基于水资源管理调控的银川市水资源安全综合评价

摘 要：综合考虑影响水资源安全的自然因素及社会因素，从城市水资源条件、社会协调能力、经济协调能力、生态环境协调能力４个维度选取１９ 个指标建立水资源安全评价指标体系。利用投影寻踪法对银川市水资源安全状况进行评价，分析随着社会经济调控策略的实施，不同指标对区域水资源安全贡献度的变化规律。结果表明：２０１４—２０２１ 年水资源安全等级整体呈上升趋势；研究期内社会经济调控相关指标对水资源安全的贡献度持续上升，表明社会经济调控策略的实施提升了水资源安全度，减弱了水资源刚性约束作用；自２０１７ 年起农业用水相关指标逐渐成为银川市水资源安全的关键影响因素；节水器具普及率、工业废水排放达标率、城市饮用水水质达标率的贡献度一直为０，说明这些指标代表的领域对于提升水资源安全度已经没有发展空间。

关键词：水资源安全；投影寻踪；综合评价；社会经济调控；银川市

中图分类号：ＴＶ２１３．４ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．１２．０１４

引用格式：马世龙，杜倩萍，李康慧，等．基于水资源管理调控的银川市水资源安全综合评价［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（１２）：８５－８９．

０ 引言

水资源安全受自然及人类社会的双重影响［１－２］ 。大量取用水削弱了自然水循环能力，引发水资源短缺问题［３］ ，而社会适应能力的增强一定程度减弱了资源短缺的影响［４－５］ 。区域水资源安全意味着区域拥有的水资源数量与质量、水资源利用管理活动等对人类社会稳定发展是可持续的，可通过管理与调控社会经济系统、生态环境系统中各因素保障水资源安全［６－９］ 。

在区域水资源安全研究方面，代稳等［１０］ 运用集对分析法对贵州省水资源安全状况进行了综合评价；王永良［１１］ 认为水资源短缺与社会适应能力具有耦合协调关系，可看作社会性安全问题；史正涛等［１２］ 阐述了城市水安全的内涵，分析了水资源系统与自然生态环境子系统、社会子系统、经济子系统之间的关系。目前已有研究强调对特定时空范围内水资源安全状况的定量评价，对影响区域水资源安全的人为、自然因素及其驱动机制的识别［１３－１４］ 。节水型社会建设可提升社会经济调控能力［１５］ ，有利于保障水资源安全［１６］ 。但当前关于社会经济调控策略实施对水资源安全发挥的作用，以及一些因素可能产生的负面影响讨论不多。

干旱地区的水资源刚性约束长期存在，对该地区水资源进行调控非常重要［１７－１８］ 。宁夏回族自治区银川市是全国严重缺水的城市之一，水资源安全状况非常严峻。多年来，以节水型社会建设为代表的多种水资源管理策略，使银川市水资源安全度有较大提升。但总体而言，水资源短缺是该市长期存在的问题。本文利用投影寻踪法，对银川市节水型社会建设状况下的水资源安全发展趋势进行分析，并分析社会经济调控策略对水资源安全的影响。

１ 水资源安全评价方法

１．１ 水资源安全评价指标体系构建

从城市水资源条件、社会协调能力、经济协调能力、生态环境协调能力４ 个维度选择１９ 个指标［１９－２０］ ，建立水资源安全评价指标体系，见表１。

１．２ 投影寻踪等级评价模型构建

构建投影寻踪等级评价模型（ＰＰＥ）用于水资源安全综合评价，步骤如下［１３］ 。

１）数据归一化处理。评价等级标准样本值为

{ｘ∗（ｉ，ｊ） ｜ ｉ ＝ １，２，…，ｎ；ｊ ＝ １，２，…，ｐ} （１）

对于越大越优的指标：

式中： ｘ∗（ｉ，ｊ） 为第ｉ 个样本第ｊ 个指标的原值，ｘｍａｘ（ｊ） 、ｘｍｉｎ（ｊ） 分别为第ｊ 个指标的最大原值、最小原值，ｘ（ｉ，ｊ）为极差归一化后第ｉ 个样本第ｊ 个指标值。

