基于改進模糊評價方法的干旱區水資源短缺風險綜合評估

費卓越

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

人類社會高速發展的主要瓶頸之一為水資源短缺[1]。水資源短缺主要體現在兩個方面，第一個方面是社會經濟發展所需的水資源量已經不能滿足人們使用的需求，第二個方面是人類活動影響造成的水資源短缺問題[2]。當前國內對于水資源短缺研究主要集中在短缺程度及類型進行研究[3- 14]，而對于水資源短缺風險研究還較少。近些年來，受氣候變化和人類活動共同影響，遼西地區水資源量呈現明顯的遞減變化[15]，水資源呈現明顯的短缺，為提高區域水資源短缺對人們生活生產影響防范能力，亟需對遼西地區水資源短缺風險進行綜合評估。為此本文從水資源稟賦、水資源利用、水環境、社會經濟構建區域水資源短缺風險評估指標體系，采用改進的模糊評價方法對指標權重計算進行改進，對遼西4市為例，對區域水資源短缺風險進行綜合評估。研究成果對于區域水資源空間均衡規劃具有參考價值。

1 研究區域概況

本文主要以遼西地區的錦州、葫蘆島、阜新、朝陽4市為研究區域，遼西地區各市屬于典型的干旱半干旱區，區域多年平均降水量和蒸發量分別為600mm和1200mm，蒸發量明顯高于降水量，大凌河和柳河是區域主要地表水來源，根據遼寧省第三次水資源公報數據，遼西各市水資源人均占有量低于全國平均水平，屬于典型的水資源短缺區域，通過對遼西4市水資源短缺風險進行綜合評估，從而為區域水資源管理部門進行資源優化調配和空間均衡規劃提供重要的決策依據。

2 評估模型構建

本文主要以水資源稟賦、水資源利用、水環境、社會經濟構建區域水資源短缺風險評估指標體系，評估指標體系見表1。

表1 水資源短缺風險評估指標體系

本文采用改進模糊綜合評價方法并結合熵權方法對各評估指標權重進行設定，熵權值越小，其指標權重越大，該方法首先對指標的熵值進行計算，計算方程為：

(1)

式中，Pij—第j個指標在第i年份影響度；m—評估指標的數目，本文m=16；n—評估指標準則層數目。評估指標影響度計算方程為：

(2)

式中，xij—第j個指標在第i年份指標數值。

則指標權重計算方程為：

(3)

在指標權重計算后，對各指標進行兩兩對比計算灰色關聯系數，計算方程為：

(4)

式中，ξij—第j個指標在第i年份的灰色關聯系數；

ρ—辨識系數，本文取值為0.45。水資源短缺風險等級采用綜合指數模型進行計算，綜合風險指數可以對遼西地區的水資源短缺進行全面表征，風險指數越大其等級越高，反之越低，其計算方程為：

(5)

式中，Ri—風險綜合指數。在已有參考資料借鑒基礎上，本文對遼西地區水資源短缺風險評估等級進行劃分，具體見表2。

表2 水資源短缺風險評估等級

3 評估結果

3.1 評估數據來源

在模型構建的基礎上，需要對評估指標進行賦值，主要數據來源于《遼寧省第三次水資源公報》(2021年)、2018、2019、2020年《遼寧省社會統計年鑒》以及2018、2019、2020年《遼寧省環境統計公報》，并進行相關計算得到各指標具體評估值。

3.2 評估指標確定

水資源短缺各評估指標權重值采用熵值方法進行計算，結合各指標對應的等級標準(見表3)，按照前面所述權重計算方程對各評估指標權重進行計算，見表4。

表3 風險評估指標對應等級標準

表4 風險評估指標權重

從指標權重計算結果可看出，水資源利用的指標權重要低于水資源稟賦、社會經濟以及水環境權重，水資源利用在水資源短缺風險評估中主導作用相對較弱，其他三類指標可以對遼西地區水資源短缺風險狀況進行直接反映，可以為遼西地區水資源可持續利用、產業結構的合理調整及社會經濟健康發展提供重要的支撐依據。徑流模數和徑流深水資源稟賦指標中權重最高的兩個指標，隨著遼西地區城鎮化程度的不斷加大，城鎮居用水需求遞增明顯，對遼西地區水資源短缺風險產生較為顯著的影響，受氣候和地理位置的影響，遼西地區年降水量偏少，因此其指標權重相對較低。工業、農業及生活用水在水資源利用中都具有較高的權重值，遼西地區用水量需求較大，是其水資源短缺風險的重要影響因子。從遼西水資源公報數據可看出，工業、農業及生活用水占總用水量的比例超過80%，這主要是因為第一產業農業耗水量較大。萬元GDP用水量權重在社會經濟準則中最高，該指標是區域經濟發展耗水率重要指標，城鎮污水處理比例越高，其水環境風險越低，其次污水處理回用量對水環境風險影響程度也較高，日均污水處理能力相比于其他兩個指標，對遼西地區水環境影響程度相對較低。

