王紅瑞，李一陽，楊亞鋒,3，趙 勇，楊榮雪，劉 璇

(1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875； 2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100048； 3.華北理工大學(xué)理學(xué)院，河北 唐山 063210； 4.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

深入貫徹新發(fā)展理念，推進(jìn)水資源集約安全利用，是踐行習(xí)近平總書記“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”十六字治水思路的重要途徑和題中之義[1-3]。集約利用的核心是用最少的水資源投入產(chǎn)生更大的效益，提高水資源利用效率，節(jié)約亦是其內(nèi)在要求之一；安全利用指水資源開發(fā)利用不能影響生態(tài)安全和國家安全，水資源利用要限制在其承載力范圍之內(nèi)；集約安全利用就是要將集約和安全有機(jī)結(jié)合起來，相互制約，相互促進(jìn)，即水資源集約利用要保障安全，安全利用要助力集約[4]。水資源集約安全利用指數(shù)的大小是區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展水平高低的重要體現(xiàn)。因此，在集約中保障安全，在安全下促進(jìn)集約，是當(dāng)前水資源高效合理利用的新模式需求。

目前，水資源集約安全利用的相關(guān)研究主要集中在國內(nèi)。在集約利用方面，李來勝等[5]從三次產(chǎn)業(yè)方面提出了解決黃河水資源開發(fā)利用的循環(huán)經(jīng)濟(jì)方程，為黃河水資源集約利用提供了理論依據(jù)和政策建議；廖文梅等[6]從農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水以及居民生活用水等指標(biāo)合成區(qū)域水資源集約利用指數(shù)，對(duì)區(qū)域水資源集約利用進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；韓宇平等[7]針對(duì)水資源集約利用的概念、內(nèi)涵與模式進(jìn)行解讀，探討了構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基本原則。在安全利用方面，劉華[8]基于PSR模型構(gòu)建了城市水資源安全利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用集對(duì)分析方法建立了評(píng)價(jià)排序模型；劉麗穎[9]以貴州省為研究區(qū)，綜合運(yùn)用地理學(xué)、環(huán)境學(xué)、生態(tài)學(xué)和人工智能等學(xué)科理論和方法對(duì)水資源安全進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)、仿真及調(diào)控研究。綜合考慮集約利用和安全利用，姜文來[4]在分析水資源集約安全利用內(nèi)涵的基礎(chǔ)上探討了實(shí)現(xiàn)中國水資源集約安全利用的戰(zhàn)略路徑。可見，已有研究成果大多聚焦水資源集約利用或安全利用，而鮮見將二者綜合考慮的情況。雖然相關(guān)研究的指標(biāo)體系在一定程度上涵蓋了集約利用和安全利用的相關(guān)指標(biāo)，但若能將二者有機(jī)結(jié)合起來，從系統(tǒng)論的角度出發(fā)，從整體上評(píng)價(jià)集約安全利用水平，并針對(duì)性地提出必要的改進(jìn)措施，將是很有意義的一項(xiàng)研究。

水資源集約安全利用評(píng)價(jià)涉及資源、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等多領(lǐng)域，是多屬性決策問題[10-12]。近年來，模糊綜合評(píng)判法[13-15]、集對(duì)分析法[16-20]、投影尋蹤法[21-22]、物元模型法[23-25]、TOPSIS(technique for order preference by similarity to ideal solution)方法[26-29]等是水資源系統(tǒng)分析領(lǐng)域的常用決策方法。其中，TOPSIS方法由于具有計(jì)算簡便、應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)廣受學(xué)者們青睞。劉樹林等[30]針對(duì)TOPSIS方法中存在不能排序的問題提出夾角度量法，并與TOPSIS法對(duì)比得到較好的結(jié)果。然而,有研究發(fā)現(xiàn)夾角度量法也存在不足[31-32]，只考慮兩方案的夾角貼近度，忽略其長度差異；若兩方案夾角完全相同、長度不同，那么夾角度量法就不能得到正確的結(jié)論，因此，趙萌等[33]提出相對(duì)熵排序法。盧國祥等[34]發(fā)現(xiàn)相對(duì)熵不滿足對(duì)稱性和三角不等式，不是方案與理想方案和負(fù)理想方案之間真正的距離，但將其作為方案與理想方案和負(fù)理想方案的差異測度具有實(shí)際意義，基于此對(duì)相對(duì)熵排序法進(jìn)行改進(jìn)，得到新的排序方法——對(duì)稱交互熵多屬性排序法，滿足了相對(duì)熵的對(duì)稱性和有界性。目前，對(duì)稱交互熵多屬性排序法已在ISAR干擾效果評(píng)估、信息度量與聚類、遙感圖像分割和綜合生產(chǎn)效果評(píng)價(jià)等方面得到成功應(yīng)用，反映出該方法在多屬性評(píng)價(jià)問題中的適用性和有效性，可望在水資源系統(tǒng)評(píng)價(jià)領(lǐng)域發(fā)揮作用，但尚未有相關(guān)研究和報(bào)道。