２）构造指标投影函数。把ｘ（ｉ，ｊ） 投影到以ａ ＝［ａ（１），ａ（２），…，ａ（ｐ）］为投影方向的一维子空间，投影值ｚ（ｉ）计算公式为

在综合投影时，要求整体投影点尽可能分散开，局部投影点尽可能密集，投影指标函数Ｑｚ 表达式为

式中： Ｓｚ 为ｚ（ｉ） 的标准差；Ｄｚ 为ｚ（ｉ） 的局部密度；Ｅ（ｚ） 为ｚ（ｉ） 序列的平均值；Ｒ 为局部密度的窗口半径（密度窗宽）；ｒ（ｉ，ｊ） 为样本之间的距离；ｕ 为单位阶跃函数，Ｒ － ｒ（ｉ，ｊ） ＜ ０时ｕ ＝ ０，Ｒ － ｒ（ｉ，ｊ） ≥０时ｕ ＝ １。

３） 优化投影指标函数。通过求解投影指标函数Ｑａ 最大化问题估计最佳投影方向。最大目标函数：

ｍａｘ Ｑａ ＝ Ｓｚ Ｄｚ （８）

约束条件：

选用模拟生物优胜劣汰与群体染色体信息交换的加速遗传算法（ＲＡＧＡ）解决高维全局寻优问题。

４）等级评价。将最佳投影方向代入式（４）得到投影值，建立投影寻踪等级评价模型ｙ∗ ＝ｆ（ｚ），将投影值代入ｙ∗ ＝ｆ（ｚ）确定每个评价样本的所属等级。

１．３ 水资源安全阈值确定

借鉴相关研究成果［１２－１３］ ，结合区域实际情况，确定水资源安全阈值及权重，见表２。

１．４ 投影寻踪等级评价模型求解

１）对评价样本及评价等级标准样本进行归一化处理，原始数据来自２０１４—２０２１ 年《水资源公报》《宁夏回族自治区国民经济和社会发展统计公报》。

２）在ＭＡＴＬＡＢ 中编写相应的目标函数及约束条件，采用遗传算法进行２ ０００ 次迭代实验，求得最大目标函数值为４．６７３，基于评价等级标准样本的最佳投影方向向量ａ ＝［０．３３９，０．２２６，０．１３０，０．２０５，０．２３４，０．２０６，０．１９６，０．２１６，０．２４３，０．２５０，０．２０６，０．２８０，０．２２７，０．３３７，０．１５９，０．１５８，０．２６３，０．１９４，０．１５５］。

２ 结果分析

２．１ 指标层权重判定

根据模型计算得到的最佳投影方向向量的投影值确定指标权重并进行排序（详见表２），权重越大，说明该项指标对水资源安全的影响越大。Ｃ１、Ｃ５、Ｃ９、Ｃ１０、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１７ 等是对水资源安全影响较大的指标，属于关键指标，今后应引起重视；而Ｃ３、Ｃ１５、Ｃ１６、Ｃ１８、Ｃ１９等权重较小，对水资源安全影响较小，说明相关调控策略未对保障研究区的水资源安全起到明显作用。

２．２ ２０１４—２０２１ 年水资源安全等级确定

依据式（４）计算得到评价等级标准样本的投影值ｚ（ｉ）＝ （４．２３４，２．８５０，１．９５２，１．２５０，０）。绘制投影值与水资源安全等级关系图（见图１），建立投影寻踪等级评价函数。标准等级值１～５ 对应的水资源安全状态分别为安全、较安全、基本安全、不安全、极不安全，对应的计算等级值分别为０．８３、２．２１、３．１１、３．８２、５．０７。投影值与水资源安全等级具有较好的线性关系，可以利用等级评价函数对水资源安全进行评估。

根据式（４）求得２０１４—２０２１ 年不同年份的投影值分别为０．９７３、１．０５１、２．０７８、２． ０１０、２． ４５９、１． ６０２、１．６６７、２．３００，将其代入等级评价函数得出２０１４—２０２１年水资源安全等级，见图２（等级值越小等级越高）。可以看到，２０１４—２０２１ 年水资源安全等级整体呈上升趋势，其中：２０１４ 年等级最低，处于不安全状态；２０１８年等级最高，处于较安全状态。２０１４ 年、２０１５ 年银川市水资源呈不安全状态，原因是农业用水占比大，节水灌溉效率低，导致低效用水和水资源浪费；２０１６—２０１８年高效节水灌溉技术推广，农业用水减少、效率提升，水资源处于较安全状态；２０１９ 年当地人均水资源量由８２．４２ ｍ３ ／ 人下降至４９．１０ ｍ３ ／ 人，城市人口增加导致用水量增大，水资源紧缺，安全等级值增大至３．４６２；２０１９—２０２１ 年银川市水资源由基本安全转变为较安全。

