)年的水資源脆弱性狀況較為嚴(yán)重。造成該現(xiàn)象的主要原因體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：首先，2009年初淮河流域持續(xù)百余天無有效降雨，土壤水分不足，作物的水分平衡遭到破壞，導(dǎo)致流域內(nèi)4省的多個(gè)地區(qū)發(fā)生旱情。同時(shí)，該年淮河流域的人口密度達(dá)到歷年最大，在降水量有限的情況下，人口數(shù)量的攀升給水資源的供應(yīng)和水質(zhì)環(huán)境的保護(hù)都帶來了極大的壓力。其次，該年淮河流域的墾殖指數(shù)達(dá)到0.631，顯著高于其他年份。過度的土地開墾引起了土地覆被的變化，破壞了土壤的吸水能力，對(duì)洪澇災(zāi)害的防治產(chǎn)生了一定的影響。最后，受自然、人為等因素的影響，該年淮河流域大、中型水庫調(diào)節(jié)供水的能力和有效灌溉面積較往年均略顯不足。綜上所述，淮河流域水資源管理部門應(yīng)當(dāng)對(duì)突出的水資源問題引以為戒，并繼續(xù)加強(qiáng)水資源管理措施的實(shí)施力度，避免水資源脆弱性的再次加劇。同時(shí)，在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，萬元工業(yè)增加值用水量、COD排放超標(biāo)倍數(shù)、洪澇災(zāi)害面積比、萬元GDP廢水排放量、干旱面積受災(zāi)比這些指標(biāo)占有較高比重，可以著重從這5個(gè)方面考慮平衡供水能力與用水需求之間的關(guān)系。
3.3.2淮河流域內(nèi)4省的水資源脆弱性分析
3.3.2.1淮河流域內(nèi)河南省水資源脆弱性分析
參照表3和表4可知：2003年淮河流域內(nèi)河南省的水資源脆弱性呈重度脆弱；2004—2010年其脆弱性呈中度脆弱；2011—2012年其脆弱性呈輕度脆弱。從圖2的走勢(shì)可以看出，10 a間淮河流域內(nèi)河南省的水資源脆弱性大體上呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，在2009年有所惡化，這與淮河流域整體的水資源脆弱性變化走勢(shì)相一致。同時(shí)，河南省的水資源脆弱度數(shù)值在淮河流域內(nèi)的4省中最小，水資源脆弱性最低。從圖3可以看出，造成2009年水資源脆弱性加劇的主要原因是受到旱災(zāi)方面的影響，對(duì)比原始數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，該年大中型水庫總庫容占總供水量之比僅為0.832 4，達(dá)到10 a間最小，水庫平衡調(diào)節(jié)供水量的能力明顯不足。同時(shí)，該年流域內(nèi)河南省大面積干旱，其受災(zāi)比達(dá)到0.227，為10 a間最高，受災(zāi)范圍最大。除此以外，在水量方面，2009年河南省年降水量較往年不足，僅為678.35億m3，而與此同時(shí)人均用水量卻高于往年；在水質(zhì)方面，該年河南省水質(zhì)達(dá)標(biāo)率較低，同時(shí)0.068 9萬人/km2的人口密度也為水質(zhì)脆弱性帶來較大的壓力。近年來，河南省在防汛抗旱工作上不斷積累經(jīng)驗(yàn)，全面落實(shí)以行政首長負(fù)責(zé)制為核心的防汛抗旱責(zé)任制。面對(duì)洪澇旱情及時(shí)開展減災(zāi)工作，修繕?biāo)こ淘O(shè)施，有效降低了水資源洪澇旱災(zāi)方面的脆弱性。同時(shí)，河南省堅(jiān)持執(zhí)行嚴(yán)格的水資源管理制度，建立了水資源開發(fā)利用控制、用水效率控制、水功能區(qū)限制納污“三條紅線”的指標(biāo)體系。這一舉措對(duì)于應(yīng)對(duì)水量和水質(zhì)方面的脆弱性意義重大。
圖3 2003—2012年淮河流域內(nèi)河南省水資源脆弱性構(gòu)成Fig.3 Composition of water resources vulnerability of Henan province in 2003-2012
3.3.2.2淮河流域內(nèi)安徽省水資源脆弱性分析
參照表3和表4可知：2003年淮河流域內(nèi)安徽省的水資源脆弱性呈極度脆弱；2004—2007年其脆弱性呈重度脆弱；2008—2012年其脆弱性呈中度脆弱。從圖2的走勢(shì)中可以看出，2003—2009年淮河流域內(nèi)安徽省的水資源脆弱性總體上逐漸好轉(zhuǎn)，其水資源脆弱性得到明顯緩解。這一成果與安徽省實(shí)施以“三防一供”為重點(diǎn)的治淮工程，強(qiáng)化水資源“三條紅線”管理密不可分。需要注意的是，2010—2012年淮河流域內(nèi)安徽省的水資源脆弱性略有上升，從圖4可以看出造成這一現(xiàn)象的原因主要是旱災(zāi)方面的影響。根據(jù)實(shí)際狀況可知，3 a間流域內(nèi)安徽省的年降水量逐年下降，與此同時(shí)人均用水量卻有所增長，水資源供需矛盾逐漸突出。同時(shí)，受人類活動(dòng)的影響，3 a年間安徽省的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率迅速下降，由0.455下降至0.188，大量工業(yè)用水、生活用水以及農(nóng)田中的營養(yǎng)物質(zhì)被排入到河流、湖泊中，導(dǎo)致巢湖富營養(yǎng)化、船舶水污染等事故，加劇了水質(zhì)方面的脆弱性。此外，耕地面積的不斷擴(kuò)張也為旱澇災(zāi)害的防治帶來了困難。
圖4 2003—2012年淮河流域內(nèi)安徽省水資源脆弱性構(gòu)成Fig.4 Composition of water resources vulnerability of Anhui province in 2003-2012
3.3.2.3淮河流域內(nèi)江蘇省水資源脆弱性分析
參照表3和表4可知：2003—2005年淮河流域內(nèi)江蘇省的水資源脆弱性呈重度脆弱；2006年其脆弱性呈極度脆弱；2007—2012年其脆弱性呈重度脆弱。可見10 a間江蘇省水資源脆弱度數(shù)值較高，脆弱性狀況較為嚴(yán)峻，其中2006年尤其嚴(yán)重，如圖5所示，該年江蘇省水資源脆弱性在旱災(zāi)、洪澇災(zāi)害和水量方面均有明顯體現(xiàn)。首先在水量方面，該年的萬元工業(yè)增加值用水量為201.03 m3/萬元，達(dá)到10 a間最大，這對(duì)水量的承載性造成了很大的壓力；其次在水質(zhì)方面，該年的COD排量超標(biāo)倍數(shù)也相對(duì)較高，對(duì)水質(zhì)造成了較大影響；最后在洪澇災(zāi)害和旱災(zāi)方面，由于在2006年汛期，江蘇蘇北地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的雨澇災(zāi)害，而9月中旬以后，全省絕大部分地區(qū)又持續(xù)干早無雨，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的早情。因此該年的受災(zāi)情況在10 a間也最嚴(yán)重，其洪澇災(zāi)害面積比和干旱面積受災(zāi)比分別達(dá)到0.341和0.182。據(jù)此，江蘇省水資源管理部門應(yīng)當(dāng)及時(shí)調(diào)整水資源管理政策，對(duì)極度脆弱的年份中出現(xiàn)的問題吸取教訓(xùn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，避免水資源脆弱性的進(jìn)一步惡化。
圖5 2003—2012年淮河流域內(nèi)江蘇省水資源脆弱性構(gòu)成Fig.5 Composition of water resources vulnerability of Jiangsu province in 2003-2012
3.3.2.4淮河流域內(nèi)山東省水資源脆弱性分析