鑒于此，在前人研究基礎(chǔ)上，本文基于節(jié)水優(yōu)先和生態(tài)優(yōu)先方針探討水資源集約安全利用的時(shí)代內(nèi)涵及其相互影響關(guān)系，從系統(tǒng)論的角度探索水資源集約安全利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)而基于對(duì)稱交互熵多屬性排序法構(gòu)建一種新的水資源集約安全利用評(píng)估模型，并在2019年中國31個(gè)省級(jí)行政區(qū)(不含港澳臺(tái))展開應(yīng)用，其結(jié)果可為中國水資源高效利用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展提供支撐。

1 水資源集約安全利用評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用層次分析(analytic hierarchy process, AHP)法與CRITIC(criteria importance though intercriteria correlation)法綜合賦權(quán)，進(jìn)而基于對(duì)稱交互熵多屬性決策排序方法建立水資源集約安全利用評(píng)估模型。

1.1 集約安全利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

指標(biāo)體系構(gòu)建是定性、定量評(píng)價(jià)水資源集約安全利用的前提。生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展是水資源開發(fā)和利用的必要前提和追求目標(biāo)之一。水資源集約利用和安全利用是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的兩個(gè)重要途徑。集約是安全的約束，安全是集約的保障，二者相互制約、相互促進(jìn)，是一個(gè)有機(jī)的統(tǒng)一體。作為重要的基本資源，水資源必須保質(zhì)保量地滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的需求；水資源開發(fā)利用要走綠色發(fā)展之路，與資源環(huán)境相協(xié)調(diào)，以水資源承載力為紅線，不能破壞生態(tài)環(huán)境[4]；此外，以科技創(chuàng)新為動(dòng)力，革新開發(fā)利用技術(shù)，提升水資源利用效率，也是水資源集約安全利用的主要途徑。堅(jiān)持“節(jié)水優(yōu)先”方針是水資源管理工作的根本依據(jù)，堅(jiān)持“生態(tài)優(yōu)先”原則是可持續(xù)發(fā)展的剛性約束，二者同時(shí)為水資源的集約安全利用提出了綱領(lǐng)性的要求，因此，水資源集約安全利用既要在節(jié)約用水的前提下著力提高水資源利用效率和效益，又要在生態(tài)友好的導(dǎo)向下嚴(yán)格限制水資源開發(fā)的強(qiáng)度，保障三生用水的安全度和和諧度?；谝陨戏治觯狙芯拷Y(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[1,4,7]的主要論點(diǎn)，構(gòu)建水資源集約安全利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見圖1。

水資源集約安全利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，單方水GDP產(chǎn)出量受產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、自然地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等影響，能從一定程度上反映水資源綜合利用效率的高低，也能反映水資源投入產(chǎn)出關(guān)系和用水效益；萬元工業(yè)增加值用水量可從一定程度上反映工業(yè)用水效益，是水資源集約利用的經(jīng)濟(jì)學(xué)表征；農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)可從一定程度上反映農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的用水效率和科技水平；耕地實(shí)際灌溉畝均用水量能夠反映農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的耕地灌溉用水效率和效益；人均生活用水量的高低可從一定程度上反映一個(gè)地區(qū)的居民日常生活中節(jié)水意識(shí)的強(qiáng)弱；人均COD排放量可反映水資源利用所產(chǎn)生的負(fù)面生態(tài)環(huán)境影響，也是水質(zhì)保障的重要指標(biāo)；人均供水量從一定程度上反映了用水量保障度，是水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的一項(xiàng)重要表征指標(biāo)；水資源開發(fā)利用率是生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展水平的重要衡量指標(biāo)之一；生態(tài)用水占水資源量比例在一定程度上反映了生態(tài)需水的滿足程度,包括河道內(nèi)生態(tài)需水滿足程度和河道外生態(tài)需水滿足程度，是水資源安全利用的主要表征。指標(biāo)I1、I3、I7和I9為正向指標(biāo)，即越大越優(yōu)，其余指標(biāo)為負(fù)向指標(biāo)，即越小越優(yōu)。

1.2 對(duì)稱交互熵多屬性排序法

基于水資源集約安全利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用對(duì)稱交互熵多屬性決策排序法，將31個(gè)省級(jí)行政區(qū)的水資源集約安全利用水平及其發(fā)展態(tài)勢(shì)評(píng)估問題轉(zhuǎn)化為多屬性決策排序問題。具體步驟如下：

