吳有剛

（湖北省武穴市水利和湖泊局，湖北武穴436400）

水資源安全概念是在20世紀(jì)90年代提出，是基于食品和能源安全基礎(chǔ)上增加的一個(gè)新領(lǐng)域。目前，水資源安全定義尚未具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，主要從社會(huì)安全、經(jīng)濟(jì)安全、環(huán)境安全等方面著手，比較公認(rèn)的水資源安全概念是指國(guó)家或區(qū)域利益不因供水災(zāi)害，干旱缺水，水質(zhì)污染，水環(huán)境破壞等造成嚴(yán)重?fù)p失，水資源的自然循環(huán)過程和系統(tǒng)不受破壞或嚴(yán)重威脅，在某一具體歷史發(fā)展階段下，水資源能夠滿足區(qū)域國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這領(lǐng)域已有很多研究成果，主要涉及的研究成果在概念、模型探討、方法理論研究等方面［1-2］。劉布春［3］等人推敲了農(nóng)業(yè)水資源安全概念的組成要素，包括自然屬性、社會(huì)屬性和人為屬性等內(nèi)涵；周安康［4］等人以寶雞峽灌區(qū)為例，在建立實(shí)際評(píng)價(jià)指標(biāo)基礎(chǔ)上運(yùn)用綜合評(píng)判模型進(jìn)行農(nóng)業(yè)水資源安全評(píng)價(jià)并分析影響主要因素；王鵬等［5］采用AHP法賦權(quán)，運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法進(jìn)行灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源安全評(píng)價(jià)，并提出針對(duì)性建議。從模型計(jì)算方法上也有一定進(jìn)展，主要是從定量與定性分析、實(shí)例與理論結(jié)合分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等方面出發(fā)。本研究依托于水資源安全與管理理論，通過水資源與供水、用水、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境之間相互關(guān)系來研究農(nóng)業(yè)水資源安全發(fā)展?fàn)顩r，根據(jù)農(nóng)業(yè)水資源影響因子分析，提出保障農(nóng)業(yè)水安全有效策略。

1 評(píng)價(jià)目標(biāo)

水資源安全既是城市水資源管理的核心內(nèi)容與終極目標(biāo)，也是農(nóng)業(yè)灌區(qū)水資源安全狀況的體現(xiàn)，直接關(guān)系到群眾生活和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，也反映了農(nóng)業(yè)水資源所處良好狀況和存在安全隱患的用水指標(biāo)，從而為保證水安全評(píng)價(jià)提供科學(xué)的理論依據(jù)，對(duì)進(jìn)一步保障水安全對(duì)策與措施提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2 研究方法

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

2.1.1 指標(biāo)賦權(quán)

層次分析法［6-7］是一種多層次多目標(biāo)的決策分析方法，是定性與定量相結(jié)合，復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行模型化和量化的一種思維過程。該方法主要是將模型理論與主觀經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，分析層次體系間的非序列關(guān)系，對(duì)評(píng)價(jià)者提出有效的決策判斷?；舅悸肥窃跍?zhǔn)側(cè)目標(biāo)和問題因素基礎(chǔ)上分相互聯(lián)系的若干層次，構(gòu)建分系統(tǒng)分層次的框架模型，然后對(duì)同一層次的任意2個(gè)因素進(jìn)行重要性判斷，確定該層次因素的單序排列權(quán)重和層次間的總排序，直到計(jì)算最低層次在最高層次中的權(quán)重比例，最終確定方案的優(yōu)劣排序，該方法的運(yùn)用具有可靠性高，相對(duì)誤差較小的優(yōu)點(diǎn)。

2.1.1.1 建立層次結(jié)構(gòu)

將灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源安全評(píng)價(jià)體系作為層次分析的第1層，即目標(biāo)層。將水資源量、供水、用水、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)績(jī)效作為層次分析的第2層，即系統(tǒng)層。在系統(tǒng)層的基礎(chǔ)上，篩選出具有代表性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并進(jìn)行相關(guān)性組合，將各評(píng)價(jià)指標(biāo)的層次分析作為第3層，即指標(biāo)層。

2.1.1.2 構(gòu)造判斷矩陣

由于評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度不同，本次采用專家咨詢和1～9標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣：

其中，αij=vi/vj表示第i個(gè)因子對(duì)第j個(gè)因子的重要程度，同時(shí)αij還要滿足如下情況條件：（1）αij=1，αij≥0（i=1，2，…，n）；（2）αij=1/αji（j=1，2，…，n）

2.1.1.3 指標(biāo)權(quán)重

單層次排列：

重復(fù)以上計(jì)算公式計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值Vi，該項(xiàng)權(quán)重值表示該層次相對(duì)于上一層次所對(duì)應(yīng)的相對(duì)重要程度比例，即單層次排序。