參照表3和表4可知：2003—2006年淮河流域內(nèi)山東省的水資源脆弱性呈重度脆弱；2008年其脆弱性呈中度脆弱；2009年其脆弱性呈重度脆弱；2010—2012年其脆弱性呈中度脆弱。從圖2的走勢(shì)中可以看出，10 a間淮河流域內(nèi)山東省的水資源脆弱性總體上呈減弱趨勢(shì)，目前其水資源脆弱性得到明顯緩解。10 a間，山東省在水量方面堅(jiān)持實(shí)施嚴(yán)格的取水許可監(jiān)督管理，維持水量的供給平衡。水質(zhì)方面，對(duì)重點(diǎn)入河排污口以及主要供水源地進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)和通報(bào)，及時(shí)對(duì)水污染狀況進(jìn)行治理、調(diào)控。在防洪抗旱方面，山東省治淮東調(diào)南下續(xù)建工程的有效實(shí)施使得其減災(zāi)能力顯著增強(qiáng)。需要注意的是，與淮河流域整體水資源脆弱性走勢(shì)相似，其2009年水資源脆弱性也明顯高于鄰近年份，從圖6可以看出造成該年水資源脆弱性加劇的主要原因是旱災(zāi)方面的影響，該年初受降水量不足的影響，山東省全省發(fā)生大面積春旱。此外在水量方面，2009年淮河流域內(nèi)山東省的萬元工業(yè)增加值用水量為22.65 m3/萬元，高于相鄰年份；水質(zhì)方面，該年的COD排放量超標(biāo)倍數(shù)與萬元GDP廢水排放量均顯著高于相鄰年份，可見該年由于人為原因?qū)е碌乃|(zhì)污染較為嚴(yán)重。這些因素都導(dǎo)致了該年水資源脆弱性較相鄰年份顯著增強(qiáng)。
圖6 2003—2012年淮河流域內(nèi)山東省水資源脆弱性構(gòu)成Fig.6 Composition of water resources vulnerability of Shandong province in 2003-2012
通過以上分析并且結(jié)合圖2可知，淮河流域水資源脆弱性在空間上大體呈現(xiàn)自西向東逐漸增高的趨勢(shì)，且東西差異較為明顯。目前，流域內(nèi)江蘇省水資源脆弱性最為嚴(yán)重，達(dá)到0.43；山東次之，達(dá)到0.36；安徽和河南的水資源脆弱度分別為0.34和0.27。對(duì)比原始數(shù)據(jù)可知該分布規(guī)律同樣體現(xiàn)在年降水量、地下水資源開發(fā)利用率、生態(tài)環(huán)境用水率、人口密度、森林覆蓋率、地下水資源量、有效灌溉面積比這些指標(biāo)上，由此可見這些指標(biāo)因素對(duì)淮河流域內(nèi)4省的水資源脆弱性影響較大?？梢钥紤]從這幾個(gè)方面來平衡水資源脆弱性的空間分布，有針對(duì)性地對(duì)各地區(qū)水資源脆弱性進(jìn)行整治。
4 結(jié) 論
(1)本研究根據(jù)流域水資源脆弱性的表現(xiàn)形式，并結(jié)合水資源脆弱性成因選取了24個(gè)因子，分級(jí)構(gòu)建了流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系從水量、水質(zhì)、洪澇災(zāi)害、旱災(zāi)4個(gè)方面考慮了流域水資源脆弱性的影響因素，有利于對(duì)流域水資源脆弱性的成因進(jìn)行分析。
(2)本研究在線性加權(quán)法的基礎(chǔ)上，通過熵權(quán)法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)客觀賦權(quán)，從而建立了流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型。該方法計(jì)算簡(jiǎn)便、易于操作，它依據(jù)樣本數(shù)據(jù)的特征對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)，避免了主觀因素帶來的偏差，從而保證了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性。在實(shí)證分析中，本文以2003—2012年淮河流域整體及流域內(nèi)河南、安徽、江蘇、山東4省的指標(biāo)數(shù)據(jù)為樣本，應(yīng)用此方法從時(shí)間、空間2個(gè)維度對(duì)淮河流域水資源脆弱性狀況進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與當(dāng)前淮河流域的水資源現(xiàn)狀基本相符，說明該方法可以用于流域水資源脆弱性的評(píng)價(jià)研究，其結(jié)果可以為水資源管理部門緩解淮河流域水資源脆弱性提供借鑒。
(3)評(píng)價(jià)結(jié)果表明：在時(shí)間上，除2009年以外，10 a間淮河流域的水資源脆弱度數(shù)值逐年減小，由最初的0.435降至0.304，水資源脆弱性呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，目前淮河流域處于輕度脆弱的狀態(tài)。此外，流域內(nèi)4省的水資源脆弱性在10 a間盡管有所波動(dòng)，但相比2003年均有所緩解，其中安徽省由0.551降至0.343，好轉(zhuǎn)狀況最為明顯。需要注意的是，由于旱災(zāi)方面的影響，流域內(nèi)安徽省的水資源脆弱性在近3 a逐漸增加，所以應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)旱災(zāi)脆弱性的防治；在空間上，淮河流域內(nèi)河南、安徽、山東、江蘇的水資源脆弱度數(shù)值逐漸增大，水資源脆弱性呈現(xiàn)自西向東逐漸增強(qiáng)的特點(diǎn)，且水資源脆弱性東西差異較為明顯，當(dāng)前河南省的水資源脆弱度為0.268，而江蘇省卻達(dá)到0.43。由此可見，盡管淮河流域水資源脆弱性有所好轉(zhuǎn)，但仍未達(dá)到理想狀態(tài)，有待進(jìn)一步的綜合整治和管理。
由于可收集到的數(shù)據(jù)存在限制，本研究在時(shí)間維度上僅僅對(duì)淮河流域2003—2012年10 a間的水資源脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，對(duì)時(shí)間序列趨勢(shì)的分析存在不足，有待進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。在未來的研究中，擬基于目前的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)結(jié)果，討論、構(gòu)建流域水資源脆弱性預(yù)測(cè)模型，對(duì)研究區(qū)未來的水資源脆弱性狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。
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(編輯：趙衛(wèi)兵)
Assessing the Vulnerability of Basin Water Resources Based on Entropy Weight Method: A Case Study of Huaihe River Basin
LIU Qian-qian, CHEN Yan
(School of Economics and Management, Nanjing Forestry University, Nanjing210037, China)
Assessment of basin water resources vulnerability reflects the water security conditions of the research area in an objective way by quantifying the degree of water resources vulnerability. According to the manifestation and causes of water resources’ vulnerability, we built an evaluation indices system which consists of four primary indicators including water yield, water quality, flood disaster and drought and three secondary indicators of natural factor, human factor and carrying factor. On this basis, we constructed an assessment model for water resource vulnerability by using the entropy weight method in association with the linear weighting method. In this research we took Huaihe River basin as an example and assessed the water resources vulnerability of four provinces in 2003-2012 from two dimensions of time and space. The results showed that in terms of the time dimension, the value of water resources vulnerability in Huaihe River basin decreased in the decade, indicating that the vulnerability of water resources in the four provinces was improving; while in terms of the space dimension, water resources in Huaihe River basin was becoming more and more fragile from the west to the east. Research shows that the water resources vulnerability in Huaihe River basin presents a trend of improvement, but there are still some problems that need further management and regulation.
