基于可拓云模型的區(qū)域水安全評價

薛 昱 杜紅艷

1 引 言

水資源是生命之源，是保障區(qū)域人民生活的基礎性資源，是區(qū)域可持續(xù)可展的戰(zhàn)略性資源。水資源是國家和地區(qū)的重要戰(zhàn)略資源，支撐區(qū)域和社會經濟的發(fā)展與繁榮，水資源也決定著人們的生產和生活方式，關系著國家和區(qū)域的未來與發(fā)展。

近年來隨著人口的急劇增加，經濟的快速發(fā)展，城市化進程加快，水資源水質下降，環(huán)境和社會問題日益增加，氣候變化使洪澇和干旱威脅日益嚴重，各國均面臨嚴峻的水資源問題的挑戰(zhàn)。水安全綜合評價是制定區(qū)域水安全戰(zhàn)略、規(guī)劃和做出水安全決策的前提和基礎。目前，區(qū)域水安全綜合評價的研究處于起步階段，對定性概念、內涵和對策的探討較多，定量研究和分析較少。因此，討論城市水安全綜合評價的基本理論，構建城市水安全綜合評價指標體系，選擇適當的評價方法對城市水安全進行評價，預測并分析影響水資源系統(tǒng)的主要因素，找出影響城市水安全的關鍵指標，并對其進行調整，以分析城市水安全水平的狀況，對實現(xiàn)直觀、動態(tài)、可視的決策，促進水資源的可持續(xù)開發(fā)利用，確保地區(qū)的水安全具有重要的理論意義和實踐價值（李奕霖等 2019［1］；田濤和薛惠鋒 2019［2］）。

水安全是涉及到經濟、社會、生態(tài)等多個方面的復雜系統(tǒng)，水安全的評價應當從系統(tǒng)各個角度出發(fā)，對系統(tǒng)之間的內在關聯(lián)綜合分析進行評價。美國學者Anoop（2016）［3］利用藍色和綠色水足跡的概念對水安全進行定量評估。新加坡學者Olivia Jesnen（2018）［4］使用聯(lián)合生產方法，從水資源現(xiàn)狀、消費、水資源質量、水資源支撐能力、大眾健康風險、洪水風險等方面闡述城市水安全水平。在水安全綜合評價指標的構建方面，徐弘達等（2018）［5］從環(huán)境、能力、利用、途徑和資源5個因素入手，通過水匱乏指數模型評價水安全情況，確保朝陽市水安全評估更加科學準確。蔣汝成等（2018）［6］基于水貧困指數構建區(qū)域水安全評價指標體系和分級標準，對云南省的水安全狀況進行評價。

在水安全評價方法方面，一般采取綜合評價的方式，包括層次分析法、系統(tǒng)動力學模型、BP神經網絡模型等。胡昌軍等（2013）［7］基于BP神經網絡的基本原理和方法，構建雙隱層BP神經網絡水安全評價模型，對文山州的水安全狀況進行評價。澳大利亞學者Oz.Sahin（2017）［8］利用系統(tǒng)動力學模型結合澳大利亞現(xiàn)實的問題，對反滲透海水系統(tǒng)在城市系統(tǒng)的基礎上對城市水安全的影響進行了系統(tǒng)分析，為海洋環(huán)境下的城市水安全防控提供了解決方案。由于水資源系統(tǒng)自身具有隨機性、模糊性、灰色性等多種不確定性，并且由于人類的影響，進一步加大了水資源系統(tǒng)的模糊性和不確定性。用常規(guī)的經典數學方法對這類系統(tǒng)進行描述往往難以取得較好的效果，而不確定性分析方法卻能彌補這一缺陷，如灰色系統(tǒng)、模糊數學等理論（韓宇平等 2003［9］；閔慶文等 2004［10］；孫才志等 2004［11］；張中旺等 2012［12］）。段新光等（2014）［13］將水資源開發(fā)率水資源利用率、人均供水量、生活需水定額等影響區(qū)域水資源承載力的因素作為評價因子，在模糊綜合評價模型下得出了新疆水資源承載力結果。沈俊源等（2016）［14］提出基于信息熵的水安全模糊集對評價模型，通過模糊聯(lián)系度的計算和置信度準則確定水安全評價等級，并針對青海省8個行政分區(qū)進行水安全評價。張志君等（2020）［15］構建了包括水資源、經濟社會、生態(tài)環(huán)境、供需4個準則層的區(qū)域水安全評價指標體系，采用基于模糊集對分析的水資源安全評價方法，對2016年新疆水資源安全狀況評價，驗證了評價結果的合理性。以上利用系統(tǒng)評價方法對區(qū)域水安全問題進行研究時往往得到區(qū)域水安全程度的一個相對指標，盡管這類指標的綜合程度較高，能夠反映出社會、經濟、生態(tài)、水資源、水環(huán)境等各個方面的綜合情況，但往往難以將水安全當中最為重要的水資源供需平衡關系客觀地反映出來。

