区域水资源可持续利用评价 <br/>----以乐山市为例

区域水资源可持续利用评价
----以乐山市为例

2016-03-22刘轶鋆

节水灌溉 2016年12期

赵锐，闵宁，张涵，刘轶鋆

(1. 西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 611756； 2. 高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，成都 611756)

随着人口剧增及经济不断高速发展，水资源的需求量不断增加，导致水资源短缺现象日趋严重[1,2]。水资源是支撑自然生态系统和社会生态系统不可替代的重要资源和关键因素，也是一种动态的、可再生但是又十分脆弱的资源[3]。中国虽水资源丰富, 但人均占有量少，加之水资源具有时空分布不均的特点，更加制约了经济和社会的可持续发展[4-5]。在此背景下，掌握区域水资源综合利用现状已受到学者的广泛关注。水资源利用评价是实现区域水资源可持续利用的前提和基础[6,7]。其主要研究方法有系统动力学[8]、层次分析(AHP)[9]，模糊决策[10,11]，主成分分析[12]、因子分析[13]等。Kondratyev等利用系统动力学法建立外加负荷、临界荷载、水资源质量参数、临界浓度、水生生态系统状态和地球化学沉积物状态的六要素指标，对拉多加湖水质评价[14]。潘峰[15]等，周振民[16]等基于层次分析法，构建包括人均国内生产总值、人口增长率、污水排放等指标的城市节水评价体系，分别对衡水以及郑州的水资源利用情况进行综合评价，以期推进城市水资源高效利用和管理。田爱民[17]的研究也选取了相似的指标，利用模糊决策对济南水资源可持续利用情况进行综合评价。郜彗[18]等以江门市为例，利用层次分析对模糊综合评价矩阵中各指标进行权重分配，凸显各指标的相对重要性。为克服主观权重的随意性，代稳[19]等利用熵权法对指标进行权重分配，结合模糊决策对六盘水2000-2010年的水资源可持续利用状况进行评价。此外，麻荣永及白若男等基于主成分分析，选取包括降水总量、人口数、城镇居民消费水平、人均水资源量、生产用水量等若干指标，以广西和成都市为例分别评价两个区域的水资源承载能力[20,21]。

前述研究多反映某一区域内某一具体年份的水资源综合利用状况，却难以刻画出时序变化规律。本文以乐山市为典型案例，对其2001-2012年间水资源利用情况开展综合评价，确保评价时间连续，以期反映该区域近年来水资源利用的变化。基于水资源利用的社会、经济和生态合理性建立了评价指标体系，为克服评价过程中存在的主观随意性，研究采用熵权法确定各指标权重。在此基础上，构建出水资源模糊综合评价模型，以期为区域水资源的合理开发和利用提供理论依据。

1 模糊信息熵综合评价模型

研究通过对乐山地区的调研，结合现有的水资源统计资料，建立了社会、经济和生态合理性3个评价维度，以此反映区域水资源系统的发展水平以及同社会、经济系统的协调[14]。所构建的评价指标体系如图1所示，指标选取基于下述原因：乐山市经济发展迅速，作为全国知名旅游城市，一方面可能增加生态建设的投入，另一方面也可能导致生态用水过量。乐山市水资源总量丰富，但可利用水资源分布不平衡。近年来乐山市人口呈增长趋势，探讨人口密度和人均水资源占有量的变化可体现该区域水资源分配的合理性。下文将采用熵权法确定各指标的权重，进而结合模糊决策建立水资源协调与分配合理程度的综合评价模型，得出水资源利用评价结果。

图1 水资源可持续利用评价体系

1.1 权重确定

各指标权重不随研究区域的改变而改变，从而造成评价结果客观性受到影响[22]。本研究采用熵值法确定权重，其基本思路是根据各指标传递给决策者信息量的大小来确定指标权数[23]。某个指标信息熵越大，表明指标变异程度越小，提供信息量越少，在综合评价中所起作用越小，其权重越小。反之，指标的信息熵越小，其权重越大[24]。根据信息熵定义,评价矩阵X中第j项指标的信息熵为：

(1)

式中：p为评价对象个数。

某项指标的信息效用价值取决于该指标的信息熵Ej与1的差值，即：

Dj=1-Ej

(2)