步驟1建立標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣。設(shè)多屬性決策問題包含m個(gè)方案和n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其方案集、指標(biāo)集分別為：A={A1,A2,…,Am}，B={B1,B2,…,Bn}，方案Ai對(duì)指標(biāo)Bj的值記為yij(i=1,2,…,m;j=1,2,…n)，則形成目標(biāo)決策矩陣Y=[yij]m×n，建立標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣Z：

(1)

步驟2確定指標(biāo)權(quán)重。為兼顧專家經(jīng)驗(yàn)、指標(biāo)客觀數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律及指標(biāo)間的相關(guān)性，采用AHP法和CRITIC法相結(jié)合的組合賦權(quán)方法。指標(biāo)Bj的權(quán)重wj為：

(2)

式中αj、βj分別為AHP法和CRITIC法所得到的權(quán)重。

步驟3構(gòu)建加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣和確定其理想解。計(jì)算加權(quán)決策矩陣X=[xij]m×n，xij=wjzij。對(duì)于正向和負(fù)向指標(biāo)，分別計(jì)算正理想解向量X+和負(fù)理想解向量X-：

(3)

(4)

(5)

步驟5計(jì)算相對(duì)貼近度。計(jì)算各方案與理想方案的相對(duì)貼近度Ci，Ci值越接近于1，說明第i個(gè)評(píng)價(jià)方案就越接近最優(yōu)方案；Ci值越小，說明第i個(gè)評(píng)價(jià)方案越差。

(6)

2 模型應(yīng)用與分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

選取中國31個(gè)省級(jí)行政區(qū)(不含港澳臺(tái))為研究單元。所需的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于2020年《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》和各省級(jí)行政區(qū)《統(tǒng)計(jì)年鑒》，所需的水資源和用水?dāng)?shù)據(jù)主要來源于2019年《中國水資源公報(bào)》。

2.2 計(jì)算過程

表1 標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣Table 1 Standardization decision matrix

表2 31省的對(duì)稱交互熵、貼近度和水資源集約安全利用指數(shù)Table 2 Symmetrical cross-entropy, closeness and intensive-safe utilization index of water resources in 31 provinces

2.3 結(jié)果與分析

水資源集約安全利用指數(shù)是區(qū)域水資源集約安全利用水平的一種相對(duì)度量方式，在0～10之間取值，其值越大，代表水資源集約安全利用水平越高。由表2可知，中國31個(gè)省級(jí)行政區(qū)的水資源集約安全利用水平總體上不容樂觀。具體來看，北京是唯一的6分以上的省級(jí)行政區(qū)，其水資源集約安全利用指數(shù)為7.069，然而仍存在較大的提升空間。指數(shù)為5～6的省級(jí)行政區(qū)，包括新疆、內(nèi)蒙古、陜西，天津和浙江。指數(shù)為3～5的省級(jí)行政區(qū)占比71%，分別是環(huán)渤海區(qū)域的河北、山東、遼寧；中部地區(qū)的河南、山西；西南地區(qū)的云南、四川、重慶；西北地區(qū)的青海和東南沿海的廣東和福建；緊隨其后的是貴州、湖南、湖北、江西、安徽、上海、海南、西藏、甘肅、吉林和黑龍江。此外，有3個(gè)省級(jí)行政區(qū)水資源集約利用水平相對(duì)落后，指數(shù)均在3以下，分別是寧夏、江蘇和廣西。

水資源集約安全利用是一個(gè)整體概念，集約和安全相輔相成，缺一不可，形成一個(gè)水資源利用的多目標(biāo)約束系統(tǒng)。為探究子系統(tǒng)的耦合發(fā)展?fàn)顟B(tài)和主要癥結(jié)所在，在綜合評(píng)估的基礎(chǔ)上，將評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為相對(duì)獨(dú)立的兩部分：集約利用指標(biāo)(I1、I2、I3、I4、I5)和安全利用指標(biāo)(I6、I7、I8、I9)，分別執(zhí)行本文構(gòu)建的模型，并與集約安全利用指數(shù)進(jìn)行比較分析，結(jié)果見圖2。

圖2 中國31省級(jí)行政區(qū)水資源集約、安全利用對(duì)比Fig.2 Comparison of intensive and safe utilization of water resources in 31 provinces of China

