基于綜合權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

(甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

水是重要的自然資源和戰略資源，是生態環境發展的關鍵，是綜合國力的重要有機組成部分[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、經濟、生態安全息息相關。

隨著社會的發展，可利用水資源量與人類供需矛盾日益嚴峻、水資源短缺、水生態破壞、水環境污染等一系列的水資源安全問題成為熱點，因此，正確認識社會經濟發展、城市化進程與水資源安全系統的協調是非常重要的[3]。近年來，國內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世紀初就做了對于區域水資源安全評價的指標體系研究，并利用已建立的指標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法、投影尋蹤法、PSO優化邏輯斯蒂曲線法、人工神經網絡、綜合指數法、層次分析法等對不同地區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的水資源狀況，結果發現農業發展受水資源的影響最為顯著;Dong等[14]對洛陽市2006—2016年的水安全狀態利用集對分析原理進行評價分析，研究表明社會經濟發展為造成研究區水資源壓力的關鍵因素。

鑒于此，本文在結合前人對于水資源安全評價研究的基礎上，選取長時間系列的綜合指數法，對天水市的水資源安全進行評價研究，這對天水市未來的水資源安全發展具有一定的指導意義。

1 研究區概況及數據來源

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，天水市境內流域較多，長約280km的渭河流域為主要流域，因此該地區水資源量相對于甘肅省其他地區較豐沛，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逐步上升趨勢，人口自然增長率為3.93%，隨著社會的發展，天水市的城鎮化進程也在不斷加快，城市化率逐年提高，農業節水灌溉面積不斷加大，由于第一、二、三產業的不斷完善與發展，天水市的工業需水量逐漸增多，有限的可供水量直接導致了天水市的水量供需不平衡。

天水市中心城區目前擁有我國西北地區面積最大的一片天然次生林，涵養了藉河、水寧河、西漢水等河流的水源，西部地形破碎，水土流失嚴重，北部植被覆蓋稀疏，土地墾殖率高，土壤侵蝕強烈，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條河流經考核，水環境質量均達標，統計排污口共21個，入河主要污染物化學需氧量達2374t、氮磷含量為72t，全年水質監測共12次，其中10次監測為Ⅰ類水，2次監測為Ⅱ類水，無超標項目，均符合使用標準。但是，隨著各行各業的發展，地下水開采嚴重，水生態問題突出，水資源安全問題日益凸現。

本文對于天水市水資源安全狀況的研究，數據都是來自于甘肅省水利廳發布的2004—2018年的《甘肅省水資源公報》，通過統計計算分析獲得天水市2004—2018年各指標的數據。

2 天水市水資源安全評價

2.1 構建評價指標體系

水資源安全涉及社會、經濟、生態環境等多個方面，水資源安全強調水資源能夠支持經濟發展，其指標體系的構建還應按照可持續發展的原則考慮區域社會、經濟和生態環境指標。指標是復雜事件或系統的信號，它們是一組反映系統特性或顯示所發生情況的信息。從數量上說，它們是某一社會整體現象的某種特性或特征，它們可以是數量概念或特定值。因此，指標體系的建立，不僅要定義指標的構成，而且要確定指標之間的關系和不同指標所屬的系統。因此，在構建指標體系時應滿足區域性原則、科學性原則、代表性原則、層次性原則以及可操作性原則[16]。

根據以上5個原則構建天水市水資源安全評價指標體系，以水資源系統、社會系統、經濟系統、生態系統為準則層，選擇人均水資源占有量、年降水量、綜合耗水率、產水模數、產水系數、城市化率、供水模數、人口密度、農業節水灌溉比重、人均日生活用水量、人均GDP、萬元GDP用水量、糧食產量、農田用水率、水資源產出率、生態用水率、城鎮環境耗水率、農村生態耗水率、有效灌溉面積占耕地面積比重19個指標(見表1)。

2.2 確定指標權重及綜合指數

2.2.1層次分析法確定權重

利用層次分析法[17]確定主觀權重，步驟如下：

(1)將天水市水資源安全評價作為評價的目標層，分為水資源系統、社會系統、經濟系統四個準則層，選擇19項指標作為指標層，以此建立層次模型。

(2)從準則層開始，結合前人研究中所確定出的權重比和人們的主觀意識，用成對比較法和1—9比較尺度構造比較陣，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體系

(3)對于每一個成對比較陣利用和法計算其特征向量及最大特征值，最大特征值對應的最大特征向量即為準則層和指標層的權重值，準則層相對于目標層的權重值與指標層相對于準則層的權重值的乘積即為指標層相對于目標層的權重Aj。

