许应石，李长安，张中旺，张增杰

(1.中国地质大学(武汉)地球科学学院，武汉 430074;2.江苏省地质调查研究院，南京 210018;3.湖北文理学院，湖北襄阳 441053)

湖北省地处南方季风湿润区，境内水系发达，降水充沛，河湖密集，素称“千湖之省”，水资源量比较丰富。但是，由于降水量时空分布不均，社会经济发展造成用水量快速增加，同时水质污染、水资源浪费等问题普遍存在，湖北省水资源短缺的问题日益突出。2000年以来，湖北省已经发生过3次严重干旱，给湖北省社会经济造成了巨大损失［1］。湖北省区域地理位置特殊，既是“九省通衢”华中腹地，又处于长江流域地势二级阶梯向三级阶梯的过渡地带，又是南水北调中线工程的主要水源地，其水资源利用状况关系着华中地区、长江流域中下游地区乃至华北地区的社会经济发展。因此，开展湖北省水资源短缺风险评价研究，为区域水资源利用管理提供决策依据，具有十分重要的现实意义。

1 水资源短缺风险评价方法研究

近年来，随着干旱气候频发及经济社会快速发展导致水资源需求剧增，水资源短缺问题已经成为制约经济社会可持续发展的突出瓶颈，水资源短缺风险评价研究也日益受到重视。水资源短缺风险具备客观性、损失性及潜在的确定性3个特征［2］，这就要求水资源短缺风险评价应该具备风险识别和风险分析的功能，在客观数据的基础上，评价模型正确地计算出反映地区水资源短缺程度的风险指数，通过风险组成分析造成水资源短缺的潜在因素，为政府部门提供科学管理的决策依据，指导水资源合理配置与高效利用，最终实现水资源供需平衡。

水资源短缺风险评价属于多因素综合评价。学界对多因素综合评价进行了大量的研究，主要方法有层次分析(AHP)、模糊数学法、数学模拟、投影追踪聚类等，这些模型结构在水资源短缺评价中也多有应用［2－9］。然而，这些模型结构并不统一，算法迥异，各有利弊。在水资源短缺风险评价方面，层次分析法能够精确计算风险评价体系中各个指标的权重，却受到人为设定的影响;模糊数学法能够很好地区分各个指标的风险度，却不适合多层次因素分析;数学模拟则受到公式选择、不同区域条件的限制;投影追踪聚类的降维算法在多指标体系中应用困难，投影特征值也掩盖了风险组成。水资源短缺风险评价是一个综合性的系统工程，受到诸多不确定性因素的影响，任何一种方法模型都很难全面地进行评价［3］。本文在风险识别和风险分析的原则指导下，将层次分析法与模糊数学法隶属度评价结合起来，将抽象的评价过程和算法具体化。首先，应用层次分析法辨识水资源短缺风险来源，再运用隶属度评价度量各个指标的风险程度，最终完成评价区风险指数计算及分析。

2 水资源短缺风险评价体系

层次分析法(AHP)就是将复杂问题中的各种影响因素划分为相互联系的有序层次，根据对客观现实就每一层次的各个因素比较评判，利用数学矩阵计算每一层次全部因素的相对重要性权值，最终完成所有因素对目标问题的重要性排序［10］。AHP法是一种较系统、灵活且实用的方法，其理论与应用已经十分成熟，对多因素多层次的复杂系统的决策十分有效。

2.1 评价指标体系构建

为了全面系统地分析湖北省水资源短缺原因、风险指数及主要风险来源，对比不同地区的风险差异，需要运用一系列的计算指标构建统一完整的评价指标体系。该指标体系要能从不同角度反映出区域内水资源供需关系和外界的环境条件，指标选取时要考虑指标数据获取的可操作性，指标的度量性、对比性，选取代表性指标;同时要保证指标的相互独立性，避免指标之间相互干扰，从而使指标体系成为一个有机整体［11］。根据AHP法指标体系构建的层次结构要求，以及参考前人的相关研究成果［5－6］，本文构建一套由目标层、状态层和指标层组成的3级指标体系。该体系包括1个目标因子(I)、5个状态因子(A—E)和20个指标因子(A1—E3)(见表1)。