basin water resources; vulnerability assessment; linear weighting method; entropy weight method; Huaihe River basin
2015-07-14;
2015-11-17
國家自然基金青年項(xiàng)目(71403122)；江蘇省自然基金青年項(xiàng)目(BK20140980)；教育部人文社科基金青年項(xiàng)目(14YJC630018)
劉倩倩(1991-)，女，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣芾砜茖W(xué)與工程、水資源管理，(電話)025-85427377(電子信箱)dkjoy77@sina.com。
陳巖(1977-)，女，吉林農(nóng)安人，副教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樗Y源管理、生態(tài)經(jīng)濟(jì)、資源與環(huán)境管理，(電話)025-85427377(電子信箱)sanchen007@163.com。
10.11988/ckyyb.20150591
2016,33(09):10-17
TV213
A
1001-5485(2016)09-0010-08
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劉倩倩，陳 巖
(南京林業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院， 南京 210037)
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基于熵權(quán)法的流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)
——以淮河流域?yàn)槔?/p>
劉倩倩，陳巖
(南京林業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院， 南京210037)
流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)可以量化表現(xiàn)出水資源的脆弱性程度，客觀地反映研究區(qū)的水安全狀況。根據(jù)水資源脆弱性的表現(xiàn)形式及成因，設(shè)置了水量、水質(zhì)、洪澇災(zāi)害、旱災(zāi)4個(gè)一級(jí)指標(biāo)，自然因素、人為因素、承載因素3個(gè)二級(jí)指標(biāo)，分級(jí)構(gòu)建了水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，在線性加權(quán)法的基礎(chǔ)上采用熵權(quán)法構(gòu)建了水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型。以淮河流域?yàn)槔M(jìn)行實(shí)證分析，從時(shí)間、空間2個(gè)維度上對(duì)2003—2012年淮河流域整體及流域內(nèi)的4個(gè)省份進(jìn)行水資源脆弱性評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：時(shí)間上，10 a間淮河流域整體水資源脆弱度數(shù)值逐年減小，水資源脆弱性呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì),流域內(nèi)河南、安徽、江蘇、山東4省的水資源脆弱性在10 a間均有所緩解；空間上，淮河流域水資源自西向東越來越脆弱。研究結(jié)果表明目前淮河流域水資源脆弱性狀況呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，但仍然存在一些問題，有待進(jìn)一步管理和調(diào)控。
流域水資源；脆弱性評(píng)價(jià)；線性加權(quán)法;熵權(quán)法；淮河流域
1 研究背景
水資源是一切生物賴以生存的重要資源，隨著人類社會(huì)對(duì)水資源的需求越來越大，水資源短缺、水環(huán)境惡化等問題正面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。水資源脆弱性評(píng)價(jià)作為量化表現(xiàn)水資源脆弱性程度的一種方法，可以客觀地反映水安全狀況，全面地考慮水資源脆弱性的各類影響因素，為水資源的管理和調(diào)控提供重要參考。水資源脆弱性作為水資源狀況的一個(gè)重要度量標(biāo)準(zhǔn)，近年來在國內(nèi)外受到了廣泛的關(guān)注。最早在20世紀(jì)60年代末，Albinet等[1]提出了地下水資源脆弱性的概念。1996年IPCC[2]將水資源脆弱性的概念擴(kuò)展到了整個(gè)水資源系統(tǒng)，并將其與氣候變化聯(lián)系起來，這一定義被廣泛接受，并被應(yīng)用到氣候變化下的水資源脆弱性評(píng)價(jià)研究中。隨后，國內(nèi)學(xué)者對(duì)造成水資源脆弱性的影響因素做了更全面的補(bǔ)充[3]，為目前水資源脆弱性的概念奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，本文作者認(rèn)為流域水資源脆弱性是指在自然環(huán)境因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的雙重影響下，水資源系統(tǒng)在水量、水質(zhì)、洪澇災(zāi)害、旱災(zāi)等方面表現(xiàn)出的對(duì)這些干擾因素的敏感性，及其結(jié)構(gòu)和功能受到損害的趨勢(shì)和程度。目前，水資源脆弱性的定量評(píng)價(jià)方法主要包括函數(shù)法和指標(biāo)法。函數(shù)法主要是夏軍等[4]提出的函數(shù)模型，即認(rèn)為水資源脆弱性是水資源系統(tǒng)受氣候變化、人類活動(dòng)等尺度因子影響的敏感性和抗壓性的比值。指標(biāo)法中，在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建上，研究者們根據(jù)研究區(qū)域特點(diǎn)和研究側(cè)重的不同，分別基于水資源脆弱性的內(nèi)涵和概念[5-6]、水資源脆弱性的影響因素[7-10]、研究區(qū)的特點(diǎn)和實(shí)際情況[11-13]、DPSIR概念模型[14]、水資源的供給和需求[15]、PSR模式[16-19]構(gòu)建指標(biāo)體系。在評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建上，研究者采用了AHP法[5, 8, 10]、主成分-因子分析法[11]、專家意見法[15]、客觀法[16]或模糊層次分析法[18]對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)，通過與線性加權(quán)法[5-6, 8, 10-11, 15]、分形理論[7]、模糊物元評(píng)價(jià)模型[9]、粒子群投影尋蹤插值模型[14]、集對(duì)分析[16-17]等方法的合成，對(duì)單一年份下某地區(qū)或某地區(qū)不同水平年的水資源脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
