基于綜合權(quán)重的天水市水資源安全評價研究

井江楠，武蘭珍，孫棟元，趙 霞

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

水是重要的自然資源和戰(zhàn)略資源，是生態(tài)環(huán)境發(fā)展的關(guān)鍵，是綜合國力的重要有機(jī)組成部分[1]，也是人類生存需要的最基本資源，水資源的安全[2]與社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)安全息息相關(guān)。

隨著社會的發(fā)展，可利用水資源量與人類供需矛盾日益嚴(yán)峻、水資源短缺、水生態(tài)破壞、水環(huán)境污染等一系列的水資源安全問題成為熱點(diǎn)，因此，正確認(rèn)識社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化進(jìn)程與水資源安全系統(tǒng)的協(xié)調(diào)是非常重要的[3]。近年來，國內(nèi)外許多專家對水資源安全評價做了研究，夏軍等[4]從水資源承載力方面闡述了水資源安全的度量；賈紹鳳等[5]在21世紀(jì)初就做了對于區(qū)域水資源安全評價的指標(biāo)體系研究，并利用已建立的指標(biāo)體系對海河流域的水資源安全做了評價[6]；邵俊等、王金鳳等、宋培爭等、劉麗穎等、陸建忠等、凌紅波等[7- 12]分別利用水貧困指數(shù)法、投影尋蹤法、PSO優(yōu)化邏輯斯蒂曲線法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、綜合指數(shù)法、層次分析法等對不同地區(qū)的水資源安全做了評價研究。Olli等[13]從4個維度上定量分析了世界范圍內(nèi)的水資源狀況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)發(fā)展受水資源的影響最為顯著;Dong等[14]對洛陽市2006—2016年的水安全狀態(tài)利用集對分析原理進(jìn)行評價分析，研究表明社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展為造成研究區(qū)水資源壓力的關(guān)鍵因素。

鑒于此，本文在結(jié)合前人對于水資源安全評價研究的基礎(chǔ)上，選取長時間系列的綜合指數(shù)法，對天水市的水資源安全進(jìn)行評價研究，這對天水市未來的水資源安全發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

天水市位于我國甘肅省東南部，在甘肅省邊界位置，與陜西省寶雞市臨界，天水市境內(nèi)流域較多，長約280km的渭河流域?yàn)橹饕饔颍虼嗽摰貐^(qū)水資源量相對于甘肅省其他地區(qū)較豐沛，一般年降水量在425.0～553.2mm之間。到2018年，天水市水資源供水量3.6761億m3，其中地下水資源供水量為1.1865億m3，污水回收利用和雨水集蓄可供水量為0.3142億m3。天水市的人口密度為234.97人/km2，高于我國平均人口密度62.8%，從2010年開始，天水市的人口密度就呈現(xiàn)逐步上升趨勢，人口自然增長率為3.93%，隨著社會的發(fā)展，天水市的城鎮(zhèn)化進(jìn)程也在不斷加快，城市化率逐年提高，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉面積不斷加大，由于第一、二、三產(chǎn)業(yè)的不斷完善與發(fā)展，天水市的工業(yè)需水量逐漸增多，有限的可供水量直接導(dǎo)致了天水市的水量供需不平衡。

天水市中心城區(qū)目前擁有我國西北地區(qū)面積最大的一片天然次生林，涵養(yǎng)了藉河、水寧河、西漢水等河流的水源，西部地形破碎，水土流失嚴(yán)重，北部植被覆蓋稀疏，土地墾殖率高，土壤侵蝕強(qiáng)烈，東部六盤山一代植被覆蓋較好，分布一些天然次生林[15]。2018年全市15條河流經(jīng)考核，水環(huán)境質(zhì)量均達(dá)標(biāo)，統(tǒng)計(jì)排污口共21個，入河主要污染物化學(xué)需氧量達(dá)2374t、氮磷含量為72t，全年水質(zhì)監(jiān)測共12次，其中10次監(jiān)測為Ⅰ類水，2次監(jiān)測為Ⅱ類水，無超標(biāo)項(xiàng)目，均符合使用標(biāo)準(zhǔn)。但是，隨著各行各業(yè)的發(fā)展，地下水開采嚴(yán)重，水生態(tài)問題突出，水資源安全問題日益凸現(xiàn)。

