臨沂市水資源安全綜合評價研究

李 丹，毛玉鑫，3，陳森林，2，梁 斌，譚安琪，潘志浩，孫亞婷

（1.武漢大學水利水電學院，武漢 430072；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；3.中國長江電力股份有限公司，湖北宜昌 443133；4.長江水利委員會長江中游水文水資源勘測局，武漢 430072）

0 引 言

水資源是基礎性的自然資源和戰略性的經濟資源，是人類社會可持續發展的重要支撐。近年來，水資源安全問題日漸突顯，并已經成為制約我國社會經濟發展的重要因素［1］。隨著人口的增長和經濟的發展，越來越多的地區出現了水資源緊張的局勢，目前我國有16 個省（區、市）的人均水資源量低于嚴重缺水線［2］。水資源的相對短缺及嚴峻的水污染形勢已對經濟社會的可持續發展造成了前所未有的壓力，水資源安全是水資源管理的核心內容與終極目標，同時也是社會經濟安全與可持續發展的基礎和前提，逐漸成為學界和政府部門關注的重要議題。同時我國水資源安全研究也取得了很大成就，以黃河來說，隨著對黃河水資源安全研究的不斷深入，黃河流域的水資源短缺得到一定程度的緩解，水污染狀況得到有效的治理，同時困擾黃河流域多年的斷流問題也基本得到了根治，黃河流域的整體健康狀況有了很大改善［3］。

水資源安全評價作為水資源安全研究的關鍵問題，同時也是實現水資源安全戰略的基礎性工作，已成為國內外水資源科學研究的熱點［4］。水資源安全評價的核心問題是一個國家或地區（流域）的水資源能否滿足社會長遠、可持續發展的要求［5］。通過水資源安全評價，系統分析各因素對區域水資源安全的影響，評估區域水資源安全現狀，是水資源可持續開發與管理的依據，也是相關工程規劃、設計及運行管理的前提，水資源安全評價的研究意義重大［6］。本文基于對目前水資源安全評價常用指標的梳理，建立水資源安全評價基本指標庫，并結合研究區域的相關特性，構建臨沂市水資源安全評價指標體系，利用層次分析法對臨沂市水資源安全進行綜合評價研究，以期為地區水資源安全狀況做出準確判斷，從而為區域水資源安全戰略提供相關決策支撐。

1 水資源安全評價指標體系

1.1 水資源安全評價的基本指標庫

國內對水資源安全領域的研究始于本世紀初，在建立指標體系時，一般分為兩類情形：其一是依據水資源安全的內涵將其分為多個子安全系統，如經濟安全、供水安全、生態安全等，然后在各個子系統內選擇合適的指標；其二是從水資源總體出發選擇指標，建立評價指標體系。

賈紹鳳等［7］將水資源安全分為總體安全、社會安全、經濟安全和生態安全4 個層面，選取了約22 個評價指標建立了水資源安全評價指標體系，以海河流域作為研究實例進行了水資源安全現狀的評價，并由分析了海河流域水資源不安全的幾點原因。張巧顯等［8］運用系統分析的理論和方法，建立了水安全動態模型，從生命安全、經濟安全、糧食安全、生態系統安全、環境安全和社會安全6 個子目標出發，選取了16 個指標建立指標體系對我國水安全進行模擬。黃微塵等［9］則是從水資源量、水環境質量和社會經濟用水三個方面選取了共24 項指標，采用ELECTRE 方法對淮河流域水資源安全進行了評價研究。黃楚珩［10］、張志君［11］及江慧寧［12］等也相繼建立了類似的指標體系，用于不同地區的水資源安全評價研究。

