海南岛工程性缺水限制性评价

杨波，王文，秦大军，2，刘容辰

（1.三亚学院翟明国院士工作站，海南三亚 572022；2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029）

0 引言

水资源是维持生态系统的基本要素，也是人类赖以生存的基础性资源，随着社会经济的发展和人口的增加，水资源短缺、水环境恶化和水生态退化已成为全球性问题［1-3］。水资源短缺类型一般分为资源性缺水、工程性缺水、水质性缺水和管理性缺水等，水资源短缺评价也成为了国内外学者的研究热点。

水资源短缺评价研究经历从水量、水量-水质到水量-水质-生态等多维评价的发展过程［4，5］。水量型一维水资源短缺评价主要从水资源量、用水量与社会经济活动需水量之间的关系角度进行评价，如Falkenmark 指标法、紧迫系数法及其改进方法等［6-9］。由于人口增长和社会经济发展，水资源受到了前所未有的污染，认识到单纯的水量型水资源短缺评价无法识别水质污染对可利用水资源量的影响，许多研究将水质型缺水指标引入评价体系，逐渐发展了水量-水质二维水资源短缺评价体系，主要方法有Q-Q 指标法、水足迹法和污染指数法等［10-12］。同时，考虑到生态环境保护的需求，将生态环境需水、气候和土地利用等多种生态因素也纳入到评价体系中，从而发展了水量-水质-生态等多维水资源短缺评价体系［13-16］。上述研究大部分集中在水资源总量短缺、供需矛盾较突出的地区或城市，研究结果为衡量该地区或城市的水资源状态提供了方法，为解决当地水资源相关问题提供了方向。

工程性缺水是水资源短缺的主要类型之一，中国有相当比例的省份存在工程性缺水问题［17］，由于水资源短缺的类型不同，其评价方法及指标体系理应更有针对性。对于水资源总量丰富、由于特殊地理和地质环境而存不住水的工程性缺水地区的水资源评价的研究还不够深入，构建的指标体系也主要侧重于水资源支撑、社会经济和生态需求等方面，而对造成工程性缺水问题的取水便利、利用难度等工程供水先天条件缺乏深入的定量评价和考虑。

研究以地理位置特殊、工程性缺水较严重的海南岛为研究对象，在综合考虑了海南岛水资源支撑能力、工程供水能力和水资源需求压力的基础上，基于GIS数据挖掘，引入水资源工程供水先天条件等指标，构建工程性缺水限制性评价指标体系和模型，寻找造成工程性缺水问题的限制因子，期望能够为工程性缺水评价提供方法参考，同时为解决工程性缺水问题和水资源合理配置提供参考和依据。

1 研究区概况

海南岛位于中国最南端，陆地面积3.39 万km2，为大陆型岛屿，地形地貌主要由山地、丘陵、台地、阶地和平原等地貌类型构成。海南岛属热带季风气候，全年暖热，雨量充沛，干湿季节明显。海南岛水资源较为丰富，多年平均水资源总量30 757 亿m3，多年平均降水量在1 750 mm 以上，但时空分布不均，年际年内差异都较大，东北部地区降水多于西南部，汛期降雨量占全年的80%以上。海南岛天然水系呈放射状，源短流急，建库条件差，开发利用难度较大。海南岛高程分布及行政区划（不含三沙市）见图1。

图1 海南岛高程分布及行政区划（不含三沙）Fig.1 Elevation distribution and administrative division of Hainan Island（excluding Sansha）

2 研究方法

2.1 评价方法

引入基于GIS数据挖掘的水资源工程供水能力先天条件指标，采用改进的TOPSIS 法进行海南岛工程性缺水限制性评价。该方法是根据评价方案与理想方案的相对接近程度进行排序进而确定相对优劣的评价方法，是一种适用于多指标、多方案进行比较选择的分析方法。传统的TOPSIS评价方法中，将各指标数据进行标准化，从标准化矩阵中选取最大值和最小值作为正、负理想值，通过各指标与正、负理想值的距离进行综合评价，与理想值距离越贴近，则评价结果越优，这种方法考虑了各指标与正、负理想值之间的距离，最终的评价结果只能反映评价方案（或评价对象）之间的优劣程度排序，或只能根据优劣程度的排序人为的划分评价等级，由于没有等级标准的存在，所以，在科学合理的进行评价等级判定时存在一定难度。因此，本研究采用改进的TOPSIS 法，将指标分级标准与传统TOPSISI法中的评价指标值共同构建标准化矩阵，最终求出各评价对象、指标分级标准值与理想值之间的接近程度，由于指标分级标准值的接近程度的引入，可根据其接近程度判断其所处的具体等级范围，从而实现评价等级的合理划分。具体的计算步骤如下。

