基于熵值法的山西省水資源脆弱性模糊綜合評(píng)價(jià)

(山西省水利水電科學(xué)研究院,山西 太原 030002)

水資源是人類賴以生存的基礎(chǔ)性自然資源，隨著我國(guó)人口增長(zhǎng)以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展，導(dǎo)致生活、生產(chǎn)對(duì)水資源的需求逐年增加，在一些水資源相對(duì)匱乏的地區(qū)，其水資源開(kāi)發(fā)利用程度已遠(yuǎn)超出當(dāng)?shù)氐乃Y源承載能力[1]，使得水資源系統(tǒng)越來(lái)越脆弱。山西省是缺水大省，其水資源總量位居全國(guó)倒數(shù)第二，人均水資源占有量?jī)H為381m3，水資源的貧乏導(dǎo)致干旱化加劇、水污染嚴(yán)重、水環(huán)境破壞等一系列問(wèn)題，從而惡性循環(huán)形成了一個(gè)更加脆弱的水資源系統(tǒng)。

水資源脆弱性可以有效客觀地反映水資源當(dāng)前所處的狀況，而水資源脆弱性評(píng)價(jià)作為一種量化水資源脆弱性程度的度量標(biāo)準(zhǔn)[2]，近年來(lái)得到了廣泛的研究。目前，在評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建上主要采用層次分析法、主成分因子分析法、專家意見(jiàn)法等對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，再與分形理論、集對(duì)分析、模糊數(shù)學(xué)等方法進(jìn)行合成，對(duì)某區(qū)域的水資源脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)[3-4]。目前，在指標(biāo)的賦權(quán)上常采用的方法中層次分析法、主成分因子法等基本為主觀評(píng)價(jià)法，主觀性強(qiáng)且計(jì)算較為復(fù)雜，另外當(dāng)前的研究大都集中在單一維度的研究上，不能較為全面地反映出水資源脆弱性的時(shí)間變化規(guī)律及空間分布格局。

本文以山西省太原市、運(yùn)城市、大同市為研究對(duì)象，在構(gòu)建DPSIR概念模型的水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)與熵值法相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)法，從時(shí)間及空間上對(duì)山西省水資源的脆弱程度WVI(Water Vulnerability Index)作出評(píng)價(jià)，以期為山西省水資源的合理開(kāi)發(fā)利用及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

為了能夠?qū)ι轿魇∷Y源系統(tǒng)脆弱性進(jìn)行定量分析，DPSIR(Driving force-pressures-states-impacts-responses)模型1993年由歐洲環(huán)境署首次提出，其是對(duì)資源及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)的概念性模型[5]。本文利用DPSIR模型，根據(jù)研究區(qū)域及研究側(cè)重點(diǎn)的不同，將表征系統(tǒng)的多種評(píng)價(jià)指標(biāo)分成5種類型：驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)(D)、壓力指標(biāo)(P)、狀態(tài)指標(biāo)(S)、影響指標(biāo)(I)及響應(yīng)指標(biāo)(R)，每種指標(biāo)由若干個(gè)下級(jí)指標(biāo)構(gòu)成[6]。

在依據(jù)全面性、可操作性、獨(dú)立性、完整性等原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合地區(qū)的實(shí)際情況，構(gòu)建了山西省水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，由5部分11項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成，各項(xiàng)指標(biāo)的意義及來(lái)源見(jiàn)表1。

表1 山西省水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 基于熵權(quán)法的模糊評(píng)價(jià)模型

模糊評(píng)價(jià)模型是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)進(jìn)行的綜合評(píng)價(jià)，表達(dá)式為：

B=A·R

(1)

式中B——模糊評(píng)價(jià)結(jié)果；

A——各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重集；

R——模糊關(guān)系矩陣；

·——模糊合成算子。

a.模糊關(guān)系矩陣

模糊關(guān)系矩陣R的表達(dá)式為：

(2)

式中R——由標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)構(gòu)成；

m——評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)；

n——被評(píng)價(jià)對(duì)象的個(gè)數(shù)；

rjk——隸屬度，分為正向指標(biāo)和逆向指標(biāo)兩類，若指標(biāo)的數(shù)據(jù)越大，系統(tǒng)的脆弱性越大，即為正向指標(biāo)；反之，為逆向指標(biāo)。

采用式(3)、(4)對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

正向指標(biāo)：

(3)

逆向指標(biāo)：

(4)

式中xjmax——第j項(xiàng)指標(biāo)的最大值；

xjmin——第j項(xiàng)指標(biāo)的最小值。

b.評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

熵值法為客觀賦權(quán)法中的一種，根據(jù)熵值計(jì)算結(jié)果來(lái)確定指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，對(duì)于m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，則某一項(xiàng)指標(biāo)的熵的表達(dá)式為：

(5)

式中fjk為：

(6)