（2）多層次總排列：

式中 k∈n；θij為第k層對(duì)k-1層第j個(gè)因素的單排序權(quán)重值；αj為k-1層第j個(gè)因素的總排序權(quán)重值；θi為第k層因素的總排序權(quán)重值；m為k-1層包含的因素。

2.1.1.4 一致性檢驗(yàn)

判斷矩陣一致性檢驗(yàn)包括了單排序一致性檢驗(yàn)和層次總排序一致性檢驗(yàn)，一般情況下，當(dāng)隨機(jī)一致性比率時(shí)，表明判斷矩陣單排序的結(jié)構(gòu)滿足一致性要求。其中一致性指標(biāo)并進(jìn)行判斷，μ 為判斷矩陣最大特征值，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)如表1。

表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

2.1.2 綜合評(píng)價(jià)模型

農(nóng)業(yè)水資源安全評(píng)價(jià)涉及較多領(lǐng)域，屬于多層次跨系統(tǒng)的多因素評(píng)價(jià)問題。目前，灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源安全評(píng)價(jià)方法較多，層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、單因子評(píng)價(jià)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法廣泛的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)水安全評(píng)價(jià)當(dāng)中。本文采用模糊評(píng)價(jià)法中的多因子評(píng)判模型，對(duì)層次機(jī)構(gòu)中的第2層系統(tǒng)層和第3層指標(biāo)層進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，計(jì)算公式如下［8］：

式中 Xa為第a類系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果值；n為構(gòu)造判斷矩陣階數(shù)；Vj為單層次排序權(quán)重值；Pj為矩陣對(duì)應(yīng)指標(biāo)的評(píng)定系數(shù)；Y為系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)值；θi為指標(biāo)層因素的總排序權(quán)重值；Pi為矩陣對(duì)應(yīng)指標(biāo)的評(píng)定系數(shù)。

根據(jù)農(nóng)業(yè)水資源特點(diǎn)劃定理想標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，將農(nóng)業(yè)水資源安全評(píng)判結(jié)果與理想標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)進(jìn)行比較，來說明農(nóng)業(yè)水資源實(shí)際情況下的等級(jí)范圍，具體等級(jí)如表2。

表2 農(nóng)業(yè)水資源安全評(píng)價(jià)理想標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建及等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分

合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系在構(gòu)建原則基礎(chǔ)上建立。農(nóng)業(yè)水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是一個(gè)面積廣和跨領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)，各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)存在質(zhì)變與量變的發(fā)展關(guān)系。根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)參考文獻(xiàn)，結(jié)合水安全評(píng)價(jià)的方法與函數(shù)內(nèi)涵，以湖北省水資源特點(diǎn)為背景，充分考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口增長(zhǎng)和環(huán)境變化等影響因素，結(jié)合農(nóng)業(yè)水資源的分布與特點(diǎn)，建立目標(biāo)層（L）、系統(tǒng)層（N）和指標(biāo)層（M）為框架的縱向3層、橫向武大系統(tǒng)的指標(biāo)體系，共選取17個(gè)影響評(píng)價(jià)指標(biāo)。

目標(biāo)層是農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用達(dá)到安全的綜合評(píng)價(jià)狀況，反映出資源、人口、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的相關(guān)和諧發(fā)展關(guān)系。

系統(tǒng)層是各個(gè)領(lǐng)域系統(tǒng)復(fù)雜與協(xié)調(diào)的關(guān)系，主要是由水資源系統(tǒng)N1、供水系統(tǒng)N2、用水系統(tǒng)N3、社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)N4和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)N5所構(gòu)成。

指標(biāo)層是系統(tǒng)層的具體體現(xiàn)，反映研究區(qū)域的實(shí)際狀況，具體框架如圖1。

圖1 農(nóng)業(yè)水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

農(nóng)業(yè)水資源安全評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分如表3。

表3 農(nóng)業(yè)水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分

3 農(nóng)業(yè)水資源安全綜合評(píng)價(jià)

3.1 研究概況

湖北省地處亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫15～17 ℃，降水充沛，降水地域分布呈由南向北遞減趨勢(shì)。全省平均降水量1309.5mm，比常年偏多11.0%。全省水資源總量1248.76億m3，人均水資源總量2116m3。全省用水總量中，農(nóng)業(yè)用水143.96億m3，占49.6%，農(nóng)田灌溉畝均用水量349m3，比上一年增加9.1%，農(nóng)村人均生活用水量94L/d，基本上保持不變。農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.511，大型灌區(qū)達(dá)到0.504，小型灌區(qū)達(dá)到0.545，與2016年相比，全省及不同規(guī)模灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)均有提高。

