葫蘆島市水資源貧困狀況綜合評價

(葫蘆島市南票區(qū)農業(yè)發(fā)展服務中心，遼寧 葫蘆島 125027)

1 引 言

葫蘆島市是我國北方沿海城市之一，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，約為全國平均水平2200m3的1/3，且在時空分布上極不均衡，屬于嚴重缺水城市之一[1-2]。近年來，隨著城市化進程的推進、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峻，并且用水結構出現(xiàn)較大改變。在水文工程領域對水資源的評價較多，而涉及社會經濟領域的相關研究還未形成一個考慮全面、簡單易行的評價方法和綜合指標體系。Sullivan C[3]從環(huán)境、使用、設施、資源和能力5個角度提出了WPI水資源貧困指數(shù)的概念，不僅更加科學、系統(tǒng)地闡述了水環(huán)境與用水能力之間的關系，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)和水資源財富指數(shù)的內涵，進一步對水資源貧困理論進行了擴充和完善；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理論并對數(shù)據(jù)利用網絡方法進行了詳細的分析；邵薇薇[7]等對我國主要流域的水資源貧困狀態(tài)利用WPI指標體系進行了綜合評價；曹建廷[8]對水資源貧困演變過程以及水資源貧困評價方法和相關概念進行了介紹；孫才志[9]等從增加社會適應能力指標的角度分析和驗證了水資源貧困的空間關聯(lián)格局。目前，主客觀綜合賦權法、主成分分析法、層次分析法、熵權法等為WPI指標權重計算的主要方法。

對水資源貧困發(fā)展狀況進行評價時應將其視為一個由低值到高值的動態(tài)演變過程，評價指標的理想解應根據(jù)不同時期的發(fā)展狀況進行合理的設定，其中理想解與綜合測度評價指標之間的距離即為水資源貧困評價狀況。而實現(xiàn)這一動態(tài)演變過程的有效評價常用的方法為TOPSIS模型，然而在傳統(tǒng)的TOPSIS模型中無法反映各指標的相對重要程度。據(jù)此，本文以葫蘆島市為例,結合WPI理論成果和已有文獻資料，對傳統(tǒng)的TOPSIS模型利用熵權法進行了改進并將其運用于實際案例，評價了葫蘆島市各區(qū)域的水資源貧困現(xiàn)狀，并對其障礙度模型進行了深入的探討，詳細地分析了影響水資源貧困解決的關鍵性因素，以期為促進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 構建水資源貧困綜合評價指標體系

反映區(qū)域或國家相對缺水程度的重要性指標為WPI水資源貧困指數(shù)，WPI利用貧困理論將水資源短缺問題擴展到社會經濟，有效結合了用水能力、生計、權利以及開發(fā)利用水平、管理等方面內容，有利于促進人水和諧共生目標的實現(xiàn)。對葫蘆島市水資源短缺狀況利用WPI指數(shù)進行綜合評價有必要綜合考慮研究區(qū)域的實際情況，結合相關文獻資料中對WPI指標體系的選取結果以及水資源總量既定的實際狀況，本文在遵循合理性、系統(tǒng)性、易獲取性以及科學性等原則的基礎上對WPI指標進行選取。另外，為了進一步提高評價結果的準確性并能夠更加客觀、真實地反映葫蘆島市水資源貧困實際現(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。根據(jù)指標選取原則和葫蘆島市水資源貧困實際狀況構建了包含5個子系統(tǒng)的23個指標體系，見表1。

表1 葫蘆島市水資源貧困綜合評價指標體系

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、教育和財政狀況的角度綜合反映各個行業(yè)部門的用水情況；環(huán)境狀態(tài)主要是從生態(tài)環(huán)境與水質可能承受潛在壓力的角度反映與水資源管理相關的環(huán)境狀況[10-11]。其中R1～R4分別代表地表水供應量、地下水供應量、其他水供應量以及降水量變化率；A1～A4分別代表人均供水管道長度、自來水受益村數(shù)比例、農業(yè)機械、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 熵權的TOPSIS法

