基于熵權(quán)法的水匱乏指數(shù)在四川省水安全評價(jià)中的應(yīng)用

羅 斌，姜世中，鄭月蓉，常婷婷，彭文甫

(四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川成都610066)

基于熵權(quán)法的水匱乏指數(shù)在四川省水安全評價(jià)中的應(yīng)用

羅 斌，姜世中*，鄭月蓉，常婷婷，彭文甫

(四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川成都610066)

水安全問題對人民生活、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要影響．根據(jù)邊際效益遞減原理和熵權(quán)法，采用水匱乏指數(shù)對四川省2008—2012年水安全狀況進(jìn)行了評價(jià)．結(jié)果表明，四川省2008、2009年水安全處于極不安全狀態(tài);2010、2011、2012年處于不安全狀態(tài)．必須通過加強(qiáng)水資源利用與管理、環(huán)境保護(hù)、加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)型、提高人民生活水平等有效途徑，確保四川省水安全，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)健康、持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展．

熵權(quán)法;水匱乏指數(shù);水安全

在全球變化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的今天，水安全問題逐漸成為全世界重要的議題，自2000年以來，多次重要國際會議都重點(diǎn)討論了水安全議題［1］．水安全是指在人類生產(chǎn)、生活以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中發(fā)生的與水有關(guān)的危害現(xiàn)象，從而導(dǎo)致人類財(cái)產(chǎn)損失、人口死亡、健康惡化、生存環(huán)境的舒適度降低、經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到嚴(yán)重制約的現(xiàn)象［2］．水安全的內(nèi)涵有兩方面:一是自然屬性，既干旱、洪澇、河流改道等自然型的水安全;二是社會屬性，由于人類對自然水循環(huán)的干預(yù)而導(dǎo)致的水量短缺、水質(zhì)污染、水環(huán)境破壞、水資源浪費(fèi)等行為．最終，水安全將引發(fā)其他諸如糧食安全、經(jīng)濟(jì)安全，甚至是國家安全等諸多問題［3］．

四川省位于我國西南部，介于97°21'～108°31' E，N26°03'～34°19'N之間，幅員面積4．843×105km2．地勢西高東低，西部為川西高原山地、東部為四川盆地．轄18個(gè)地級市、3個(gè)自治州，人口達(dá)0．804億人．全省河流分屬7個(gè)水系二級流域．四川省作為西部大開發(fā)的橋頭堡，引領(lǐng)西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展．隨著西部大開發(fā)的持續(xù)深入，經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，對水資源要求，特別是工業(yè)用水需求量將大增，供需矛盾將日益凸顯，加之生態(tài)破壞、環(huán)境污染，致使四川省水安全狀況急劇下降，水安全問題突出．

水安全評價(jià)比較常用的方法有層次分析法、集對分析法、模糊數(shù)學(xué)方法、熵權(quán)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［4－6］，以及一些專門應(yīng)用于水資源、水環(huán)境的評價(jià)方法，如虛擬水理論、水匱乏指數(shù)［7－8］等．本文使用水匱乏指數(shù)方法對四川省水安全狀況進(jìn)行評價(jià)．

1 水匱乏指數(shù)

水匱乏指數(shù)(WPI)是英國自然環(huán)境研究委員會生態(tài)水文中心為了檢測水行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，而提出的一種新的水管理評價(jià)技術(shù)［9］．它綜合考慮了一個(gè)區(qū)域水資源狀況、水資源獲取、水環(huán)境狀況及水資源利用能力和潛力，已在不同的尺度進(jìn)行應(yīng)用，獲得了較好的效果［10－11］．

水匱乏指數(shù)的計(jì)算方法:先根據(jù)邊際遞減原理，計(jì)算出各次級指標(biāo)的個(gè)體指數(shù);再依據(jù)熵權(quán)法，求得各次級指標(biāo)的權(quán)重，并計(jì)算出各指標(biāo)綜合指數(shù)及水匱乏總指數(shù)．