根據已有研究，在水安全評價方面暫未形成廣泛認同的綜合評價指標體系和模型，缺乏同時能夠體現(xiàn)區(qū)域水安全模糊性、隨機性、客觀性，科學、系統(tǒng)的指標體系和綜合評價模型。因此，本文針對水安全評價相關數據不容易準確地獲取，具有模糊性和隨機性等問題，引入可拓云模型，該模型具有可拓學中物元理論可融合定量與定性分析的特點，又有云模型能夠處理雙重不確定性的優(yōu)勢。首先，構建了基于驅動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(Drive force-Pressure-State-Impact-Response,DPSIR)模型構建了水安全評價指標體系，綜合考慮水資源、社會、經濟、生態(tài)等影響因素進行水安全評價分析。并采用主觀和客觀組合法的指標權重選擇機制，基于層次分析和熵權組合法確定指標權重。建立區(qū)域水安全評價的可拓云模型，并計算分析待評物元與所建立的可拓云模型的關聯(lián)度，確定水安全評價等級。以廣東省為例基于統(tǒng)計數據進行實證分析，根據結果廣東省水安全水平逐漸轉好，基于可拓云模型的水安全評價結果與實際狀況一致。以下首先介紹水安全評價指標選擇方法，再詳細介紹本文構建的基于可拓云模型的水安全評價方法。之后，以廣東省為例進行水安全評價方法實證分析，最后，總結全文。

2 水安全評價指標選擇

2.1 基于DPSIR模型的水安全影響因素分析

對于區(qū)域水安全分析，水安全的變化主要是驅動力（Driving Force）、壓力（Pressure）、狀態(tài)（State）、影響（Impact）、響應（Response）5個因子相互作用的過程。以區(qū)域的經濟、人口發(fā)展及城鎮(zhèn)化率為驅動力（D）導致對城市水安全負擔增加，產生壓力（P）迫使城市水安全系統(tǒng)狀態(tài)（S）發(fā)生改變，水安全系統(tǒng)狀態(tài)的改變反過來對城市的生產、生活已經城鎮(zhèn)化發(fā)展產生影響（I），為了實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展，這種影響促使人類做出直接或間接響應（R），響應反作用于驅動力、壓力、狀態(tài)或直接作用于影響，以保持城市水安全系統(tǒng)的穩(wěn)定與平衡，最終保證城市水安全水平提高和城市的可持續(xù)發(fā)展。

圖1 DPSIR分析模型

2.1.1 驅動力分析

在區(qū)域水安全評價中“驅動力”（Driving Force）是指造成水安全水平變化的潛在原因，是水安全系統(tǒng)發(fā)生演化的動力，驅動力包括了水資源水平、人口增長，以及區(qū)域經濟發(fā)展水平三方面的因素。驅動力對城市水資源系統(tǒng)的變化作用方式是間接的或者是“隱性”的。隨著經濟發(fā)展尤其是工業(yè)發(fā)展必然造成水資源系統(tǒng)污染，使城市水安全水平降低，此外，隨著經濟發(fā)展，城市具有越來越強的經濟能力治理城市水資源污染，以使城市水安全水平升高。在有限的區(qū)域水資源總量前提下，人口增長將使人均水資源量降低，經濟增長水平的提高會使區(qū)域用水量增加，導致水安全水平降低。因此，在驅動力子系統(tǒng)下主要選取水資源總量、人口密度、人口自然增長率、地區(qū)生產總值等作為分析指標。