本文對于天水市水資源安全狀況的研究，數(shù)據(jù)都是來自于甘肅省水利廳發(fā)布的2004—2018年的《甘肅省水資源公報(bào)》，通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析獲得天水市2004—2018年各指標(biāo)的數(shù)據(jù)。

2 天水市水資源安全評價

2.1 構(gòu)建評價指標(biāo)體系

水資源安全涉及社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等多個方面，水資源安全強(qiáng)調(diào)水資源能夠支持經(jīng)濟(jì)發(fā)展，其指標(biāo)體系的構(gòu)建還應(yīng)按照可持續(xù)發(fā)展的原則考慮區(qū)域社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境指標(biāo)。指標(biāo)是復(fù)雜事件或系統(tǒng)的信號，它們是一組反映系統(tǒng)特性或顯示所發(fā)生情況的信息。從數(shù)量上說，它們是某一社會整體現(xiàn)象的某種特性或特征，它們可以是數(shù)量概念或特定值。因此，指標(biāo)體系的建立，不僅要定義指標(biāo)的構(gòu)成，而且要確定指標(biāo)之間的關(guān)系和不同指標(biāo)所屬的系統(tǒng)。因此，在構(gòu)建指標(biāo)體系時應(yīng)滿足區(qū)域性原則、科學(xué)性原則、代表性原則、層次性原則以及可操作性原則[16]。

根據(jù)以上5個原則構(gòu)建天水市水資源安全評價指標(biāo)體系，以水資源系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)為準(zhǔn)則層，選擇人均水資源占有量、年降水量、綜合耗水率、產(chǎn)水模數(shù)、產(chǎn)水系數(shù)、城市化率、供水模數(shù)、人口密度、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉比重、人均日生活用水量、人均GDP、萬元GDP用水量、糧食產(chǎn)量、農(nóng)田用水率、水資源產(chǎn)出率、生態(tài)用水率、城鎮(zhèn)環(huán)境耗水率、農(nóng)村生態(tài)耗水率、有效灌溉面積占耕地面積比重19個指標(biāo)(見表1)。

2.2 確定指標(biāo)權(quán)重及綜合指數(shù)

2.2.1層次分析法確定權(quán)重

利用層次分析法[17]確定主觀權(quán)重，步驟如下：

(1)將天水市水資源安全評價作為評價的目標(biāo)層，分為水資源系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)四個準(zhǔn)則層，選擇19項(xiàng)指標(biāo)作為指標(biāo)層，以此建立層次模型。

(2)從準(zhǔn)則層開始，結(jié)合前人研究中所確定出的權(quán)重比和人們的主觀意識，用成對比較法和1—9比較尺度構(gòu)造比較陣，因素i與j比較的判斷aij，則因素j與i比較的判斷aij=1/aij，直到最下層。

表1 天水市水資源安全評價指標(biāo)體系

(3)對于每一個成對比較陣?yán)煤头ㄓ?jì)算其特征向量及最大特征值，最大特征值對應(yīng)的最大特征向量即為準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的權(quán)重值，準(zhǔn)則層相對于目標(biāo)層的權(quán)重值與指標(biāo)層相對于準(zhǔn)則層的權(quán)重值的乘積即為指標(biāo)層相對于目標(biāo)層的權(quán)重Aj。

(4)檢驗(yàn)其一致性，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

當(dāng)CR<0.1時，認(rèn)為該矩陣具有一致性，通過一致性檢驗(yàn)。

2.2.2變異系數(shù)法確定權(quán)重

變異系數(shù)法確定其客觀權(quán)重，并計(jì)算二者的綜合權(quán)重的方法來減少主觀性的影響，權(quán)重確定步驟如下。

(1)對原始數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，在標(biāo)準(zhǔn)化處理時，對于正向指標(biāo)：