（1）数据指标同趋势化和归一化。评价指标分为正向指标（值越大越好）和负向指标（值越小越好）。在进行评价时，要求所有指标变化方向一致（即同趋势化），本研究中采用反比法将负向指标转化为正向指标得到同趋势化指标数据。由于评价指标量纲不同，对同趋势化后的数据需进行归一化。将方案数为m，指标数为n的一组数进行同趋势化后再进行归一化，得到无量纲的决策矩阵A=（aij）m×n，归一化公式如下：

式中：aij和xij分别为第i个评价对象第j个指标的归一化值和同趋势化值。

根据改进的TOPSIS 法，将分级指标标准值与传统TOPSIS法中的评价指标值共同构建标准化矩阵，本研究中，评价对象m的值为海南本岛18 个市县和4 个临界标准值个数的和，即m=22，n为指标个数，即n=12。

（2）确定各指标的正、负理想解a+和a-。

（3）计算各评价对象与正、负理想解的欧氏距离和。

式中：wj为第j各指标的权重。

（4）权重wj的确定。确定指标权重分为主观赋权法和客观赋权法两大类［18］，其各有优缺点。为尽量克服2 种方法各自的缺陷，本研究分别采用层次分析法和熵权法计算得到权重，然后采用基于博弈论的组合赋权法来确定各指标的最终权重［19］，该方法采用系统分析的思想，从逻辑上将两大类赋权法有机结合起来，以求得不同权重之间的一致或妥协，使可能的权重与各权重之间的自偏差最小化。

（5）计算评价对象与最优方案的接近程度Ti。接近程度即贴进度，取值范围为0～1，其值越大，表明评价对象越接近于最优方案。其公式为：

由于评价矩阵中引入了指标分级标准，因此，通过该公式可以求出指标分级标准临界值的贴进度，与各评价方案贴进度进行比较，从而科学合理的实现各方案评价等级的划分。

2.2 限制因子分析

为改善海南岛工程性缺水问题，需要找出对工程性缺水影响较大的限制因子。研究采用障碍度模型来评价和衡量各指标对工程性缺水问题的影响程度，从而找出主要限制因子。各指标障碍度具体计算步骤［20］如下。

（1）指标数据标准化。

式中：Yij为指标数据的标准化值；和分别为第j个指标归一化的最大和最小值。

（2）计算第j个评价指标与理想解的偏离度Ij。

（3）计算各指标障碍度Oj。

2.3 指标体系构建

工程性缺水与水资源的丰富程度、工程供水先天条件和水资源的需求压力有关。研究从水资源的支撑能力、工程供水先天条件和水资源需求压力等3 个方面考虑，选择了12 个指标构建工程性缺水限制性评价指标体系（表1），该指标体系较为系统和全面的描述了水资源工程性缺水限制性的相关影响因素，从而对区域内水资源工程性缺水限制性做出合理的评价。

表1 工程性缺水限制性评价指标体系Tab.1 Evaluation index for limitation of engineering water shortage

2.4 评价指标分级标准划分

评价指标分级标准的划分对评价结果有重要影响。根据国家相关规范和标准，结合海南省关于水资源保护和发展规划的要求，在参考了跟上述指标相关的标准和文献基础上［20，21］，确定了评价体系各指标的分级标准，并将其划分为“差（Ⅰ）”、“较差（Ⅱ）”、“中等（Ⅲ）”、“较好（Ⅳ）”和“好（Ⅴ）”等5 个等级，该5 个等级由4 个临界标准值进行划分。各指标的分级标准值详见表2（C5暂无参考分级标准，本研究中依据海南本岛17个市县的单位面积库容数据大小排序后进行等级划分）。

表2 评价指标分级标准Tab.2 Grade standard of evaluation index

2.5 数据来源

研究各指标数据主要来源于1998-2020 年《海南省水资源公报》和《2020年海南省统计年鉴》（C6和C7除外）。C6和C7数据采用海南DEM 数据（分辨率1”），通过ArcGIS10.5 中部分水文分析工具进行提取。