２．３ 评价指标贡献度判定

利用式（４）求得不同年份各指标在最佳投影方向向量的分量值，确定不同年份各指标对水资源安全的贡献度及排序，见表３（对于贡献度为０ 的指标，不进行排序）。贡献度越高的指标为对水资源安全驱动影响越大的因素，须要保持现状或者重点调控。

分析表３ 可知，不同年份各指标对水资源安全的影响程度不同，呈现出一定的阶段性。

１）２０１４ 年区域水资源呈不安全状态，影响该年度水资源安全的指标主要为Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ１６，这些指标主要反映该年度水资源基础条件及社会经济状况。２０１５—２０１８ 年银川市整体水资源安全形势好转，仅个别指标的贡献度变化较大，如Ｃ３、Ｃ７、Ｃ１１、Ｃ１４，这些指标逐渐成为关键因素，这一时期节水型社会试点刚完成验收，各种制度、管理措施已经完善，节水型社会进入持续建设状态，各种调控策略及手段持续发挥作用，农业节水成效显著。

２）对于水资源基础条件相关指标，２０１５—２０２０ 年Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ５ 的贡献度变化较大，其中Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 的贡献度排序从２０１５ 年２、４、６ 位分别下降到２０２０ 年１３、９、１６ 位，说明在水资源短缺地区，随着社会经济调控的深入，水资源基础条件相关指标对水资源安全的影响程度逐渐降低。而Ｃ６、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１７、Ｃ１０ 等社会经济调控相关指标排序逐渐上升，逐步成为影响区域水资源安全的重要因素，且可以弥补水资源短缺带来的不利影响，促进区域水资源安全整体向好。

３）自２０１７ 年起农业用水相关指标的贡献度排序一直处于前列，逐渐成为银川市水资源安全的关键影响因素。农业是该区域用水大业，当年用水比重达８７％，灌溉水利用系数为０．５３４，农业节水任重道远。随着城镇化推进，生活用水量增加增大了安全风险，水环境治理则促进了水安全。污水再生回用率的贡献度虽然提升，但还没有发挥明显作用，需要进一步加强城市污水处理与回用。

４）节水器具普及率Ｃ９、工业废水排放达标率Ｃ１８、城市饮用水水质达标率Ｃ１９ 在研究期内贡献度一直为０，虽然０ 不代表该指标没有贡献度，但根据原始数据可知，这些指标早在节水型社会建设试点末期，指标达标率就已经达到了１００％上限值，说明对于促进区域水资源安全，这些指标代表的领域已经没有发展空间，在今后评价中可以忽略。

３ 结论

针对水资源短缺地区，建立基于投影寻踪的水资源安全评价模型，对银川市２０１４—２０２１ 年水资源安全进行综合评价，讨论了在水资源短缺地区社会经济调控策略对水资源安全的驱动及影响。随着社会经济调控力度的增大，区域水资源安全状况有所改善。截至２０２１ 年，水资源基础条件相关指标对水资源安全的影响减弱；农业用水比重、万元ＧＤＰ 用水量等是关键影响因素，应重点关注；水资源开发利用率、城市饮用水水质达标率、环保投资比重等对水资源安全的贡献度较低，节水器具普及率、工业废水排放达标率、城市饮用水水质达标率的贡献度一直为０，可能不再是水资源安全的约束因素。在今后评价中，需要重新筛选和调整这些指标。

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【责任编辑 栗 铭】

基金项目：宁夏大学研究生创新项目（ＣＸＸＭ２０２３４０）；宁夏自然科学基金资助项目（２０２３ＡＡＣ０３１３８）；宁夏科技重点研发项目（２０２３ＢＥＧ０２０５５）；宁夏高等学校一流学科（水利工程学科） 项目（ＮＸＹＬＸＫ２０２１Ａ０３）