临沂市水资源安全综合评价研究

李 丹，毛玉鑫，3，陈森林，2，梁 斌，谭安琪，潘志浩，孙亚婷

（1.武汉大学水利水电学院，武汉 430072；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；3.中国长江电力股份有限公司，湖北宜昌 443133；4.长江水利委员会长江中游水文水资源勘测局，武汉 430072）

0 引 言

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是人类社会可持续发展的重要支撑。近年来，水资源安全问题日渐突显，并已经成为制约我国社会经济发展的重要因素［1］。随着人口的增长和经济的发展，越来越多的地区出现了水资源紧张的局势，目前我国有16 个省（区、市）的人均水资源量低于严重缺水线［2］。水资源的相对短缺及严峻的水污染形势已对经济社会的可持续发展造成了前所未有的压力，水资源安全是水资源管理的核心内容与终极目标，同时也是社会经济安全与可持续发展的基础和前提，逐渐成为学界和政府部门关注的重要议题。同时我国水资源安全研究也取得了很大成就，以黄河来说，随着对黄河水资源安全研究的不断深入，黄河流域的水资源短缺得到一定程度的缓解，水污染状况得到有效的治理，同时困扰黄河流域多年的断流问题也基本得到了根治，黄河流域的整体健康状况有了很大改善［3］。

水资源安全评价作为水资源安全研究的关键问题，同时也是实现水资源安全战略的基础性工作，已成为国内外水资源科学研究的热点［4］。水资源安全评价的核心问题是一个国家或地区（流域）的水资源能否满足社会长远、可持续发展的要求［5］。通过水资源安全评价，系统分析各因素对区域水资源安全的影响，评估区域水资源安全现状，是水资源可持续开发与管理的依据，也是相关工程规划、设计及运行管理的前提，水资源安全评价的研究意义重大［6］。本文基于对目前水资源安全评价常用指标的梳理，建立水资源安全评价基本指标库，并结合研究区域的相关特性，构建临沂市水资源安全评价指标体系，利用层次分析法对临沂市水资源安全进行综合评价研究，以期为地区水资源安全状况做出准确判断，从而为区域水资源安全战略提供相关决策支撑。

1 水资源安全评价指标体系

1.1 水资源安全评价的基本指标库

国内对水资源安全领域的研究始于本世纪初，在建立指标体系时，一般分为两类情形：其一是依据水资源安全的内涵将其分为多个子安全系统，如经济安全、供水安全、生态安全等，然后在各个子系统内选择合适的指标；其二是从水资源总体出发选择指标，建立评价指标体系。

贾绍凤等［7］将水资源安全分为总体安全、社会安全、经济安全和生态安全4 个层面，选取了约22 个评价指标建立了水资源安全评价指标体系，以海河流域作为研究实例进行了水资源安全现状的评价，并由分析了海河流域水资源不安全的几点原因。张巧显等［8］运用系统分析的理论和方法，建立了水安全动态模型，从生命安全、经济安全、粮食安全、生态系统安全、环境安全和社会安全6 个子目标出发，选取了16 个指标建立指标体系对我国水安全进行模拟。黄微尘等［9］则是从水资源量、水环境质量和社会经济用水三个方面选取了共24 项指标，采用ELECTRE 方法对淮河流域水资源安全进行了评价研究。黄楚珩［10］、张志君［11］及江慧宁［12］等也相继建立了类似的指标体系，用于不同地区的水资源安全评价研究。