現(xiàn)有研究中存在以下3點(diǎn)問題：第1，目前評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建不利于進(jìn)行流域水資源脆弱性的成因分析，由于造成流域水資源脆弱性的影響因素繁多復(fù)雜，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建應(yīng)當(dāng)全面且具有代表性；第2，在指標(biāo)法中，各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定對(duì)最終結(jié)果起到了決定性的作用，目前常用的AHP法、主成分分析-因子分析法、分形理論等方法分別具有主觀性強(qiáng)、線性特征較為明顯、分維數(shù)計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn)；第3，當(dāng)前研究者大多是從單一維度上對(duì)某區(qū)域的水資源脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，不能全面反映出水資源脆弱性時(shí)間變化趨勢(shì)和空間分布狀態(tài)。僅從時(shí)間上進(jìn)行分析，則無法了解某區(qū)域水資源脆弱性的分布格局，使得在制定水資源空間優(yōu)化配置和合理開發(fā)應(yīng)用的政策時(shí)缺乏針對(duì)性；僅從空間上進(jìn)行分析，則無法反映某區(qū)域水資源脆弱性的變化趨勢(shì)，不利于未來水資源脆弱性的預(yù)測(cè)以及水資源保護(hù)措施的前饋控制。因此，本文根據(jù)水資源脆弱性成因和表現(xiàn)形式，從水量、水質(zhì)、洪澇災(zāi)害、旱災(zāi)4個(gè)方面考慮構(gòu)建脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，在線性加權(quán)法的基礎(chǔ)上，選擇客觀性較強(qiáng)的熵權(quán)法對(duì)指標(biāo)賦權(quán)，從時(shí)間和空間2個(gè)維度對(duì)淮河流域的水資源脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
2 流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)模型
2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)正、負(fù)向判定
本文通過計(jì)算水資源脆弱度對(duì)流域水資源脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)為脆弱度數(shù)值越大，脆弱性越高，即流域水資源越脆弱。因此在本文中，設(shè)定指標(biāo)數(shù)值越大造成的脆弱性越高的評(píng)價(jià)指標(biāo)為正向指標(biāo)，指標(biāo)數(shù)值越小造成的脆弱性越低的評(píng)價(jià)指標(biāo)為逆向指標(biāo)。
2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立
水資源系統(tǒng)是一個(gè)包含了水資源本身及水資源開發(fā)和利用的復(fù)雜系統(tǒng)，其脆弱性的構(gòu)成因素十分復(fù)雜，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系涉及的范圍和內(nèi)容也非常多。在參考了現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，本文依據(jù)水資源脆弱性的表現(xiàn)形式，同時(shí)結(jié)合水資源脆弱性成因構(gòu)建了流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。
首先，流域水資源脆弱性的表現(xiàn)形式作為脆弱性研究中最為外在、直觀的一部分，為探究流域水資源脆弱性成因，建立流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系提供了有效的線索。本文認(rèn)為流域水資源脆弱性主要是通過水量、水質(zhì)、洪災(zāi)和旱災(zāi)反映出來，并以這4個(gè)指標(biāo)作為度量。其次，根據(jù)水資源脆弱性內(nèi)涵[6]，流域水資源脆弱性的影響因素主要可以分為自然環(huán)境脆弱性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)脆弱性，考慮到水資源系統(tǒng)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)中起到的特殊性作用，本文又將社會(huì)經(jīng)濟(jì)脆弱性劃分為人為因素和承載因素，即認(rèn)為流域水資源脆弱性的成因主要包括自然因素、人為因素以及承載因素3個(gè)方面。
綜上，本研究分別設(shè)置了水量、水質(zhì)、洪澇災(zāi)害、旱災(zāi)4個(gè)一級(jí)指標(biāo)，在各一級(jí)指標(biāo)下又設(shè)置了自然脆弱性、人為脆弱性、承載脆弱性3個(gè)二級(jí)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，初步設(shè)置了36個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。但部分指標(biāo)數(shù)據(jù)由于不可獲得或不完整，無法應(yīng)用于指標(biāo)體系中。故根據(jù)構(gòu)建指標(biāo)體系的完備性、科學(xué)性、實(shí)用性、相互獨(dú)立性等原則以及各指標(biāo)在相關(guān)研究中出現(xiàn)的頻數(shù)，對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行了篩選，最終選定24項(xiàng)指標(biāo)，具體指標(biāo)如表1所示。
表1 流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Index system of evaluating the vulnerability of basin water resources
2.3基于熵權(quán)法的流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型
本文主要采用熵權(quán)法構(gòu)建水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型，即首先通過熵權(quán)法為評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)，其次通過其與線性加權(quán)法的耦合對(duì)研究區(qū)水資源脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。熵權(quán)法作為一種客觀賦權(quán)法，它是對(duì)當(dāng)前的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，根據(jù)信息論的基本原理確定指標(biāo)權(quán)重，權(quán)重僅與當(dāng)前樣本數(shù)據(jù)相關(guān)，避免了主觀因素帶來的偏差，具有較強(qiáng)的客觀性。線性加權(quán)法是一種綜合指數(shù)計(jì)算方法，其運(yùn)算原理是通過將各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)脆弱性的不同影響程度進(jìn)行疊加，把多個(gè)指標(biāo)換算成一個(gè)綜合值，即水資源脆弱度，從而對(duì)研究區(qū)的水資源脆弱性狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。其計(jì)算過程中包含了所有指標(biāo)變量，并且考慮了各指標(biāo)影響程度的不同，具有計(jì)算過程簡(jiǎn)便、易懂、結(jié)果易于解釋的優(yōu)點(diǎn)。構(gòu)建基于熵權(quán)法的水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型步驟如下。