另外，一些學者直接從水資源安全總體出發建立評價體系。如吳開亞等［13］選取水資源利用率、萬元工業產值耗水量、灌溉水綜合利用系數等共8 個指標，建立了水資源安全評價指標體系，并以巢湖流域作為研究實例進行評價；陸建忠等［14］選取了20 項指標建立水資源安全評價指標體系，對鄱陽湖流域2000-2010年年水資源安全狀態進行了評價。此外，還有一些學者通過水資源壓力來評價水資源安全，最具代表性的指標是人均水資源量、水資源開發利用程度和水貧困指數（WPI）。其中，水貧困指數（WPI）是目前國際上較為公認的水資源安全評價指標，它由英國水文學家Sullivan［15］等提出，我國學者如張翔［16］等也曾使用這種方法對水資源安全進行評價。WPI 指數由資源（Resource）、途徑（Access）、利用（Use）、能力（Capacity）和環境（Environment）5個分指數組成，是個較為綜合的指標，能夠比較全面地反映水資源開發利用中所涉及的方面，但是計算和資料搜集過程復雜繁瑣，且定性的描述需征詢專家意見，此外，對不同的地區，各分指數的計算依據不同，因此如何選擇合適的變量來構成WPI 指數的計算框架也是一項重要的工作。綜上所述，將水資源安全評價指標分為供水類、承載類、開發類、調蓄類及利用類5大類，并對其中使用較為廣泛的若干指標進行梳理，得到構成水資源安全評價指標體系的基本指標庫，如圖1所示。

圖1 水資源安全評價的基本指標庫Fig.1 Basic index database of water resources safety evaluation

1.2 水資源安全指標體系的構建

建立指標體系最為核心的原則是要兼顧科學性和簡便性，科學性要求指標體系盡可能全面、準確地反映所評價的對象，簡便性要求所選取的指標數據容易獲得、計算簡便、便于操作和應用。科學性與簡便性往往互相矛盾，若只追求科學性而忽略簡便性，建立的指標體系可能因為資料難以獲取而失去應用價值；而過分注重簡便性而忽略科學性，則由此建立的指標體系雖然簡便，但卻反映不了所評價對象的真實情況，同樣也失去指標體系的應用價值。所以實用、合理的指標體系，必須是科學性和簡便性的最佳結合［5］。

水資源安全涉及范圍較廣，涵蓋內容較多，既有動態指標又有靜態指標，既有定性指標又有定量指標等。結合水資源安全的內涵，參照相關研究成果，綜合考慮上述原則，將水安全評價體系分為目標層、準則層和指標層。目標層為單一目標，即水資源安全，表達水資源的綜合安全程度，水資源安全評價的目的在于綜合評價區域水資源安全水平，并根據評價結果采取相應的水管理措施，以推進人水和諧以及社會經濟的可持續健康發展。準則層是目標層的有機組成部分，通過水資源安全相關研究成果的梳理，選取供水保障、水資源開發、水資源調配和水資源利用作為水資源安全評價的準則層。準則層下包含若干具體的評價指標，評價指標的選取堅持科學性、整體性、實用性、代表性和地域性原則，全面體現評價區域水資源安全保障社會經濟發展的整體狀況。

（1）供水保障。供水保障準則層反映的一個地區供水能力建設等因素對水資源安全所產生的影響，選取綜合供水保障率這一指標，作為衡量區域內供水對于當地各部門用水需求的整體保障程度；此外，區域內的蓄、引、提水工程是供水的重要保障工程措施，其運用狀況直接影響到當地水資源供給能力，因此選取蓄、引、提水供水率作為衡量區域內重要供水工程合理運用的評價指標。

（2）水資源開發。水資源開發準則層反映的是一個地區開發水資源等因素對水資源安全所產生的影響，對大多數區域而言，水資源的開發一般包含地表水和地下水兩部分，因此選取地表水資源開發率和地下水水資源開采率分別評價該地區地表水和地下水的開發（采）程度，綜合反映區域內水資源開發的程度。

（3）水資源調配。水資源調配準則層反映的是一個地區調配水資源能力和效率等因素對水資源安全所產生的影響，水庫作為主要的調節地表徑流的工程設施，區域內水庫的調節能力很大程度上反映了該地區對于地表徑流的調節能力；農業灌溉水利用系數和供水管網漏損率則分別反映了該地區農業灌溉系統和供水管網調配水資源的效率，因此選取區域水庫調節能力指數、農業灌溉水利用系數和供水管網漏損率這3 項指標用于評價區域內的水資源調配能力。

