張 宏

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

1 引 言

我國2016年全國用水量達到了5 800多億m3，其中農(nóng)業(yè)用水占61.9%左右，但我國人均水資源占有量只占世界人均水平的25%[1]，水資源匱乏問題一直是制約我國經(jīng)濟等各方面發(fā)展的重要原因之一。水是人類社會發(fā)展及生物生存的重要組成部分，水資源已逐漸成為了國際戰(zhàn)略性資源之一，成為了制約國家發(fā)展的重要因素[2]。近年來我國在經(jīng)濟上取得了十分顯著的進步，但由于在經(jīng)濟發(fā)展過程中對生態(tài)環(huán)境的忽視，導(dǎo)致了國內(nèi)水資源污染嚴(yán)重，國內(nèi)水資源匱乏、水污染日益加劇使國內(nèi)水資源安全與可持續(xù)利用收到了嚴(yán)重威脅。同時由于我國存在較嚴(yán)重的季節(jié)性干旱、洪澇災(zāi)害造成了我國巨大的經(jīng)濟損失和人身安全危害。水資源安全是水資源管理的核心，其涉及到了生態(tài)、社會等多個方面，找出合理的評價方法對水資源安全進行評價已成為了相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點[3]。

目前針對水資源安全綜合評價方面，已有了部分研究。對于水資源安全評價的方法多集中在模糊綜合評價[4]、集對分析[5]、灰色系統(tǒng)理論[6]等方法中。但這些評價方法只能單方面對水資源安全進行評價，無法完全考慮其對生態(tài)及社會造成的綜合影響。英國牛津大學(xué)的Sullivan[7]綜合考慮水資源安全的各個方面，提出了Water Poverty Index(WPI)模型，該模型綜合考慮的水資源安全的R(資源狀況)、A(供水途徑)、C(利用能力)、U(使用效率)和E(環(huán)境影響)5個方面，可較全面地反映水資源安全的綜合情況。

目前國內(nèi)對水資源安全的研究雖取得了一定進展，但仍處于學(xué)習(xí)階段。邵薇薇和楊大文[8]基于WPI模型對中國7大流域進行了水資源安全評價，指出遼河、海河、淮河、黃河流域的缺水程度嚴(yán)重，長江和珠江流域的缺水程度相對較低,，結(jié)論符合中國實際情況；王曉妮等[9]基于WPI模型對松遼流域不同分區(qū)進行了水資源安全評價，計算了不同區(qū)域的WPI指數(shù)，指出嫩江 、第二松花江、松花江三岔河口以下區(qū)域WPI指數(shù)最高；孫才志與王雪妮[10]基于WPI-ESDA 模型對中國水貧困評價和空間關(guān)聯(lián)格局進行了分析，指出國內(nèi)北方地區(qū)水資源貧乏且使用率極高，西部地區(qū)水貧乏現(xiàn)象最為嚴(yán)重。

本文基于WPI模型，選取水資源安全評價體系，計算不同指標(biāo)的權(quán)重，通過權(quán)重與實測數(shù)據(jù)計算水資源安全值，對區(qū)域水資源安全進行評價，同時引入因素強度分析模型，找出影響水資源安全的最關(guān)鍵因素，得出的結(jié)論可為水資源管理以及改善水資源安全提供理論依據(jù)。

2 研究方法

2.1 WPI指數(shù)及評價體系確定

WPI指數(shù)于2002年由英國生態(tài)與水文研究所的研究學(xué)者Sullivan等人提出，從5個方面反映水貧困情況，由R(資源狀況)、A(供水途徑)、C(利用能力)、U(使用效率)和E(環(huán)境影響)組成，每個指標(biāo)下可以選擇同類型的子指標(biāo)，綜合反映地區(qū)的水貧困情況。

由于水資源安全指標(biāo)體系復(fù)雜，涉及范圍較廣，在選取指標(biāo)構(gòu)建評價體系時，應(yīng)注意以下原則：

(1)科學(xué)性原則。指標(biāo)體系要符合客觀實際，與已經(jīng)被認可的科學(xué)理論相一致；

(2)完整性原則。選擇的指標(biāo)，構(gòu)建的指標(biāo)體系應(yīng)形成一個完整的整體；

(3)主觀性與客觀性兼顧原則。選取的指標(biāo)既要符合客觀要求，也要與人們的主觀意識相一致，充分反映主觀經(jīng)驗與客觀事實。

根據(jù)以上原則，綜合考慮R(資源狀況)、A(供水途徑)、C(利用能力)、U(使用效率)和E(環(huán)境影響)5個方面，每個層面選取4種指標(biāo)進行分析，得出的評價指標(biāo)體系，見圖1。

