李治軍，姚 蓉，王 濤，寧 靜

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080； 2.寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱 150080； 3.桂林理工大學(xué) 科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541006； 4.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 巖溶地質(zhì)研究所/自然資源部 廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

1 概 述

水是重要的自然資源和經(jīng)濟(jì)資源，水資源安全是水資源供給與需求相互制衡的狀態(tài)。水資源與發(fā)展之間的矛盾主要有水資源短缺制約了經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境脆弱影響生活質(zhì)量、人均水資源量少但需求量大，這些矛盾都體現(xiàn)為水資源安全問(wèn)題[1]。西安市是水資源缺乏的西部城市，因此水資源安全問(wèn)題的研究對(duì)于西安市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。關(guān)于水資源安全綜合評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。國(guó)外學(xué)者和機(jī)構(gòu)對(duì)于水資源安全的研究起步較早。國(guó)外學(xué)者組織了一系列的水科學(xué)計(jì)劃，從不同維度探討水資源安全問(wèn)題。賈紹鳳等在以水資源壓力指數(shù)(WPI)為基礎(chǔ)，從水資源安全、社會(huì)安全和經(jīng)濟(jì)安全等方面建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[2]。夏軍、陳德敏等學(xué)者研究了水資源承載能力對(duì)于認(rèn)識(shí)和建設(shè)區(qū)域水資源安全保障體系的作用和意義[3]。凌紅波等利用AHP和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)瑪納斯河流域水資源安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)[4]。對(duì)于多領(lǐng)域的綜合評(píng)價(jià)方法，一直以來(lái)都在不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，主要有模糊綜合評(píng)價(jià)法、物元分析法、層次分析法[5]、專(zhuān)家評(píng)價(jià)法等。

2 研究區(qū)概況

西安市位于黃河流域中部關(guān)中盆地，E107°40′-E109°49′和N33°42′-N34°45′之間。東以零河和灞源山地為界，與華縣、渭南市、商州區(qū)、洛南縣相接；西以太白山地及青化黃土臺(tái)塬為界，與眉縣、太白縣接壤；南至北秦嶺主脊，與佛坪縣、寧陜縣、柞水縣分界；北至渭河，東北跨渭河，與咸陽(yáng)市區(qū)、楊凌區(qū)和三原、涇陽(yáng)、興平、武功、扶風(fēng)、富平等縣(市)相鄰。西安市區(qū)東有灞河、浐河，南有潏河、滈河，西有皂河、灃河，北有渭河、涇河，此外還有黑河、石川河、澇河、零河等較大河流。其中，絕大多數(shù)屬黃河流域的渭河水系。西安市的徑流主要由降水形成，具有時(shí)空分布不均的特點(diǎn)。西安市水資源總量23.47×108m3，全市多年平均降水量744 mm，西安市境內(nèi)河網(wǎng)密集，共有54條河流。

3 水資源安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

建立水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，要遵守一定的原則。要實(shí)現(xiàn)科學(xué)性與完備性的統(tǒng)一，同時(shí)兼顧定量與定性，并且具備一定的導(dǎo)向性，要將動(dòng)態(tài)與靜態(tài)相結(jié)合，還要有較強(qiáng)的可操作性，以便獲得數(shù)據(jù)[6]。本文將水資源安全綜合評(píng)價(jià)值作為目標(biāo)層，有4個(gè)準(zhǔn)則層，選取14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。表1中數(shù)據(jù)均來(lái)自《陜西省水資源公報(bào)》、2013-2019的《西安市水資源公報(bào)》以及《西安市統(tǒng)計(jì)年鑒》。

表1 西安市水安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.2 研究區(qū)評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

根據(jù)西安市的水資源安全狀況及經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，并且咨詢(xún)專(zhuān)家意見(jiàn)，對(duì)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)，見(jiàn)表2。

表2 研究區(qū)水安全評(píng)價(jià)體系標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)

4 水資源安全綜合評(píng)價(jià)

4.1 權(quán)重計(jì)算

4.1.1 層次分析法計(jì)算權(quán)重

層次分析法(Analytical Hierarchy Process簡(jiǎn)稱(chēng)AHP)是多準(zhǔn)則決策領(lǐng)域常用的一種方法，是思維數(shù)學(xué)化的過(guò)程[7]。通過(guò)專(zhuān)家打分，因考慮到需要處理的數(shù)據(jù)比較多，計(jì)算量大，所以用MATLAB軟件運(yùn)算，見(jiàn)表3。