2.1.2 壓力分析

壓力是指人類活動對環(huán)境的影響，是產生水安全問題的直接作用的因子。壓力子系統(tǒng)指標是指在驅動力因素直接或間接推動下，由自然條件、人類活動和經濟發(fā)展等直接引起的區(qū)域水安全問題。與驅動力類似，壓力也是對水資源系統(tǒng)的變化產生作用的“外力”，是直接的或是“顯性”的。對于區(qū)域水安全來說主要是區(qū)域的需水壓力和水環(huán)境壓力。壓力選取的指標有人均用水量，工業(yè)、農業(yè)、生活用水量，萬元工業(yè)增加值用水量，生態(tài)環(huán)境補水量，廢水排放量，COD排放量，氨氮排放量等。

2.1.3 狀態(tài)分析

狀態(tài)是指在上述壓力的作用下，區(qū)域水資源、生態(tài)環(huán)境和社會經濟發(fā)展等方面所處的水安全的實際狀態(tài)。水量消耗及水循環(huán)狀況是水資源狀態(tài)的主要反映內容；水環(huán)境狀態(tài)則是通過水體質量監(jiān)測結果來反映；人們的生活水平和經濟發(fā)展水平可以用來反映社會經濟發(fā)展狀況。因此，有關水安全產生的狀態(tài)可通過以下指標反映，包括：人均水資源總量，工業(yè)廢水排放量，森林植被覆蓋率，工業(yè)廢氣排放總量，人均GDP，居民人均消費水平等。

2.1.4 影響分析

影響是指當前的水資源、生態(tài)環(huán)境、社會經濟發(fā)展的狀態(tài)所產生的影響，包括系統(tǒng)所處狀態(tài)對人們的經濟生產、社會生活等方面的影響。因此，可以選取工業(yè)生產總值，農、林、牧、漁業(yè)總產值，建成區(qū)綠化覆蓋率，城市用水普及率，農村自來水普及率等指標。

2.1.5 響應分析

響應為人類在促進水安全與社會可持續(xù)發(fā)展進程中所采取的對策和制定的積極政策。響應程度的大小能夠反映城市對水資源保護投入的程度以及管理保護政策的制定與實施力度。響應與壓力構成了因果關系，通過響應手段來減輕壓力對水安全造成的影響，進而改善區(qū)域水資源系統(tǒng)狀況提升區(qū)域水安全水平。針對區(qū)域水安全的響應包括環(huán)境響應、供水響應和污水處理響應。選取以下指標：環(huán)境投入占GDP比重，環(huán)境污染治理投資總額，累計水土流失治理面積，城鎮(zhèn)生活污水處理率，城市生活垃圾無害化處理率等。

2.2 水安全評價指標體系

根據上述DPSIR模型以及水安全影響因素分析，進行廣東省水安全評價指標體系的構建，如表1所示，整體目標為廣東省水安全等級為最高層，即目標層，這里采用O表示，準則層用A表示，一級指標為定性的描述用B表示，二級指標層為定量的評價指標，用C表示。

表1 區(qū)域水安全評價指標體系

續(xù)表

2.3 基于層次分析-熵權組合法的指標權重確定

根據層次分析法的特點，其在確定指標權重中，通過專家經驗和知識，進行全面的考慮，指標的重要性受決策者的偏好影響，因此，導致本方法主觀性擴大。而熵權法，主要依據原始數據、信息計算得到指標權重，因此權重的確定相對客觀，忽視了專家經驗、知識，以及決策者自身的偏好。這兩種方法相結合可以相互補充，得到兼顧主觀客觀的指標權重。設組合權重為ωi，ω1i和ω2i分別為層次分析法和熵權法計算得到的評價指標權重，a為層次分析法占的比重，則ωi可以表示為

熵在信息論中是對系統(tǒng)無序程度的一種度量。根據熵的定義，對某項指標，可用熵值判斷某個指標的離散程度，熵值越大，指標的離散程度越大，該指標對綜合評價的影響，即權重，也就越大。因此，可以利用信息熵計算出各個指標的權重，為基于多指標的綜合評價提供依據。

基于熵權法確定指標權重，由于各項指標的計量單位并不統(tǒng)一，首先需要進行標準化處理，選取m個指標，n年的數據，則xij為i年第j個指標的數值（i=1,2,…n;j=1,2,…m）。假設對各指標數據歸一化后的值為yij，對于正向指標采用公式（2），負向指標采用公式（3）。

