葫蘆島市水資源貧困狀況綜合評(píng)價(jià)

(葫蘆島市南票區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 葫蘆島 125027)

1 引 言

葫蘆島市是我國(guó)北方沿海城市之一，多年平均水資源總量不足19.56億m3，其中地表水18.02億m3，地下水5.83億m3，兩者重復(fù)量4.29億m3，水資源可利用量為6.62億m3。葫蘆島市人均水資源占有量728m3，低于全省平均水平820m3，約為全國(guó)平均水平2200m3的1/3，且在時(shí)空分布上極不均衡，屬于嚴(yán)重缺水城市之一[1-2]。近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)、沿海城市人口的增加、旅游業(yè)的快速發(fā)展以及人們生活水平的提高，全市水資源供需矛盾日趨嚴(yán)峻，并且用水結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大改變。在水文工程領(lǐng)域?qū)λY源的評(píng)價(jià)較多，而涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的相關(guān)研究還未形成一個(gè)考慮全面、簡(jiǎn)單易行的評(píng)價(jià)方法和綜合指標(biāo)體系。Sullivan C[3]從環(huán)境、使用、設(shè)施、資源和能力5個(gè)角度提出了WPI水資源貧困指數(shù)的概念，不僅更加科學(xué)、系統(tǒng)地闡述了水環(huán)境與用水能力之間的關(guān)系，而且有利于人們理解水資源的可獲取性能；Sullivan C A[4]等從提高生產(chǎn)力狀況、健康和糧食的角度提出了氣候脆弱性指數(shù)和水資源財(cái)富指數(shù)的內(nèi)涵，進(jìn)一步對(duì)水資源貧困理論進(jìn)行了擴(kuò)充和完善；王雪妮[5]等以加拿大為例在社區(qū)尺度上利用水資源貧困理論建立了水資源可持續(xù)利用指數(shù)；Ricard G G[6]等在WPI體系中引入Bayes理論并對(duì)數(shù)據(jù)利用網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析；邵薇薇[7]等對(duì)我國(guó)主要流域的水資源貧困狀態(tài)利用WPI指標(biāo)體系進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)；曹建廷[8]對(duì)水資源貧困演變過(guò)程以及水資源貧困評(píng)價(jià)方法和相關(guān)概念進(jìn)行了介紹；孫才志[9]等從增加社會(huì)適應(yīng)能力指標(biāo)的角度分析和驗(yàn)證了水資源貧困的空間關(guān)聯(lián)格局。目前，主客觀綜合賦權(quán)法、主成分分析法、層次分析法、熵權(quán)法等為WPI指標(biāo)權(quán)重計(jì)算的主要方法。

對(duì)水資源貧困發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)將其視為一個(gè)由低值到高值的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程，評(píng)價(jià)指標(biāo)的理想解應(yīng)根據(jù)不同時(shí)期的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行合理的設(shè)定，其中理想解與綜合測(cè)度評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的距離即為水資源貧困評(píng)價(jià)狀況。而實(shí)現(xiàn)這一動(dòng)態(tài)演變過(guò)程的有效評(píng)價(jià)常用的方法為TOPSIS模型，然而在傳統(tǒng)的TOPSIS模型中無(wú)法反映各指標(biāo)的相對(duì)重要程度。據(jù)此，本文以葫蘆島市為例,結(jié)合WPI理論成果和已有文獻(xiàn)資料，對(duì)傳統(tǒng)的TOPSIS模型利用熵權(quán)法進(jìn)行了改進(jìn)并將其運(yùn)用于實(shí)際案例，評(píng)價(jià)了葫蘆島市各區(qū)域的水資源貧困現(xiàn)狀，并對(duì)其障礙度模型進(jìn)行了深入的探討，詳細(xì)地分析了影響水資源貧困解決的關(guān)鍵性因素，以期為促進(jìn)葫蘆島市水資源可持續(xù)利用和水資源貧困治理提供一定參考。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建水資源貧困綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

