基于水資源管理調控的銀川市水資源安全綜合評價

摘 要：綜合考慮影響水資源安全的自然因素及社會因素，從城市水資源條件、社會協調能力、經濟協調能力、生態環境協調能力４個維度選取１９ 個指標建立水資源安全評價指標體系。利用投影尋蹤法對銀川市水資源安全狀況進行評價，分析隨著社會經濟調控策略的實施，不同指標對區域水資源安全貢獻度的變化規律。結果表明：２０１４—２０２１ 年水資源安全等級整體呈上升趨勢；研究期內社會經濟調控相關指標對水資源安全的貢獻度持續上升，表明社會經濟調控策略的實施提升了水資源安全度，減弱了水資源剛性約束作用；自２０１７ 年起農業用水相關指標逐漸成為銀川市水資源安全的關鍵影響因素；節水器具普及率、工業廢水排放達標率、城市飲用水水質達標率的貢獻度一直為０，說明這些指標代表的領域對于提升水資源安全度已經沒有發展空間。

關鍵詞：水資源安全；投影尋蹤；綜合評價；社會經濟調控；銀川市

中圖分類號：ＴＶ２１３．４ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．１２．０１４

引用格式：馬世龍，杜倩萍，李康慧，等．基于水資源管理調控的銀川市水資源安全綜合評價［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（１２）：８５－８９．

０ 引言

水資源安全受自然及人類社會的雙重影響［１－２］ 。大量取用水削弱了自然水循環能力，引發水資源短缺問題［３］ ，而社會適應能力的增強一定程度減弱了資源短缺的影響［４－５］ 。區域水資源安全意味著區域擁有的水資源數量與質量、水資源利用管理活動等對人類社會穩定發展是可持續的，可通過管理與調控社會經濟系統、生態環境系統中各因素保障水資源安全［６－９］ 。

在區域水資源安全研究方面，代穩等［１０］ 運用集對分析法對貴州省水資源安全狀況進行了綜合評價；王永良［１１］ 認為水資源短缺與社會適應能力具有耦合協調關系，可看作社會性安全問題；史正濤等［１２］ 闡述了城市水安全的內涵，分析了水資源系統與自然生態環境子系統、社會子系統、經濟子系統之間的關系。目前已有研究強調對特定時空范圍內水資源安全狀況的定量評價，對影響區域水資源安全的人為、自然因素及其驅動機制的識別［１３－１４］ 。節水型社會建設可提升社會經濟調控能力［１５］ ，有利于保障水資源安全［１６］ 。但當前關于社會經濟調控策略實施對水資源安全發揮的作用，以及一些因素可能產生的負面影響討論不多。

干旱地區的水資源剛性約束長期存在，對該地區水資源進行調控非常重要［１７－１８］ 。寧夏回族自治區銀川市是全國嚴重缺水的城市之一，水資源安全狀況非常嚴峻。多年來，以節水型社會建設為代表的多種水資源管理策略，使銀川市水資源安全度有較大提升。但總體而言，水資源短缺是該市長期存在的問題。本文利用投影尋蹤法，對銀川市節水型社會建設狀況下的水資源安全發展趨勢進行分析，并分析社會經濟調控策略對水資源安全的影響。

１ 水資源安全評價方法

１．１ 水資源安全評價指標體系構建

從城市水資源條件、社會協調能力、經濟協調能力、生態環境協調能力４ 個維度選擇１９ 個指標［１９－２０］ ，建立水資源安全評價指標體系，見表１。

１．２ 投影尋蹤等級評價模型構建

構建投影尋蹤等級評價模型（ＰＰＥ）用于水資源安全綜合評價，步驟如下［１３］ 。

１）數據歸一化處理。評價等級標準樣本值為

{ｘ?（ｉ，ｊ） ｜ ｉ ＝ １，２，…，ｎ；ｊ ＝ １，２，…，ｐ} （１）

對于越大越優的指標：

式中： ｘ?（ｉ，ｊ） 為第ｉ 個樣本第ｊ 個指標的原值，ｘｍａｘ（ｊ） 、ｘｍｉｎ（ｊ） 分別為第ｊ 個指標的最大原值、最小原值，ｘ（ｉ，ｊ）為極差歸一化后第ｉ 個樣本第ｊ 個指標值。