1．1 指標(biāo)體系 水匱乏指數(shù)的指標(biāo)體系包含資源、途徑、利用、能力和環(huán)境5個(gè)指標(biāo)，每個(gè)指標(biāo)又包含若干個(gè)次級指標(biāo)．根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，并參考國內(nèi)外研究成果，構(gòu)建了計(jì)算研究區(qū)域水匱乏指數(shù)的指標(biāo)體系(表1)［3，9－10］．

1．2 水匱乏指數(shù)的計(jì)算方法 次級指標(biāo)分為2種類型:一類為指標(biāo)值愈大，水資源愈安全;另一類為指標(biāo)值愈小，水資源愈安全．這兩類次級指標(biāo)的個(gè)體指數(shù)計(jì)算公式分別為:

表1 WPI指標(biāo)體系Table 1 Index system of water poverty index

式中，Imi為第m個(gè)指標(biāo)下的第i個(gè)次級指標(biāo)的個(gè)體指數(shù);xi為第i個(gè)次級指標(biāo)的觀測值;ai、bi為系數(shù)．

各指標(biāo)綜合指數(shù)計(jì)算公式為

式中，Im為第m個(gè)指標(biāo)的綜合指數(shù)，m=R，A，C，E，U，分別表示資源、途徑、能力、利用和環(huán)境5個(gè)指標(biāo);Imi為第i個(gè)次級指標(biāo)的個(gè)體指數(shù)，wi為第i個(gè)次級指標(biāo)的權(quán)重;k為某指標(biāo)的次級指標(biāo)個(gè)數(shù)．

水匱乏總指數(shù)計(jì)算公式為

1．3 水安全等級劃分標(biāo)準(zhǔn) 參考國內(nèi)外相關(guān)研究成果，將水安全按WPI劃分為5個(gè)等級［12］分別為:＞62，非常安全;56～62，安全;48～56，基本安全; 35～48，不安全;＜35，極不安全．

式中，WPI為水匱乏總指數(shù);Im為第m個(gè)指標(biāo)綜合指數(shù)，ωm為第m個(gè)指標(biāo)的權(quán)重．由于5個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值很難確定，一般采用等權(quán)方法，即

2 四川省水匱乏指數(shù)計(jì)算模型參數(shù)的識別

2．1 個(gè)體指數(shù)計(jì)算模型中系數(shù)ai和bi的確定根據(jù)前人研究成果及我國水資源安全現(xiàn)狀，參考環(huán)保部《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)(修訂稿)》，篩選出了適合四川省的實(shí)際情況的次級指標(biāo)值分級標(biāo)準(zhǔn)(見表2)［13－16］．并根據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)，按照經(jīng)濟(jì)學(xué)中的邊際遞減原理，計(jì)算出了四川省個(gè)體指數(shù)計(jì)算公式中系數(shù)ai和bi(見表2)．

2．2 個(gè)體指數(shù)權(quán)重的確定 采用熵權(quán)法對個(gè)體指數(shù)賦權(quán)，計(jì)算公式為

式中，wi為第i個(gè)個(gè)體指數(shù)的權(quán)重;Hi為第i個(gè)次級指標(biāo)的熵值，其計(jì)算公式為

式中，C=1/ln n，n為樣本容量(n=5);t為時(shí)間(即2008—2012年);Pit表示第i個(gè)個(gè)體指數(shù)第t年值占所在指標(biāo)下全體個(gè)體指數(shù)總和的比重，即

3 結(jié)果及分析

采用上述模型方法計(jì)算出了四川省2008—2012年，資源、途徑、利用、能力和環(huán)境5個(gè)指標(biāo)的水匱乏綜合指數(shù)及總指數(shù)(表3)．

由表3可知，當(dāng)前四川省水安全整體處于不安全狀態(tài)，2008、2009年處于極不安全狀態(tài)，2010、2011、2012年處于不安全狀態(tài)．由WPI時(shí)間變化趨勢圖(圖1)可見，2008—2012年，四川省水匱乏總指數(shù)逐年增大，至2012年水匱乏總指數(shù)達(dá)47．48，即將達(dá)到基本安全水平．