圖1 水資源安全評價指標(biāo)體系構(gòu)建Fig.1 Establishment of evaluation index system of water resource security

2.2 信息熵理論指標(biāo)權(quán)重確定

本文基于改進信息熵理論計算不同水資源安全評價指標(biāo)的權(quán)重，同時發(fā)出210份問卷調(diào)查，調(diào)查不同專家學(xué)者對水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重的評定，收回208份有效問卷，得出主觀專家權(quán)重，將信息熵權(quán)重(客觀權(quán)重)與專家權(quán)重(主觀權(quán)重)進行綜合，得出綜合權(quán)重，該權(quán)重既可以反映客觀事實，也可反映主觀專家意見，具有一定的代表性，客觀權(quán)重與綜合權(quán)重計算過程如下：

假設(shè)有m個對象，n個被評價指標(biāo)，熵定義為：

(1)

(2)

式中：Hj代表計算的信息熵；m為評價對象個數(shù)；n為待評價指標(biāo)個數(shù)；bij為計算的相對隸屬度；fij為相對隸屬度所占比例。

對各項指標(biāo)進行無量綱化處理，得出相對隸屬度：

(3)

計算第j項指標(biāo)的變異度：

Dj=1-Hj

(4)

式中：Dj為所求的變異度；Hj代表指標(biāo)的信息熵。

計算該指標(biāo)所對應(yīng)的熵權(quán)重(客觀權(quán)重)：

(5)

式中：wbj為所求的客觀權(quán)重；Dj為某項指標(biāo)的變異度。

根據(jù)專家經(jīng)驗得出的主觀權(quán)重與計算得出的客觀權(quán)重，得出綜合權(quán)重：

(6)

式中：wj為所求的綜合權(quán)重；waj為通過問卷調(diào)查所得的主觀權(quán)重；wbj為所求的客觀權(quán)重。

2.3 趨勢系數(shù)計算

為明確反映出指標(biāo)多年變化情況，本文引入趨勢系數(shù)指標(biāo)，該指標(biāo)可通過數(shù)值反映不同子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的上升下降趨勢，具體公式如下：

(7)

式中：c代表趨勢系數(shù)，a-1；xi和xj分別代表第i年和第j年所求數(shù)值；n為第i年到第j年之間的年數(shù)。

2.4 水資源安全值計算

本文采用非均衡法對水資源安全值進行計算，針對不同指標(biāo)的不同權(quán)重，通過加權(quán)平均的方法得到評價區(qū)的WPI值即水資源安全值，本文水資源安全值是從R(資源狀況)、A(供水途徑)、C(利用能力)、U(使用效率)和E(環(huán)境影響)5個準(zhǔn)則層進行非均衡計算。首先根據(jù)公式(8)進行加權(quán)計算，然后利用公式(9)，進行下一步的加權(quán)求和，得出水資源安全值。

(8)

(9)

式中：yij指第i個評價年的第j個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；ωj分別為各子系統(tǒng)的綜合權(quán)重；f(yj)和F(x)分別為各子系統(tǒng)的得分值和水資源安全值。

3 結(jié)果與分析

3.1 水資源安全值計算結(jié)果分析

本文數(shù)據(jù)來自2006～2016年《陜西省環(huán)境統(tǒng)計年報》《陜西省統(tǒng)計年鑒》和《陜西省國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，并通過結(jié)合實地考察獲取。分別調(diào)查了某市2006～2016年間的水資源情況，統(tǒng)計了從R(資源狀況)、A(供水途徑)、C(利用能力)、U(使用效率)和E(環(huán)境影響)5個方面共20個基礎(chǔ)指標(biāo)的基本情況，通過公式(1)～(6)分別計算不同指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果見表1。