表3 AHP-熵權(quán)法評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

4.1.2 熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重

熵權(quán)法避免了人為的主觀因素而造成評(píng)價(jià)結(jié)果的誤差，熵權(quán)使評(píng)價(jià)結(jié)果更符合客觀實(shí)際。熵值賦權(quán)就是利用指標(biāo)熵值來(lái)確定所要評(píng)價(jià)對(duì)象的權(quán)重，利用熵值法確定權(quán)重，首先要將原始值標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值有負(fù)有正，需利用坐標(biāo)平移法來(lái)消除負(fù)值[8]。根據(jù)公式求出的熵值和差異系數(shù)就可求出各指標(biāo)的權(quán)重。熵權(quán)法計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

4.2 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

模糊綜合評(píng)價(jià)[9]是一種用于涉及模糊因素對(duì)象系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)方法，準(zhǔn)則層構(gòu)成評(píng)價(jià)因素集U={B1,B2,B3,B4}。由表2評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)可知，將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為5個(gè)等級(jí)，其評(píng)價(jià)等級(jí)集合V={V1,V2,V3,V4,V5}，建立模糊關(guān)系矩陣R[10]，R=(rij)m×n，即

(1)

本文隸屬度計(jì)算采用三角形隸屬函數(shù)，評(píng)價(jià)因素Ui對(duì)等級(jí)Vj的隸屬度。對(duì)于值越小越安全的的指標(biāo)和對(duì)于值越大越安全的指標(biāo)分別用不同的隸屬度公式[11]。根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)模型[12]B=ωR，求模糊綜合評(píng)價(jià)向量B={b1,b2,…,bn}，然后對(duì)向量B采用加權(quán)平均原則求出B*，確定西安市的水資源安全等級(jí)。本文根據(jù)水資源安全要求和表2的指標(biāo)等級(jí)劃分，將水資源安全劃分為5個(gè)等級(jí)，具體見(jiàn)表4。

表4 水資源安全分級(jí)

對(duì)于指標(biāo)性質(zhì)為負(fù)的指標(biāo)，屬于第一等級(jí)的隸屬函數(shù)為：

(2)

屬于第二、第三、第四等級(jí)的隸屬函數(shù)為：

(3)

屬于第五等級(jí)的隸屬函數(shù)為：

(4)

(5)

(6)

式中：B*為研究區(qū)的水資源安全狀況綜合評(píng)價(jià)值。

通過(guò)上式，計(jì)算出西安市2013至2019年的水資源安全綜合評(píng)價(jià)值，具體見(jiàn)表5。

表5 2013-2019西安市水資源安全綜合評(píng)價(jià)值-評(píng)價(jià)等級(jí)

4.3 結(jié)果分析

1) 從表5可知，西安市水安全綜合評(píng)價(jià)值都處于三級(jí)，整體水安全狀況在逐步改善；2013年水安全綜合評(píng)價(jià)值最高，水資源安全狀況最差。整個(gè)評(píng)價(jià)期內(nèi)，2013年國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，工業(yè)以及生活農(nóng)業(yè)用水量需求大，但環(huán)保意識(shí)還沒(méi)有跟上，在環(huán)保上的投資量少，導(dǎo)致水安全狀況變差。之后隨著環(huán)保意識(shí)的提升，水安全綜合評(píng)價(jià)值整體上處于下降趨勢(shì)，水安全狀況在逐步改善。

2) 由表5評(píng)價(jià)值變化情況知，社會(huì)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)值上下浮動(dòng)不大，比較穩(wěn)定，都處于二級(jí)，人口密度變化幅度不大。2016年B3值達(dá)到4.92，處于五級(jí)。說(shuō)明水資源匱乏，水安全整體狀況一般。

5 結(jié) 論

1) 本文從水資源安全的實(shí)際需求出發(fā)，運(yùn)用AHP和熵權(quán)法的組合賦權(quán)法計(jì)算權(quán)重，保證了計(jì)算結(jié)果的客觀性與準(zhǔn)確性。

2) 根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)可知，2013-2019年西安市綜合評(píng)價(jià)值均處在Ⅲ級(jí)，基本安全。綜合評(píng)價(jià)值總體上呈下降趨勢(shì)，向安全狀況發(fā)展。