另外，一些学者直接从水资源安全总体出发建立评价体系。如吴开亚等［13］选取水资源利用率、万元工业产值耗水量、灌溉水综合利用系数等共8 个指标，建立了水资源安全评价指标体系，并以巢湖流域作为研究实例进行评价；陆建忠等［14］选取了20 项指标建立水资源安全评价指标体系，对鄱阳湖流域2000-2010年年水资源安全状态进行了评价。此外，还有一些学者通过水资源压力来评价水资源安全，最具代表性的指标是人均水资源量、水资源开发利用程度和水贫困指数（WPI）。其中，水贫困指数（WPI）是目前国际上较为公认的水资源安全评价指标，它由英国水文学家Sullivan［15］等提出，我国学者如张翔［16］等也曾使用这种方法对水资源安全进行评价。WPI 指数由资源（Resource）、途径（Access）、利用（Use）、能力（Capacity）和环境（Environment）5个分指数组成，是个较为综合的指标，能够比较全面地反映水资源开发利用中所涉及的方面，但是计算和资料搜集过程复杂繁琐，且定性的描述需征询专家意见，此外，对不同的地区，各分指数的计算依据不同，因此如何选择合适的变量来构成WPI 指数的计算框架也是一项重要的工作。综上所述，将水资源安全评价指标分为供水类、承载类、开发类、调蓄类及利用类5大类，并对其中使用较为广泛的若干指标进行梳理，得到构成水资源安全评价指标体系的基本指标库，如图1所示。

图1 水资源安全评价的基本指标库Fig.1 Basic index database of water resources safety evaluation

1.2 水资源安全指标体系的构建

建立指标体系最为核心的原则是要兼顾科学性和简便性，科学性要求指标体系尽可能全面、准确地反映所评价的对象，简便性要求所选取的指标数据容易获得、计算简便、便于操作和应用。科学性与简便性往往互相矛盾，若只追求科学性而忽略简便性，建立的指标体系可能因为资料难以获取而失去应用价值；而过分注重简便性而忽略科学性，则由此建立的指标体系虽然简便，但却反映不了所评价对象的真实情况，同样也失去指标体系的应用价值。所以实用、合理的指标体系，必须是科学性和简便性的最佳结合［5］。

水资源安全涉及范围较广，涵盖内容较多，既有动态指标又有静态指标，既有定性指标又有定量指标等。结合水资源安全的内涵，参照相关研究成果，综合考虑上述原则，将水安全评价体系分为目标层、准则层和指标层。目标层为单一目标，即水资源安全，表达水资源的综合安全程度，水资源安全评价的目的在于综合评价区域水资源安全水平，并根据评价结果采取相应的水管理措施，以推进人水和谐以及社会经济的可持续健康发展。准则层是目标层的有机组成部分，通过水资源安全相关研究成果的梳理，选取供水保障、水资源开发、水资源调配和水资源利用作为水资源安全评价的准则层。准则层下包含若干具体的评价指标，评价指标的选取坚持科学性、整体性、实用性、代表性和地域性原则，全面体现评价区域水资源安全保障社会经济发展的整体状况。

（1）供水保障。供水保障准则层反映的一个地区供水能力建设等因素对水资源安全所产生的影响，选取综合供水保障率这一指标，作为衡量区域内供水对于当地各部门用水需求的整体保障程度；此外，区域内的蓄、引、提水工程是供水的重要保障工程措施，其运用状况直接影响到当地水资源供给能力，因此选取蓄、引、提水供水率作为衡量区域内重要供水工程合理运用的评价指标。

（2）水资源开发。水资源开发准则层反映的是一个地区开发水资源等因素对水资源安全所产生的影响，对大多数区域而言，水资源的开发一般包含地表水和地下水两部分，因此选取地表水资源开发率和地下水水资源开采率分别评价该地区地表水和地下水的开发（采）程度，综合反映区域内水资源开发的程度。

（3）水资源调配。水资源调配准则层反映的是一个地区调配水资源能力和效率等因素对水资源安全所产生的影响，水库作为主要的调节地表径流的工程设施，区域内水库的调节能力很大程度上反映了该地区对于地表径流的调节能力；农业灌溉水利用系数和供水管网漏损率则分别反映了该地区农业灌溉系统和供水管网调配水资源的效率，因此选取区域水库调节能力指数、农业灌溉水利用系数和供水管网漏损率这3 项指标用于评价区域内的水资源调配能力。

