基于熵權法的武威市水資源脆弱性評價

劉曉敏 孫天合

摘 ? ?要：甘肅省武威市是石羊河流域中人均國內生產總值較高而水資源供需矛盾較突出的內陸干旱盆地，水資源是制約其社會經濟發展的主要瓶頸因素，研判該區水資源脆弱性可為該區社會經濟活動提供指導意義。通過選取水資源系統、社會經濟系統、生態系統的12個評價指標，運用熵權法對武威市2005—2017年水資源脆弱性進行綜合評價，得出武威市2005—2017年水資源脆弱性呈降低趨勢，由強脆弱到中脆弱、中脆弱到弱脆弱、弱脆弱到不脆弱轉變。研究還表明，2005—2017年武威市萬元GDP用水量呈顯著降低趨勢，總體上經濟發展的用水效率得到大幅提升;武威市降雨量和人均地下水資源量較低，2005—2017年武威市農田灌溉用水率雖然呈降低趨勢，但該值依舊在80%以上，農業用水所占比例較高。在上述基礎上，本研究提出通過使用高效農田灌溉技術等工程節水技術、調整種植結構等農業節水措施、調節農業水價等多種措施控制農田灌溉用水量，以期進一步降低農業用水量，提高農業用水效率。

關鍵詞：水資源;脆弱性;熵權法;武威市

中圖分類號：P964 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.07.011

Abstract： Wuwei is an inland arid basin with a high per capita GDP in shiyang river basinand a prominent contradiction between the supply and demand of water resources. Water resources are the main bottleneck factors that restrict its social and economic development， the study on the vulnerability of water resources can provide guidance for social and economic activities in the region. Based on 12 evaluation indexes of water resources system， socio-economic system and ecosystem， the water resources vulnerability of Wuwei in 2005—2017 was evaluated by entropy weight method. From 2005 to 2017， the vulnerability of water resources in Wuwei showed a decreasing trend， from strong vulnerability to medium vulnerability， medium vulnerability to vulnerability， vulnerability to non-vulnerability. The research also showed that the water consumption per ten thousand yuan of GDP in Wuwei city showed a trend of significant decrease from 2005 to 2017， and the overall water efficiency of economic development was greatly improved. The rainfall and per capita groundwater resources of Wuwei city were relatively low. Although the irrigation water rate of Wuwei city showed a trend of decreasing from 2005 to 2017， the value was still above 80%， and the proportion of agricultural water was relatively high. On the basis of the above， ?the paper proposed to control the water consumption of farmland irrigation by means of water saving technology of efficient farmland irrigation technology， agricultural water saving measures such as adjusting planting structure， and regulating agricultural water price and other measures， so as to further reduce the water consumption of agriculture and improve the water use efficiency of agriculture.

Key words： water resources; vulnerability; entropy method; Wuwei city

水資源是人類生活與生產的重要物質基礎，水資源短缺是制約經濟社會發展的首要問題和關鍵因素[1]。隨著社會經濟的快速發展和水資源消費量不斷增加，水資源短缺已成為我國許多城市發展的瓶頸因素[2]。水資源脆弱性定義為在氣候變化、人為活動等作用下，水資源系統結構發生了改變，水資源的質量降低、數量減少，以及由此引發的水資源供給、需求、管理的變化和旱澇等自然災害的發生[3-5]。我國對水資源脆弱性研究始于20世紀90年代，研究前期主要對地下水脆弱性進行了評價，2000年以來，對水資源脆弱性系統性評價逐漸增多[6]。

水資源脆弱性的評價分為定性評價和定量評價。定性評價是研究者系統分析與水資源變化有密切關系的多種因素，判斷出主要影響因素，然后提出降低水資源脆弱性的對策;研究者對水資源脆弱性定量評價多引入脆弱度的概念，評價所得數值越大，脆弱度越強，抵抗干擾的能力越弱[6]。水資源脆弱性評價研究主要以定量分析為主[4，7]，一般是提出綜合評價指標，通過熵權法[8-15]、突變級數法[16]、灰色三角白化權SPA模型[17]、基于概率論的貝葉斯公式和模糊識別耦合方法[18]、基于循環迭代算法的模糊綜合評判模型[19]等模型對區域、流域水資源脆弱性進行綜合評價。熵權法被研究者多次用于區域水資源脆弱性評價。本文以甘肅省武威市為研究區域，構建了熵權法水資源評價模型，以2005—2017年為時間演變階段，研究武威市水資源脆弱性及從時間上的異質性，以期為甘肅省用水政策提供參考。文中數據來源于甘肅省水資源公報2005—2017。

