潁河流域區域水資源綜合利用效果評價指標體系構建

程 芳

(潁上縣水資源管理所，安徽 阜陽 236200)

0 引 言

水資源在生態系統健康保障方面扮演著重要的角色。水資源的可持續利用是確保社會可持續發展的基礎條件，與人類社會和生態環境緊密關聯。現階段，全球區域內的水資源面臨著環境大面積污染和退化、資源枯竭等問題。我國水資源的可持續利用和發展也存在較大的問題，如水生態功能下降、資源耗費大、時空分布無規律性，成為限制經濟社會發展的重要原因[1-3]。

潁河流域是人口集中區域的典型代表，隨著人口的激增及經濟發展，目前水資源可持續發展面臨重大挑戰。為此，許多學者進行了大量研究，并提出利用模糊綜合評價、人工神經網絡、灰色聚類分析等不同評價方法，實現對水資源綜合利用效果進行評價。在多種評價方法中，最直接有效的方法為物元可拓模型，其處理方法不是面向空間形式和數據，而是能直面問題的一種處理方式[4-5]。因此，本文構建潁河流域水資源綜合利用效果的評價指標，利用物元可拓模型確定指標權重，并利用熵權法改進權重的確定方式，以實現結合主觀和客觀的形式，對水資源綜合利用情況進行評價。

1 潁河流域水資源綜合評價指標體系建立和評價

1.1 綜合利用效果評價指標體系建立

本研究以穎河流域為例，構建水資源綜合評價指標體系。該流域是淮河最大的支流，地理位置為E111°56′-E116°31′，總面積39 075.30km2，氣候帶為亞熱帶和暖溫帶，年均降雨量約750mm。穎河流域南段的主要支流為汾泉河、北汝河、沙河、魯河，是河南省重要的水源。目前，穎河流域內人為活動較為頻繁，導致城市、農業、工業的用水量急劇增加，也造成污染排放量逐漸增加，進而對區域水資源的綜合利用產生惡劣的影響。選取該流域南段的10個城市2019-2021年數據進行分析，城市分別是駐馬店、周口、南陽、漯河、許昌、汝州、平頂山、洛陽、開封、鄭州，數據來源為穎河流域管理局、《河南省統計年鑒》及《河南省水資源公報》。

水資源綜合利用效果是一個囊括多因素的綜合概念，具體包括社會經濟、生態、資源等多個維度。水資源可持續利用的主要內容：在利用水資源的過程中，不僅需保障經濟社會發展和生態環境保護等方面對水資源的利用需求，同時也需確保未來水資源的可持續利用需求[6-8]。水資源綜合利用評價是指對水資源的發展趨勢和可持續利用水平進行評價，并據此給出相應的政策和改善措施。

本文結合前人的研究經驗和穎河流域的實際情況，應用壓力-狀態-響應(Pressure-State-Response，PSR)模型，確定水資源綜合利用評價指標。PSR模型的應用范圍為可持續、環境、資源問題，主要包括壓力指標、狀態指標、響應指標三類指標。其中，響應指標是指應用于不利資源狀況變化和不利環境的政策和手段；狀態指標是指在人為活動的干擾情況下資源和環境的狀態變化；壓力指標是指體現環境和資源在人為社會的影響程度。該模型能直接反映水資源綜合評價過程中各個層面的邏輯關系，一方面能體現環境和資源在人為活動影響下所產生的狀態變化，同時也能借助相應的政策和措施對自然系統進行改善，進而滿足人、自然和諧共處的美好狀態。圖1為穎河流域水資源綜合利用評價指標體系。