表1 水资源短缺风险评价指标体系Table 1 Index system of water shortage risk assessment

在这个指标体系下，水资源短缺风险可以用状态层的5个因子衡量:水资源量反映区域水资源量的多寡及水资源背景，与水资源短缺风险呈负相关;社会需求指标反映主要反映区域水资源承载的社会经济规模和需水强度，与水资源短缺风险呈正相关;水资源储备状况反映区域缓解水资源短缺的能力，与水资源短缺风险呈负相关;供水指标主要反映区域供水能力，与水资源短缺风险分别呈负相关;水环境状况反映区域水质状况、污水排放情况，与水资源短缺风险呈负相关。

2.2 指标权重计算与检验

上述水资源短缺风险评价指标体系中，状态层的5个因子对目标层水资源短缺风险指数影响程度或贡献率并不相同，同样，状态层下的不同指标相对重要程度也各不相同，指标层的各个指标对目标层的贡献率或影响程度很难直接比较。层次分析法能很好地解决这个问题，首先构建各个层次的判断矩阵，将各个层次的影响因子和指标的相对重要性数值化，通过层次单排序和层次总排序计算得到状态层5个影响因子的权重及指标层20个指标的归一化权重值，明确每个指标在水资源短缺风险指数计算中的权值。

判断矩阵是由各层次的n个子因子(指标)两两比较重要性得到的量化数值组成的n×n的矩阵，是一个比较判断矩阵。本文采用1－5标度法获得相对重要性量化数值［12］:强因子与弱因子比较1～5数值分别指代重要性程度为相等、稍微重要、明显重要、强烈重要、极端重要，相反，弱因子与强因子比较则使用1～5的倒数指代。指标单排列权重计算采用判断矩阵的特征根法，首先求得矩阵的最大特征值λmax，然后计算出该矩阵最大特征值对应的最大特征向量，将最大特征向量归一化处理即得到矩阵中各指标的单排列权值。矩阵最大特征值及特征向量计算在MATLAB 7.0数学计算软件中完成。状态层－指标层5个判断矩阵单排列完成后，用各指标单排列权值乘以对应的状态层因子单排列权值得到所有指标归一化权值［13］，计算结果如表2所示。

表2 指标体系权值计算结果与一致性检验Table 2 Weight values and consistency check of index system

判断矩阵构建中可能存在人为判断失误而导致矩阵元素两两比较出现相互矛盾的数据，为避免这种矛盾误差影响权值计算，需要进行一致性检验。判断矩阵一致性检验值CR=CI/RI，CI表示判断矩阵的一致性指标，RI表示判断矩阵平均一致性指标，CI=λmax－n/(n－1)，λmax是判断矩阵最大特征值，n是判断矩阵的维数;判断矩阵维数n为3，4，5，6 时 RI值分别取0.58，0.94，1.12，1.24［10］，计算结果见表2。指标层各判断矩阵一致性检验CR值均小于0.1，表明判断矩阵满足一致性检验，指标单排列权值分配排除矩阵误差。在单排列指标一致性检验的基础上计算获得指标总排列一致性检验CR值为0.004 2，达到一致性检验要求，说明各单项指标总排列权值分配符合技术要求。

指标体系权重计算结果显示，在状态层5个因子中，代表水资源供需关系的2个指标B项和D项权重和为0.508 4，反映水资源外界环境条件的A，C，E 3项指标权重和为0.491 6，这2部分指标对目标层的贡献率几乎对等;C，E 2项指标是水资源外界环境条件的辅助指标，权重相当，且低于A项指标;B项指标包含了社会经济发展指标，权重稍高于D项;这与前人研究结果基本一致［5］，符合水资源短缺的成因构成。各个单项指标权重分布梯度明显，20个指标以0.12和0.014为大小极值，呈现似正态分布，这种权重分配模式便于识别风险来源，也符合客观的水资源短缺成因组合。

3 综合评价模型

水资源短缺风险评价指标体系建立完成后，还需要将各个指标数值与水资源短缺风险指数联系起来，但指标数值与风险指数之间没有明确函数关系，模糊数学评价法通过划分数值区间将指标数值转换为风险隶属度，从而建立指标数值与风险指数间的关系。