在系統(tǒng)工程學領域TOPSIS法應用較為廣泛，該方法是以構造的各評價指標最優(yōu)、最劣解為基礎，通過計算分析最優(yōu)、最劣解與評價對象的接近或遠離程度反映評價樣本的優(yōu)劣狀況。對傳統(tǒng)的TOPSIS模型利用熵權法進行改進，其主要過程是對各指標的權重利用熵權法進行確定，然后對評價對象的相對優(yōu)劣程度按照TOPSIS逼近理想解的原理進行表征，在該評價過程中對各指標的賦權為影響評價結果的關鍵性環(huán)節(jié)，計算方法如下：

a.構造判斷矩陣及標準化處理。設定評價對象有m個，評價體系中包含的指標數(shù)總數(shù)為n，則判斷矩陣為X=(xij)m×n; (i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。因不同評價指標之間的量綱和單位存在一定的差異性，在評價區(qū)域水資源貧困狀況之前需對判斷矩陣進行統(tǒng)一規(guī)范化處理，然后可求得相對隸屬矩陣：R=(xij)m×n; (i=1,2,…,m;n=1,2,…,n)。正向指標的相對隸屬度可采用式(1)進行計算：

(1)

對于逆向指標相對隸屬度的計算公式如式(2)所示：

(2)

式中xij——第j個評價方案中的第i項評價指標的相對隸屬度；

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

b.熵權理論確定指標權重。根據(jù)標準化矩陣對各指標信息熵Hi按照式(4)計算：

(3)

(4)

式中Hi——評價對象中第i項評價指標的熵值；

fij——第j個評價對象的第i項指標權重占評價的權重值。

根據(jù)上述計算結果可對各評價指標的熵權W進行計算，計算公式如式(5)所示：

W=(ωi)1×m

(5)

(6)

式中ωi——各評價指標的熵權，取值范圍為0～1，所有評價指標的熵權之和為1；

W——熵權特征向量。

d.對最優(yōu)解與各評價對象之間的距離進行求解。利用歐式基本公式，對最優(yōu)、最劣方案進行歐式距離計算，計算公式如式(7)所示：

(7)

e.貼進度Ci的計算。利用待評價樣本的貼近程度值Ci的大小對評價對象進行優(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，評價對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，計算公式如式(8)所示：

(8)

2.3 障礙度評價模型

為對區(qū)域水資源貧困進行病理性診斷，并揭示影響解決水資源貧困問題的障礙性因子，在評價了水資源貧困狀態(tài)的基礎上還應進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行延展性探討，對影響葫蘆島市水資源貧困的關鍵性阻礙因子作了進一步的研究分析。

障礙度、指標偏離度以及因子貢獻率為障礙度模型計算的主要參數(shù)指標，其中因子貢獻度為以總目標為依據(jù)分析單個因素的貢獻程度，通常采用指標權重ωj表示；指標偏離度計算公式為Iij=1-xij，即系統(tǒng)發(fā)展目標與單因素指標之間的距離；而障礙度Oij為農村水資源貧困災害風險程度受指標體系標準層或單項指標的影響程度，其表達式如式(9)所示：

(9)

3 實例應用研究

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)，全市總人口約280萬。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老龍頭，東止連山區(qū)老河口，全長260km，該區(qū)域為具有海洋性氣候特點的大陸性季風氣候，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)來源

結合表1水資源貧困評價指標體系的各個指標具體的特征和內涵，分別選取葫蘆島市2009—2017年統(tǒng)計年鑒、水資源公報、海洋統(tǒng)計年鑒等作為主要數(shù)據(jù)來源，同時考慮地方統(tǒng)計年鑒、水文局等官網數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果，經過統(tǒng)計整理得到各指標初始數(shù)據(jù)。