(1)標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)的趨向和量綱不同，為了便于指標(biāo)比較和數(shù)據(jù)計(jì)算，需對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，對(duì)于正向指標(biāo)——越大越脆弱型采用式(1)計(jì)算，對(duì)于逆向指標(biāo)——越小越脆弱型采用式(2)計(jì)算。
(1)
(2)
式中：rij為標(biāo)準(zhǔn)化后第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象相對(duì)于第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值；xij為標(biāo)準(zhǔn)化前第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象相對(duì)于第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)值；ximin為第j個(gè)評(píng)價(jià)指中的最小數(shù)值；ximax為第j個(gè)評(píng)價(jià)指中的最大數(shù)值。
(2)構(gòu)建指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣。設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，則標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)可構(gòu)成指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣R。
(3)指標(biāo)熵值計(jì)算。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)值，用熵權(quán)法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值，則第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值表達(dá)式為
(3)
其中：
(4)
(5)
這里規(guī)定若fij=0，則fijlnfij=0[20]。
(4)指標(biāo)熵權(quán)計(jì)算。根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值Hj，即可計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)，則第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)表達(dá)式為
(6)
(5)綜合評(píng)價(jià)值——水資源脆弱度的計(jì)算。在確定指標(biāo)權(quán)重后，通過線性加權(quán)法計(jì)算水資源脆弱度WVI(Water Vulnerability Index)。即將標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的乘積線性相加，其運(yùn)算公式為
(7)
式中：wj為對(duì)應(yīng)的第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。
3 實(shí)例應(yīng)用
3.1研究區(qū)概況
淮河流域地處我國東部，途經(jīng)湖北、河南、安徽、江蘇、山東5省，并且與多條重要河道交錯(cuò)毗鄰，近年來，其水資源脆弱性問題日益突出。在水量方面，多年來隨著淮河流域人口數(shù)量不斷增長，其人均用水量越發(fā)不足。據(jù)淮河水利委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，截至2012年，淮河流域總?cè)丝谟?949年的6 836萬人增長至17 391.82萬人，2012年其人口密度約為全國平均人口密度(140.39人/km2)的4.64倍，而當(dāng)年淮河流域的人均用水量僅為373.43 m3/人。在水質(zhì)方面，人口數(shù)量的急劇增長以及工業(yè)的高速發(fā)展導(dǎo)致生活污水、工業(yè)廢水的排放量逐年增加，水質(zhì)環(huán)境不斷惡化。據(jù)相關(guān)報(bào)道，淮河流域在2004,2007,2008,2010年等多年均發(fā)生了重大水污染事故。在洪澇災(zāi)害方面，由于淮河流域大部分水利設(shè)施始建于20世紀(jì)70年代，其老化、年久失修等問題影響了現(xiàn)有水利工程正常運(yùn)作，導(dǎo)致工程調(diào)蓄能力不足，洪澇災(zāi)害頻發(fā)。2012年沂沭泗地區(qū)出現(xiàn)了自1993年以來最大的洪水。在旱災(zāi)方面，由于淮河流域地處我國南北氣候過渡帶，夏季濕潤炎熱，冬季干燥寒冷，其降水的時(shí)空分布非常不均勻，因此導(dǎo)致淮河流域的部分地區(qū)旱災(zāi)頻繁。2009年淮河流域內(nèi)安徽省先后發(fā)生了嚴(yán)重春旱和3次洪澇災(zāi)害。目前，淮河流域水資源脆弱性問題已成為制約其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素，考慮到淮河流域目前的水資源特點(diǎn)和水環(huán)境狀況，本文選取淮河流域?yàn)檠芯繀^(qū)。其中，由于淮河流域只流經(jīng)湖北省的2座城市，且流經(jīng)面積均很小，所以本文中只對(duì)淮河流域整體以及淮河流域內(nèi)的河南、安徽、江蘇、山東4省的水資源脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
3.2淮河流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)
3.2.1樣本數(shù)據(jù)處理
根據(jù)構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系查找淮河流域以及淮河流域內(nèi)的河南、安徽、江蘇、山東4省的各指標(biāo)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于《淮河流域水資源公報(bào)》(2003—2012年)、《治淮匯刊(年鑒)》(2004—2013年)以及《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》(2004—2013年)。其中，人均用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、水質(zhì)達(dá)標(biāo)下降率、COD排放超標(biāo)倍數(shù)、人口密度、萬元GDP廢水排放量、洪澇災(zāi)害面積比、墾殖指數(shù)以及干旱面積受災(zāi)比為正向指標(biāo)——指標(biāo)數(shù)值越大造成的脆弱度數(shù)值越大，脆弱性越高；年降水量、年降水量變差系數(shù)、地表水資源開發(fā)利用率、地下水資源開發(fā)利用率、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率、生態(tài)環(huán)境用水率、森林覆蓋率、水閘的數(shù)量、水土流失治理率、除澇面積比例、年降水量變化率、地下水資源量、有效灌溉面積比、大中型水庫總庫容量占總供水量之比以及百萬方水承載人口數(shù)為逆向指標(biāo)——指標(biāo)數(shù)值越小造成的脆弱度數(shù)值越大，脆弱性越高。正向指標(biāo)按照式(1)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，逆向指標(biāo)按照式(2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。
3.2.2指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣的建立
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)即可構(gòu)建指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣R，即
3.2.3評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算
將標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)值代入式(3)，式(4)，式(5)，式(6)中計(jì)算24個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值和熵權(quán)，所得熵權(quán)即為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，其結(jié)果如表2所示。