２）構造指標投影函數。把ｘ（ｉ，ｊ） 投影到以ａ ＝［ａ（１），ａ（２），…，ａ（ｐ）］為投影方向的一維子空間，投影值ｚ（ｉ）計算公式為

在綜合投影時，要求整體投影點盡可能分散開，局部投影點盡可能密集，投影指標函數Ｑｚ 表達式為

式中： Ｓｚ 為ｚ（ｉ） 的標準差；Ｄｚ 為ｚ（ｉ） 的局部密度；Ｅ（ｚ） 為ｚ（ｉ） 序列的平均值；Ｒ 為局部密度的窗口半徑（密度窗寬）；ｒ（ｉ，ｊ） 為樣本之間的距離；ｕ 為單位階躍函數，Ｒ － ｒ（ｉ，ｊ） ＜ ０時ｕ ＝ ０，Ｒ － ｒ（ｉ，ｊ） ≥０時ｕ ＝ １。

３） 優化投影指標函數。通過求解投影指標函數Ｑａ 最大化問題估計最佳投影方向。最大目標函數：

ｍａｘ Ｑａ ＝ Ｓｚ Ｄｚ （８）

約束條件：

選用模擬生物優勝劣汰與群體染色體信息交換的加速遺傳算法（ＲＡＧＡ）解決高維全局尋優問題。

４）等級評價。將最佳投影方向代入式（４）得到投影值，建立投影尋蹤等級評價模型ｙ? ＝ｆ（ｚ），將投影值代入ｙ? ＝ｆ（ｚ）確定每個評價樣本的所屬等級。

１．３ 水資源安全閾值確定

借鑒相關研究成果［１２－１３］ ，結合區域實際情況，確定水資源安全閾值及權重，見表２。

１．４ 投影尋蹤等級評價模型求解

１）對評價樣本及評價等級標準樣本進行歸一化處理，原始數據來自２０１４—２０２１ 年《水資源公報》《寧夏回族自治區國民經濟和社會發展統計公報》。

２）在ＭＡＴＬＡＢ 中編寫相應的目標函數及約束條件，采用遺傳算法進行２ ０００ 次迭代實驗，求得最大目標函數值為４．６７３，基于評價等級標準樣本的最佳投影方向向量ａ ＝［０．３３９，０．２２６，０．１３０，０．２０５，０．２３４，０．２０６，０．１９６，０．２１６，０．２４３，０．２５０，０．２０６，０．２８０，０．２２７，０．３３７，０．１５９，０．１５８，０．２６３，０．１９４，０．１５５］。

２ 結果分析

２．１ 指標層權重判定

根據模型計算得到的最佳投影方向向量的投影值確定指標權重并進行排序（詳見表２），權重越大，說明該項指標對水資源安全的影響越大。Ｃ１、Ｃ５、Ｃ９、Ｃ１０、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１７ 等是對水資源安全影響較大的指標，屬于關鍵指標，今后應引起重視；而Ｃ３、Ｃ１５、Ｃ１６、Ｃ１８、Ｃ１９等權重較小，對水資源安全影響較小，說明相關調控策略未對保障研究區的水資源安全起到明顯作用。

２．２ ２０１４—２０２１ 年水資源安全等級確定

依據式（４）計算得到評價等級標準樣本的投影值ｚ（ｉ）＝ （４．２３４，２．８５０，１．９５２，１．２５０，０）。繪制投影值與水資源安全等級關系圖（見圖１），建立投影尋蹤等級評價函數。標準等級值１～５ 對應的水資源安全狀態分別為安全、較安全、基本安全、不安全、極不安全，對應的計算等級值分別為０．８３、２．２１、３．１１、３．８２、５．０７。投影值與水資源安全等級具有較好的線性關系，可以利用等級評價函數對水資源安全進行評估。

根據式（４）求得２０１４—２０２１ 年不同年份的投影值分別為０．９７３、１．０５１、２．０７８、２． ０１０、２． ４５９、１． ６０２、１．６６７、２．３００，將其代入等級評價函數得出２０１４—２０２１年水資源安全等級，見圖２（等級值越小等級越高）。可以看到，２０１４—２０２１ 年水資源安全等級整體呈上升趨勢，其中：２０１４ 年等級最低，處于不安全狀態；２０１８年等級最高，處于較安全狀態。２０１４ 年、２０１５ 年銀川市水資源呈不安全狀態，原因是農業用水占比大，節水灌溉效率低，導致低效用水和水資源浪費；２０１６—２０１８年高效節水灌溉技術推廣，農業用水減少、效率提升，水資源處于較安全狀態；２０１９ 年當地人均水資源量由８２．４２ ｍ３ ／ 人下降至４９．１０ ｍ３ ／ 人，城市人口增加導致用水量增大，水資源緊缺，安全等級值增大至３．４６２；２０１９—２０２１ 年銀川市水資源由基本安全轉變為較安全。