（4）水资源利用。水资源利用准则层反映的是一个地区水资源利用水平和效率等因素对水资源安全所产生的影响，水资源利用水平和效率是水资源保障区域经济发展的动力。人均用水量、万元GDP用水量综合反映了一定经济发展状况下该地区的宏观用水水平，因此选取该两项指标用于评价区域内的综合用水水平；污水处理回用率、工业水重复利用率则是作为常用的反映区域内用水效率的评价指标。

综上分析，设置供水保障、水资源开发、水资源调配和水资源利用4 个准则层，共选取11 项指标，构建区域水资源安全综合评价指标体系（见表1）。

表1 水资源安全综合评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of water resources safety

2 评价方法

2.1 指标标准化

不同的指标评价存在单位的不一致问题，为了更好的综合评估目标需要对单个指标计算结果赋分。可采用极值标准化方法，即对某一指标按极值标准化［17］。

对于正向指标（即指标越大，相应的评分越好），如综合供水保障率，指标得分按式（1）计算。

式中：xvel为指标赋分值，为0～100 之间；x为指标实际计算值；xmax为该项指标的满分值（达到该值，该项指标为满分）；xmin为该项指标计算的零分值，满分值和零分值的选取需参考现有的研究成果或相关规范标准确定。

对于逆向指标（即指标越小，相应的评分越好），如供水管网漏损率，指标得分按式（2）计算。

考虑到一些指标在数据观测或收集中不确定性可能带来的异常值问题，对存在明显异常值的计算结果采用95%极值标准化。

最后，依据得分对各项评价指标的状态进行等级划分，分级情况如表2所示。

表2 指标得分对应状态分级Tab.2 State classification corresponding to index score

2.2 层次分析法

层次分析法是美国著名运筹学家Saaty在20世纪70年代初提出的一种多目标决策系统分析方法，是水资源评价指标体系最常用方法，其原理是：将需要决策的问题置于一个大系统中，将问题分解并层次化，形成一个多层次的评价分析模型；之后综合运用数学方法与定性分析方法，计算出每个评价指标对上级指标产生的影响权重。最终通过逐层计算，得到问题总目标的权重，以此评价解决方案的优劣，实现辅助决策［18，19］，其主要步骤如下：

（1）构建判断矩阵。针对某一个评价指标的下一级，有n个同级指标，aij为第i个指标对第j个指标的相对重要性比值，构成判断矩阵为：

其中：aij＞0，aii =1，aji =1/aij，i= 1～n，j= 1～n，数值根据Saaty提出的9标度法确定。

（2）计算判断矩阵的特征向量W与最大特征值λmax，并对判断矩阵进行一致性检验。

①对A的每列进行归一化处理，得B=(bij)n×n，其中，bij =

②对B的每行求和，得C=(C1，C2， ...Cn)，其中，Ci =

③对C进行归一化处理，得W=(W1，W2， ...Wn)，其中，，W即为矩阵近似特征向量。

⑤判断矩阵一致性指标，CR =CI/RI，其中CR为判断矩阵的随机一致性比率，CI为判断矩阵的一般一致性指标。CI =；RI通过查表3 得到。如果CR＜0.1，则认为判断矩阵较为满意的一致性。通过一致性检验，最大特征值λmax所对应的特征向量W的各个分量代表了该层各指标相对于上一级指标的相对重要性，即为该级各指标的权重。

表3 不同阶数判断矩阵RI值Tab.3 RI value of judgment matrix with different orders

按照上述过程计算每一级指标权重，自下而上逐级相乘得到每个评价指标相对总目标的权重，最终将各指标按其权重加以综合评价。

3 实例应用

3.1 区域概况

临沂市辖3 区9 县，总面积为17 185 km2，属于鲁东南低山丘陵区，气候温和，自然资源丰富，交通便利。根据《临沂市水资源调查评价》，临沂市多年平均降水量818.8 mm，水资源总量55.36 亿m³，全市人均水资源占有量仅为497 m³，不足全国人均水平的1/4，属于资源型缺水地区。所处的地理位置和自然气候气象条件，决定了临沂市是一个干旱、洪水和台风灾害发生频繁的地区。水资源在年际间变化大，年内分布不均，6-9月的径流量约占全年径流量的83.0%；最大年径流量是最小年径流量的9.5 倍。地下水资源的地域分布也很不平衡，总体是平原区大于山丘区，岩溶山区大于一般山丘区，浅层地下水呈衰减态势。主要河流的大部分河段水质为Ⅲ类水，且有逐年下降的趋势。