3.2.4水資源脆弱度計(jì)算
將各評(píng)價(jià)對(duì)象標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣R和24個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重Wj代入式(7)，即可分別計(jì)算出2003年至2012年淮河流域整體以及河南、安徽、江蘇、山東4省在淮河流域流經(jīng)部分的水資源脆弱度。其結(jié)果如表3所示。
表2 水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Table 2 Weights of indexes evaluating the vulnerability of water resources
表3 水資源脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Evaluation result of water resources vulnerability
3.2.5水資源脆弱度等級(jí)劃分
為了便于比較淮河流域各年份與各地區(qū)的水資源脆弱度，需對(duì)水資源脆弱度等級(jí)進(jìn)行劃分。由于目前關(guān)于水資源脆弱度等級(jí)的劃分尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或方法，本文參照文獻(xiàn)[6],根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果的數(shù)值分布和專家經(jīng)驗(yàn)確定水資源脆弱度的閾值，從而對(duì)脆弱度等級(jí)進(jìn)行劃分。具體方法是將標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)按升序排列，那么第一組指標(biāo)數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果即為不脆弱的狀態(tài)，依次計(jì)算各組指標(biāo)數(shù)據(jù)的水資源脆弱度。然后根據(jù)樣本脆弱度的數(shù)值分布和專家意見，依次選定不脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱的閾值，由此將淮河流域及流域內(nèi)四省的水資源脆弱度劃分為5個(gè)等級(jí)，具體劃分如表4所示。
表4 流域水資源脆弱度等級(jí)劃分Table 4 Ratings of basin water resources vulnerability
3.3結(jié)果分析
根據(jù)2003—2012年淮河流域整體以及河南、安徽、江蘇、山東4省在其流經(jīng)部分的水資源脆弱度計(jì)算結(jié)果，可繪制圖1和圖2的走勢(shì)圖。
圖1 2003—2012年淮河流域水資源脆弱性走勢(shì)Fig.1 Trend of water resources vulnerability in Huaihe river basin in 2003-2012
圖2 2003—2012年淮河流域流經(jīng)的四省水資源脆弱性走勢(shì)Fig. 2 Trend of water resources vulnerability of the four provinces of Huaihe river basin in 2003-2012
3.3.1淮河流域整體水資源脆弱性分析
將淮河流域整體水資源脆弱度計(jì)算結(jié)果參照表4可以看出：2003年其資源脆弱性為重度脆弱；2004—2008年其水資源脆弱性為中度脆弱；2009年其水資源脆弱性為重度脆弱；2010—2012年其水資源脆弱性為輕度脆弱。同時(shí)，從圖1中可以看出除2009年以外，2003—2012年淮河流域整體水資源脆弱度數(shù)值逐年減小，脆弱性逐年降低，流域水資源脆弱性呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。對(duì)比原始數(shù)據(jù)可以看到，在水量的獲取方面，10 a間淮河流域的地表水和地下水資源開發(fā)利用率逐年提高，從2003年的0.178和0.228分別增加到0.671和0.515，水資源得到充分利用。在水量的供給方面，淮委制定了嚴(yán)格的水資源管理制度，使得萬元工業(yè)增加值用水量從2003年的186.1 m3/萬元顯著降低至37.9 m3/萬元；在水質(zhì)方面，淮河流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)的投入力度越來越大，在2003年時(shí)其生態(tài)環(huán)境用水率僅為0.009 7，到2012年已經(jīng)增至0.020 3。在水資源保護(hù)工作中，淮委對(duì)水功能區(qū)和入河排污口進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)督管理，并開展多地區(qū)的水污染聯(lián)防工作，使得COD排放量超標(biāo)倍數(shù)和萬元GDP廢水排放量得到有效控制，目前盡管COD的排放量尚未達(dá)標(biāo)，但其超標(biāo)倍數(shù)已穩(wěn)定在0.5以下，萬元GDP的廢水排放量也由最初的35.91 t/萬元減少至10.21 t/萬元；在洪澇災(zāi)害方面，淮河流域的水土流失治理率和除澇面積比例逐年增加，目前分別達(dá)到了0.789和0.937?；春恿饔虻乃Y源管理措施和調(diào)控手段全面涵蓋了水量、水質(zhì)、洪澇災(zāi)害和旱災(zāi)多個(gè)方面，對(duì)降低水資源脆弱性卓有成效。
此外，從圖1中可見2009年的淮河流域整體水資源脆弱度數(shù)值明顯增大，可見當(dāng)年的水資源脆弱性狀況較為嚴(yán)重。造成該現(xiàn)象的主要原因體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：首先，2009年初淮河流域持續(xù)百余天無有效降雨，土壤水分不足，作物的水分平衡遭到破壞，導(dǎo)致流域內(nèi)4省的多個(gè)地區(qū)發(fā)生旱情。同時(shí)，該年淮河流域的人口密度達(dá)到歷年最大，在降水量有限的情況下，人口數(shù)量的攀升給水資源的供應(yīng)和水質(zhì)環(huán)境的保護(hù)都帶來了極大的壓力。其次，該年淮河流域的墾殖指數(shù)達(dá)到0.631，顯著高于其他年份。過度的土地開墾引起了土地覆被的變化，破壞了土壤的吸水能力，對(duì)洪澇災(zāi)害的防治產(chǎn)生了一定的影響。最后，受自然、人為等因素的影響，該年淮河流域大、中型水庫調(diào)節(jié)供水的能力和有效灌溉面積較往年均略顯不足。綜上所述，淮河流域水資源管理部門應(yīng)當(dāng)對(duì)突出的水資源問題引以為戒，并繼續(xù)加強(qiáng)水資源管理措施的實(shí)施力度，避免水資源脆弱性的再次加劇。同時(shí)，在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，萬元工業(yè)增加值用水量、COD排放超標(biāo)倍數(shù)、洪澇災(zāi)害面積比、萬元GDP廢水排放量、干旱面積受災(zāi)比這些指標(biāo)占有較高比重，可以著重從這5個(gè)方面考慮平衡供水能力與用水需求之間的關(guān)系。
3.3.2淮河流域內(nèi)4省的水資源脆弱性分析
3.3.2.1淮河流域內(nèi)河南省水資源脆弱性分析