由圖2可見，北京的水資源集約安全利用指數(shù)最高，但主要?dú)w功于集約利用指數(shù)(9.817)，接近理想解，而安全利用指數(shù)則相對(duì)較低。具體來看，北京的單方水GDP產(chǎn)出達(dá)到847.46元，是排在第二位的天津的1.7倍；萬元工業(yè)增加值用水量和農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)均處于最高水平。可以看出，超高的用水效率和用水效益是北京市水資源集約安全利用水平最高的主要原因。此外，北京市在投入約1/3的生態(tài)用水的同時(shí)，人均供水量處在倒數(shù)第二名，僅高于天津。歸根結(jié)底，資源型缺水仍然是北京用水安全的主要制約因素。天津和山東的情況和北京類似，其中天津水資源的集約利用和安全利用水平懸殊更大。河北的水資源集約利用處于較高水平，相對(duì)而言用水安全也是應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)。總體來看，未來幾十年，仍需繼續(xù)加大南水北調(diào)中線工程的調(diào)水規(guī)模，同時(shí)加快推進(jìn)南水北調(diào)東線二期工程，以滿足京津冀地區(qū)及山東的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的用水需求。浙江、陜西、山西和河南4個(gè)省級(jí)行政區(qū)水資源集約利用水平均處在較高的水平，但用水安全情況處于相對(duì)滯后狀態(tài)，這一點(diǎn)與河北相似，水資源短缺問題是主要矛盾之一。重慶、遼寧、上海、福建、四川和廣東等6個(gè)省級(jí)行政區(qū)表現(xiàn)出了較高的水資源集約利用水平，相比之下，安全利用水平稍低，但在全國范圍內(nèi)也屬于中等水平。而云南、吉林、甘肅、貴州、安徽、湖北、內(nèi)蒙古和青海等8個(gè)省級(jí)行政區(qū)情況類似，但相反的是，集約用水水平稍微低于安全用水水平。各省級(jí)行政區(qū)應(yīng)因地制宜，抓住主要矛盾，重點(diǎn)突破，以最有效的方式努力提升短板，同時(shí)兼顧保持或提升相對(duì)優(yōu)勢(shì)，以耦合發(fā)展和共同提升的模式從整體上提升水資源集約安全利用水平。黑龍江、海南、江西、湖南、西藏、廣西和新疆等7個(gè)省級(jí)行政區(qū)的水資源集約利用處于落后水平。其中，尤以西藏和廣西為甚，水資源集約利用情況接近負(fù)理想解，但需指出的是，這些省級(jí)行政區(qū)卻表現(xiàn)出了較高的水資源安全利用水平，如新疆的水資源安全利用指數(shù)在31個(gè)省級(jí)行政區(qū)中排名第一，西藏排名第三。單方水GDP產(chǎn)出量是導(dǎo)致新疆集約利用水平較低的主要因素。這些省級(jí)行政區(qū)大多水資源稟賦優(yōu)越，同時(shí)能夠做到合理、適度開發(fā)利用水資源，三生用水和生態(tài)環(huán)境較為和諧。加大科技投入，提升用水效率，將是這些省級(jí)行政區(qū)促進(jìn)水資源集約利用的主要途徑之一。寧夏和江蘇的水資源集約利用水平處于落后水平，分別排在23和24位，而安全利用水平則是最低的兩個(gè)省級(jí)行政區(qū)，因此全面施策、協(xié)同優(yōu)化，勢(shì)在必行。

3 結(jié) 論

a.中國31個(gè)省級(jí)行政區(qū)的水資源集約安全利用總體上處于中等偏下水平，水資源集約安全利用指數(shù)在5分以下的省級(jí)行政區(qū)占比80.1%，指數(shù)最高的北京也存在較大的提升空間；天津、北京、山東、新疆、西藏和廣西等多個(gè)省級(jí)行政區(qū)水資源集約利用和安全利用之間懸殊較大，協(xié)調(diào)發(fā)展程度較低。資源型缺水是北京等地區(qū)水資源安全利用的主要障礙；用水效益低下是新疆等地區(qū)水資源集約利用的主要瓶頸。

b.中國水資源集約利用水平具有較明顯的地域特征和區(qū)域差異，基本趨勢(shì)是，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且水資源利用壓力較大的地區(qū)集約利用水平較高，但安全利用水平偏低，這些地區(qū)包括北京、天津、山東、浙江和陜西等；經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)或者受自然條件限制較大的地區(qū)水資源集約利用水平較低，而安全利用水平則相對(duì)較高，包括廣西、西藏等；水資源集約利用和安全利用在一定程度上存在互斥現(xiàn)象。

c.新發(fā)展理念下，中國水資源集約安全利用迫在眉睫，任重道遠(yuǎn)。推進(jìn)水資源的集約安全利用首先要因地制宜，抓住主要矛盾重點(diǎn)突破，同時(shí)要做到各方兼顧，均衡發(fā)展，重視集約利用與安全利用的辯證影響關(guān)系，從系統(tǒng)論的角度，疏經(jīng)把脈，精準(zhǔn)施策。