2.5.1 河网密度提取与计算

河网密度（C6）是区域工程供水先天条件的核心指标之一，其反映的是水资源取水的优势度，其计算公式为：

式中：li为区域内第i条河流长度，km；A为区域总面积，km2。

区域内河网分别采用ArcGIS 水文分析工具“填洼-流向分析-汇流量分析-栅格计算器-分类-转化”等进行提取［22］，河流总长度采用属性表中“统计”进行汇总计算。

2.5.2 河流坡降提取与计算

河流坡降（C7）是反映区域工程性取水难易程度的指标，其计算公式为：

式中：hi为区域内第i条河流上下游的高差，m；L为区域内所有河流总长度。

河流i上下游的高差通过提取上下游的高程获得。具体方法为：①根据2.5.1 提取的河网，采用ArcGIS“编辑-点”工具选出区域内河流上下游的点位置；②采用水文分析工具“提取-点的值”提取上下游点的高程；③根据上下游点的高程计算河流i的高差。

3 结果与分析

3.1 权重的确定

根据上文2.3 构建的指标体系和海南岛的具体情况，分别采用层次分析法和熵权法计算得到各指标的权重，然后再采用基于博弈论的组合赋权法确定最终的权重，结果见表3。结果表明，基于博弈论的组合赋权法得到的权重介于层次分析法和熵权法所得权重之间，该结果协调和均衡了两者的作用和影响，使得权重的分配更加合理和科学。

表3 指标权重Tab.3 Index weights

3.2 海南本岛各市县贴进度

根据上文2.3 所述的评价指标和2.4 所述的评价指标标准分级临界值共同构造标准化决策矩阵，根据2.1 所述的改进的TOPSIS 评价方法，采用公式（1）～（4）计算指标分级临界标准值和海南本岛各市县的贴进度Ti，根据临界标准值的Ti将工程性缺水限制性评价等级依次划分为“差（Ⅰ）”、“较差”、“中等（Ⅲ）”、“较好（Ⅳ）”和“好（Ⅴ）”等5 个等级，并根据海南本岛17个市县的Ti所在区间进行分级，其结果分别见表4、5 和图2。整体来看，海南岛本岛大部分市县工程性缺水评价等级不高，没有市县贴进度评级达到“好（Ⅴ）”等以上，仅琼中和琼海等两个市县达到“较好（Ⅳ）”等级。文昌、定安、屯昌、澄迈、临高和昌江等约1/3 的市县贴进度评级为“较差（Ⅱ）”等级，说明其存在着较明显的工程性缺水问题。其他市县均为“中等（Ⅲ）”等级，其中东方和万宁Ti值偏临界值2（偏“较差”等级）。从空间维度来看，海南本岛工程性缺水问题空间差异明显，中部和南部地区工程性缺水问题要好于东北部地区，评价结果为“较差（Ⅱ）”等级的市县主要集中在东北部地区。

图2 海南本岛各市县贴进度Ti及工程性缺水评价分级Fig.2 Proximity Ti and grading of engineering water shortage in Hainan Island

表4 指标分级临界标准值贴进度TiTab.4 Proximity Ti of critical standard value

表5 工程性缺水评价分级标准Tab.5 Grading standard of engineering water shortage evaluation

3.3 工程性缺水限制因子分析

采用公式（5）～（7）分别计算出海南本岛17个市县各指标的障碍度，各市县障碍度结果见图3，各指标障碍度总和结果见图4。从整体来看，障碍度总和排名前5的限制因子主要有河流坡降（C7）、万元GDP 用水量（C9）、单位面积耕地灌溉用水量（C12）、万元工业增加值用水量（C11）和河网密度（C6），其中，2个属于工程供水能力维度，3 个属于水资源需求压力维度。水资源支撑能力维度指标的障碍度总体排名靠后，其中障碍度最低的为产水模数（C1），说明海南岛降水充沛，单位面积水资源总量较丰富。

图3 海南本岛各市县障碍度Fig.3 Obstacle degree of cities and counties in Hainan Island

图4 各指标障碍度总和Fig.4 Sum of index obstacle degree

最大的限制因子为河流坡降，海南岛大部分河流为独流入海河流，流程短，流速快，造成大部分地区工程取水难度较大，河网密度的总体障碍度排名也趋于前列，说明河网密度欠缺，工程取水便利性不强。万元GDP 用水量、单位面积耕地灌溉用水量和万元工业增加值用水量等3个指标反映了社会经济发展用水的效率。进一步的指标分析发现，除海口、三亚和琼海外其他市县的万元GDP 用水量都大于指标分级标准临界值3，其中10 个市县该指标值大于指标分级标准临界值4，说明该项指标绝大部分市县处于“差”和“较差”水平，总体用水效率较低。所有市县单位面积耕地灌溉用水量指标全部超过了分级标准临界值4，处于“差”水平，说明全岛农业用水效率普遍很低。近一半市县万元工业增加值用水量指标超过分级标准临界值3，处于“较差”水平，个别市县处于“差”水平，说明工业用水效率同样处于较低水平。