（4）水資源利用。水資源利用準則層反映的是一個地區水資源利用水平和效率等因素對水資源安全所產生的影響，水資源利用水平和效率是水資源保障區域經濟發展的動力。人均用水量、萬元GDP用水量綜合反映了一定經濟發展狀況下該地區的宏觀用水水平，因此選取該兩項指標用于評價區域內的綜合用水水平；污水處理回用率、工業水重復利用率則是作為常用的反映區域內用水效率的評價指標。

綜上分析，設置供水保障、水資源開發、水資源調配和水資源利用4 個準則層，共選取11 項指標，構建區域水資源安全綜合評價指標體系（見表1）。

表1 水資源安全綜合評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of water resources safety

2 評價方法

2.1 指標標準化

不同的指標評價存在單位的不一致問題，為了更好的綜合評估目標需要對單個指標計算結果賦分。可采用極值標準化方法，即對某一指標按極值標準化［17］。

對于正向指標（即指標越大，相應的評分越好），如綜合供水保障率，指標得分按式（1）計算。

式中：xvel為指標賦分值，為0～100 之間；x為指標實際計算值；xmax為該項指標的滿分值（達到該值，該項指標為滿分）；xmin為該項指標計算的零分值，滿分值和零分值的選取需參考現有的研究成果或相關規范標準確定。

對于逆向指標（即指標越小，相應的評分越好），如供水管網漏損率，指標得分按式（2）計算。

考慮到一些指標在數據觀測或收集中不確定性可能帶來的異常值問題，對存在明顯異常值的計算結果采用95%極值標準化。

最后，依據得分對各項評價指標的狀態進行等級劃分，分級情況如表2所示。

表2 指標得分對應狀態分級Tab.2 State classification corresponding to index score

2.2 層次分析法

層次分析法是美國著名運籌學家Saaty在20世紀70年代初提出的一種多目標決策系統分析方法，是水資源評價指標體系最常用方法，其原理是：將需要決策的問題置于一個大系統中，將問題分解并層次化，形成一個多層次的評價分析模型；之后綜合運用數學方法與定性分析方法，計算出每個評價指標對上級指標產生的影響權重。最終通過逐層計算，得到問題總目標的權重，以此評價解決方案的優劣，實現輔助決策［18，19］，其主要步驟如下：

（1）構建判斷矩陣。針對某一個評價指標的下一級，有n個同級指標，aij為第i個指標對第j個指標的相對重要性比值，構成判斷矩陣為：

其中：aij＞0，aii =1，aji =1/aij，i= 1～n，j= 1～n，數值根據Saaty提出的9標度法確定。

（2）計算判斷矩陣的特征向量W與最大特征值λmax，并對判斷矩陣進行一致性檢驗。

①對A的每列進行歸一化處理，得B=(bij)n×n，其中，bij =

②對B的每行求和，得C=(C1，C2， ...Cn)，其中，Ci =

③對C進行歸一化處理，得W=(W1，W2， ...Wn)，其中，，W即為矩陣近似特征向量。

⑤判斷矩陣一致性指標，CR =CI/RI，其中CR為判斷矩陣的隨機一致性比率，CI為判斷矩陣的一般一致性指標。CI =；RI通過查表3 得到。如果CR＜0.1，則認為判斷矩陣較為滿意的一致性。通過一致性檢驗，最大特征值λmax所對應的特征向量W的各個分量代表了該層各指標相對于上一級指標的相對重要性，即為該級各指標的權重。

表3 不同階數判斷矩陣RI值Tab.3 RI value of judgment matrix with different orders

按照上述過程計算每一級指標權重，自下而上逐級相乘得到每個評價指標相對總目標的權重，最終將各指標按其權重加以綜合評價。

3 實例應用

3.1 區域概況

臨沂市轄3 區9 縣，總面積為17 185 km2，屬于魯東南低山丘陵區，氣候溫和，自然資源豐富，交通便利。根據《臨沂市水資源調查評價》，臨沂市多年平均降水量818.8 mm，水資源總量55.36 億m3，全市人均水資源占有量僅為497 m3，不足全國人均水平的1/4，屬于資源型缺水地區。所處的地理位置和自然氣候氣象條件，決定了臨沂市是一個干旱、洪水和臺風災害發生頻繁的地區。水資源在年際間變化大，年內分布不均，6-9月的徑流量約占全年徑流量的83.0%；最大年徑流量是最小年徑流量的9.5 倍。地下水資源的地域分布也很不平衡，總體是平原區大于山丘區，巖溶山區大于一般山丘區，淺層地下水呈衰減態勢。主要河流的大部分河段水質為Ⅲ類水，且有逐年下降的趨勢。