則各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為：

1981年生于江西省贛州市。本科、碩士畢業(yè)于廣州美術(shù)學(xué)院。現(xiàn)為中國(guó)藝術(shù)研究院博士研究生，贛南師大美術(shù)學(xué)院教師，中國(guó)工筆畫(huà)學(xué)會(huì)會(huì)員，贛州市七鯉陶瓷藝術(shù)研究院副院長(zhǎng)。作品多次入選全國(guó)性美術(shù)和設(shè)計(jì)展覽，作品被中國(guó)駐法國(guó)大使館、國(guó)家林業(yè)局、胡一川美術(shù)館、廣州美術(shù)學(xué)院、廣東科學(xué)館、嶺南畫(huà)派紀(jì)念館和贛州市博物館等單位收藏。

(7)

可得指標(biāo)權(quán)重集A，即

A=(a1,a2,…am)

(8)

c.綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

將模糊指標(biāo)權(quán)重矩陣A與模糊關(guān)系矩陣R通過(guò)合成運(yùn)算，求得模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果[7]。

3 山西水資源脆弱性評(píng)價(jià)

3.1 研究區(qū)概況

山西省位于華北地區(qū)西部，總面積約為15.63萬(wàn)km2。按地形起伏特點(diǎn)，可將山西省分為東部山地區(qū)、西部高原區(qū)和中部盆地區(qū)三部分。其中中部盆地區(qū)自東北向西南縱貫全省，由大同、忻州、太原、臨汾、運(yùn)城等一系列雁行式平行排列的地塹型斷陷盆地組成，高程自北向南梯級(jí)下降：大同盆地1050m，太原盆地750m，至運(yùn)城盆地降為400m。

作為缺水大省，近年來(lái)山西省水資源脆弱性問(wèn)題日漸突出。山西省水資源主要來(lái)源于降水，多年平均降雨量約為508.8mm，多年平均水資源總量為123.8億m3(據(jù)山西省第二次水資源評(píng)價(jià))，人均水資源占有量?jī)H為381 m3，屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)。同時(shí)，山西省也屬于水質(zhì)型缺水省份，據(jù)《2015年山西省環(huán)境狀況公報(bào)》顯示：在監(jiān)測(cè)的100個(gè)斷面中，水質(zhì)優(yōu)良(Ⅰ～Ⅲ類)的斷面44個(gè)，占監(jiān)測(cè)斷面總數(shù)的44.0%；重度污染(劣Ⅴ類)的斷面32個(gè)，占32.0%；全省地表水水質(zhì)屬中度污染。目前山西省水資源脆弱性問(wèn)題已成為嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的影響因素。

考慮到山西省目前的水資源狀況及水環(huán)境特點(diǎn)，選取有代表性的太原市、大同市、運(yùn)城市為研究區(qū)，運(yùn)用構(gòu)建的指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)模型對(duì)三市2006—2015年水資源脆弱性進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)，對(duì)其主要影響因子及水資源脆弱性的動(dòng)態(tài)變化狀況進(jìn)行分析。

3.2 樣本數(shù)據(jù)處理

各指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源于2006—2015年的《山西統(tǒng)計(jì)年鑒》《山西省水資源公報(bào)》以及各市的《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》《環(huán)境狀況公報(bào)》等。其中，人均生產(chǎn)總值、人口密度、人均日生活用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量、農(nóng)業(yè)灌溉畝均用水量、水資源開(kāi)發(fā)利用率這6項(xiàng)指標(biāo)為正向指標(biāo)，即指標(biāo)數(shù)值越大，脆弱度數(shù)值越大，脆弱性越強(qiáng)，用式(3)來(lái)計(jì)算；其余4項(xiàng)指標(biāo)為逆向指標(biāo)，采用式(4)來(lái)計(jì)算。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

3.3.1 模糊關(guān)系矩陣的建立

以太原市為例，將標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)數(shù)據(jù)構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣R為

根據(jù)模糊關(guān)系矩陣R，運(yùn)用熵值法計(jì)算太原、大同、運(yùn)城三市各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，見(jiàn)表2。

a.太原市的人均生產(chǎn)總值(A1)、人均日生活用水量(B3)的權(quán)重值最高，其中人均日生活用水量權(quán)重最大，表征太原市因居民生活對(duì)水資源的耗費(fèi)是加劇太原市水資源脆弱性的重要因素之一。

b.大同市的農(nóng)田灌溉畝均用水量(B2)所占權(quán)重值最高，表征了大同市農(nóng)業(yè)用水的用水效率是影響水資源脆弱性的重要因素之一。

c.運(yùn)城市的農(nóng)田灌溉畝均用水量(B2)、生態(tài)環(huán)境用水比例(E2)所占權(quán)重值較高，表征了運(yùn)城市農(nóng)業(yè)用水的用水效率以及生態(tài)環(huán)境的用水量是導(dǎo)致水資源脆弱性變大的重要因素。

3.3.3 水資源脆弱性計(jì)算

確定權(quán)重后，將各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)矩陣R與指標(biāo)的權(quán)重A代入計(jì)算式(1)，即可分別計(jì)算出2006—2015年太原市、大同市、運(yùn)城市三市的WVI，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同年份三市的水資源脆弱程度計(jì)算結(jié)果