1 研究區概況

武威市是甘肅省轄地級市，位于北緯36°29′～39°27′，東經101°49′～104°16′之間。武威市屬溫帶大陸性干旱氣候，蒸發量大，氣候干燥，太陽輻射強，光照充足。武威市主要氣象災害有干旱、大風、沙塵暴、暴雨洪澇、冰雹和霜凍等。年平均蒸發量2 163.6 mm，年平均降水量212.2 mm，年平均降雨日數為65 d，降雨集中在每年6—9月，8月最多，降水較少，四季分布不均。

武威市轄1個區、2個縣、1個自治縣，總面積33 238 km2;2017年底，武威市常住人口182.53萬人，其中城鎮人口72.51萬人，鄉村人口110.02萬人，城鎮化率39.72%。2017年，武威市實現生產總值439.58億元。2017年，武威市城鎮居民人均可支配收入25 572元，城鎮居民人均消費支出18 667元;農村居民人均可支配收入10 596元，農村居民人均消費支出8 200元。

武威市位于石羊河中游，是石羊河流域中人類活動最集中、最活躍，人均國內生產總值較高，而人均水資源占有量最少，水資源供需矛盾最突出的內陸干旱盆地[20]。

2 基于熵權法的武威市水資源脆弱性評價模型的建立

2.1 評價指標體系的選擇

根據武威市水資源利用的特點，并在考慮指標有代表性和可獲得性的條件下，參考全國水資源供需分析評價的指標體系[21]及其他水資源評價指標體系[8-9，22]選取評價指標，評價指標體系包括水資源系統、社會經濟系統、生態系統3個方面的12個評價指標。通過計算水資源脆弱度對武威市水資源脆弱性進行評價，認為脆弱度數值越大，脆弱性越高，即武威市水資源越脆弱。因此，模型中設定指標數值越大造成的脆弱性越高的評價指標為正向指標，指標數值越小造成的脆弱性越低的評價指標為負向指標。各指標及含義見表1。

2.2 評價模型

采用熵權法對武威市水資源脆弱性進行評價。熵權法是根據信息論的基本原理來確定評價指標的權重，是一種客觀的賦權法，可以避免由于人為主觀因素造成的偏差。熵值的大小主要受評價指標值的變異程度決定：如果某個評價指標值的變異程度越大， 熵值就越小， 權重越大;如果某個評價指標值變異程度越小， 熵值越大， 權重則越小。計算過程主要包括：首先指標數據要進行標準化處理，消除不同評價指標量綱差別，再通過熵權法計算各評價指標的權重，最后通過線性加權法得出綜合得分，進行綜合評價。線性加權法運算原理是通過疊加對脆弱性不同影響程度的各評價指標，計算出綜合值，根據所得綜合值對武威市水資源脆弱性進行評價。熵權法計算步驟如下。

第1步，指標數據進行標準化處理。由于武威市水資源評價指標的量綱不同，需要把評價指標的數據進行標準化處理，指標數據通過極差標準化法進行標準化處理。對于正向指標，采用公式（1）計算標準化值;對于負向指標，采用公式（2）計算標準化值。

式中，WWVI為綜合評價值，Wj為第j個指標的權重值，Cj為其標準化值。武威市水資源脆弱性等級根據計算所得綜合評價值，參考表2等級劃分范圍進行等級劃分。

3 武威市水資源脆弱性評價

3.1 武威市水資源評價指標值

根據甘肅省水資源公報獲取2005—2017年的相關指標的原始數據，整理出武威市2005—2017年水資源脆弱性評價指標值（表3）。

3.2 武威市水資源脆弱性評價指標標準化值

利用極差標準化法公式（1）和公式（2），對武威市2005—2017年水資源脆弱性評價指標值進行準化化處理，算出武威市2005—2017年水資源脆弱性評價指標值標準化數據（表4）。

