葫芦岛市水资源贫困状况综合评价

(葫芦岛市南票区农业发展服务中心，辽宁 葫芦岛 125027)

1 引 言

葫芦岛市是我国北方沿海城市之一，多年平均水资源总量不足19.56亿m3，其中地表水18.02亿m3，地下水5.83亿m3，两者重复量4.29亿m3，水资源可利用量为6.62亿m3。葫芦岛市人均水资源占有量728m3，低于全省平均水平820m3，约为全国平均水平2200m3的1/3，且在时空分布上极不均衡，属于严重缺水城市之一[1-2]。近年来，随着城市化进程的推进、沿海城市人口的增加、旅游业的快速发展以及人们生活水平的提高，全市水资源供需矛盾日趋严峻，并且用水结构出现较大改变。在水文工程领域对水资源的评价较多，而涉及社会经济领域的相关研究还未形成一个考虑全面、简单易行的评价方法和综合指标体系。Sullivan C[3]从环境、使用、设施、资源和能力5个角度提出了WPI水资源贫困指数的概念，不仅更加科学、系统地阐述了水环境与用水能力之间的关系，而且有利于人们理解水资源的可获取性能；Sullivan C A[4]等从提高生产力状况、健康和粮食的角度提出了气候脆弱性指数和水资源财富指数的内涵，进一步对水资源贫困理论进行了扩充和完善；王雪妮[5]等以加拿大为例在社区尺度上利用水资源贫困理论建立了水资源可持续利用指数；Ricard G G[6]等在WPI体系中引入Bayes理论并对数据利用网络方法进行了详细的分析；邵薇薇[7]等对我国主要流域的水资源贫困状态利用WPI指标体系进行了综合评价；曹建廷[8]对水资源贫困演变过程以及水资源贫困评价方法和相关概念进行了介绍；孙才志[9]等从增加社会适应能力指标的角度分析和验证了水资源贫困的空间关联格局。目前，主客观综合赋权法、主成分分析法、层次分析法、熵权法等为WPI指标权重计算的主要方法。

对水资源贫困发展状况进行评价时应将其视为一个由低值到高值的动态演变过程，评价指标的理想解应根据不同时期的发展状况进行合理的设定，其中理想解与综合测度评价指标之间的距离即为水资源贫困评价状况。而实现这一动态演变过程的有效评价常用的方法为TOPSIS模型，然而在传统的TOPSIS模型中无法反映各指标的相对重要程度。据此，本文以葫芦岛市为例,结合WPI理论成果和已有文献资料，对传统的TOPSIS模型利用熵权法进行了改进并将其运用于实际案例，评价了葫芦岛市各区域的水资源贫困现状，并对其障碍度模型进行了深入的探讨，详细地分析了影响水资源贫困解决的关键性因素，以期为促进葫芦岛市水资源可持续利用和水资源贫困治理提供一定参考。

2 研究方法

2.1 构建水资源贫困综合评价指标体系

反映区域或国家相对缺水程度的重要性指标为WPI水资源贫困指数，WPI利用贫困理论将水资源短缺问题扩展到社会经济，有效结合了用水能力、生计、权利以及开发利用水平、管理等方面内容，有利于促进人水和谐共生目标的实现。对葫芦岛市水资源短缺状况利用WPI指数进行综合评价有必要综合考虑研究区域的实际情况，结合相关文献资料中对WPI指标体系的选取结果以及水资源总量既定的实际状况，本文在遵循合理性、系统性、易获取性以及科学性等原则的基础上对WPI指标进行选取。另外，为了进一步提高评价结果的准确性并能够更加客观、真实地反映葫芦岛市水资源贫困实际现状，文中还选取了如海水入侵面积、海水淡化量等能够反映沿海城市水资源贫困的特殊指标。根据指标选取原则和葫芦岛市水资源贫困实际状况构建了包含5个子系统的23个指标体系，见表1。