參照表3和表4可知：2003年淮河流域內(nèi)河南省的水資源脆弱性呈重度脆弱；2004—2010年其脆弱性呈中度脆弱；2011—2012年其脆弱性呈輕度脆弱。從圖2的走勢(shì)可以看出，10 a間淮河流域內(nèi)河南省的水資源脆弱性大體上呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，在2009年有所惡化，這與淮河流域整體的水資源脆弱性變化走勢(shì)相一致。同時(shí)，河南省的水資源脆弱度數(shù)值在淮河流域內(nèi)的4省中最小，水資源脆弱性最低。從圖3可以看出，造成2009年水資源脆弱性加劇的主要原因是受到旱災(zāi)方面的影響，對(duì)比原始數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，該年大中型水庫總庫容占總供水量之比僅為0.832 4，達(dá)到10 a間最小，水庫平衡調(diào)節(jié)供水量的能力明顯不足。同時(shí)，該年流域內(nèi)河南省大面積干旱，其受災(zāi)比達(dá)到0.227，為10 a間最高，受災(zāi)范圍最大。除此以外，在水量方面，2009年河南省年降水量較往年不足，僅為678.35億m3，而與此同時(shí)人均用水量卻高于往年；在水質(zhì)方面，該年河南省水質(zhì)達(dá)標(biāo)率較低，同時(shí)0.068 9萬人/km2的人口密度也為水質(zhì)脆弱性帶來較大的壓力。近年來，河南省在防汛抗旱工作上不斷積累經(jīng)驗(yàn)，全面落實(shí)以行政首長負(fù)責(zé)制為核心的防汛抗旱責(zé)任制。面對(duì)洪澇旱情及時(shí)開展減災(zāi)工作，修繕?biāo)こ淘O(shè)施，有效降低了水資源洪澇旱災(zāi)方面的脆弱性。同時(shí)，河南省堅(jiān)持執(zhí)行嚴(yán)格的水資源管理制度，建立了水資源開發(fā)利用控制、用水效率控制、水功能區(qū)限制納污“三條紅線”的指標(biāo)體系。這一舉措對(duì)于應(yīng)對(duì)水量和水質(zhì)方面的脆弱性意義重大。
圖3 2003—2012年淮河流域內(nèi)河南省水資源脆弱性構(gòu)成Fig.3 Composition of water resources vulnerability of Henan province in 2003-2012
3.3.2.2淮河流域內(nèi)安徽省水資源脆弱性分析
參照表3和表4可知：2003年淮河流域內(nèi)安徽省的水資源脆弱性呈極度脆弱；2004—2007年其脆弱性呈重度脆弱；2008—2012年其脆弱性呈中度脆弱。從圖2的走勢(shì)中可以看出，2003—2009年淮河流域內(nèi)安徽省的水資源脆弱性總體上逐漸好轉(zhuǎn)，其水資源脆弱性得到明顯緩解。這一成果與安徽省實(shí)施以“三防一供”為重點(diǎn)的治淮工程，強(qiáng)化水資源“三條紅線”管理密不可分。需要注意的是，2010—2012年淮河流域內(nèi)安徽省的水資源脆弱性略有上升，從圖4可以看出造成這一現(xiàn)象的原因主要是旱災(zāi)方面的影響。根據(jù)實(shí)際狀況可知，3 a間流域內(nèi)安徽省的年降水量逐年下降，與此同時(shí)人均用水量卻有所增長，水資源供需矛盾逐漸突出。同時(shí)，受人類活動(dòng)的影響，3 a年間安徽省的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率迅速下降，由0.455下降至0.188，大量工業(yè)用水、生活用水以及農(nóng)田中的營養(yǎng)物質(zhì)被排入到河流、湖泊中，導(dǎo)致巢湖富營養(yǎng)化、船舶水污染等事故，加劇了水質(zhì)方面的脆弱性。此外，耕地面積的不斷擴(kuò)張也為旱澇災(zāi)害的防治帶來了困難。
圖4 2003—2012年淮河流域內(nèi)安徽省水資源脆弱性構(gòu)成Fig.4 Composition of water resources vulnerability of Anhui province in 2003-2012
3.3.2.3淮河流域內(nèi)江蘇省水資源脆弱性分析
參照表3和表4可知：2003—2005年淮河流域內(nèi)江蘇省的水資源脆弱性呈重度脆弱；2006年其脆弱性呈極度脆弱；2007—2012年其脆弱性呈重度脆弱。可見10 a間江蘇省水資源脆弱度數(shù)值較高，脆弱性狀況較為嚴(yán)峻，其中2006年尤其嚴(yán)重，如圖5所示，該年江蘇省水資源脆弱性在旱災(zāi)、洪澇災(zāi)害和水量方面均有明顯體現(xiàn)。首先在水量方面，該年的萬元工業(yè)增加值用水量為201.03 m3/萬元，達(dá)到10 a間最大，這對(duì)水量的承載性造成了很大的壓力；其次在水質(zhì)方面，該年的COD排量超標(biāo)倍數(shù)也相對(duì)較高，對(duì)水質(zhì)造成了較大影響；最后在洪澇災(zāi)害和旱災(zāi)方面，由于在2006年汛期，江蘇蘇北地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的雨澇災(zāi)害，而9月中旬以后，全省絕大部分地區(qū)又持續(xù)干早無雨，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的早情。因此該年的受災(zāi)情況在10 a間也最嚴(yán)重，其洪澇災(zāi)害面積比和干旱面積受災(zāi)比分別達(dá)到0.341和0.182。據(jù)此，江蘇省水資源管理部門應(yīng)當(dāng)及時(shí)調(diào)整水資源管理政策，對(duì)極度脆弱的年份中出現(xiàn)的問題吸取教訓(xùn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，避免水資源脆弱性的進(jìn)一步惡化。
圖5 2003—2012年淮河流域內(nèi)江蘇省水資源脆弱性構(gòu)成Fig.5 Composition of water resources vulnerability of Jiangsu province in 2003-2012
3.3.2.4淮河流域內(nèi)山東省水資源脆弱性分析
參照表3和表4可知：2003—2006年淮河流域內(nèi)山東省的水資源脆弱性呈重度脆弱；2008年其脆弱性呈中度脆弱；2009年其脆弱性呈重度脆弱；2010—2012年其脆弱性呈中度脆弱。從圖2的走勢(shì)中可以看出，10 a間淮河流域內(nèi)山東省的水資源脆弱性總體上呈減弱趨勢(shì)，目前其水資源脆弱性得到明顯緩解。10 a間，山東省在水量方面堅(jiān)持實(shí)施嚴(yán)格的取水許可監(jiān)督管理，維持水量的供給平衡。水質(zhì)方面，對(duì)重點(diǎn)入河排污口以及主要供水源地進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)和通報(bào)，及時(shí)對(duì)水污染狀況進(jìn)行治理、調(diào)控。在防洪抗旱方面，山東省治淮東調(diào)南下續(xù)建工程的有效實(shí)施使得其減災(zāi)能力顯著增強(qiáng)。需要注意的是，與淮河流域整體水資源脆弱性走勢(shì)相似，其2009年水資源脆弱性也明顯高于鄰近年份，從圖6可以看出造成該年水資源脆弱性加劇的主要原因是旱災(zāi)方面的影響，該年初受降水量不足的影響，山東省全省發(fā)生大面積春旱。此外在水量方面，2009年淮河流域內(nèi)山東省的萬元工業(yè)增加值用水量為22.65 m3/萬元，高于相鄰年份；水質(zhì)方面，該年的COD排放量超標(biāo)倍數(shù)與萬元GDP廢水排放量均顯著高于相鄰年份，可見該年由于人為原因?qū)е碌乃|(zhì)污染較為嚴(yán)重。這些因素都導(dǎo)致了該年水資源脆弱性較相鄰年份顯著增強(qiáng)。
圖6 2003—2012年淮河流域內(nèi)山東省水資源脆弱性構(gòu)成Fig.6 Composition of water resources vulnerability of Shandong province in 2003-2012
通過以上分析并且結(jié)合圖2可知，淮河流域水資源脆弱性在空間上大體呈現(xiàn)自西向東逐漸增高的趨勢(shì)，且東西差異較為明顯。目前，流域內(nèi)江蘇省水資源脆弱性最為嚴(yán)重，達(dá)到0.43；山東次之，達(dá)到0.36；安徽和河南的水資源脆弱度分別為0.34和0.27。對(duì)比原始數(shù)據(jù)可知該分布規(guī)律同樣體現(xiàn)在年降水量、地下水資源開發(fā)利用率、生態(tài)環(huán)境用水率、人口密度、森林覆蓋率、地下水資源量、有效灌溉面積比這些指標(biāo)上，由此可見這些指標(biāo)因素對(duì)淮河流域內(nèi)4省的水資源脆弱性影響較大?？梢钥紤]從這幾個(gè)方面來平衡水資源脆弱性的空間分布，有針對(duì)性地對(duì)各地區(qū)水資源脆弱性進(jìn)行整治。
4 結(jié) 論
(1)本研究根據(jù)流域水資源脆弱性的表現(xiàn)形式，并結(jié)合水資源脆弱性成因選取了24個(gè)因子，分級(jí)構(gòu)建了流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系從水量、水質(zhì)、洪澇災(zāi)害、旱災(zāi)4個(gè)方面考慮了流域水資源脆弱性的影響因素，有利于對(duì)流域水資源脆弱性的成因進(jìn)行分析。
