基于熵值法的山西省水資源脆弱性模糊綜合評價

(山西省水利水電科學研究院,山西 太原 030002)

水資源是人類賴以生存的基礎性自然資源，隨著我國人口增長以及經濟發展，導致生活、生產對水資源的需求逐年增加，在一些水資源相對匱乏的地區，其水資源開發利用程度已遠超出當地的水資源承載能力[1]，使得水資源系統越來越脆弱。山西省是缺水大省，其水資源總量位居全國倒數第二，人均水資源占有量僅為381m3，水資源的貧乏導致干旱化加劇、水污染嚴重、水環境破壞等一系列問題，從而惡性循環形成了一個更加脆弱的水資源系統。

水資源脆弱性可以有效客觀地反映水資源當前所處的狀況，而水資源脆弱性評價作為一種量化水資源脆弱性程度的度量標準[2]，近年來得到了廣泛的研究。目前，在評價模型的構建上主要采用層次分析法、主成分因子分析法、專家意見法等對評價指標進行賦權，再與分形理論、集對分析、模糊數學等方法進行合成，對某區域的水資源脆弱性進行評價[3-4]。目前，在指標的賦權上常采用的方法中層次分析法、主成分因子法等基本為主觀評價法，主觀性強且計算較為復雜，另外當前的研究大都集中在單一維度的研究上，不能較為全面地反映出水資源脆弱性的時間變化規律及空間分布格局。

本文以山西省太原市、運城市、大同市為研究對象，在構建DPSIR概念模型的水資源脆弱性評價指標體系的基礎上，運用模糊數學與熵值法相結合的綜合評價法，從時間及空間上對山西省水資源的脆弱程度WVI(Water Vulnerability Index)作出評價，以期為山西省水資源的合理開發利用及社會經濟的可持續發展提供依據。

1 水資源脆弱性評價指標體系的構建

為了能夠對山西省水資源系統脆弱性進行定量分析，DPSIR(Driving force-pressures-states-impacts-responses)模型1993年由歐洲環境署首次提出，其是對資源及環境可持續發展評價的概念性模型[5]。本文利用DPSIR模型，根據研究區域及研究側重點的不同，將表征系統的多種評價指標分成5種類型：驅動力指標(D)、壓力指標(P)、狀態指標(S)、影響指標(I)及響應指標(R)，每種指標由若干個下級指標構成[6]。

在依據全面性、可操作性、獨立性、完整性等原則的基礎上，結合地區的實際情況，構建了山西省水資源脆弱性評價指標體系，由5部分11項指標構成，各項指標的意義及來源見表1。

表1 山西省水資源脆弱性評價指標體系

2 基于熵權法的模糊評價模型

模糊評價模型是以模糊數學為基礎進行的綜合評價，表達式為：

B=A·R

(1)

式中B——模糊評價結果；

A——各評價指標的權重集；

R——模糊關系矩陣；

·——模糊合成算子。

a.模糊關系矩陣

模糊關系矩陣R的表達式為：

(2)

式中R——由標準化后的指標數據構成；

m——評價指標的個數；

n——被評價對象的個數；

rjk——隸屬度，分為正向指標和逆向指標兩類，若指標的數據越大，系統的脆弱性越大，即為正向指標；反之，為逆向指標。

采用式(3)、(4)對指標數據進行標準化處理。

正向指標：

(3)

逆向指標：

(4)

式中xjmax——第j項指標的最大值；

xjmin——第j項指標的最小值。

b.評價指標的權重

熵值法為客觀賦權法中的一種，根據熵值計算結果來確定指標的權重系數，對于m個評價指標，n個評價對象，則某一項指標的熵的表達式為：

(5)

式中fjk為：

(6)

則各評價指標的權重為：

1981年生于江西省贛州市。本科、碩士畢業于廣州美術學院。現為中國藝術研究院博士研究生，贛南師大美術學院教師，中國工筆畫學會會員，贛州市七鯉陶瓷藝術研究院副院長。作品多次入選全國性美術和設計展覽，作品被中國駐法國大使館、國家林業局、胡一川美術館、廣州美術學院、廣東科學館、嶺南畫派紀念館和贛州市博物館等單位收藏。

(7)

可得指標權重集A，即

A=(a1,a2,…am)

(8)

c.綜合評價結果

將模糊指標權重矩陣A與模糊關系矩陣R通過合成運算，求得模糊綜合評價結果[7]。

3 山西水資源脆弱性評價

3.1 研究區概況

山西省位于華北地區西部，總面積約為15.63萬km2。按地形起伏特點，可將山西省分為東部山地區、西部高原區和中部盆地區三部分。其中中部盆地區自東北向西南縱貫全省，由大同、忻州、太原、臨汾、運城等一系列雁行式平行排列的地塹型斷陷盆地組成，高程自北向南梯級下降：大同盆地1050m，太原盆地750m，至運城盆地降為400m。

作為缺水大省，近年來山西省水資源脆弱性問題日漸突出。山西省水資源主要來源于降水，多年平均降雨量約為508.8mm，多年平均水資源總量為123.8億m3(據山西省第二次水資源評價)，人均水資源占有量僅為381 m3，屬于嚴重缺水地區。同時，山西省也屬于水質型缺水省份，據《2015年山西省環境狀況公報》顯示：在監測的100個斷面中，水質優良(Ⅰ～Ⅲ類)的斷面44個，占監測斷面總數的44.0%；重度污染(劣Ⅴ類)的斷面32個，占32.0%；全省地表水水質屬中度污染。目前山西省水資源脆弱性問題已成為嚴重制約當地經濟和社會發展的影響因素。

考慮到山西省目前的水資源狀況及水環境特點，選取有代表性的太原市、大同市、運城市為研究區，運用構建的指標體系及評價模型對三市2006—2015年水資源脆弱性進行定量的評價，對其主要影響因子及水資源脆弱性的動態變化狀況進行分析。