圖1 穎河流域水資源綜合利用評價指標體系

該評價指標體系包括壓力、狀態、響應3個維度，總共包含18個指標，分別用字母A1-A18表示。其中，負向指標包括年用水量(108m3)、農業和工業用水的比例(%)、工業增加萬元用水體積(m3)、國民生產總值(GDP)萬元的用水量(m3)、污水排放的總體積(104m3)、人口密度(人/km2)、灌溉面積(102hm2)、常住人口增長率(%)、總人口數量(萬人)。正向指標包括年全部水資源體積(108m3)、人均水資源體積(m3)、人均GDP(元)、城市綠化面積(hm2)、節水灌溉率(%)、工業用水減少量(108m3)、GDP萬元用水下降率(%)、廢水處理率(%)。

1.2 偏好熵權物元可拓模型

標準物元可拓模型的理論基礎為可拓集合和物元理論。首先在物元分析的前提上，對節點域和經典域進行構建，確定評價等級的標準。然后依據實際測得的數據組建待評物元獲得相應等級的關聯度，進而確定被評價對象所歸屬的等級。物元可拓模型可從定量和定性兩個方面來建立基于多指標參數的評定模型，直接反映評價對象對策的具體情況，但該模型在實際應用過程中存在一些問題。研究對標準物元可拓模型進行了改進，但通過關聯度函數計算得到的各評價物元權重，并不能以客觀角度來體現在待評事物中各評價指標在重要性方面的差異。基于此，研究借助熵權法實現權重的確定，保證評價模型不僅擁有物元可拓模型的優勢，同時權重的確定過程也更加準確、合理。在確定評價指標權重過程中，熵權法的確定依據為實際數據所包含的信息量，然而在實際水資源綜合利用評價過程中，不同階段人們對生態環境、水資源供給和需求、社會經濟發展具有差異化，因此僅單獨使用熵權法很難確定客觀權重。因此，在此基礎上引入偏好度確定指標權重，依據評價區域的具體情況給予評價指標相應的偏好度，有效結合客觀和主觀賦值的優勢，確定更加合理、科學的指標權重。物元可拓模型的基本元為物元，所有事物均可以有序的三元組來描述，分別是事物、特征、量值。偏好熵權物元可拓模型的構建步驟見圖 2。

圖2 偏好熵權物元可拓模型的構建步驟

第一，確定事物的經典域、節點域、待評物元。

第二，對等級評價指標的關聯度進行確定。

第三，確定權重。依據熵權法確定各評價指標的變化程度，進而得到相應的權重，具體過程如下：首先，構建判斷矩陣。其次，對水資源綜合利用評價指標進行無綱量化處理。由于每個水資源綜合利用評價指標的量綱和內涵存在差異，同時可分為正向和反向兩種類型指標。為了便于所有評價指標的統計和分析，研究需正向化處理所有的負向指標，得到全新的判斷矩陣，并進行無綱量化處理。再次，計算各指標的熵值和各指標的熵權。最后，借助偏好度對權重進行修正。

第四，確定待評價物元和評價等級的加權關聯度。

第五，采取最大關聯度識別原則，確定物元所歸屬的等級。研究依據全國水資源綜合利用的平均水平以及實際情況，確定5個評價等級，分別用I-V表示。見表1。

表1 5種評價等級的情況

2 潁河流域水資源綜合評價效果分析

表2為潁河流域水資源綜合評價指標體系5個等級的評價標準。潁河流域18個水資源綜合評價指標體系的評價區間，隨著評價等級的增加而逐漸增加或逐漸降低。其中，以A7、A8、A10、A12、A14、A15、A16、A17、A18為代表的9個評價指標的評價區間，隨著評價等級的增加而表現出逐漸下降；其余9個評價指標表現出相反的變化趨勢。以負向A1評價指標為例，Ⅰ-Ⅴ這5個評價標準分別為(0,136.50]、(136.50,138.75]、(138.75,140.75]、(140.75.75,142.50]、(142.50.75,144.25]。以正向A7評價指標為例，Ⅰ-Ⅴ這5個評價標準分別為(221.00,260.25]、(183.00，221.00]、(142.50,183.00]、(106.00,142.50]、(0,106.00]。