某指标的效用价值越高，则对评价的重要性就越大，该指标的权重也就越大，第j项指标的熵权为：

(3)

1.2 模糊综合评价

模糊综合评价是通过构造等级模糊子集把反映被评事物的指标进行量化，利用模糊变换原理对各指标进行评价，其基本步骤如下[25-27]：

(1)确定评价对象的m个评价指标。

u={u1,u2,…,um}

(4)

(2)确定评语等级集合。

v={v1,v2,…,vn}

(5)

(3)构建模糊关系矩阵R。在构造等级模糊子集后，从每个因素ui(i=1,2,…,m)逐个对被评事物进行量化，确定被评事物对等级模糊子集的隶属度(R|ui},得到模糊关系矩阵如下：

(6)

矩阵R中第i行第j列元素rij，表示某个被评事物从因素ui来看对vj等级模糊子集的隶属度。

(4)确定评价因素的权向量。评价因素的权向量为：W=(w1,w2,…,wm)。权向量W中的元素wi本质上是因素ui对模糊子集的隶属度。

(5)合成模糊综合评价结果向量。将权向量W与各被评事物R进行合成，得到各被评事物的模糊综合评价结果向量B，即：

(7)

式中：bj是由W与R的第j列运算得到，表示被评事物从整体上看对vj等级模糊子集的隶属程度。评价结果定级如表1所示，本文将水资源可持续利用程度的评价按照0～1分为5个评价等级[25]，其中0～0.2为很差，0.2～0.4为较差，0.4～0.6为一般，0.6～0.8为良好，0.8～1.0为优秀。

表1 模糊综合评价结果定级

2 案例分析

乐山市位于四川盆地西南部，总面积为12 827 km2，坐落在岷江、青衣江、大渡河三江交汇处，总人口为324.33万人，年降水量在1 000 mm以上。以2014年为例，全市水资源总量111.96 亿m3，人均水资源占有量3 147 m3。各指标测算方法如表2所示，基础数据主要来自于《四川省水资源公报》(2001-2012)，以及《乐山市统计年鉴》(2001-2012)，经无量纲化处理后代入模糊综合评价模型进行评价。

表2 评价指标测算

2.1 水资源利用评价结果

通过熵值法对各个指标进行了赋权分析，其结果如表3所示。结果表明：社会合理性、经济合理性和生态合理性对整个评价系统均占有1/3的权重，即考虑3个子系统在评价中的贡献基本一致。对社会合理性中的3个分项评价指标，人均水资源占有权重相对较大，占44.1%的比重；经济合理性中，3个评价指标基本各占1/3的权重；而生态合理性中，人均污水排放量所占权重最大，占41.8%的比重。

表3 评价指标权重值

结合模糊综合评价模型，乐山市2001-2012年水资源可持续利用评价值如表4所示。结果表明：2001年到2012年间，乐山市水资源利用的整体合理性基本处于E2(良好)和E3(一般)的水平。其中，2001年到2007年间处于良好水平(即评价等级水平位于0.6

表4 2001-2012年间乐山市水资源利用评价值

水资源综合利用变化趋势如图2所示。在2007年以前，乐山市水资源利用合理性的综合评价值均处于0.6到0.7之间，可持续利用程度处于良好水平，还具备一定的开发潜力。值得堪忧的是2007年之后，评价值由0.6逐渐下降到0.48，可持续利用程度呈下降趋势，处于较差水平，严重制约着乐山市水资源配置以及区域经济发展。整体来看，2001-2012年间乐山市水资源可持续利用水平在逐步降低。

图2 乐山市水资源利用合理性综合评价结果

乐山市水资源社会合理性评价结果如图3所示：从2001年到2003年间，水资源社会合理性基本保持平稳，处于优秀水平，评价值在0.8左右。自2004到2009年间，由良好下降为较差水平，评价值也由0.705下降的0.303。2010年之后又缓慢上升，但基本处于较差水平，评价值在0.4上下波动。这可能与乐山市近年来人口快速增长有关，自2004年到2009年乐山市人口以平均每年将近3%的速度增长，而乐山市可利用水资源总量有限，从而造成人均水资源占有减少，导致乐山市水资源社会合理性在一定时期内呈下降趋势[31]。2009年后，人口自然增长率相对放缓，人均水资源占有稍有提高，社会合理性呈上升趋势。