反映區(qū)域或國(guó)家相對(duì)缺水程度的重要性指標(biāo)為WPI水資源貧困指數(shù)，WPI利用貧困理論將水資源短缺問(wèn)題擴(kuò)展到社會(huì)經(jīng)濟(jì)，有效結(jié)合了用水能力、生計(jì)、權(quán)利以及開(kāi)發(fā)利用水平、管理等方面內(nèi)容，有利于促進(jìn)人水和諧共生目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。對(duì)葫蘆島市水資源短缺狀況利用WPI指數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)有必要綜合考慮研究區(qū)域的實(shí)際情況，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料中對(duì)WPI指標(biāo)體系的選取結(jié)果以及水資源總量既定的實(shí)際狀況，本文在遵循合理性、系統(tǒng)性、易獲取性以及科學(xué)性等原則的基礎(chǔ)上對(duì)WPI指標(biāo)進(jìn)行選取。另外，為了進(jìn)一步提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性并能夠更加客觀、真實(shí)地反映葫蘆島市水資源貧困實(shí)際現(xiàn)狀，文中還選取了如海水入侵面積、海水淡化量等能夠反映沿海城市水資源貧困的特殊指標(biāo)。根據(jù)指標(biāo)選取原則和葫蘆島市水資源貧困實(shí)際狀況構(gòu)建了包含5個(gè)子系統(tǒng)的23個(gè)指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

表1 葫蘆島市水資源貧困綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

水資源稟賦主要是指可被利用的地下水與地表水資源量及其可變性或可靠性狀況；利用能力是在健康、教育和財(cái)政狀況的角度綜合反映各個(gè)行業(yè)部門的用水情況；環(huán)境狀態(tài)主要是從生態(tài)環(huán)境與水質(zhì)可能承受潛在壓力的角度反映與水資源管理相關(guān)的環(huán)境狀況[10-11]。其中R1～R4分別代表地表水供應(yīng)量、地下水供應(yīng)量、其他水供應(yīng)量以及降水量變化率；A1～A4分別代表人均供水管道長(zhǎng)度、自來(lái)水受益村數(shù)比例、農(nóng)業(yè)機(jī)械、公共廁所量；C1～C5分別代表人均GDP、人均家庭收入、年末從業(yè)人員比例、教育支出、醫(yī)院床位；U1～U5分別代表農(nóng)業(yè)灌溉用水量、工業(yè)用水量、林牧漁畜用水量、生態(tài)用水量、人均生活用水量；E1～E5分別代表污水處理率、年污水排放量、農(nóng)藥和化肥施用量、海水入侵面積、建成區(qū)綠地覆蓋率。

2.2 熵權(quán)的TOPSIS法

在系統(tǒng)工程學(xué)領(lǐng)域TOPSIS法應(yīng)用較為廣泛，該方法是以構(gòu)造的各評(píng)價(jià)指標(biāo)最優(yōu)、最劣解為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算分析最優(yōu)、最劣解與評(píng)價(jià)對(duì)象的接近或遠(yuǎn)離程度反映評(píng)價(jià)樣本的優(yōu)劣狀況。對(duì)傳統(tǒng)的TOPSIS模型利用熵權(quán)法進(jìn)行改進(jìn)，其主要過(guò)程是對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重利用熵權(quán)法進(jìn)行確定，然后對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的相對(duì)優(yōu)劣程度按照TOPSIS逼近理想解的原理進(jìn)行表征，在該評(píng)價(jià)過(guò)程中對(duì)各指標(biāo)的賦權(quán)為影響評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，計(jì)算方法如下：

a.構(gòu)造判斷矩陣及標(biāo)準(zhǔn)化處理。設(shè)定評(píng)價(jià)對(duì)象有m個(gè)，評(píng)價(jià)體系中包含的指標(biāo)數(shù)總數(shù)為n，則判斷矩陣為X=(xij)m×n; (i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。因不同評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的量綱和單位存在一定的差異性，在評(píng)價(jià)區(qū)域水資源貧困狀況之前需對(duì)判斷矩陣進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范化處理，然后可求得相對(duì)隸屬矩陣：R=(xij)m×n; (i=1,2,…,m;n=1,2,…,n)。正向指標(biāo)的相對(duì)隸屬度可采用式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

對(duì)于逆向指標(biāo)相對(duì)隸屬度的計(jì)算公式如式(2)所示：

(2)

式中xij——第j個(gè)評(píng)價(jià)方案中的第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)隸屬度；

(xij)max、(xij)min——在不同方案中同一評(píng)價(jià)指標(biāo)xij的最大值和最小值。

b.熵權(quán)理論確定指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣對(duì)各指標(biāo)信息熵Hi按照式(4)計(jì)算：

(3)

(4)

式中Hi——評(píng)價(jià)對(duì)象中第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值；

fij——第j個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第i項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重占評(píng)價(jià)的權(quán)重值。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)W進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如式(5)所示：