圖2繪制出了四川省水匱乏指數(shù)各指標(biāo)的綜合指數(shù)雷達(dá)圖．由圖2可知，2008—2012年，在5個(gè)指標(biāo)中，資源、環(huán)境、使用3個(gè)指標(biāo)的水匱乏綜合指數(shù)值較大，而途徑、能力2個(gè)指標(biāo)的水匱乏綜合指數(shù)值較?。?/p>

資源水匱乏綜合指數(shù)時(shí)間平均值最大，但隨時(shí)間有所波動，途徑平均值最小．可見，四川省地表水資源量、地下水資源、人均水資源量均比較豐富．四川省位于我國一、二階梯過渡地帶，水能資源位居全國之首，近年來進(jìn)行了大規(guī)模梯級水電資源開發(fā)，不僅擁有僅次于三峽水電站的洛溪渡水電站、向家壩水電站，還有二灘水電站、錦屏一級水電站、錦屏二級水電站、紫平鋪水電站、瀑布溝水電站、桐子林水電站等，以及數(shù)目眾多的中、小型水電站．雖

然四川省水資源十分豐富，但時(shí)空分布不均．盆地周山地區(qū)相對豐富，而在金沙江、岷江干熱河谷區(qū)，盆中丘陵地區(qū)十年幾旱，水資源短缺，水資源開發(fā)利用水平十分低下．

表2 四川省水匱乏個(gè)體指數(shù)值分級及計(jì)算模型Table 2 Classification and calculation model of water poverty index value of Sichuan

表3 四川省2008—2012年水匱乏綜合指數(shù)及總指數(shù)Table 3 Comprehensive index and combined index of water poverty in Sichuan during 2008—2012

環(huán)境水匱乏綜合指數(shù)逐年呈下降的趨勢，表明經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，環(huán)境問題也日益嚴(yán)峻．據(jù)2012年四川省水資源公報(bào)，在全省5 099 km河長中，僅有1．8%的河長全年達(dá)到了I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而有5．8%的河長水質(zhì)為IV、V類，尤其是沱江流域水污染十分嚴(yán)重．因此，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，必須加大控制工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)面源污染的力度，防止水污染事故的發(fā)生．深入持久開展“長治工程”，注重水生生態(tài)建設(shè)，積極發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)．

使用指標(biāo)的水匱乏綜合指數(shù)呈逐年上升趨勢，表明四川省對水資源的利用，逐漸向資源節(jié)約型轉(zhuǎn)變．

途徑和能力2個(gè)指標(biāo)的水匱乏綜合指數(shù)雖然都呈逐年上升趨勢，但其值較小，尤其城市化率、人均GDP等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)個(gè)體指數(shù)值很小，這表明近幾年四川省經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快，但經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平依然較低．參考文獻(xiàn)

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Application of Water Poverty Index Based on The Entropy Weight Method to Water Security Evaluation of Sichuan Province

LUO Bin，JIANG Shizhong，ZHENG Yuerong，CHANG Tingting，PENG Wenfu

(College of Geography and Resources Science，Sichuan Normal University，Chengdu 610066，Sichuan)

The problem of water security has an important effect on people’s life and social economic development．Water Poverty Index is a comprehensive model of regional water security evaluation．Selecting works of the water poverty index，the principle of diminishing marginal benefit and the entropy weight method，this paper makes the water security evaluation of Sichuan province in 2008—2012．The results show that:the water security of Sichuan province in 2008 and 2009 is highly unsafe，and it in 2010，2011 and 2012 is unsafe．In order to make the water security of Sichuan province toward healthy development，the government must reinforce the utilization of water resources and the environmental protection，accelerate the economic development pattern transformation，and improve the people’s living standards，etc．

The entropy weight method;water poverty index;water security

TV213;X24

A

1001－8395(2016)04－0608－04

10．3969/j．issn．1001－8395．2016．04．028

(編輯 李德華)

2015－02－02

國家自然科學(xué)基金(41371125)

*通信作者簡介:姜世中(1965—)，男，教授，主要從事水資源及水環(huán)境的研究，E－mail:jiangshizhong@126．com