3.3 指標權重與綜合得分

單項指標最劣解與最優(yōu)解的差值越大則指標變異程度越高，相應的指標熵值就越小，由此反映該指標所包含的有效信息越多對評價結果的影響就越大；反之，則指標的熵值越大則熵權越小對評價結果的影響程度越低。利用文中所述熵權法計算公式對指標統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行權重的求解，結果見表1。指標權重計算結果顯示：對評價結果影響權重在0.05以上的指標主要有地下水、地表水以及其他水源供水量、農業(yè)機械和人均供水管道長度指標，結果表明影響葫蘆島水資源貧困的基本因素為取水設施和水資源稟賦；統(tǒng)計分析權重大于0.01的指標顯示，對葫蘆島市水資源貧困有較大影響的指標有污染現(xiàn)狀、生產生活用水、海水入侵面積等；其他各指標的比重小于0.01，說明在不同地區(qū)這類指標的分布較為均衡且攜帶有效信息量較少。

表2 各分區(qū)水資源貧困評價結果

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，然而不同區(qū)域的上升幅度存在一定差異；平均綜合評價值從 2009—2011年間的0.213上升到 2015—2017年間的0.363，絕對增長幅度為0.15，平均值相對于2009—2011年期間增長了約70%；在2009—2011年高于平均值的區(qū)域共有3個，在2015—2017年期間仍然有3個，并沒有增幅變化。對在研究期間的葫蘆島市水資源貧困水平利用變異系數(shù)和標準差法進行分析，結果表明在2009—2011年期間變異系數(shù)與標準差到2015—2017年期間逐步降低。由此進一步反映了研究區(qū)域水資源貧困狀態(tài)呈現(xiàn)出整體好轉的變化趨勢，同時相對與絕對差異也表現(xiàn)出降低的發(fā)展趨勢。

3.4 水資源貧困評價障礙因子

綜合考慮利用R、A、C、U、E這5個組成方面評價指標體系對水資源的綜合作用，即為水資源貧困問題的主要內容，為進一步解釋影響研究區(qū)域水資源貧困問題解決的主要因素，本文測算了各指標層的數(shù)據(jù)障礙度，從而確定了關鍵性阻礙因子，結果見表3。

表3 水資源貧困各指標主要障礙因子與障礙度

考慮到評價指標較多的實際情況，本文僅列出了前8位的障礙度測算因子。從上述結果可以看出，在資源、設施、能力、使用以及環(huán)境系統(tǒng)中影響水資源貧困評價頻數(shù)不低于3的障礙指標分布比例分別為15.5%、27.75%、18.50%和21.25%。障礙指標分布數(shù)據(jù)可進一步說明在各子系統(tǒng)中影響水資源貧困問題的主要障礙指標分布較為均衡，在解決水資源貧困問題時各地區(qū)應綜合考慮多種因素的影響作用，統(tǒng)籌兼顧各個指標因子的影響從而實現(xiàn)水資源的科學利用。

4 結 論

結合上述分析結果可知，葫蘆島市水資源現(xiàn)狀不容樂觀，保護水資源刻不容緩。為此，要注重水資源的保護、開發(fā)與利用，呼吁人們保護每一滴水，形成節(jié)約用水的良好習慣。在解決水資源貧困問題時應綜合考慮多種因素的影響，統(tǒng)籌兼顧實現(xiàn)各子系統(tǒng)的發(fā)展，根據(jù)葫蘆島市不同地區(qū)的水資源實際情況針對性地采取相應的措施：在水資源開發(fā)利用程度較低、水資源較為豐富的區(qū)域應加快對水利工程設施的建設，提高水資源利用效率；在社會經濟發(fā)展較快、水資源供需矛盾緊張的區(qū)域加快實施外流域調水設施，促進節(jié)水設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，實現(xiàn)水資源的科學利用，促進葫蘆島市人與水和諧發(fā)展。