基于TOPSIS的朝陽市水安全評價

趙琳琳

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

1972、1977年聯(lián)合國2次警示全球水危機(jī)、水問題[1-2]。1997年以來多次舉辦“水論壇”，水安全問題日益受到重視，水安全問題不斷延展到生存安全、糧食安全、經(jīng)濟(jì)安全、生態(tài)安全等層面[3-8]，因此保障“21世紀(jì)水安全”是全世界共同的目標(biāo)[9-10]。國內(nèi)外學(xué)者不斷開展、深化對水安全的研究，金菊良等從水資源、水環(huán)境、水災(zāi)防治及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面選取評價指標(biāo)分析研究水安全問題[11]。束月月結(jié)合“PSR”指標(biāo)模型運(yùn)用可變模式識別模型對遼寧省水資源安全進(jìn)行評價[12]。李如忠等結(jié)合考慮水資源安全風(fēng)險及脆弱性，基于RWSA-SSTFN模型進(jìn)行評價，一定程度上解決了不確定性因素對評價的影響[13-15]。

朝陽市地處遼寧省西部，大凌河、小凌河2條水系發(fā)育，地形以山區(qū)及河谷平原為主，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，受蒙古干冷氣團(tuán)作用，半干燥、半濕潤氣候，年降水量450～580 mm。朝陽市水資源和生態(tài)、人口、土地資源組合不匹配，加之水資源時空分配不均，用水過程存在水資源浪費(fèi)，造成水資源量匱乏、水環(huán)境污染。社會經(jīng)濟(jì)等發(fā)展對水資源需求的增加，加劇水資源問題，水安全形勢嚴(yán)峻，水安全亟待分析研究。本文采用TOPSIS理想點(diǎn)法進(jìn)行朝陽地區(qū)水安全評價。

1 指標(biāo)體系建立

水安全的評價涉及水源的量、質(zhì)、位置、取水、制水、輸水、生產(chǎn)、生活及生態(tài)用水等諸多方面，故建立多指標(biāo)評價體系。多指標(biāo)評價分析較繁瑣，需將各影響因子有效地結(jié)合，并將評價體系分級處理，使得評價體系簡單化、清晰化。

水資源在開發(fā)利用過程中，先從水源取水通過供水工程供給用水戶，水安全與生態(tài)環(huán)境是密不可分的，生態(tài)系統(tǒng)對水的開發(fā)利用行為做出響應(yīng)，為保持健康、持續(xù)的水安全系統(tǒng)，從分析研究目的出發(fā)，以水安全為總系統(tǒng)，將整個系統(tǒng)分水源安全、供水工程安全、用水安全和生態(tài)安全4個子系統(tǒng)，建立“水源、供水工程、用水、生態(tài)環(huán)境”評價指標(biāo)體系。各子系統(tǒng)及其各子標(biāo)在水安全總系統(tǒng)中體現(xiàn)出不同的作用與意義，見表1。

表1 指標(biāo)體系構(gòu)成及指標(biāo)作用意義

1.1 水源

水源安全主要為量與質(zhì)安全，考慮靈敏性，選“人均水資源量”作水量指標(biāo)，水資源量受氣象因素影響，綜合降水蒸發(fā)因素，選擇“干旱指數(shù)”作水量評價指標(biāo)；考慮可操作性原則，選取“水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率”為水質(zhì)指標(biāo)，工農(nóng)業(yè)活動影響水質(zhì)安全，“工業(yè)廢水排放密度”“化肥施用強(qiáng)度”可作為水質(zhì)指標(biāo)。

1.2 供水工程

供水工程是水源與用水戶的鏈接，主要考慮取水、制水、輸水和配水，四者串聯(lián)完成水從水源到用水戶的供給，其安全性影響著供水工程安全系統(tǒng)，進(jìn)而影響供水安全整體系統(tǒng)。考慮全面性原則，選擇“水資源開發(fā)利用率”作評價指標(biāo)；取水工程提取水資源后需要制水工程對水進(jìn)行處理，選取“供水綜合生產(chǎn)能力”作評價指標(biāo)；管道是水資源輸送的基礎(chǔ)設(shè)施，選擇“萬人供水管道長度”更好地體現(xiàn)供水安全，此外管道輸水過程中還存在有水量的損失等，依照可操作性原則，選擇“產(chǎn)銷差”作評價指標(biāo)；“用水普及率”是供水工程中配水的最直接指標(biāo)。