3.2 樣本數據處理

各指標數據來源于2006—2015年的《山西統計年鑒》《山西省水資源公報》以及各市的《國民經濟和社會發展統計公報》《環境狀況公報》等。其中，人均生產總值、人口密度、人均日生活用水量、萬元工業增加值用水量、農業灌溉畝均用水量、水資源開發利用率這6項指標為正向指標，即指標數值越大，脆弱度數值越大，脆弱性越強，用式(3)來計算；其余4項指標為逆向指標，采用式(4)來計算。

3.3 評價結果及分析

3.3.1 模糊關系矩陣的建立

以太原市為例，將標準化的指標數據構建模糊關系矩陣R為

根據模糊關系矩陣R，運用熵值法計算太原、大同、運城三市各指標的權重系數，見表2。

a.太原市的人均生產總值(A1)、人均日生活用水量(B3)的權重值最高，其中人均日生活用水量權重最大，表征太原市因居民生活對水資源的耗費是加劇太原市水資源脆弱性的重要因素之一。

b.大同市的農田灌溉畝均用水量(B2)所占權重值最高，表征了大同市農業用水的用水效率是影響水資源脆弱性的重要因素之一。

c.運城市的農田灌溉畝均用水量(B2)、生態環境用水比例(E2)所占權重值較高，表征了運城市農業用水的用水效率以及生態環境的用水量是導致水資源脆弱性變大的重要因素。

3.3.3 水資源脆弱性計算

確定權重后，將各個評價指標標準化的數據矩陣R與指標的權重A代入計算式(1)，即可分別計算出2006—2015年太原市、大同市、運城市三市的WVI，結果如圖1所示。

圖1 不同年份三市的水資源脆弱程度計算結果

3.3.4 水資源脆弱程度劃分

為了便于比較山西省各地市與各年份的水資源脆弱程度，需對水資源的脆弱性等級進行劃分。目前尚無統一的評價標準來對水資源脆弱性程度進行等級劃分，本文在參考相關文獻[8-9]并結合研究區的實際情況，根據計算結果的數值分布及專家經驗來確定不同等級的水資源脆弱程度閾值，將水資源脆弱性程度劃分為5個等級，見表3。

表3 水資源脆弱性評價標準

3.3.5 結果分析

根據2006—2015年山西省太原市、大同市、運城市水資源脆弱性程度計算結果，對三市的水資源脆弱等級進行劃分，如圖2所示。

圖2 2006—2015年三市水資源脆弱性等級

從圖2可以看出，三市在2006—2015年10年間的水資源脆弱程度基本都為中度脆弱，其中，太原市、大同市水資源脆弱度數值基本呈現減小的趨勢。

a.太原市2010年表現為重度脆弱，其余年份均為中度脆弱，可見當年的水資源脆弱性狀況相對較為嚴重。造成該現象的主要原因為2010年太原市缺乏有效的降雨量，使得水資源量嚴重不足，僅為3.54億m3。同時該年度人口密度顯著的增加，人口數量的上升給水資源的供應和水生態環境的保護帶來了較大的壓力。

b.大同市10年間從重度脆弱逐步過渡到中度脆弱(2011年除外)，到2015年達到輕度脆弱，水資源脆弱程度呈現好轉的趨勢，從對比數據可以看到，大同市農田灌溉畝均用水量從2006年的205m3/畝下降到2015年的176m3/畝，同時水資源開發利用率也逐年增高，水資源得到了充分的利用，但水資源脆弱度值在三市中相對較高。

c.運城市10年間水資源脆弱性程度(2012年除外)相對較為穩定，2009、2011年為輕度脆弱，其余年份均為中度脆弱，2012年運城市水資源脆弱程度為10年間的最大值，造成該現象的主要原因是人均水資源量的不足，2012年人均水資源量僅為189.4m3/d，嚴重低于10年間的平均值255.26 m3/d。

4 對 策

綜上所述，太原市、大同市、運城市三市都呈現了不同程度水資源脆弱性，這表明了經濟社會人口的發展與區域水資源系統存在一定的不協調，水資源開發利用保護方面也存在不足，水資源系統的穩定性存在著較多的不安全影響因素。針對目前三個地市水資源脆弱性現狀，提出如下對策：

a.維護和修繕水利工程是降低水資源系統脆弱性的一個重要途徑，可以有效降低洪澇災害,減少旱情發生。

b.提高用水效率。?在農業生產方面，應大力發展節水農業，加大節水灌溉技術的推廣，進一步優化農作物種植結構；?工業生產方面，鼓勵非常規水源(中水、再生水、礦坑水等)的合理開發利用，緩解水資源短缺問題。

c.維護和改善水生態環境。必須從源頭上減少廢污水的排放量，同時提高污水的處理率，另外要適當增加生態環境用水量，使目前的水生態環境得以維護和改善。

5 結 語

本文基于DPSIR概念性模型構建了山西省水資源脆弱性評價指標體系，從不同方面綜合考慮了水資源脆弱性的影響因素，有利于對區域水資源系統脆弱性的成因進行分析。通過熵值法確定各個指標的權重，該方法計算簡單且計算過程依據樣本數據特征對不同的評價指標進行賦權，保證了該次評價結果的客觀性及準確性。將熵值法與模糊綜合評價法有效結合從時間及空間上對山西省三個地市的水資源脆弱程度作出了定量評價，評價結果基本與當地水資源現狀相符合，該評價結果也可為相關部門提供借鑒與參考。盡管目前山西省三地市的水資源脆弱性有好轉的趨勢，但仍基本處于中度脆弱狀態，相關部門應進一步加強綜合整治和管理。