3.3 灰色關聯矩陣分析

結合遼西地區2018年、2019年及2020年指標權重值，采用改進的模糊綜合評價方法，對各指標隸屬度進行關聯分析，各年份水資源短缺風險關聯矩陣計算結果見表5—7。

表5 2018年水資源短缺風險評估指標灰色關聯矩陣

從各年份水資源短缺風險評估指標隸屬度關聯值可看出，采用改進的模糊綜合評價方法后，其主要通過灰色關聯系數對指標隸屬度進行改進，計算不同指標隸屬度的灰色關聯系數，這種方法可以綜合考慮不同指標之間的互相關聯度，相比于傳統方法單一考慮指標而忽略指標之間的關聯度，可以提高模型的收斂精度。從各年份指標灰色關聯計算結果可看出，各指標不同年份灰色關聯系數總體較為一致，受年份變化影響不大，主要和指標權重具有較大關聯度，權重值較大的指標和權重值較小的指標之間灰色關聯系數相對較低，同一個準則層各指標之間權重要高于和其他準則層指標的灰色關聯度。

表6 2019年水資源短缺風險評估指標灰色關聯矩陣

表7 2020年水資源短缺風險評估指標灰色關聯矩陣

3.4 綜合評估結果

在指標權重和灰色關聯矩陣分析的基礎上，結合方程(5)對遼西地區的葫蘆島市、錦州市、朝陽市、阜新市的不同年份水資源短缺風險進行評估，結果見表8。

表8 遼西地區不同年份水資源短缺風險評估結果

從不同年份遼西4市水資源短缺風險評估結果可看出，朝陽市總風險指數按照表2中劃分的水資源短缺風險評估等級，為中等風險，各年份總風險指數差異程度較低，這主要是因為朝陽市有2座大型供水水庫，一定程度降低了其水資源短缺的風險，且2018年以來朝陽市降水量總體偏多，并通過一定措施降低了區域水資源利用程度，也使得其水資源短缺風險程度較低。錦州市水資源短缺總風險指數在0.46～0.53，總體也處于中等風險，這主要是因為錦州市供水水源有所保障，并通過近些年來，加大對區域內大凌河治理，改善了大凌河水環境，作為錦州地區主要供水地表水源，也相對降低了其水資源短缺的風險。葫蘆島市總風險指數均高于0.6，按照水資源短缺風險評估等級處于較高風險，這主要是因為葫蘆島地區供水需要量較大，作為海邊旅游城市，其生活用水較高，其次區域水資源稟賦條件也相對低于其他三市，尤其是年降水量較低，也一定程度使得其水資源短缺風險較高。阜新市水資源短缺總風險指數在0.67～0.68之間，且各年份風險指數較為接近，這主要因為阜新地區水資源稟賦條件差，而作為主要以農業為主的區域，阜新農業耗水量較高，使得其水資源短缺風險較高，總體達到較高風險等級。

3.5 現狀風險等級評估

對各年份水資源稟賦、水資源利用、水環境、社會經濟以及總風險指數進行平均值計算，對朝陽市、錦州市、葫蘆島市以及阜新市的水資源短缺風險進行現狀評估，結果見表9。

表9 遼西地區水資源短缺風險現狀評估結果

從現狀評估結果可看出，和各年份水資源短缺風險評估結果具有一致性，葫蘆島和阜新市總風險指數分別為0.66和0.68，總體達到較高風險，通過調查分析，主要和兩市水資源稟賦條件有關，年降水量總體偏低，且由于農業耗水率都較高，使得其風險指數要高于其他兩個地市，建議對區域農產品結構進行相應的調整和優化，降低農業用水耗水率，提高農業節水力度，此外可提高城鎮污水處理能力來降低其水環境風險指數。朝陽市和錦州市由于區域內有大型供水水庫，并通過近些年增速污水處理廠，總體提高水資源人均占有量，并降低了其水環境風險指數，總體風險相比于葫蘆島市和阜新市要低，但是也處于中等風險，建議可以加大對區域農業產業結構的優化，同樣降低農業耗水量，通過增加農業灌溉節水設施來有效降低農業耗水量，從而保障區域水資源可持續利用。

4 結語

(1)葫蘆島市和阜新市水資源短缺風險高主要要和兩市水資源稟賦條件有關，且農業耗水率均較高，建議對兩市農產品結構進行相應的調整和優化，降低農業用水耗水率，提高農業節水力度，此外可提高城鎮污水處理能力來降低其水環境風險指數。

(2)朝陽市和錦州市水資源短缺中等風險建議可加大對農業產業結構的優化，通過增設農業灌溉節水設施來有效降低農業耗水量，從而保障區域水資源可持續利用。

(3)在現狀條件水資源短缺風險評估模型建立的基礎上，可以增加未來水資源趨勢變化成果，對區域水資源短缺風險進行趨勢預測。