表2 潁河流域水資源綜合評價指標體系5個等級的評價標準

表3為潁河流域各水資源綜合評價指標權重。18個評價指標熵權值的取值范圍為0.052 64～0.056 25，偏好度的取值范圍為0.8～1.5，偏好熵權的取值區間為0.034 51～0.062 54。最大取值范圍的指標并不是統一指標，說明熵權值大的指標并不一定擁有較高的偏好熵權值。

圖3為2017-2021年潁河流域水資源綜合評價5個等級的隸屬度等級。整體來看，在偏好和無偏好的情況下，潁河流域水資源綜合評價等級并不完全相符，同時在無偏好情況下的水資源綜合利用評價等級優于有偏好情況下的評價等級。2017年，潁河流域水資源綜合評價等級在無偏好和有偏好情況下分別為Ⅲ級和Ⅳ級；2018年，在無偏好和有偏好情況下均為Ⅲ級，此時水資源的綜合利用可以理解為均衡的可持續發展狀態。2019年，在無偏好和有偏好情況下潁河流域水資源綜合評價等級均為Ⅱ級，此時該區域的水資源狀態已經改善為一種良好的可持續狀態，其原因可能是由于2018年國際上通過了“水促進可持續發展”決議，同時國內政府部門給予了以可持續為目標的政策。2020年，在無偏好和有偏好情況下潁河流域水資源綜合評價等級存在較大的差異，分別為Ⅰ級和Ⅳ級，即水資源良好的可持續發展和基本可持續發展兩種截然不同的狀態，這可能是由于該流域不同區域的水質有較大的差異；2021年，在無偏好和有偏好情況下評價等級均為理想的可持續發展狀態，即Ⅰ級。

表3 潁河流域各水資源綜合評價指標權重

圖3 2017-2021年潁河流域水資源綜合評價5個等級的隸屬度等級

潁河流域水資源綜合評價分值逐年增加，水資源的可持續發展狀態表現出良好的趨勢，從不可持續利用逐漸開始向著可持續方向發展，表明該流域的水資源治理工作取得較為理想成效。因此，潁河流域水資源綜合利用情況逐漸向著合理化和可持續性方向發展，有助于為該流域的區域社會經濟發展做好充足的物質資源保障。針對潁河流域水資源綜合評價結果，為進一步提升部分指標的穩定性，提出以下建議：①依據該流域內不同城市的實際情況作出相應的管理策略，對于工業用水量的減少量、年用水量、常住人口增長率等存在差異性的指標需重點關注，并依據實施情況盡快作出調整和優化，在水資源可持續發展中做好相應的保障。②在該區域內采用先進的農業節水方案，提升農業生產的智能化水平；改善城市居民用水的整體質量，積極宣傳環保節水理念，使居民擁有綠色節能意識；對城市污水處理方式進行改善，強化非生活用水的處理手段；對工廠的用水方案進行優化調整，降低其對水資源綜合利用的影響。③積極增強該區域不同城市之間的經濟發展協調性，縮減人均GDP差別，對城鄉用水結構進行優化，弱化人口移動對地方經濟以及用水結構的影響。

3 結 論

本文引入偏好熵權法和物元可拓模型，構建了潁河流域水資源綜合評價體系。其中，18個評價指標的熵權值的取值范圍為0.052 64～0.563 25，偏好度的取值范圍為0.8～1.5，偏好熵權的取值區間為0.034 51～0.082 54，但最值對應的相應指標并不是同一指標。2017-2021年，水資源綜合評價5個等級的隸屬度等級顯示，在偏好和無偏好下潁河流域水資源綜合評價等級并不完全相符，同時在無偏好情況下的水資源綜合利用評價等級優于有偏好情況下的評價等級。水資源的綜合利用情況從基本可持續發展狀態發展為理想的可持續發展狀態，即從IV級過渡到I級，表明研究所提出的評價方法能極大增強結果的可靠性和準確性。