W=(ωi)1×m

(5)

(6)

式中ωi——各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)，取值范圍為0～1，所有評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)之和為1；

W——熵權(quán)特征向量。

d.對(duì)最優(yōu)解與各評(píng)價(jià)對(duì)象之間的距離進(jìn)行求解。利用歐式基本公式，對(duì)最優(yōu)、最劣方案進(jìn)行歐式距離計(jì)算，計(jì)算公式如式(7)所示：

(7)

e.貼進(jìn)度Ci的計(jì)算。利用待評(píng)價(jià)樣本的貼近程度值Ci的大小對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行優(yōu)劣排序，Ci值越大則表示決策樣本方案與理想型最優(yōu)方案的貼近程度越高，評(píng)價(jià)對(duì)象的水資源貧困狀況越優(yōu)；反之，則表示與最優(yōu)方案的貼近程度越低，其代表水資源貧困狀況越差，計(jì)算公式如式(8)所示：

(8)

2.3 障礙度評(píng)價(jià)模型

為對(duì)區(qū)域水資源貧困進(jìn)行病理性診斷，并揭示影響解決水資源貧困問(wèn)題的障礙性因子，在評(píng)價(jià)了水資源貧困狀態(tài)的基礎(chǔ)上還應(yīng)進(jìn)一步分析其阻礙性影響因素。為此，在水資源貧困分析中引入障礙度模型進(jìn)行延展性探討，對(duì)影響葫蘆島市水資源貧困的關(guān)鍵性阻礙因子作了進(jìn)一步的研究分析。

障礙度、指標(biāo)偏離度以及因子貢獻(xiàn)率為障礙度模型計(jì)算的主要參數(shù)指標(biāo)，其中因子貢獻(xiàn)度為以總目標(biāo)為依據(jù)分析單個(gè)因素的貢獻(xiàn)程度，通常采用指標(biāo)權(quán)重ωj表示；指標(biāo)偏離度計(jì)算公式為Iij=1-xij，即系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo)與單因素指標(biāo)之間的距離；而障礙度Oij為農(nóng)村水資源貧困災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度受指標(biāo)體系標(biāo)準(zhǔn)層或單項(xiàng)指標(biāo)的影響程度，其表達(dá)式如式(9)所示：

(9)

3 實(shí)例應(yīng)用研究

3.1 葫蘆島市水資源概況

葫蘆島市面積10415km2，主要包括綏中縣、建昌縣、興城市、連山區(qū)、龍港區(qū)、南票區(qū)，全市總?cè)丝诩s280萬(wàn)。葫蘆島市管轄海域面積3492km2，有灘涂面積136km2，全市近海與海岸濕地1074km2。大陸岸線西起山海關(guān)老龍頭，東止連山區(qū)老河口，全長(zhǎng)260km，該區(qū)域?yàn)榫哂泻Ｑ笮詺夂蛱攸c(diǎn)的大陸性季風(fēng)氣候，全市多年降水量550mm，主要集中在夏季。全市流域面積100km2以上的河流共有33條，其中流域面積1000km2以上的河流有3條。主要河流有六股河、大凌河、女兒河、興城河、煙臺(tái)河等。水資源總量受季節(jié)性特別是汛期的影響較大[12]。

3.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

結(jié)合表1水資源貧困評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的各個(gè)指標(biāo)具體的特征和內(nèi)涵，分別選取葫蘆島市2009—2017年統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源公報(bào)、海洋統(tǒng)計(jì)年鑒等作為主要數(shù)據(jù)來(lái)源，同時(shí)考慮地方統(tǒng)計(jì)年鑒、水文局等官網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)整理得到各指標(biāo)初始數(shù)據(jù)。

3.3 指標(biāo)權(quán)重與綜合得分

單項(xiàng)指標(biāo)最劣解與最優(yōu)解的差值越大則指標(biāo)變異程度越高，相應(yīng)的指標(biāo)熵值就越小，由此反映該指標(biāo)所包含的有效信息越多對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響就越大；反之，則指標(biāo)的熵值越大則熵權(quán)越小對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度越低。利用文中所述熵權(quán)法計(jì)算公式對(duì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)重的求解，結(jié)果見(jiàn)表1。指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果顯示：對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響權(quán)重在0.05以上的指標(biāo)主要有地下水、地表水以及其他水源供水量、農(nóng)業(yè)機(jī)械和人均供水管道長(zhǎng)度指標(biāo)，結(jié)果表明影響葫蘆島水資源貧困的基本因素為取水設(shè)施和水資源稟賦；統(tǒng)計(jì)分析權(quán)重大于0.01的指標(biāo)顯示，對(duì)葫蘆島市水資源貧困有較大影響的指標(biāo)有污染現(xiàn)狀、生產(chǎn)生活用水、海水入侵面積等；其他各指標(biāo)的比重小于0.01，說(shuō)明在不同地區(qū)這類指標(biāo)的分布較為均衡且攜帶有效信息量較少。