图3 乐山市水资源利用社会合理性评价结果

自2001年到2012年间，经济合理性呈拟正态分布趋势，如图4所示。在2006年前后，乐山市经济整体发展良好，水资源利用也较为合理，处于良好水平，评价值在0.6到0.8之间波动。结果与乐山市编制的“十一五”规划中将经济增速由“十五”期间的12.5%降低到11%，以达到提质增效，实现可持续发展等战略部署密切相关[32]。

图4 乐山市水资源利用经济合理性评价结果

生态合理性由2001年的0.389上升至2012年的0.75，基本保持平稳，呈缓慢上升状态，如图5所示。其可能原因是乐山市始终致力于全面推进节水型社会建设，以期从根本上改变水资源粗放利用的现状。此外，通过提高城市污水系统的收集率来改善水环境污染的现状，促进产业发展良性循环；完善水资源供给与水资源保护，以确保水资源的可持续利用[33]。

图5 乐山市水资源利用生态合理性评价结果

2.2 讨论

乐山市水资源可持续利用整体呈下降趋势。针对其可持续能力减弱的问题，必须做到开源与节流并举，改变现存的不合理、粗放型、高耗水的水资源利用方式，走节水型经济和社会发展的道路等[34]。除此之外，应根据乐山市实际情况提高生产技术、发展污水处理技术、提高水资源重复利用率[35]，以期增强水资源可持续利用能力，实现经济与环境的可持续发展。

在分项评价方面，社会合理性自2001年到2009年持续下降，而后又逐步上升。其主要原因可能与人口增长、水资源价格机制不合理等因素相关。可采取有效措施控制人均水资源的需求，例如通过对居民用水逐步推行定额管理办法等减少水资源浪费[36]。

经济合理性在2006年达到最高，而后逐渐降低，呈拟正态分布的趋势。其主要原因在于近年来乐山市始终把经济发展与资源保护的并存提到一个战略高度来对待，实施了一系列水环境经济政策，如强化依法管水，加大执法力度，增加水资源保护的经济投入等，积极推进水资源开发利用方式从粗放型向节约型转变[37]。顺应经济发展新常态的特点，抓好资源水利、文化水利、特色水利建设，强力推进水利项目建设，不断提升水利保障全市经济社会发展的能力[38]。

生态合理性自2002年后呈稳步上升趋势，与乐山市实施的一系列环保治污措施密切相关。例如乐山市 “十二五”规划中要求在2015年全市污水处理率达到80%以上，城镇污水处理厂负荷率达80%以上。在规划的实际执行中，乐山市人均污水排放量在过去10年间明显降低[39]。

3 结论

本研究利用模糊信息熵的决策模型建立了以社会合理性、经济合理性和生态合理性为子系统的水资源评价指标体系。采用熵值法确定了各项的指标权重，并结合模糊评价的方法对乐山市水资源可持续利用程度进行了宏观综合评价。评价结果反映出2001-2012年间，乐山市水资源的综合利用合理性整体呈下降趋势，可持续发展能力在不断减弱。分项评估值中，社会合理性呈下降趋势，经济合理性大致呈先增后减，呈拟正态分布的趋势，而生态合理性则基本保持平稳。

此外，本研究还存在两方面的不足：一方面在构建水资源可持续利用评价指标时，仅仅选取了9个具有代表性评价指标，但能否有效反映区域水资源的协调和配置状况还值得进一步验证。另一方面，对于模型中评价指标权重的不确定性，在今后的研究中还应加强对权重方法灵敏度和有效性的校验，如将主观赋权与客观赋权相结合，以使该模型可应用于更广泛的案例评价。

[1] 张利平,夏军,胡志芳. 中国水资源状况与水资源安全问题分析[J]. 长江流域资源与环境,2009,(2):116-120.

[2] Zhao R., He H., Zhang N. Regional Water Footprint Assessment: A Case Study of Leshan City[J]. Sustainability, 2015,7(12):16 532-16 547.

[3] 朱党生,张建永,史晓新,等. 现代水资源保护规划技术体系[J]. 水资源保护,2011,(5):28-31,38.

[4] 雷川华,吴运卿. 我国水资源现状、问题与对策研究[J]. 节水灌溉,2007,(4):41-43.

