基于熵權法的水匱乏指數在四川省水安全評價中的應用

羅 斌，姜世中，鄭月蓉，常婷婷，彭文甫

(四川師范大學地理與資源科學學院，四川成都610066)

基于熵權法的水匱乏指數在四川省水安全評價中的應用

羅 斌，姜世中*，鄭月蓉，常婷婷，彭文甫

(四川師范大學地理與資源科學學院，四川成都610066)

水安全問題對人民生活、社會經濟發展有著重要影響．根據邊際效益遞減原理和熵權法，采用水匱乏指數對四川省2008—2012年水安全狀況進行了評價．結果表明，四川省2008、2009年水安全處于極不安全狀態;2010、2011、2012年處于不安全狀態．必須通過加強水資源利用與管理、環境保護、加快經濟發展方式轉型、提高人民生活水平等有效途徑，確保四川省水安全，促進社會經濟健康、持續、穩定發展．

熵權法;水匱乏指數;水安全

在全球變化和經濟發展迅速的今天，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討論了水安全議題［1］．水安全是指在人類生產、生活以及經濟發展過程中發生的與水有關的危害現象，從而導致人類財產損失、人口死亡、健康惡化、生存環境的舒適度降低、經濟發展受到嚴重制約的現象［2］．水安全的內涵有兩方面: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的干預而導致的水量短缺、水質污染、水環境破壞、水資源浪費等行為．最終，水安全將引發其他諸如糧食安全、經濟安全，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個地級市、3個自治州，人口達0．804億人．全省河流分屬7個水系二級流域．四川省作為西部大開發的橋頭堡，引領西部經濟發展．隨著西部大開發的持續深入，經濟迅速發展，對水資源要求，特別是工業用水需求量將大增，供需矛盾將日益凸顯，加之生態破壞、環境污染，致使四川省水安全狀況急劇下降，水安全問題突出．

水安全評價比較常用的方法有層次分析法、集對分析法、模糊數學方法、熵權法、人工神經網絡法［4－6］，以及一些專門應用于水資源、水環境的評價方法，如虛擬水理論、水匱乏指數［7－8］等．本文使用水匱乏指數方法對四川省水安全狀況進行評價．

1 水匱乏指數

水匱乏指數(WPI)是英國自然環境研究委員會生態水文中心為了檢測水行業發展狀況，而提出的一種新的水管理評價技術［9］．它綜合考慮了一個區域水資源狀況、水資源獲取、水環境狀況及水資源利用能力和潛力，已在不同的尺度進行應用，獲得了較好的效果［10－11］．

水匱乏指數的計算方法:先根據邊際遞減原理，計算出各次級指標的個體指數;再依據熵權法，求得各次級指標的權重，并計算出各指標綜合指數及水匱乏總指數．

1．1 指標體系 水匱乏指數的指標體系包含資源、途徑、利用、能力和環境5個指標，每個指標又包含若干個次級指標．根據研究區的實際情況，并參考國內外研究成果，構建了計算研究區域水匱乏指數的指標體系(表1)［3，9－10］．

1．2 水匱乏指數的計算方法 次級指標分為2種類型:一類為指標值愈大，水資源愈安全;另一類為指標值愈小，水資源愈安全．這兩類次級指標的個體指數計算公式分別為:

表1 WPI指標體系Table 1 Index system of water poverty index

式中，Imi為第m個指標下的第i個次級指標的個體指數;xi為第i個次級指標的觀測值;ai、bi為系數．

各指標綜合指數計算公式為

式中，Im為第m個指標的綜合指數，m=R，A，C，E，U，分別表示資源、途徑、能力、利用和環境5個指標;Imi為第i個次級指標的個體指數，wi為第i個次級指標的權重;k為某指標的次級指標個數．

水匱乏總指數計算公式為

1．3 水安全等級劃分標準 參考國內外相關研究成果，將水安全按WPI劃分為5個等級［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;Im為第m個指標綜合指數，ωm為第m個指標的權重．由于5個指標的權重值很難確定，一般采用等權方法，即

2 四川省水匱乏指數計算模型參數的識別

2．1 個體指數計算模型中系數ai和bi的確定根據前人研究成果及我國水資源安全現狀，參考環保部《生態縣、生態市、生態省建設指標(修訂稿)》，篩選出了適合四川省的實際情況的次級指標值分級標準(見表2)［13－16］．并根據分級標準，按照經濟學中的邊際遞減原理，計算出了四川省個體指數計算公式中系數ai和bi(見表2)．

2．2 個體指數權重的確定 采用熵權法對個體指數賦權，計算公式為

式中，wi為第i個個體指數的權重;Hi為第i個次級指標的熵值，其計算公式為

式中，C=1/ln n，n為樣本容量(n=5);t為時間(即2008—2012年);Pit表示第i個個體指數第t年值占所在指標下全體個體指數總和的比重，即

3 結果及分析

采用上述模型方法計算出了四川省2008—2012年，資源、途徑、利用、能力和環境5個指標的水匱乏綜合指數及總指數(表3)．

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

圖2繪制出了四川省水匱乏指數各指標的綜合指數雷達圖．由圖2可知，2008—2012年，在5個指標中，資源、環境、使用3個指標的水匱乏綜合指數值較大，而途徑、能力2個指標的水匱乏綜合指數值較小．

資源水匱乏綜合指數時間平均值最大，但隨時間有所波動，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，近年來進行了大規模梯級水電資源開發，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，以及數目眾多的中、小型水電站．雖

然四川省水資源十分豐富，但時空分布不均．盆地周山地區相對豐富，而在金沙江、岷江干熱河谷區，盆中丘陵地區十年幾旱，水資源短缺，水資源開發利用水平十分低下．

表2 四川省水匱乏個體指數值分級及計算模型Table 2 Classification and calculation model of water poverty index value of Sichuan

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

環境水匱乏綜合指數逐年呈下降的趨勢，表明經濟發展的同時，環境問題也日益嚴峻．據2012年四川省水資源公報，在全省5 099 km河長中，僅有1．8%的河長全年達到了I類水質標準，而有5．8%的河長水質為IV、V類，尤其是沱江流域水污染十分嚴重．因此，在發展經濟的同時，必須加大控制工業污染、農業面源污染的力度，防止水污染事故的發生．深入持久開展“長治工程”，注重水生生態建設，積極發展生態經濟產業．

使用指標的水匱乏綜合指數呈逐年上升趨勢，表明四川省對水資源的利用，逐漸向資源節約型轉變．

途徑和能力2個指標的水匱乏綜合指數雖然都呈逐年上升趨勢，但其值較小，尤其城市化率、人均GDP等經濟指標個體指數值很小，這表明近幾年四川省經濟發展速度較快，但經濟發展水平依然較低．參考文獻

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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境的研究，E－mail:jiangshizhong@126．com