3.2 水資源安全評價

根據2013-2018年《臨沂市水資源公報》，臨沂市多年平均供水量為17.02 億m3，其中地表水供水量為12.30 億m3，多年平均耗水量11.48 億m3；臨沂市多年平均蓄水工程供水量6.24 億m3，多年平均引水工程供水量4.50 億m3，多年平均提水工程供水量1.57 億m3。多年平均人均用水量為159.29 m3，多年平均萬元國內生產總值用水量43.31 m3，農業灌溉水利用系數0.632。根據《臨沂市水安全保障總體規劃》，臨沂市現狀水平年供水管網漏失水量為2 103.35 萬m3，管網漏損率為12.59%，污水處理回用率為23.7%，工業水重復利用率為92%，根據《臨沂市水資源調查評價》和《山東省水資源綜合規劃》，占臨沂市域面積77.5%的沂沭河流域，現狀水資源開發利用率只有31.3%。

對于指標權重的選取，采用專家賦分結合層次分析法，得到各個準則層以及準則層下各項指標的權重值，并依次加權求和得到各個準則層得分以及最終臨沂市水資源安全評價綜合得分。綜上，得到臨沂市水資源安全評價結果如表4。

根據表4，臨沂市水資源安全評價結果綜合得分為74.79，說明臨沂市水資源安全水平整體上處于良好狀態，存在一定的水安全保障需求，可通過相應的水利工程和水管理措施進一步提升區域內的水資源安全水平。準則層方面，供水保障準則層的綜合得分為86.03，對應狀態等級為優，說明臨沂市在供水保障方面不存在太大的問題，進一步提升區域內供水保障能力的整體性需求不高。水資源開發準則層的綜合得分為58.52，對應狀態等級為中等，說明臨沂市在水資源開發方面還存在較大優化空間。水資源調配準則層的綜合得分為86.36，對應狀態等級為優，說明臨沂市在水資源調配方面處于較好的水平。水資源利用準則層的綜合得分為63.88，對應狀態等級為良好，還存在一定發展空間。

表4 臨沂市水資源安全評價結果Tab.4 Evaluation results of water resources safety in Linyi City

4 結 論

水資源是社會經濟發展的物質基礎和戰略資源，水資源安全的理念越來越受到社會的關注，水資源安全評價的目的是分析區域內水資源利用的安全狀況，并依據其評價結果，分析區域水資源開發利用中存在的問題，為區域水資源安全戰略和相關規劃提供參考和借鑒。

本文基于對目前水資源安全指標的梳理，識別出科學簡明、易于操作的評價指標，構成水資源安全評價的基本指標庫。結合評價區域的相關特性，設置供水保障、水資源開發、水資源調配和水資源利用等影響區域水資源安全的4方面因素作為準則層，構建了含11項基本指標的區域水資源安全綜合評價指標體系，對以臨沂市進行了水資源安全綜合評價研究。評價結果表明臨沂市水資源安全水平整體上處于良好狀態，但仍存在一定的水資源安全保障需求，主要體現在增強水資源開發能力、提升水資源利用效率方面。

水資源開發方面，由于臨沂市現狀攔蓄水能力較低，大量雨洪資源得不到利用，可通過新建大中型水庫、原有水庫擴容、改建攔河閘壩以及必要的水系連通工程等一系列措施完善水資源調配工程體系，進一步加強水資源開發能力。水資源利用效率方面，需堅持節水優先、強化約束，加強城鎮節水、完善工業節水技術、充分利用再生水資源等系列措施，持續推進節水型社會建設，加快實現從粗放用水向集約節約用水的轉變。 □