为进一步探讨海南岛工程性缺水的空间差异性问题，分析各个市县工程性缺水的主要限制因子，整理出各市县障碍度前5的指标列于表6。结果表明，河流坡降（C7）在三亚、五指山、琼中、保亭、白沙和昌江等6个市县中障碍度排名第1，该6个市县位于海南岛中部和南部地区，以山区丘陵等地形为主，河流流速较快，工程取水难度较大。对于评价结果为“较差（Ⅱ）”等级的文昌、定安、屯昌、澄迈、临高和昌江而言，除了上述提到的河流坡降（C7）指标以外，前五的障碍因子主要集中在万元GDP 用水量（C9）、万元工业增加值用水量（C11）、单位面积耕地灌溉用水量（C12）等用水效率指标上。此外，海口、三亚、儋州、澄迈和临高等5 个市县的人均水资源量（C3）指标障碍度排名靠前，三亚和澄迈水资源开发利用率相对较低，水资源开发利用还有一定的潜力可挖。单面面积库容（C5）障碍度排名靠前的市县主要有海口、澄迈、定安、五指山、文昌、保亭、陵水、万宁和白沙等市县，进一步指标分析发现，除上述市县除海口和澄迈外，其余市县的水资源开发利用率都没超过10%，可通过新建水利工程的方式提高单位面积库容，降低该项指标的障碍度。

表6 海南岛各市县主要障碍因子及排序Tab.6 Main obstacle factors of all cities and counties in Hainan Island

4 结论

（1）就海南岛存在的工程性缺水评价问题，引入工程供水先天条件指标，根据基于博弈论的组合赋权法和指标分级标准数据分析矩阵，采用改进的TOPSIS 法，对海南岛本岛17个市县进行了工程性缺水限制性评价，同时构建障碍度模型进行工程性缺水的限制因子分析。通过贴进度反映工程性缺水严重程度，通过障碍度分析工程性缺水的限制因子，可为工程性缺水限制性评价和解决工程性缺水问题提供一定的参考。研究发现海南全岛水资源的支撑能力较强，但工程供水先天条件相对较差，水资源需求压力较大。海南岛工程性缺水问题空间差异明显，评价结果为“较差（Ⅱ）”等级的市县主要集中在东北部地区。

（2）对海南岛各市县区域开展了进一步因子障碍度分析，找到各市县工程性缺水的限制因子及其差异性，可为水资源的合理开发利用和配置提供参考。研究发现中部山区水资源需求压力相对较小而工程利用的先决条件也较差，应以小流域综合治理和水土保持为重点。东北部评价等价较差的区域，限制因子主要集中在用水效率指标上，要改善上述评价结果较差市县的工程性缺水问题，提高农业和工业用水效率是其改善的主要途径之一，建立节水型农业和工业是最基本的行动计划，因此，研究和推广高效率的田间配水系统及灌溉计划、开发和种植低耗水作物、选择合适的工业发展项目和提高水重复利用率等方面可作为后续工作的重点方向。单位面积库容（C5）障碍度排名靠后而人均水资源量（C3）较多的市县主要有琼海、东方和琼中，可作为其他市县引水提水工程的水源地。此外，海口、儋州和临高等沿海市县，人均水资源量较低，其水资源开发利用率已经超过了30%，新建引水提水工程和海水淡化等开源性手段可作为改善工程性缺水问题的主要途径。

（3）将基于GIS 数据的工程供水先天条件指标引入到现有评价方法和模型中，对于工程性缺水的限制性评价做了更全面的分析，在此基础上，对各市县工程性缺水的空间差异进行了进一步的分析，但在水资源分区和流域尺度上的分析还显不足。由于在水资源需求压力准则层，通过统计数据很难获得相应的流域指标数据，因此，可开展在水资源分区和流域尺度上的指标体系及相应数据获取技术方法和手段，将流域水系和行政区划有机结合，提高评价结果的合理性、科学性和可比性。