3.3.4 水資源脆弱程度劃分

為了便于比較山西省各地市與各年份的水資源脆弱程度，需對(duì)水資源的脆弱性等級(jí)進(jìn)行劃分。目前尚無(wú)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)水資源脆弱性程度進(jìn)行等級(jí)劃分，本文在參考相關(guān)文獻(xiàn)[8-9]并結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果的數(shù)值分布及專家經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定不同等級(jí)的水資源脆弱程度閾值，將水資源脆弱性程度劃分為5個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表3。

表3 水資源脆弱性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.3.5 結(jié)果分析

根據(jù)2006—2015年山西省太原市、大同市、運(yùn)城市水資源脆弱性程度計(jì)算結(jié)果，對(duì)三市的水資源脆弱等級(jí)進(jìn)行劃分，如圖2所示。

圖2 2006—2015年三市水資源脆弱性等級(jí)

從圖2可以看出，三市在2006—2015年10年間的水資源脆弱程度基本都為中度脆弱，其中，太原市、大同市水資源脆弱度數(shù)值基本呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

a.太原市2010年表現(xiàn)為重度脆弱，其余年份均為中度脆弱，可見(jiàn)當(dāng)年的水資源脆弱性狀況相對(duì)較為嚴(yán)重。造成該現(xiàn)象的主要原因?yàn)?010年太原市缺乏有效的降雨量，使得水資源量嚴(yán)重不足，僅為3.54億m3。同時(shí)該年度人口密度顯著的增加，人口數(shù)量的上升給水資源的供應(yīng)和水生態(tài)環(huán)境的保護(hù)帶來(lái)了較大的壓力。

b.大同市10年間從重度脆弱逐步過(guò)渡到中度脆弱(2011年除外)，到2015年達(dá)到輕度脆弱，水資源脆弱程度呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，從對(duì)比數(shù)據(jù)可以看到，大同市農(nóng)田灌溉畝均用水量從2006年的205m3/畝下降到2015年的176m3/畝，同時(shí)水資源開(kāi)發(fā)利用率也逐年增高，水資源得到了充分的利用，但水資源脆弱度值在三市中相對(duì)較高。

c.運(yùn)城市10年間水資源脆弱性程度(2012年除外)相對(duì)較為穩(wěn)定，2009、2011年為輕度脆弱，其余年份均為中度脆弱，2012年運(yùn)城市水資源脆弱程度為10年間的最大值，造成該現(xiàn)象的主要原因是人均水資源量的不足，2012年人均水資源量?jī)H為189.4m3/d，嚴(yán)重低于10年間的平均值255.26 m3/d。

4 對(duì) 策

綜上所述，太原市、大同市、運(yùn)城市三市都呈現(xiàn)了不同程度水資源脆弱性，這表明了經(jīng)濟(jì)社會(huì)人口的發(fā)展與區(qū)域水資源系統(tǒng)存在一定的不協(xié)調(diào)，水資源開(kāi)發(fā)利用保護(hù)方面也存在不足，水資源系統(tǒng)的穩(wěn)定性存在著較多的不安全影響因素。針對(duì)目前三個(gè)地市水資源脆弱性現(xiàn)狀，提出如下對(duì)策：

a.維護(hù)和修繕?biāo)こ淌墙档退Y源系統(tǒng)脆弱性的一個(gè)重要途徑，可以有效降低洪澇災(zāi)害,減少旱情發(fā)生。

b.提高用水效率。?在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，應(yīng)大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，加大節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣，進(jìn)一步優(yōu)化農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)；?工業(yè)生產(chǎn)方面，鼓勵(lì)非常規(guī)水源(中水、再生水、礦坑水等)的合理開(kāi)發(fā)利用，緩解水資源短缺問(wèn)題。

c.維護(hù)和改善水生態(tài)環(huán)境。必須從源頭上減少?gòu)U污水的排放量，同時(shí)提高污水的處理率，另外要適當(dāng)增加生態(tài)環(huán)境用水量，使目前的水生態(tài)環(huán)境得以維護(hù)和改善。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于DPSIR概念性模型構(gòu)建了山西省水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從不同方面綜合考慮了水資源脆弱性的影響因素，有利于對(duì)區(qū)域水資源系統(tǒng)脆弱性的成因進(jìn)行分析。通過(guò)熵值法確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，該方法計(jì)算簡(jiǎn)單且計(jì)算過(guò)程依據(jù)樣本數(shù)據(jù)特征對(duì)不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，保證了該次評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性及準(zhǔn)確性。將熵值法與模糊綜合評(píng)價(jià)法有效結(jié)合從時(shí)間及空間上對(duì)山西省三個(gè)地市的水資源脆弱程度作出了定量評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果基本與當(dāng)?shù)厮Y源現(xiàn)狀相符合，該評(píng)價(jià)結(jié)果也可為相關(guān)部門提供借鑒與參考。盡管目前山西省三地市的水資源脆弱性有好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，但仍基本處于中度脆弱狀態(tài)，相關(guān)部門應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)綜合整治和管理。