(3)

對于負(fù)向指標(biāo)：

(4)

式中，Xij′—第i年的第j個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Xij—第i年的第j個指標(biāo)的原值；Xjmax—第j個指標(biāo)在研究年份內(nèi)的最大值；Xjmin—第j個指標(biāo)在研究年份內(nèi)的最小值。

(2)確定客觀權(quán)重，客觀權(quán)重計(jì)算公式如下：

(5)

式中，Cj、Dj、Xj、Uj—第j個指標(biāo)的變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化值的均方差、均值、客觀權(quán)重值。

(3)確定綜合權(quán)重值，根據(jù)以下公式確定其準(zhǔn)則層和目標(biāo)層綜合權(quán)重值[18](見表2)：

(6)

式中，Aj—層次分析法確定的主觀權(quán)重值；Uj—變異系數(shù)法確定的客觀權(quán)重值。

2.3 確定評價標(biāo)準(zhǔn)

分級標(biāo)準(zhǔn)是對水資源安全進(jìn)行準(zhǔn)確評價的關(guān)鍵0，但目前，對于水資源安全的分級還未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在本文中，根據(jù)得出的綜合指數(shù)值往往不符合人們判斷“好”與“差”的習(xí)慣，因此，將指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值和綜合數(shù)值轉(zhuǎn)化為等級值，即建立評判值與標(biāo)準(zhǔn)化值的概念關(guān)聯(lián)，按照人們對分?jǐn)?shù)等級優(yōu)劣檔次的認(rèn)知習(xí)慣0，采用等間距分級方式建立如下等級對應(yīng)關(guān)系，見表3。

表2 天水市水資源安全評價指標(biāo)權(quán)重值

表3 綜合評價值與等級對應(yīng)關(guān)系

3 結(jié)果分析

綜合指數(shù)值計(jì)算公式如下：

(7)

式中，Wi—第i年的綜合評價值。

根據(jù)等級對應(yīng)關(guān)系及每一年的綜合評價值，得到天水市2004—2018年的水資源安全狀況(見表4)，繪制天水市2004—2018年水資源安全變化趨勢圖(如圖1所示)。

表4 天水市2004—2018年水資源安全狀況

圖1 天水市2004—2018年水資源安全變化趨勢

從準(zhǔn)則層來分析，對天水市水資源安全影響最大的是水資源系統(tǒng)，接下來是經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)，由此可見，天水市地區(qū)的水資源系統(tǒng)是影響其水資源安全最主要的因素，當(dāng)水資源系統(tǒng)的安全得到保證時，才能使得社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)良好發(fā)展。

從指標(biāo)層來分析，在天水市的水資源安全評價研究中，年降水量>人均水資源占有量>水資源產(chǎn)出率>產(chǎn)水模數(shù)>人均日生活用水量>人均GDP>糧食產(chǎn)量>萬元GDP用水量>農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉面積比重>有效灌溉面積占耕地面積比重>農(nóng)村生態(tài)耗水率>產(chǎn)水系數(shù)>城鎮(zhèn)環(huán)境耗水率>人口密度>生態(tài)用水比例>綜合耗水率>供水模數(shù)>農(nóng)田用水比例>城市化率。最具有決定性因素的是年降雨量和人均水資源占有量，2個指標(biāo)的權(quán)重都超過了1，且都屬于水資源系統(tǒng)，年降雨量和人均水資源占有量越大，水資源系統(tǒng)的安全性就越高，天水市的水資源安全程度也就越高。

從具體年份的水資源安全變化狀況來分析，2004年天水市的水資源安全處于惡劣狀態(tài)，主要影響該年水資源安全狀況的因素是降雨量。2004年甘肅省全省氣候干旱，降雨量少，天水市的全年平均降雨量較上一年減少40.7%，較多年平均降雨量下降20.7%，降雨量減少直接導(dǎo)致天水市全年水資源總量的下降。