[5] 左其亭,赵衡,马军霞. 水资源与经济社会和谐平衡研究[J]. 水利学报,2014,(7):785-792,800.

[6] Rijsberman M A, van De Ven F H M.Different approaches to assessment of design and management of sustainable urban water systems [J]. Environmental Impact Assessment Review, 2000,20(3):333-345.

[7] 曹麟,刘家宏,秦大庸,等. 基于区域水资源承载力的山西水生态建设[J]. 中国农村水利水电,2011,(11):1-4.

[8] 黄林显,曹永强,赵娜,等. 基于系统动力学的山东省水资源可持续发展模拟[J]. 水力发电,2008,(6):1-4.

[9] 王好芳, 董增川. 区域水资源可持续开法评价的层次分析法[J]. 水力发电，2002,(7):12-15.

[10] 张晓鹏, 张鑫. 基于模糊综合评价法的区域水资源承载力研究[J]. 中国农村水利水电，2009,(7):18-21.

[11] 卢文喜,李迪,张蕾,等. 基于层次分析法的模糊综合评价在水质评价中的应用[J]. 节水灌溉,2011,(3):43-46.

[12] 周亮广, 梁虹. 基于主成分分析和熵的喀斯特地区水资源承载能力动态变化研究----以贵阳市为例[J]. 自然资源学报，2009,21(5):827-833.

[13] 黄初龙, 邓伟. 东北区农业水资源可持续利用地域分异的因子分析[J]. 地理科学，2006,26(3):284-291.

[14] Kondratyev S, Gronskaya T, Ignatieva N. Assessment of present state of water resources of Lake Ladoga and its drainage basin using sustainable development indicators[J]. Ecological Indicators, 2002, 2(1):79-92.

[15] Pan F, Zhan L. AHP comprehensive evaluation on sustainable utilization of water resources in Hengshui City, China [J]. Transactions of Tianjin University, 2015,(2):178-182.

[16] 周振民,李延峰,范秀,等. 基AHP和改进熵权法的城市节水状况综合评价研究[J]. 中国农村水利水电,2016,(2):37-41.

[17] Tian A, Jiang F, Dong N. Research on the sustainable utilization of water resources of Jinan City [J]. Chinese Journal of Population, Resources and Environment, 2010,8(4):55-60.

[18] 郜彗, 金辉. 基于AHP和模糊综合评价的区域水资源可持续利用评价----以广东省江门市为例[J]. 水资源与水工程学报，2007,18(3):50-58.

[19] 代稳,秦趣,仝双梅,等.六盘水市水资源可持续利用定量研究[J]. 节水灌溉,2014,(7):46-49,53.

[20] 麻荣永, 郑二伟, 王魁,等. 基于主成分分析法的广西水资源可持续利用综合评价[J]. 广西大学学报, 2008,33(1):16-19.

[21] 白若男,欧洋铭,梁川. 基于主成分分析的成都市水资源承载力研究[J]. 中国水运(下半月),2012,(12):200-202.

[22] 邢军,付芝,孙立波. 基于熵权的地下水水质模糊综合评价[J]. 节水灌溉, 2011,(8):5-7.

[23] 周玲玲, 王琳, 余静. 基于水足迹理论的水资源可持续利用评价体系----以即墨市为例[J]. 资源科学, 2014,36(5):913-921.

[24] 王靖, 张金锁. 综合评价中确定权重向量的几种方法比较[J]. 河北工业大学学报, 2001,(4):52-57.

[25] 黄初龙, 张光新, 杨建锋. 中国水资源可持续利用评价指标体系研究进展[J]. 资源科学, 2006,28(2):33-39.

[26] 邢军,孙立波. 基于因子分析与模糊综合评判方法的水资源承载力评价[J].节水灌溉,2014,(4):52-55,59.

[27] 沈燕. 模糊综合评价方法在区域水资源承载力研究中的应用[J].节水灌溉,2009,(9):17-19,23.

[28] 宋永永,米文宝,杨丽娜. 基于水足迹理论的宁夏水资源安全评价[J]. 中国农村水利水电,2015,(5):58-62.

[29] 韩玉,杨晓琳,陈源泉,等. 基于水足迹的河北省水资源安全评价[J]. 中国生态农业学报,2013,(8):1 031-1 038.