(2)本研究在線性加權(quán)法的基礎(chǔ)上，通過熵權(quán)法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)客觀賦權(quán)，從而建立了流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型。該方法計(jì)算簡(jiǎn)便、易于操作，它依據(jù)樣本數(shù)據(jù)的特征對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)，避免了主觀因素帶來的偏差，從而保證了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性。在實(shí)證分析中，本文以2003—2012年淮河流域整體及流域內(nèi)河南、安徽、江蘇、山東4省的指標(biāo)數(shù)據(jù)為樣本，應(yīng)用此方法從時(shí)間、空間2個(gè)維度對(duì)淮河流域水資源脆弱性狀況進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與當(dāng)前淮河流域的水資源現(xiàn)狀基本相符，說明該方法可以用于流域水資源脆弱性的評(píng)價(jià)研究，其結(jié)果可以為水資源管理部門緩解淮河流域水資源脆弱性提供借鑒。
(3)評(píng)價(jià)結(jié)果表明：在時(shí)間上，除2009年以外，10 a間淮河流域的水資源脆弱度數(shù)值逐年減小，由最初的0.435降至0.304，水資源脆弱性呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，目前淮河流域處于輕度脆弱的狀態(tài)。此外，流域內(nèi)4省的水資源脆弱性在10 a間盡管有所波動(dòng)，但相比2003年均有所緩解，其中安徽省由0.551降至0.343，好轉(zhuǎn)狀況最為明顯。需要注意的是，由于旱災(zāi)方面的影響，流域內(nèi)安徽省的水資源脆弱性在近3 a逐漸增加，所以應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)旱災(zāi)脆弱性的防治；在空間上，淮河流域內(nèi)河南、安徽、山東、江蘇的水資源脆弱度數(shù)值逐漸增大，水資源脆弱性呈現(xiàn)自西向東逐漸增強(qiáng)的特點(diǎn)，且水資源脆弱性東西差異較為明顯，當(dāng)前河南省的水資源脆弱度為0.268，而江蘇省卻達(dá)到0.43。由此可見，盡管淮河流域水資源脆弱性有所好轉(zhuǎn)，但仍未達(dá)到理想狀態(tài)，有待進(jìn)一步的綜合整治和管理。
由于可收集到的數(shù)據(jù)存在限制，本研究在時(shí)間維度上僅僅對(duì)淮河流域2003—2012年10 a間的水資源脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，對(duì)時(shí)間序列趨勢(shì)的分析存在不足，有待進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。在未來的研究中，擬基于目前的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)結(jié)果，討論、構(gòu)建流域水資源脆弱性預(yù)測(cè)模型，對(duì)研究區(qū)未來的水資源脆弱性狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。
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(編輯：趙衛(wèi)兵)
Assessing the Vulnerability of Basin Water Resources Based on Entropy Weight Method: A Case Study of Huaihe River Basin
LIU Qian-qian, CHEN Yan
(School of Economics and Management, Nanjing Forestry University, Nanjing210037, China)
Assessment of basin water resources vulnerability reflects the water security conditions of the research area in an objective way by quantifying the degree of water resources vulnerability. According to the manifestation and causes of water resources’ vulnerability, we built an evaluation indices system which consists of four primary indicators including water yield, water quality, flood disaster and drought and three secondary indicators of natural factor, human factor and carrying factor. On this basis, we constructed an assessment model for water resource vulnerability by using the entropy weight method in association with the linear weighting method. In this research we took Huaihe River basin as an example and assessed the water resources vulnerability of four provinces in 2003-2012 from two dimensions of time and space. The results showed that in terms of the time dimension, the value of water resources vulnerability in Huaihe River basin decreased in the decade, indicating that the vulnerability of water resources in the four provinces was improving; while in terms of the space dimension, water resources in Huaihe River basin was becoming more and more fragile from the west to the east. Research shows that the water resources vulnerability in Huaihe River basin presents a trend of improvement, but there are still some problems that need further management and regulation.
basin water resources; vulnerability assessment; linear weighting method; entropy weight method; Huaihe River basin
2015-07-14;
2015-11-17
國家自然基金青年項(xiàng)目(71403122)；江蘇省自然基金青年項(xiàng)目(BK20140980)；教育部人文社科基金青年項(xiàng)目(14YJC630018)
劉倩倩(1991-)，女，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣芾砜茖W(xué)與工程、水資源管理，(電話)025-85427377(電子信箱)dkjoy77@sina.com。
陳巖(1977-)，女，吉林農(nóng)安人，副教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樗Y源管理、生態(tài)經(jīng)濟(jì)、資源與環(huán)境管理，(電話)025-85427377(電子信箱)sanchen007@163.com。
10.11988/ckyyb.20150591
2016,33(09):10-17
TV213
A
1001-5485(2016)09-0010-08
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