综合评价模型就是在评价指标体系的指标层加入风险隶属评价，将评价区每个指标的实测值转化为风险隶属度，然后对评价区所有指标风险隶属度加权求和得到评价区的风险指数［7］。指标隶属度评价就是将指标体系中实测数值划分为若干个区间，对应于不同的水资源短缺风险隶属度，为了加权计算后仍保留4位有效数字以及便于指标间对比，本文风险隶属度取值为1～10之间，数值越高风险隶属度越高。在参照前人相关研究基础上［5，14，15］，结合湖北省实际水资源状况，将水资源短缺风险高低划分为5级(V1—V5)风险隶属度，各指标数值隶属度区间及分级标准见表3。

4 评价结果分析

表3 水资源短缺指标体系风险隶属度分级标准Table 3 Classification standard for risk membership degree of water shortage index system

为了客观地反映近年来湖北省水资源短缺风险，本文选用2000—2010年湖北省水资源公报公布的数据，各项水资源指标均采用2000—2010年平均值，社会经济类指标参考2000—2010年湖北省统计年鉴。根据湖北省各县市(州)地理位置、水资源指标相似程度，将湖北省行划分为4个评价区:鄂西北(十堰、襄阳)，江汉平原(荆门、随州、天门、潜江、仙桃、孝感、武汉)，鄂西南(宜昌、恩施自治州、神农架林区)，鄂东南(黄冈、鄂州、咸宁、荆州、黄石)。各评价区主要水资源指标如表4所示。

按照指标体系量化公式将统计数据转换成对应的指标值，对应表3中风险隶属度区间获得评价区所有指标的风险隶属度，如图1所示。

表4 2000—2010年湖北省主要水资源指标情况Table 4 The mean values of main water resource indexes in Hubei province from 2000 to 2010

图1 各评价区指标风险隶属度Fig.1 The risk membership degree of all indexes in each assessment region

将各个指标的风险隶属度与对应指标的全排列权值加权求和即得到评价区水资源短缺风险指数，如表5所示。根据上述模型计算方法，目标层水资源短缺风险指数介于1～10之间，根据风险值高低可以将水资源短缺风险划分为4个等级:极高风险(＞7.5)，高风险(7.5～5.5)，中度风险(5.5～3.5)、低风险(＜3.5)［5－6］。

表5 各评价区水资源短缺风险指数Table 5 The risk indexes of each assessment region

结果显示，湖北省平均风险指数为5.24，存在中度水资源短缺风险。风险隶属度较高的指标集中在B，D，E 3类，其风险构成主要来自于社会经济发展需求量大、供水能力不足、跨流域调水压力、水体污染及水资源利用率低等方面，这些因素指标风险隶属度普遍高于5，在很大程度上增加了湖北省水资源短缺风险。A，C类指标风险程度较低，说明湖北省不存在先天水资源量短缺，河湖众多的天然优势为区域环境水资源短缺提供了有利条件，但是年末水库蓄水并不充裕，这也导致应对干旱年份水资源短缺的能力有限。

鄂西北地区风险指数为5.38，属于中度风险，接近高风险。该地区处于湿润、半湿润区过渡带，干旱系数大、径流系数低，降水偏少，说明该区域对降水年季变化十分敏感。其风险高值出现在B，D，E 3类指标，体现在工业发展对水资源需求较高、水体污染十分严重，同时，该地区是南水北调中线工程的主要水源地，跨流域调水也在一定程度上减少区域水资源供应量。在平均降水量条件下，增加库容能够满足跨流域调水需求;在干旱少雨年份，大量调水则会增加本地区水资源短缺风险。

江汉平原风险值为5.64，全省最高，属于高风险区。风险高值出现在A，B，E 3类指标，主要原因有:一方面降水年季变化、季节变化显著，近80%的降水集中在4—10月份，近10年来该地区降水距平率普遍超过20%，降水的不稳定性给水资源短缺带来很大风险;另一方面该地区是湖北省社会经济发展的核心区之一，人口密度大，工农业经济规模大，水资源需求量大;人类活动剧烈引起自然环境恶化，水土流失严重，水源保持率低;水体污染严重，水功能区达标率不足50%。水库湖泊蓄水量低小于水资源总量的20%，供水能力有限，特别是农田水利设施发展滞后，遇到旱年江汉平原首当其冲成为重灾区。此外，新水源开发不足、水资源利用率低等因素也削弱了区域水资源承载能力。