3.2 數(shù)據(jù)來源

研究中數(shù)據(jù)主要是來源于2017年的《湖北省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《湖北省各市州水資源統(tǒng)計(jì)公報(bào)》、《湖北省水資源公報(bào)》、《湖北省及其各市州農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》以及部分參考文獻(xiàn)，其中有些指標(biāo)值通過計(jì)算綜合獲得。

3.3 農(nóng)業(yè)水安全綜合評(píng)價(jià)分析

3.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

根據(jù)層次分析法計(jì)算原理和步驟，結(jié)合單層次排列計(jì)算和多層次總排列計(jì)算公式，得到各層評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值。進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，L-N總排序一致性檢驗(yàn)得到CR=0.0155，N1-M，N2-M，N3-M，N4-M，N5-M單排序一致性檢驗(yàn)得到CR 分別為0.0979，0.0919，0.0682，0.0644，0.0745，其值都滿足隨機(jī)一致性比率時(shí)，說明判斷矩陣單排序和總排序的結(jié)構(gòu)滿足一致性要求，進(jìn)行權(quán)重分配是合理可靠。評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果分別為：

N=（0.3087，0.2751，0.2147，0.1352，0.0663）；

M1-3=（0.2987，0.2631，0.4382）；

M4-6=（0.2973，0.1638，0.5390）；

M7-9=（0.2202，0.4162，0.3636）；

M10-13=（0.3529，0.3529，0.1177，0.1765）；

M14-17=（0.5327，0.1784，0.1786，0.1103）。

3.3.2 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)湖北省水資源和農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒等數(shù)據(jù)原始資料，以2017年基準(zhǔn)水平年，考慮到水資源利用、農(nóng)業(yè)水利工程現(xiàn)狀、當(dāng)?shù)剞r(nóng)作的種植種類和面積、農(nóng)村人口和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、農(nóng)業(yè)對(duì)環(huán)境的影響程度等方面進(jìn)行農(nóng)業(yè)水資源安全綜合評(píng)價(jià)。通過建立模糊評(píng)價(jià)法中的多因子評(píng)判模型，計(jì)算得到湖北省農(nóng)業(yè)水資源安全系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)值Y=3.524，以下系統(tǒng)層次的系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果值分別為：水資源系統(tǒng)X1=2.693，供水系統(tǒng)X2=2.257，用水系統(tǒng)X3=2.216，社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)X4=2.874，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)X5=1.923。

根據(jù)表2評(píng)價(jià)等級(jí)分析，湖北省農(nóng)業(yè)水資源安全系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)處于基本安全范圍內(nèi)，且水資源、供水、用水、社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的層次系統(tǒng)評(píng)價(jià)值均處于2～4范圍內(nèi)，屬于基本安全狀態(tài)，處于安全中的偏低水平，尤其是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的評(píng)價(jià)值X5=1.923最小，說明在整體評(píng)價(jià)水平中生態(tài)環(huán)境占有重要影響因素，農(nóng)業(yè)生活和面污染源是重要的污染源，河流污染嚴(yán)重，灌溉水源的水質(zhì)受到很大影響，是重點(diǎn)考慮解決的問題。供水系統(tǒng)X2=2.257，耕地灌溉率和農(nóng)業(yè)供水工程完好率評(píng)價(jià)等級(jí)均為2，說明對(duì)農(nóng)業(yè)水資源安全影響較大，同時(shí)供水系統(tǒng)評(píng)價(jià)值小于水資源系統(tǒng)評(píng)價(jià)值，說明水資源未充分利用，應(yīng)加強(qiáng)水資源開發(fā)利用率，提升開發(fā)空間，加強(qiáng)采取措施來增大水資源承載能力；用水評(píng)價(jià)值基本上處于供需平衡狀態(tài)，屬于中等水平，但還是存在灌溉措施落后的澆灌方式，渠道利用系數(shù)較低，同時(shí)人民節(jié)水意識(shí)較低，也降低了水資源利用率； 社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)是處于5個(gè)系統(tǒng)中的較高值，屬于中高水平，因此，湖北省農(nóng)業(yè)水資源安全處于隱患與安全共存的狀態(tài)，應(yīng)從5個(gè)系統(tǒng)方面采取有效措施加以保障農(nóng)業(yè)水資源安全。

4 結(jié)語

通過運(yùn)用多因子評(píng)判模型進(jìn)行湖北省農(nóng)業(yè)水資源安全評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)湖北省農(nóng)業(yè)水資源安全處于基本安全狀態(tài)，可持續(xù)發(fā)展水平較低，主要是因?yàn)楦毓喔嚷实停嗣窆?jié)水意識(shí)薄弱，對(duì)污水處理能力不高，再生水利用率低等，是導(dǎo)致全省農(nóng)業(yè)水資源安全的主要影響因素。