表2 各分區(qū)水資源貧困評(píng)價(jià)結(jié)果

由表2可以看出：葫蘆島市大部分區(qū)域在2009—2017年水資源貧困綜合得分整體呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，然而不同區(qū)域的上升幅度存在一定差異；平均綜合評(píng)價(jià)值從 2009—2011年間的0.213上升到 2015—2017年間的0.363，絕對(duì)增長(zhǎng)幅度為0.15，平均值相對(duì)于2009—2011年期間增長(zhǎng)了約70%；在2009—2011年高于平均值的區(qū)域共有3個(gè)，在2015—2017年期間仍然有3個(gè)，并沒(méi)有增幅變化。對(duì)在研究期間的葫蘆島市水資源貧困水平利用變異系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差法進(jìn)行分析，結(jié)果表明在2009—2011年期間變異系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差到2015—2017年期間逐步降低。由此進(jìn)一步反映了研究區(qū)域水資源貧困狀態(tài)呈現(xiàn)出整體好轉(zhuǎn)的變化趨勢(shì)，同時(shí)相對(duì)與絕對(duì)差異也表現(xiàn)出降低的發(fā)展趨勢(shì)。

3.4 水資源貧困評(píng)價(jià)障礙因子

綜合考慮利用R、A、C、U、E這5個(gè)組成方面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)水資源的綜合作用，即為水資源貧困問(wèn)題的主要內(nèi)容，為進(jìn)一步解釋影響研究區(qū)域水資源貧困問(wèn)題解決的主要因素，本文測(cè)算了各指標(biāo)層的數(shù)據(jù)障礙度，從而確定了關(guān)鍵性阻礙因子，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 水資源貧困各指標(biāo)主要障礙因子與障礙度

考慮到評(píng)價(jià)指標(biāo)較多的實(shí)際情況，本文僅列出了前8位的障礙度測(cè)算因子。從上述結(jié)果可以看出，在資源、設(shè)施、能力、使用以及環(huán)境系統(tǒng)中影響水資源貧困評(píng)價(jià)頻數(shù)不低于3的障礙指標(biāo)分布比例分別為15.5%、27.75%、18.50%和21.25%。障礙指標(biāo)分布數(shù)據(jù)可進(jìn)一步說(shuō)明在各子系統(tǒng)中影響水資源貧困問(wèn)題的主要障礙指標(biāo)分布較為均衡，在解決水資源貧困問(wèn)題時(shí)各地區(qū)應(yīng)綜合考慮多種因素的影響作用，統(tǒng)籌兼顧各個(gè)指標(biāo)因子的影響從而實(shí)現(xiàn)水資源的科學(xué)利用。

4 結(jié) 論

結(jié)合上述分析結(jié)果可知，葫蘆島市水資源現(xiàn)狀不容樂(lè)觀，保護(hù)水資源刻不容緩。為此，要注重水資源的保護(hù)、開(kāi)發(fā)與利用，呼吁人們保護(hù)每一滴水，形成節(jié)約用水的良好習(xí)慣。在解決水資源貧困問(wèn)題時(shí)應(yīng)綜合考慮多種因素的影響，統(tǒng)籌兼顧實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的發(fā)展，根據(jù)葫蘆島市不同地區(qū)的水資源實(shí)際情況針對(duì)性地采取相應(yīng)的措施：在水資源開(kāi)發(fā)利用程度較低、水資源較為豐富的區(qū)域應(yīng)加快對(duì)水利工程設(shè)施的建設(shè)，提高水資源利用效率；在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快、水資源供需矛盾緊張的區(qū)域加快實(shí)施外流域調(diào)水設(shè)施，促進(jìn)節(jié)水設(shè)施的推廣并提升污水的回收利用，不斷加大節(jié)水力度和生態(tài)文明建設(shè)，實(shí)現(xiàn)水資源的科學(xué)利用，促進(jìn)葫蘆島市人與水和諧發(fā)展。