1.3 用水

用水是開發(fā)利用水足跡的末端，是水資源開發(fā)利用的需求與壓力，用水戶需水對供水安全產(chǎn)生的壓力可以用來自生活、生產(chǎn)及生態(tài)三方面的壓力指標(biāo)表征。“人口密度”則反映了區(qū)域人口的多少，而供水也與面積有關(guān)，故選擇“人口密度”作評價指標(biāo)；用水人口類型的影響用水量有差異，選擇“城鎮(zhèn)化率”作評價指標(biāo)；“GDP增長率”是生產(chǎn)活動效益的整體表現(xiàn)；農(nóng)業(yè)灌溉用水其用水量大，很大程度上影響著供水安全，選擇“灌溉面積占播種面積比”指標(biāo)。

1.4 生態(tài)

生態(tài)環(huán)境與水的開發(fā)利用緊密相關(guān)，一方面水源從屬生態(tài)環(huán)境，取水為從生態(tài)環(huán)境中取水，另一方面用水戶的垃圾、污水等排放于生態(tài)環(huán)境中，影響生態(tài)環(huán)境，考慮全面性、整體性、可操作性等原則，結(jié)合研究區(qū)供水、水處理等基礎(chǔ)資料的情況，選取“工業(yè)廢水達(dá)標(biāo)排放率”“污水集中處理率”“生活垃圾無害處理率”作本次生態(tài)子系統(tǒng)的評價指標(biāo)。

選取能夠代表不同作用的指標(biāo)，建立多指標(biāo)分級水安全指標(biāo)體系模型(圖1)，其中各指標(biāo)對水安全的作用主要為效益與成本。

圖1 水安全指標(biāo)體系

2 TOPSIS模型

TOPSIS為由C.L.Hwang和K.Yoon于1981年提出的一種為多屬性、多目標(biāo)決策分析的計算方法，是一種與理想解逼近程度的排序評價方法[9]。其主要原理：分析樣本對象各屬性最優(yōu)、最劣狀態(tài)，建立樣本各屬性最優(yōu)、最劣方案作為正(負(fù))理想點(diǎn)，計算樣本對象屬性與正(負(fù))理想點(diǎn)的距離，繼而獲得樣本對象與理想點(diǎn)的貼近程度，計算步驟如下。

a) 建立初始計算矩陣A：設(shè)樣本為m個，樣本屬性n個，則A=(aij)m×n，aij為第i個樣本的第j個屬性值(i∈M；j∈N)。

b) 矩陣標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化矩陣為B=(bij)m×n，標(biāo)準(zhǔn)化處理方法為：

(1)

c) 構(gòu)建加權(quán)矩陣：采用主、客觀加權(quán)確定權(quán)重集W，采用C=B×W構(gòu)造加權(quán)規(guī)范化決策矩陣，C=(cij)m×n，其中，cij=wj×bij。

層次分析：搭建判定矩陣A=(aij)n×n，計算一致性指標(biāo)CI=(λmax-n)/(n-1)，建立平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，計算一致性比例CR，多次重復(fù)建立RI、CR，修正CI，對各層級指標(biāo)判斷矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)化計算，確定權(quán)重。

信息熵：計算第j個評價指標(biāo)屬性的熵Hj，計算變差系數(shù)αj=1-Hj，定義熵權(quán)矩陣為wn×1=[ωj]。

(2)

(3)

評價指標(biāo)體系中體現(xiàn)供水安全的各指標(biāo)等級劃分是不可忽略的，各指標(biāo)等級劃分對供水安全狀態(tài)中有直接的影響，依據(jù)國際、國內(nèi)有關(guān)的指標(biāo)劃分標(biāo)準(zhǔn)，參考前人做過的研究成果、經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合研究區(qū)或省、國家相關(guān)規(guī)劃，對各指標(biāo)進(jìn)行緊急不安全、不安全、警戒安全、較安全、安全狀態(tài)指標(biāo)值的劃分，并根據(jù)TOPSIS方法計算最終等級閾值。

3 水安全狀況分析

根據(jù)2005、2007、2009、2011、2013年樣本數(shù)據(jù)計算水安全，計算結(jié)果見圖2。根據(jù)水安全計算結(jié)果可以看出，朝陽市水安全呈良性發(fā)展，水安全狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)好。2005年水安全指數(shù)為0.464，為警戒安全狀態(tài)，此后2007、2009、2011、2013年水安全指數(shù)在0.67～0.82范圍內(nèi)，水安全指數(shù)波動式增加?？梢姡Y源保護(hù)、環(huán)境治理等整治措施有積極響應(yīng)，但經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、技術(shù)手段不先進(jìn)等社會用水因素對水系統(tǒng)仍帶來一定的負(fù)面反饋，水安全狀況仍有提升改善空間。

圖2 水安全指數(shù)

