王有振

(山西禹門口黃河提水工程管理局，山西 河津 043300)

水資源安全意指地區(qū)水生態(tài)環(huán)境不受來自自然過程、經濟社會發(fā)展的影響而呈現(xiàn)的自然狀態(tài)[1]，作為區(qū)域水資源承載力的度量，能夠反映水資源的自然屬性和人為屬性，以及對經濟社會發(fā)展的支撐能力[2]。太原市深居黃土高原生態(tài)脆弱區(qū)，水源涵養(yǎng)能力較差，地表水資源缺失，人均水資源占有量遠低于全國平均水平。隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的推進，區(qū)域水生態(tài)功能退化，水資源安全形勢嚴峻。鑒于此，本文以太原為案例區(qū)，應用熵權物元分析模型對太原水資源安全展開縱向、橫向評價，以期為區(qū)域環(huán)境規(guī)劃、生態(tài)治理提供參考依據(jù)。

1 物元模型原理

1.1 構造評價物元

對于多因子綜合決策問題，物元理論將決策目標(O)、特征因子(C)以及特征因子的量值(v)綜合表示為R=(O、C、v)。本研究中R為水資源安全物元[3]，O為水資源安全評價的對象，其特征因子即為水資源安全評價的指標，記作C1，C2，…，Cn；各項指標量值為v1，v2，…，vn。則相應的水資源安全評價物元物元矩陣表示為:

(1)

1.2 構造經典域和節(jié)域

經典域為評價對象分級域值，節(jié)域為其特征因子分級域值，在水資源安全評價研究中，主要指的是水資源安全分級標準與水資源安全評價指標分級標準，據(jù)此，可將水資源安全的經典域物元矩陣表示為:

RTij=(OTj，Ci，VTij)

(2)

式中，RTij—經典域物元；OTj—所劃分水資源安全的第j個分級；對于特征因子量值Ci(i=1，2，…，n)，其分級為VTij，表示第i指標因子對應的第j個等級的域值[4]。

經典域表示為：

(3)

對于水資源安全指標因子的評價物元節(jié)域，可表示如下：

(4)

式中，Ci—表征第i個指標的評價分級區(qū)間[5]。

1.3 關聯(lián)函數(shù)、關聯(lián)度與分及評價

關聯(lián)函數(shù)用于計算水資源安全指標因子與水資源安全評價分級之間的關聯(lián)度，一般而言，其指標因子與某一分級之間的關聯(lián)值越大，表明二者之間關聯(lián)度越高，則可確定該因子屬于此分級。第i項指標相應于水資源安全第一個等級的關聯(lián)度為K(ci)j。

1.4 熵權賦權

熵權法以信息熵的大小表征指標權值，是一種客觀賦權法?，F(xiàn)將原始數(shù)據(jù)采用如下公式進行歸一化處理：

正向指標歸一化公式：

yij=(xij-minxj)/(maxxj-minxj)

(5)

負向指標歸一化公式：

yij=(maxxj-xij)/(maxxj-minxj)

(6)

式中，x—指標原數(shù)據(jù)；i—評價對象序列；j—指標序列；maxxj和minxj—第j個指標中最大值和最小值；y—標準化值。在此基礎上，計算權值，其公式如下：

(7)

其中，

(8)

(9)

(10)

2 水資源安全評價指標體系構建與經典域、節(jié)域確定

2.1 水資源安全評價指標體系構建

對于水資源安全的度量需從其基本概念出發(fā)，繼而確定其與評價因子間的復雜關系?；谔协h(huán)境特征、經濟發(fā)展特點、社會人口結構，并參考借鑒國內外研究成果[7- 9]，重點選取了年均降水量、產水模數(shù)、人均水資源擁有量等12個可量化的屬性作為水資源安全評價指標體系，并依據(jù)指標與水資源安全之間的關系，確定其正負屬性。其中正向指標表示指標值越大，水資源安全狀態(tài)越好；負向指標表示指標值越大，水資源安全狀態(tài)越差。結合研究區(qū)各指標量值，根據(jù)熵權法確定各指標權重，見表1。

表1 太原市水資源安全評價指標體系及權重系數(shù)

2.2 水資源安全評價經典域及節(jié)域的確定

關于生態(tài)環(huán)境評價的研究，國內外學者多依據(jù)其可拓性[10]，將其劃分為5個分級：安全(I)、較安全(II)、臨界安全(III)、較不安全(IV)、極不安全(V)，5種分級標準能夠較好地描述環(huán)境因子指標漸進性變化。分別用I級、II級、III級、IV級、V級表示。由于目前尚未建立統(tǒng)一的評價標準，關于評價閾值的界定也處于實驗性階段，參照有關學者經驗，確定了水資源安全評價經典域復合物元矩陣RTij和節(jié)域矩陣Rp，如下所示。