2005—2006年，水資源安全狀態(tài)為較差狀態(tài)，主要的影響因素是國內(nèi)生產(chǎn)總值的落后，再加上水利工程設(shè)施的落后，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

2007年水資源安全狀態(tài)為一般狀態(tài)，相對于之前兩年水資源安全狀態(tài)提升的原因是該地區(qū)城市進(jìn)程變大，相比于2016年增加17%，生態(tài)用水比例也明顯提升，相對于2006年增加88%，生態(tài)系統(tǒng)有了明顯的發(fā)展，但國內(nèi)生產(chǎn)總值的落后仍制約著該地區(qū)的水資源安全狀況。

2008—2009年，水資源安全狀態(tài)又變?yōu)檩^差狀態(tài)，主要是因?yàn)槌擎?zhèn)化速度的變慢和產(chǎn)水模數(shù)的降低。

2010—2012年，水資源安全狀態(tài)為一般狀態(tài)，水資源安全狀態(tài)的提高主要是因?yàn)樗Y源系統(tǒng)人均水資源占有量等指標(biāo)安全度的提升，雖然經(jīng)濟(jì)在不斷發(fā)展，但整體仍為落后狀態(tài)，繼續(xù)影響該地區(qū)水資源安全。

2013年水資源安全狀態(tài)達(dá)到良好狀態(tài)，這是因?yàn)?013年年降雨量的增多，使得人均水資源占有量增加，水資源系統(tǒng)達(dá)到評價年份中最安全的狀態(tài)，但水資源安全仍未達(dá)到理想狀態(tài)，制約其水資源安全的因素為分配極少的生態(tài)用水量。

2014—2017年，水資源安全狀態(tài)為一般狀態(tài)，隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷完善，人均水資源占有量和生態(tài)用水比例是這幾年影響水資源安全狀態(tài)的主要因素。

2018年隨著天水市水資源各方面政策的完善落實(shí)，以及天水市先后啟動的各項(xiàng)項(xiàng)目，水資源系統(tǒng)安全性明顯變大，水資源安全狀態(tài)達(dá)到良好狀態(tài)，但生態(tài)用水比例和有效灌溉面積比重成為其水資源安全未達(dá)到理想狀態(tài)的因素。

從2004—2018年的變化趨勢以及水資源安全趨勢線可以看出，在這15年期間，天水市的水資源安全狀態(tài)經(jīng)歷了由惡劣變?yōu)檩^差再到一般最終達(dá)到良好的整體變化趨勢，按此趨勢發(fā)展，如果要達(dá)到水資源安全的理想狀態(tài)，應(yīng)該從不斷提高該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保障水利支撐項(xiàng)目的資金，加大生態(tài)用水比例，開發(fā)利用降雨，提高人們節(jié)水意識幾個方面入手。

4 結(jié)語

本文以天水市水資源安全綜合評價為目標(biāo)，水資源、社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)為準(zhǔn)則層建立了評價指標(biāo)體系，選取了從2004—2018年的長時間序列，采用主客觀結(jié)合的權(quán)重確定方法，得到了各指標(biāo)的綜合權(quán)重值，最終得到了評價時間段內(nèi)每一年的綜合指數(shù)，根據(jù)綜合指數(shù)建立了評價標(biāo)準(zhǔn)，把水資源安全狀態(tài)劃分為“惡劣”、“較差”、“一般”、“良好”、“理想”五個狀態(tài)，評價了天水市2004—2018年的水資源安全狀況，為天水市未來的水資源發(fā)展提供了理論指導(dǎo)。但在評價指標(biāo)的選擇中，由于資料有限，未選擇森林覆蓋率，城市綠化面積等生態(tài)指標(biāo)，有待未來的研究繼續(xù)完善。