3.2 水资源安全评价

根据2013-2018年《临沂市水资源公报》，临沂市多年平均供水量为17.02 亿m³，其中地表水供水量为12.30 亿m³，多年平均耗水量11.48 亿m³；临沂市多年平均蓄水工程供水量6.24 亿m³，多年平均引水工程供水量4.50 亿m³，多年平均提水工程供水量1.57 亿m³。多年平均人均用水量为159.29 m³，多年平均万元国内生产总值用水量43.31 m³，农业灌溉水利用系数0.632。根据《临沂市水安全保障总体规划》，临沂市现状水平年供水管网漏失水量为2 103.35 万m³，管网漏损率为12.59%，污水处理回用率为23.7%，工业水重复利用率为92%，根据《临沂市水资源调查评价》和《山东省水资源综合规划》，占临沂市域面积77.5%的沂沭河流域，现状水资源开发利用率只有31.3%。

对于指标权重的选取，采用专家赋分结合层次分析法，得到各个准则层以及准则层下各项指标的权重值，并依次加权求和得到各个准则层得分以及最终临沂市水资源安全评价综合得分。综上，得到临沂市水资源安全评价结果如表4。

根据表4，临沂市水资源安全评价结果综合得分为74.79，说明临沂市水资源安全水平整体上处于良好状态，存在一定的水安全保障需求，可通过相应的水利工程和水管理措施进一步提升区域内的水资源安全水平。准则层方面，供水保障准则层的综合得分为86.03，对应状态等级为优，说明临沂市在供水保障方面不存在太大的问题，进一步提升区域内供水保障能力的整体性需求不高。水资源开发准则层的综合得分为58.52，对应状态等级为中等，说明临沂市在水资源开发方面还存在较大优化空间。水资源调配准则层的综合得分为86.36，对应状态等级为优，说明临沂市在水资源调配方面处于较好的水平。水资源利用准则层的综合得分为63.88，对应状态等级为良好，还存在一定发展空间。

表4 临沂市水资源安全评价结果Tab.4 Evaluation results of water resources safety in Linyi City

4 结 论

水资源是社会经济发展的物质基础和战略资源，水资源安全的理念越来越受到社会的关注，水资源安全评价的目的是分析区域内水资源利用的安全状况，并依据其评价结果，分析区域水资源开发利用中存在的问题，为区域水资源安全战略和相关规划提供参考和借鉴。

本文基于对目前水资源安全指标的梳理，识别出科学简明、易于操作的评价指标，构成水资源安全评价的基本指标库。结合评价区域的相关特性，设置供水保障、水资源开发、水资源调配和水资源利用等影响区域水资源安全的4方面因素作为准则层，构建了含11项基本指标的区域水资源安全综合评价指标体系，对以临沂市进行了水资源安全综合评价研究。评价结果表明临沂市水资源安全水平整体上处于良好状态，但仍存在一定的水资源安全保障需求，主要体现在增强水资源开发能力、提升水资源利用效率方面。

水资源开发方面，由于临沂市现状拦蓄水能力较低，大量雨洪资源得不到利用，可通过新建大中型水库、原有水库扩容、改建拦河闸坝以及必要的水系连通工程等一系列措施完善水资源调配工程体系，进一步加强水资源开发能力。水资源利用效率方面，需坚持节水优先、强化约束，加强城镇节水、完善工业节水技术、充分利用再生水资源等系列措施，持续推进节水型社会建设，加快实现从粗放用水向集约节约用水的转变。 □