表2 太原市水資源安全評價指標關聯(lián)度

3 太原市水資源安全評價實證

3.1 數(shù)據(jù)來源

分別以太原市、太原市各縣區(qū)為研究對象，對區(qū)域水資源安全展開縱向、橫向評價，數(shù)據(jù)來源于《山西統(tǒng)計年鑒》《太原統(tǒng)計年鑒》和太原市水資源公報。其中縱向評價以2005—2015年為研究時域，橫向評價以2011—2015年5年的數(shù)據(jù)平均值為基礎，在Excel中進行歸一化、熵權計算、關聯(lián)度計算，在ArcGIS10.3平臺上對橫向評價結果進行空間可視化表達。

3.2 太原市水資源安全橫向物元評價

依據(jù)前述研究方法，計算水資源安全評價指標的關聯(lián)度。以陽曲縣為例，C6指標(人口密度)原始值為125.56人/km2，將其輸入輸入相應的計算公式后，得到關聯(lián)度依次為：K(C6)1=-0.265、K(C6)2=0.274、K(C6)3=-0.318、K(C6)4=-0.214、K(C6)5=-0.205。依據(jù)最大值原則，可判斷C6指標屬于II級，為“較安全水平”；陽曲縣C4指標(年降水量)的經計算其關聯(lián)度依次為：K(C4)1=-0.288、K(C4)2=-0.162、K(C4)3=-0.227、K(C4)4=0.256、K(C4)5=-0.231，可以判定陽曲縣該指標屬于級別IV級，即屬于“較不安全”水平。同理，太原市9縣區(qū)水資源安全指標的關聯(lián)度見表2。

3.3 太原市水資源安全橫向評價

表3為太原10縣區(qū)水資源安全關聯(lián)度值。依表可知，陽曲、古交、婁煩為III級，為臨界安全等級；清徐、萬柏林、迎澤、晉源、杏花嶺、尖草坪、小店屬于IV級，為較不安全等級。從指標因子來看，陽曲、婁煩、古交3地處于太原核心城區(qū)邊緣地帶，自然生態(tài)環(huán)境較好，主要體現(xiàn)在森林覆蓋率(C7)較高、河網密集而供模數(shù)較高(C8)，這為區(qū)域水資源安全提供了較好的環(huán)境保障。另從人口壓力來看，該地區(qū)人口分布稀疏(C6)，人均水資源擁有量(C3)居于全市前列，水資源壓力較?。蝗欢@些地區(qū)經濟發(fā)展水平相對滯后，污水處理力度相對較小。而太原市核心區(qū)水資源安全較差，主要由于城區(qū)集中、土地面積狹小，并且地表產水量較少，區(qū)域生活用水壓力較大。從社會經濟來看核心城區(qū)匯聚了全市80%的人口和90%的經濟總量，經濟發(fā)生對水資源的壓力遠大于周邊地區(qū)，同時污水處理效率(C12)、環(huán)境投資比(C11)等相對較高。在各類因素綜合影響下，太原各縣市水資源安全分布不均衡，總體來看水資源安全質量較差，對此應予以重視。太原市水資源安全承載力空間分布如圖1所示。

表3 太原市水資源安全評價綜合關聯(lián)度

圖1 太原市水資源安全承載力空間分布

3.4 太原市水資源安全縱向評價

圖2為2005—2015年太原市水資源安全動態(tài)評價結果。依圖可知，研究時域內太原市水資源安全逐漸呈惡化趨勢，2004、2005年內水資源安全為II級，屬較安全等級，隨后于2006年演變?yōu)镮II級，屬于臨界安全等級，2006—2013年一直處于臨界安全等級，表明全市水環(huán)境承載力具有脆弱性，如果任其惡化，則水資源安全形勢加劇，若能夠加強水環(huán)境治理，則能改善水資源安全狀態(tài)。2014—2015年，太原市水資源安全演變?yōu)檩^不安全。這表明，近15年以來太原市水資源安全形勢不容樂觀。

圖2 2005—2015年太原市水資源安全評價

3.5 太原市水資源安全影響解析

熵權法通過熵值信息反映指標權值大小，權值信息表明，水資源安全各指標因子的重要性存在差異。圖3能直觀反映水資源安全指標因子的重要性，依圖可知C8的權值最大，達到0.1122，表明森林覆蓋率是影響水資源安全的關鍵影響因素；C3的權值為0.1054，說明人均水資源量也具有重要影響。C1、C6、C7、C11和C12的權值介于0.0865～0.0985之間，其對水資源安全的影響次之，但在水環(huán)境治理中應予以重視；而其他指標的權值較小，說明其對水資源安全的影響相對較小。

圖3 水生態(tài)安全指標權值雷達圖

4 結論

熵權法和物元分析建立水資源安全評價模型，對太原及其10個縣區(qū)水資源安全進行評價?？傮w來看，太原市水資源安全形勢嚴峻，應當增強全民節(jié)水意識，加大節(jié)水宣傳力度。在工農業(yè)及城市生活中積極推廣節(jié)水技術，城市污水、中水回用是短期內應對水質型缺水的主要方法，應進一步增強太原市污水處理能力，并進行廢水二次利用。為改善水環(huán)境，增加水資源，應植樹造林種草，提高涵養(yǎng)水源的能力。在低洼易澇地區(qū)修建回灌工程，最大限度補充地下水資源。