通過公式(7)～(8)可計算出不同準(zhǔn)則層的水資源安全值，結(jié)果見表2。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)可得出不同指標(biāo)水資源安全值的變化趨勢，結(jié)果見圖2。表2和圖2顯示，不同指標(biāo)在2006～2016年之間的變化趨勢不同。水資源安全值呈現(xiàn)逐年提高的趨勢，趨勢系數(shù)為2.833/a，供水途徑(A)和利用能力(C)子系統(tǒng)水資源安全值呈現(xiàn)逐年升高的趨勢，趨勢系數(shù)分別達到了4.794/a和4.473/a，使用效率(U)子系統(tǒng)水資源安全值雖在2012～2013年出現(xiàn)降低，但總體呈上升趨勢，趨勢系數(shù)為2.447/a，資源狀況(R)和環(huán)境影響(E)子系統(tǒng)水資源安全值在2006～2016年間呈現(xiàn)出了較大的波動趨勢，變化幅度相近，但總體仍存在了上升趨勢，趨勢系數(shù)分別為1.481/a和1.310/a，同時2個子系統(tǒng)的波動情況反映出了豐水年和枯水年的交替變化，與實際情況相符[11]。

表1 水資源安全評價體系各層次指標(biāo)權(quán)重確定Tab.1 Determination of weights of indexes of water resources security evaluation system

表2 水資源安全值計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of water resource security value

圖2 不同準(zhǔn)則層指標(biāo)水資源安全值變化趨勢Fig.2 Variation trend of water resource security value of different subsystems

3.2 水資源安全值因素模型分析結(jié)果

為得出影響水資源安全的最主要因素，以期為水資源安全措施制定提供依據(jù)。本文引入因素分析模型[12]，定義因素強度系數(shù)為WPI模型各子系統(tǒng)的得分值與水資源安全值的比值，記為M。同時還要參考各子系統(tǒng)的得分值來判斷，記為L。分析2006年～2016年各子系統(tǒng)得分值和水資源安全得分值，調(diào)整合適的閾值，將水資源安全值進行分級，結(jié)果見表3。

根據(jù)表2水資源安全值計算出WPI模型不同年份的各個子系統(tǒng)的強度系數(shù)，見表4。表4顯示，供水途徑(A)與利用能力(C)變化趨勢逐年變好，在2006～2007年為劣等水平，2008～2013年為中等水平，2014年以后達到了優(yōu)等水平，這表明隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展以及城市公共設(shè)施的完善，用水普及率和有效灌溉面積相應(yīng)地的增加，直接導(dǎo)致了供水途徑和利用能力等級的上升；使用效率(U)整體趨勢較優(yōu)，隨著科技的進步和發(fā)展，以及群眾節(jié)水意識的增強，水資源的使用效率大幅度提高；資源狀況(R)整體上是處于中等和劣等水平，由于經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)的繁榮和重視以及城市的擴張，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境遭到不同程度的破壞；同時由于人口的增加，農(nóng)業(yè)化肥用量和農(nóng)藥使用量也在不斷的增加，環(huán)境問題越來越突出。

表3 水資源安全影響因素分類評判標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Criteria for classification and evaluation of influencing factors of water resources security

綜上所述，WPI模型的5個子系統(tǒng)均向著使水資源安全變好的趨勢發(fā)展，但是資源狀況(R)影響著綜合水資源安全的結(jié)果，甚至拉低了近幾年的水資源安全值，因此資源狀況是影響當(dāng)?shù)厮Y源安全情況的最主要因素。

表4 不同子系統(tǒng)水資源安全值等級劃分Tab.4 Grading of water resource security values of different subsystems

4 結(jié) 論

4.1 水資源安全值呈現(xiàn)逐年提高的趨勢，趨勢系數(shù)為2.833/a，供水途徑(A)和利用能力(C)子系統(tǒng)水資源安全值呈現(xiàn)逐年升高的趨勢資源狀況(R)和環(huán)境影響(E)子系統(tǒng)水資源安全值在2006～2016年間呈現(xiàn)出了較大的波動趨勢，變化幅度相近，但總體仍存在了上升趨勢，趨勢系數(shù)分別為1.481/a和1.310/a；

4.2 供水途徑(A)與利用能力(C)變化趨勢逐年變好，使用效率(U)整體趨勢較優(yōu)，隨著科技的進步和發(fā)展，以及群眾節(jié)水意識的增強，水資源的使用效率大幅度提高；資源狀況(R)整體上是處于中等和劣等水平，拉低了近幾年的水資源安全值，因此資源狀況是影響當(dāng)?shù)厮Y源安全情況的最主要因素。