表1 葫芦岛市水资源贫困综合评价指标体系

水资源禀赋主要是指可被利用的地下水与地表水资源量及其可变性或可靠性状况；利用能力是在健康、教育和财政状况的角度综合反映各个行业部门的用水情况；环境状态主要是从生态环境与水质可能承受潜在压力的角度反映与水资源管理相关的环境状况[10-11]。其中R1～R4分别代表地表水供应量、地下水供应量、其他水供应量以及降水量变化率；A1～A4分别代表人均供水管道长度、自来水受益村数比例、农业机械、公共厕所量；C1～C5分别代表人均GDP、人均家庭收入、年末从业人员比例、教育支出、医院床位；U1～U5分别代表农业灌溉用水量、工业用水量、林牧渔畜用水量、生态用水量、人均生活用水量；E1～E5分别代表污水处理率、年污水排放量、农药和化肥施用量、海水入侵面积、建成区绿地覆盖率。

2.2 熵权的TOPSIS法

在系统工程学领域TOPSIS法应用较为广泛，该方法是以构造的各评价指标最优、最劣解为基础，通过计算分析最优、最劣解与评价对象的接近或远离程度反映评价样本的优劣状况。对传统的TOPSIS模型利用熵权法进行改进，其主要过程是对各指标的权重利用熵权法进行确定，然后对评价对象的相对优劣程度按照TOPSIS逼近理想解的原理进行表征，在该评价过程中对各指标的赋权为影响评价结果的关键性环节，计算方法如下：

a.构造判断矩阵及标准化处理。设定评价对象有m个，评价体系中包含的指标数总数为n，则判断矩阵为X=(xij)m×n; (i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。因不同评价指标之间的量纲和单位存在一定的差异性，在评价区域水资源贫困状况之前需对判断矩阵进行统一规范化处理，然后可求得相对隶属矩阵：R=(xij)m×n; (i=1,2,…,m;n=1,2,…,n)。正向指标的相对隶属度可采用式(1)进行计算：

(1)

对于逆向指标相对隶属度的计算公式如式(2)所示：

(2)

式中xij——第j个评价方案中的第i项评价指标的相对隶属度；

(xij)max、(xij)min——在不同方案中同一评价指标xij的最大值和最小值。

b.熵权理论确定指标权重。根据标准化矩阵对各指标信息熵Hi按照式(4)计算：

(3)

(4)

式中Hi——评价对象中第i项评价指标的熵值；

fij——第j个评价对象的第i项指标权重占评价的权重值。

根据上述计算结果可对各评价指标的熵权W进行计算，计算公式如式(5)所示：

W=(ωi)1×m

(5)

(6)

式中ωi——各评价指标的熵权，取值范围为0～1，所有评价指标的熵权之和为1；

W——熵权特征向量。

d.对最优解与各评价对象之间的距离进行求解。利用欧式基本公式，对最优、最劣方案进行欧式距离计算，计算公式如式(7)所示：

(7)

e.贴进度Ci的计算。利用待评价样本的贴近程度值Ci的大小对评价对象进行优劣排序，Ci值越大则表示决策样本方案与理想型最优方案的贴近程度越高，评价对象的水资源贫困状况越优；反之，则表示与最优方案的贴近程度越低，其代表水资源贫困状况越差，计算公式如式(8)所示：

(8)

2.3 障碍度评价模型

为对区域水资源贫困进行病理性诊断，并揭示影响解决水资源贫困问题的障碍性因子，在评价了水资源贫困状态的基础上还应进一步分析其阻碍性影响因素。为此，在水资源贫困分析中引入障碍度模型进行延展性探讨，对影响葫芦岛市水资源贫困的关键性阻碍因子作了进一步的研究分析。

障碍度、指标偏离度以及因子贡献率为障碍度模型计算的主要参数指标，其中因子贡献度为以总目标为依据分析单个因素的贡献程度，通常采用指标权重ωj表示；指标偏离度计算公式为Iij=1-xij，即系统发展目标与单因素指标之间的距离；而障碍度Oij为农村水资源贫困灾害风险程度受指标体系标准层或单项指标的影响程度，其表达式如式(9)所示：

(9)

3 实例应用研究

3.1 葫芦岛市水资源概况

葫芦岛市面积10415km2，主要包括绥中县、建昌县、兴城市、连山区、龙港区、南票区，全市总人口约280万。葫芦岛市管辖海域面积3492km2，有滩涂面积136km2，全市近海与海岸湿地1074km2。大陆岸线西起山海关老龙头，东止连山区老河口，全长260km，该区域为具有海洋性气候特点的大陆性季风气候，全市多年降水量550mm，主要集中在夏季。全市流域面积100km2以上的河流共有33条，其中流域面积1000km2以上的河流有3条。主要河流有六股河、大凌河、女儿河、兴城河、烟台河等。水资源总量受季节性特别是汛期的影响较大[12]。