從水安全系統(tǒng)內(nèi)部分析，水安全系統(tǒng)的根本源頭水系統(tǒng)自身的安全指數(shù)在0.50～0.56范圍內(nèi)，處警戒安全，且安全指數(shù)變幅小，體現(xiàn)了水資源匱乏固有性。水源是水安全系統(tǒng)的自然支撐力、社會用水的供給，朝陽地區(qū)氣候干旱，水資源匱乏、人均水資源稟賦很差，需水滿足保障程度低，加之農(nóng)業(yè)發(fā)展，分布式農(nóng)藥化肥施用經(jīng)土壤對水資源的質(zhì)量亦有一定程度的負(fù)作用，水系統(tǒng)不安全制約水安全狀態(tài)發(fā)展。

從供用出發(fā)，供水是水源到用水戶的必經(jīng)過程，2005—2013年安全指數(shù)總體呈現(xiàn)上升的趨勢，安全狀態(tài)較好。用水需求是水安全系統(tǒng)的驅(qū)動所在，對水安全狀態(tài)的直接影響壓力，從圖3中可以看出，2005—2013年安全指數(shù)表現(xiàn)為弱“V”型，用水壓力先增加后減小。2005年壓力小是由于生活水平較低，城鎮(zhèn)化率低，故用水戶需水壓力小，處于安全。而2007年呈警戒安全狀態(tài)，是由于GDP的快速增長、人口數(shù)量增加、城鎮(zhèn)化加大，加之此時保護(hù)意識、水資源利用率低，用水壓力增加，用水狀態(tài)不安全，此后經(jīng)濟(jì)、人口發(fā)展較2007年減緩，水資源、水生態(tài)受重視，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，用水技術(shù)革新，用水利用率高、嚴(yán)格水管理等措施，使近年用水壓力減少，安全狀態(tài)逐步好轉(zhuǎn)。

圖3 水安全指標(biāo)值

生態(tài)環(huán)境對水系統(tǒng)的反饋主要是“廢水”“廢物”對水質(zhì)的影響。2005—2013年指標(biāo)評價值表現(xiàn)為“V”型，2005年雖農(nóng)業(yè)化肥較粗放施用、治廢差，但由于排污量小，此時安全指數(shù)為0.636，較安全；2007年后，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，但此時治污能力意識滯后于經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度，此時2007年子系統(tǒng)安全狀態(tài)貼近度小，此后經(jīng)濟(jì)發(fā)展減緩，但環(huán)保意識、治理力度增大，治污能力提升、污水處理率增大、固體廢棄物利用率增大等，對安全狀態(tài)好轉(zhuǎn)作出貢獻(xiàn)。

在水安全系統(tǒng)評價模型中，水系統(tǒng)本身安全得分值變幅小，且較低，朝陽市水源本身壓力對水安全制約影響一直存在，而總體水安全狀態(tài)的提升多得益于外加驅(qū)動及反饋等作用，說明用水技術(shù)革新、水資源保護(hù)、環(huán)境整治對水安全狀態(tài)具有很大的影響，可見水資源匱乏、水系統(tǒng)本身的不安全因素并未改善，水資源匱乏作為水安全系統(tǒng)的主要自然因素亟需改善，外調(diào)水、找新水源、再生水等開創(chuàng)水源多樣化，從基礎(chǔ)上減少水安全系統(tǒng)壓力，節(jié)水措施、工程開展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等開展水資源高產(chǎn)出化，從驅(qū)動上降低對水安全系統(tǒng)的壓力。

4 結(jié)語

從水足跡出發(fā)，分析了水安全系統(tǒng)的組成和運(yùn)轉(zhuǎn)，充分考慮水資源、人類用水活動及其對水資源的影響，構(gòu)建包括水源、供水工程、用水及生態(tài)環(huán)境四大子系統(tǒng)評價系統(tǒng)。水源是水安全的本源、自然支撐所在，供水是水的運(yùn)送環(huán)節(jié)，用水系統(tǒng)是水安全系統(tǒng)主要驅(qū)動、壓力，生態(tài)環(huán)境為自然對開發(fā)利用的反饋，建立本次水安全系統(tǒng)評價框架，在此基礎(chǔ)上建立18個指標(biāo)的朝陽市水安全指標(biāo)分析評價體系；采用TOPSIS理想點(diǎn)模型，充分考慮主觀方案及客觀計算結(jié)合確定TOPSIS權(quán)重問題，評價朝陽市水安全狀態(tài)，結(jié)果表明朝陽市水安全狀態(tài)良性發(fā)展，水安全評價得分呈增長趨勢，但自然因素水資源匱乏問題未有改善，壓力較大，社會用水壓力對水安全影響直接迅速，近年已逐步改善，但整體水平仍有改進(jìn)空間。