3.3 基于熵權法的武威市2005—2017年水資源脆弱性評價

通過熵權法計算公式（4）和公式（5），計算出武威市2005—2017年水資源脆弱性評價指標的權重（表5），再通過公式（6）計算出武威市2005—2017年水資源脆弱性綜合評價值（表6）。

由表5可知，武威市2005—2017年水資源脆弱性評價指標人口密度（B8）、生態環境用水率（B12）、人均用水量（B11）、供水模數（B4）、萬元GDP用水量（B7）的權重相比其他指標較高;人均地下水資源量（B2）、降雨量（B5）、農田灌溉用水率（B10）的權重相比其他指標較低。

計算出武威市水資源脆弱性評價指標的權重后，通過公式（5）算出武威市2005—2017年水資源脆弱性綜合評價值（表6）。根據表2脆弱度分級獲得武威市2005—2017年水資源脆弱度（表6）。

由表6可知，2005—2017年武威市水資源脆弱性呈現減輕趨勢，經過了強脆弱、中脆弱、弱脆弱和不脆弱的變化過程。以水資源系統的人均水資源量、人均地下水資源量、產水模數、供水模數、降雨量、水資源開發利用率，社會經濟系統的萬元GDP用水量、人口密度、人均GDP、農田灌溉用水率、人均用水量，生態系統的生態環境用水率為武威市水資源脆弱性評價指標的評價結果，雖然出現了2005—2017年水資源脆弱性減輕的趨勢，但是武威市降雨量并不豐富。武威市萬元GDP用水量2005—2017呈現顯著降低的趨勢，說明總體上經濟發展的用水效率得到大幅提升，利于提高水資源承載力、降低水資源脆弱性。

武威市2005—2017年平均年降雨量為222 mm，2017年降雨量為227.3 mm，接近年平均降雨量，以2017年甘肅省13個市的水資源量及用水大戶農田灌溉的數據進行比較（表7），發現2017年武威市和甘肅省其他12個市相比年降雨量處于較低狀態，而農田灌溉用水率處于較高狀態，人均地下水資源量處于中等偏低狀態，人均水資源量處于較高狀態。因此盡管武威市2005—2017年水資源脆弱性降低，但是和甘肅省其他市相比，地下水和降雨量偏少，農業用水所占比例依然較高。

4 結論與建議

4.1 結 論

武威市2005—2017年水資源脆弱性呈現由強變弱的趨勢。武威市2005—2017年水資源脆弱性呈現降低的趨勢，由強脆弱到中脆弱變化，由中脆弱往弱脆弱、不脆弱轉變。因此，武威市2005—2017年水資源脆弱性逐漸變弱。武威市萬元GDP用水量2005—2017呈現顯著降低的趨勢，說明總體上經濟發展的用水效率得到大幅提升，利于提高水資源承載力、降低水資源脆弱性。

4.2 建 議

武威市降雨量和人均地下水資源量較低，需要繼續提高用水效率。武威市水資源脆弱性綜合評價結果雖然出現了2005—2017年水資源脆弱性減輕的趨勢，但是武威市降雨量并不豐富。武威市2005—2017年降雨量變化不大，平均年降雨量為222 mm，武威市和甘肅省其他12個市相比年降雨量較低，人均地下水資源量中等偏低，而農田灌溉用水率相比甘肅省其他12個市較高，因此武威市農業用水亟需提高農業用水效率，逐漸降低農田灌溉用水率。武威市2005—2017年農田灌溉用水率雖然呈現降低趨勢，但是武威市農田灌溉用水率依舊在80%以上，農業用水所占比例較高。因此，建議通過使用高效農田灌溉技術等工程節水技術、調整種植結構等農業節水措施、調節農業水價等管理措施控制農田灌溉用水量，進一步降低農業用水量，提高農業用水效率。

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