3.2 数据来源

结合表1水资源贫困评价指标体系的各个指标具体的特征和内涵，分别选取葫芦岛市2009—2017年统计年鉴、水资源公报、海洋统计年鉴等作为主要数据来源，同时考虑地方统计年鉴、水文局等官网数据统计结果，经过统计整理得到各指标初始数据。

3.3 指标权重与综合得分

单项指标最劣解与最优解的差值越大则指标变异程度越高，相应的指标熵值就越小，由此反映该指标所包含的有效信息越多对评价结果的影响就越大；反之，则指标的熵值越大则熵权越小对评价结果的影响程度越低。利用文中所述熵权法计算公式对指标统计数据进行权重的求解，结果见表1。指标权重计算结果显示：对评价结果影响权重在0.05以上的指标主要有地下水、地表水以及其他水源供水量、农业机械和人均供水管道长度指标，结果表明影响葫芦岛水资源贫困的基本因素为取水设施和水资源禀赋；统计分析权重大于0.01的指标显示，对葫芦岛市水资源贫困有较大影响的指标有污染现状、生产生活用水、海水入侵面积等；其他各指标的比重小于0.01，说明在不同地区这类指标的分布较为均衡且携带有效信息量较少。

表2 各分区水资源贫困评价结果

由表2可以看出：葫芦岛市大部分区域在2009—2017年水资源贫困综合得分整体呈现出上升趋势，然而不同区域的上升幅度存在一定差异；平均综合评价值从 2009—2011年间的0.213上升到 2015—2017年间的0.363，绝对增长幅度为0.15，平均值相对于2009—2011年期间增长了约70%；在2009—2011年高于平均值的区域共有3个，在2015—2017年期间仍然有3个，并没有增幅变化。对在研究期间的葫芦岛市水资源贫困水平利用变异系数和标准差法进行分析，结果表明在2009—2011年期间变异系数与标准差到2015—2017年期间逐步降低。由此进一步反映了研究区域水资源贫困状态呈现出整体好转的变化趋势，同时相对与绝对差异也表现出降低的发展趋势。

3.4 水资源贫困评价障碍因子

综合考虑利用R、A、C、U、E这5个组成方面评价指标体系对水资源的综合作用，即为水资源贫困问题的主要内容，为进一步解释影响研究区域水资源贫困问题解决的主要因素，本文测算了各指标层的数据障碍度，从而确定了关键性阻碍因子，结果见表3。

表3 水资源贫困各指标主要障碍因子与障碍度

考虑到评价指标较多的实际情况，本文仅列出了前8位的障碍度测算因子。从上述结果可以看出，在资源、设施、能力、使用以及环境系统中影响水资源贫困评价频数不低于3的障碍指标分布比例分别为15.5%、27.75%、18.50%和21.25%。障碍指标分布数据可进一步说明在各子系统中影响水资源贫困问题的主要障碍指标分布较为均衡，在解决水资源贫困问题时各地区应综合考虑多种因素的影响作用，统筹兼顾各个指标因子的影响从而实现水资源的科学利用。

4 结 论

结合上述分析结果可知，葫芦岛市水资源现状不容乐观，保护水资源刻不容缓。为此，要注重水资源的保护、开发与利用，呼吁人们保护每一滴水，形成节约用水的良好习惯。在解决水资源贫困问题时应综合考虑多种因素的影响，统筹兼顾实现各子系统的发展，根据葫芦岛市不同地区的水资源实际情况针对性地采取相应的措施：在水资源开发利用程度较低、水资源较为丰富的区域应加快对水利工程设施的建设，提高水资源利用效率；在社会经济发展较快、水资源供需矛盾紧张的区域加快实施外流域调水设施，促进节水设施的推广并提升污水的回收利用，不断加大节水力度和生态文明建设，实现水资源的科学利用，促进葫芦岛市人与水和谐发展。