２．３ 評價指標貢獻度判定

利用式（４）求得不同年份各指標在最佳投影方向向量的分量值，確定不同年份各指標對水資源安全的貢獻度及排序，見表３（對于貢獻度為０ 的指標，不進行排序）。貢獻度越高的指標為對水資源安全驅動影響越大的因素，須要保持現狀或者重點調控。

分析表３ 可知，不同年份各指標對水資源安全的影響程度不同，呈現出一定的階段性。

１）２０１４ 年區域水資源呈不安全狀態，影響該年度水資源安全的指標主要為Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ１６，這些指標主要反映該年度水資源基礎條件及社會經濟狀況。２０１５—２０１８ 年銀川市整體水資源安全形勢好轉，僅個別指標的貢獻度變化較大，如Ｃ３、Ｃ７、Ｃ１１、Ｃ１４，這些指標逐漸成為關鍵因素，這一時期節水型社會試點剛完成驗收，各種制度、管理措施已經完善，節水型社會進入持續建設狀態，各種調控策略及手段持續發揮作用，農業節水成效顯著。

２）對于水資源基礎條件相關指標，２０１５—２０２０ 年Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ５ 的貢獻度變化較大，其中Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 的貢獻度排序從２０１５ 年２、４、６ 位分別下降到２０２０ 年１３、９、１６ 位，說明在水資源短缺地區，隨著社會經濟調控的深入，水資源基礎條件相關指標對水資源安全的影響程度逐漸降低。而Ｃ６、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１７、Ｃ１０ 等社會經濟調控相關指標排序逐漸上升，逐步成為影響區域水資源安全的重要因素，且可以彌補水資源短缺帶來的不利影響，促進區域水資源安全整體向好。

３）自２０１７ 年起農業用水相關指標的貢獻度排序一直處于前列，逐漸成為銀川市水資源安全的關鍵影響因素。農業是該區域用水大業，當年用水比重達８７％，灌溉水利用系數為０．５３４，農業節水任重道遠。隨著城鎮化推進，生活用水量增加增大了安全風險，水環境治理則促進了水安全。污水再生回用率的貢獻度雖然提升，但還沒有發揮明顯作用，需要進一步加強城市污水處理與回用。

４）節水器具普及率Ｃ９、工業廢水排放達標率Ｃ１８、城市飲用水水質達標率Ｃ１９ 在研究期內貢獻度一直為０，雖然０ 不代表該指標沒有貢獻度，但根據原始數據可知，這些指標早在節水型社會建設試點末期，指標達標率就已經達到了１００％上限值，說明對于促進區域水資源安全，這些指標代表的領域已經沒有發展空間，在今后評價中可以忽略。

３ 結論

針對水資源短缺地區，建立基于投影尋蹤的水資源安全評價模型，對銀川市２０１４—２０２１ 年水資源安全進行綜合評價，討論了在水資源短缺地區社會經濟調控策略對水資源安全的驅動及影響。隨著社會經濟調控力度的增大，區域水資源安全狀況有所改善。截至２０２１ 年，水資源基礎條件相關指標對水資源安全的影響減弱；農業用水比重、萬元ＧＤＰ 用水量等是關鍵影響因素，應重點關注；水資源開發利用率、城市飲用水水質達標率、環保投資比重等對水資源安全的貢獻度較低，節水器具普及率、工業廢水排放達標率、城市飲用水水質達標率的貢獻度一直為０，可能不再是水資源安全的約束因素。在今后評價中，需要重新篩選和調整這些指標。

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【責任編輯 栗 銘】

基金項目：寧夏大學研究生創新項目（ＣＸＸＭ２０２３４０）；寧夏自然科學基金資助項目（２０２３ＡＡＣ０３１３８）；寧夏科技重點研發項目（２０２３ＢＥＧ０２０５５）；寧夏高等學校一流學科（水利工程學科） 項目（ＮＸＹＬＸＫ２０２１Ａ０３）