(4)檢驗其一致性，計算公式如下：

(1)

(2)

當CR<0.1時，認為該矩陣具有一致性，通過一致性檢驗。

2.2.2變異系數法確定權重

變異系數法確定其客觀權重，并計算二者的綜合權重的方法來減少主觀性的影響，權重確定步驟如下。

(1)對原始數值進行標準化處理，在標準化處理時，對于正向指標：

(3)

對于負向指標：

(4)

式中，Xij′—第i年的第j個指標的標準化值；Xij—第i年的第j個指標的原值；Xjmax—第j個指標在研究年份內的最大值；Xjmin—第j個指標在研究年份內的最小值。

(2)確定客觀權重，客觀權重計算公式如下：

(5)

式中，Cj、Dj、Xj、Uj—第j個指標的變異系數、標準化值的均方差、均值、客觀權重值。

(3)確定綜合權重值，根據以下公式確定其準則層和目標層綜合權重值[18](見表2)：

(6)

式中，Aj—層次分析法確定的主觀權重值；Uj—變異系數法確定的客觀權重值。

2.3 確定評價標準

分級標準是對水資源安全進行準確評價的關鍵0，但目前，對于水資源安全的分級還未形成統一的標準，在本文中，根據得出的綜合指數值往往不符合人們判斷“好”與“差”的習慣，因此，將指標的標準化值和綜合數值轉化為等級值，即建立評判值與標準化值的概念關聯，按照人們對分數等級優劣檔次的認知習慣0，采用等間距分級方式建立如下等級對應關系，見表3。

表2 天水市水資源安全評價指標權重值

表3 綜合評價值與等級對應關系

3 結果分析

綜合指數值計算公式如下：

(7)

式中，Wi—第i年的綜合評價值。

根據等級對應關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，接下來是經濟系統、社會系統、生態系統，由此可見，天水市地區的水資源系統是影響其水資源安全最主要的因素，當水資源系統的安全得到保證時，才能使得社會、經濟、生態系統良好發展。

從指標層來分析，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>水資源產出率>產水模數>人均日生活用水量>人均GDP>糧食產量>萬元GDP用水量>農業節水灌溉面積比重>有效灌溉面積占耕地面積比重>農村生態耗水率>產水系數>城鎮環境耗水率>人口密度>生態用水比例>綜合耗水率>供水模數>農田用水比例>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個指標的權重都超過了1，且都屬于水資源系統，年降雨量和人均水資源占有量越大，水資源系統的安全性就越高，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，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%，降雨量減少直接導致天水市全年水資源總量的下降。

2005—2006年，水資源安全狀態為較差狀態，主要的影響因素是國內生產總值的落后，再加上水利工程設施的落后，水資源浪費嚴重。

2007年水資源安全狀態為一般狀態，相對于之前兩年水資源安全狀態提升的原因是該地區城市進程變大，相比于2016年增加17%，生態用水比例也明顯提升，相對于2006年增加88%，生態系統有了明顯的發展，但國內生產總值的落后仍制約著該地區的水資源安全狀況。

2008—2009年，水資源安全狀態又變為較差狀態，主要是因為城鎮化速度的變慢和產水模數的降低。

2010—2012年，水資源安全狀態為一般狀態，水資源安全狀態的提高主要是因為水資源系統人均水資源占有量等指標安全度的提升，雖然經濟在不斷發展，但整體仍為落后狀態，繼續影響該地區水資源安全。

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

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

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

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經歷了由惡劣變為較差再到一般最終達到良好的整體變化趨勢，按此趨勢發展，如果要達到水資源安全的理想狀態，應該從不斷提高該地區的經濟發展，保障水利支撐項目的資金，加大生態用水比例，開發利用降雨，提高人們節水意識幾個方面入手。

4 結語

本文以天水市水資源安全綜合評價為目標，水資源、社會、經濟、生態系統為準則層建立了評價指標體系，選取了從2004—2018年的長時間序列，采用主客觀結合的權重確定方法，得到了各指標的綜合權重值，最終得到了評價時間段內每一年的綜合指數，根據綜合指數建立了評價標準，把水資源安全狀態劃分為“惡劣”、“較差”、“一般”、“良好”、“理想”五個狀態，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展提供了理論指導。但在評價指標的選擇中，由于資料有限，未選擇森林覆蓋率，城市綠化面積等生態指標，有待未來的研究繼續完善。