鄂西南地区风险值为4.10，全省最低，属于中度风险，接近低风险。该区域水资源总体状况较好，水资源总量巨大、水源保持率高、水质较好。尽管如此，鄂西南同样存在水资源短缺的威胁，主要有:水利设施落后、供水率偏低、水资源粗放利用、缺乏新水源开发等。

鄂东南地区风险值为5.34，接近中度风险，略高于全省风险平均值。该地区降水充沛、水资源总量丰富，区域水资源承载能力较强。但是C，E类指标风险值很高，风险度甚至达到了8，9，主要体现在水资源储备少，工农业发展需求量增大，水资源利用率低等方面。

5 对策

针对湖北省水资源短缺风险状况及风险来源，应对水资源短缺风险需要从以下几个方面入手:

(1)加强气候变化研究，建立天气干旱预警机制。降水量多少在很大程度上决定了地区水资源短缺程度，区域降水量少于平均降水量30%就存在很大的水资源短缺风险［16］。异常的气候干旱是造成水资源短缺的重要因素，尤其是在东亚季风区内，尽管季风气候存在季节性变化规律，但是受到多种驱动力的影响，季风气候往往表现出多种不稳定性特征［17］，夏季风弱的年份就可能发生天气干旱。然而，季风气候的异常都是在一定的驱动力条件下形成的，气候波动对驱动力的响应有一定的滞后性，因此，通过对气候驱动力及季风气候的波动规律研究，可以建立长期干旱气候预警，同时，建立相应的干旱预警机制。

(2)保护生态环境，稳定湖泊面积，扩大湖泊调蓄能力。由于人类活动剧烈，加之粗放的资源开发利用方式，湖北省植被覆盖率大幅降低，全省1/3的面积出现水土流失现象。水土流失加剧，导致水源保持率下降，全省水资源保持率不足五成，汉江中下游地区甚至不足三成，大量降水未能有效地资源化而白白流走。由于过度围湖填湖，泥沙淤积严重，湖泊数量、面积迅速减少，直接导致湖泊蓄水量下降，水资源承载力降低。保护生态环境，稳定湖泊面积，是从根本上和谐人与水的关系。一方面，增加地表植被覆盖率，减少水土流失，涵养水源;另一方面，保护湖泊环境，美化环境，优化水质，扩大湖泊调蓄能力增强水资源承载力。

(3)加强对水资源的综合管理，提高水资源的利用效率。节约用水、防治水体污染是应对水资源短缺的有效途径，造成湖北省水资源浪费和污染的最主要原因是管理不善，人们缺乏保护水资源的意识。因此，一方面要加强对水资源管理的执法力度和宣传力度，提高人们保护水资源的意识，使珍惜和保护水资源成为人们的自觉行为;另一方面还要革新技术，科学用水，提高水资源的利用效率。目前，湖北省各地区水资源利用效率良莠不齐，但普遍低于全国平均水资源利用率，各评价区风险隶属度普遍较高，存在较大的提升空间。

(4)加强水利科技投入，提高供水能力。2011年湖北冬春连旱，农业成为重灾区。农业不仅对水的依赖性很大，同时也是耗水量最大的生产部门。湖北省是农业大省，然而农业水利设施普遍落后，灌溉覆盖率较低，很多水库年久失修，存在有水难取的窘境，这就要求加强水利建设，提高取水供水能力。在水利覆盖保障的前提下，也要因地制宜、因时制宜，根据地域降水特征适当调整农作物结构，高温多雨期种植喜热喜雨植物，干旱时期种植耐旱植物。在水资源短缺的地区，还要加大水利科技投入，研究区域地表水、地下水分布特征、地质地貌特征等，水资源利用要与水文地质、工程地质、第四纪地质学等多学科结合。

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