設數據的信息熵可表示為Ej，見公式(4)。Ej可以解釋為所有數據對指標j的貢獻總量。設第j項指標下第n年數據占該指標的比重pij表示為式(5)。

當指標下各組數據的貢獻度趨于一致時，Ej趨于1；當全相等時，可以不考慮該指標在決策中的作用，也即此時屬性的權重為零。定義信息熵冗余度為dj，其反映第j個指標下各組數據貢獻度的一致性程度，表示為式(6)。

3 水安全評價方法

3.1 可拓云模型

物元可拓模型中，待評價事物由事物名稱N、事物特征C以及事物特征值V共同組成。然而，物元可拓模型中，特征值V是一個固定的評價數值，而用于水安全評價時，水安全的影響因素具有多樣性，因此，水安全等級的劃分也具有模糊性和隨機性，通過定性和定量之間的合理轉化，再進行評價可以得到更合理的綜合評價結果。

對于區(qū)域水安全評價，設M為水安全評價結果，N為待評價年份，ci為水安全評價指標。

云模型較好地表現(xiàn)了研究對象的定性屬性和定量屬性間的相互轉化關系，其模型計算則是借助云模型發(fā)生器完成的。通常通過正向云發(fā)生器實現(xiàn)評價對象特性的模糊性、隨機性向確切化轉變，是云理論模型中使用廣泛的重要算法。

圖2 正態(tài)云發(fā)生器

對正向云發(fā)生器輸入云模型的三個數字特征（期望值Ex、熵En、超熵He），通過發(fā)生器計算可以得到一個二維點云滴 drop(x_i,μ_i)，重復多次計算即可生成若干個云滴，云滴集合稱為云，經過發(fā)生器計算輸出可以得到云滴在數值空間中定量轉化后與該區(qū)間的關聯(lián)度及云滴在該區(qū)間內的分布位置。

正向云發(fā)生器算法：

輸入：云模型三個數字特征（期望值Ex、熵En、超熵He）以及云滴的數量N。

輸出：得到 N 個云滴值即drop(x1,μk(x1))，drop(x2,μk(x2))，…，drop(xN,μk(xN))，以及云滴的隸屬度。

物元可拓法與可拓云模型具有相同的事物綜合評價原理和方法，區(qū)別是對待評價事物的特征量的表現(xiàn)形式不同。同時，因為特征量的表現(xiàn)不同，故其最終評價指標的關聯(lián)度判斷模式也不相同，物元可拓法是根據評價指標在區(qū)間內具體位置的重合程度來判定其關聯(lián)度，而云模型是通過計算隸屬度uk(xi)的值來判定關聯(lián)度。

為了解決水安全評價指標的模糊、隨機性不適用于物元可拓法具體特征值V的不足。將正態(tài)云模型作為物元可拓法中的特征值V，即可以表示為：基于云模型的正態(tài)云理論，通過正態(tài)云的期望值Ex、熵En、超熵He可以對評價指標區(qū)間進行定性到定量的轉化。在界定系統(tǒng)等級以后，以各指標的等級邊界作為一個約束空間，得到正態(tài)云對應參數(Ex,En,He)，分別表示為式（9）、（10）、（T為常量，取值范圍［0，20］?？筛鶕笜说哪：赃m當調整，但取值不宜過大。）。

T為常量，取值范圍［0，20］?？筛鶕笜说哪：赃m當調整，但取值不宜過大。

3.2 基于可拓云模型的水安全評價

對于水安全評價，考慮各個特征評價指標的模糊性，基于可拓云模型可以更恰當地反映評價指標的數據特征，同時在評價中保留了物元可拓法完善的評價思路。則基于物元可拓云模型的水安全評價方法如下：

步驟1：建立評價因素論域U={u1,u2,…,un}，即水安全評價指標，構建評語論域G={g1,g2,…,gm}，即指標的評價等級；

步驟2：基于層次分析與熵權組合法確定區(qū)域水安全綜合評價的指標權重，根據式(1)確定指標權重集W=(w1,w2,L ,wn)；

步驟3：確定待評價物元，這里以待評價事物為特定年份的水安全狀況，基于DPSIR的水安全指標體系為特征，各指標的正態(tài)云模型為特征對應值。根據式（9）、（10）、（T為常量，取值范圍［0，20］。可根據指標的模糊性適當調整，但取值不宜過大。）得到評價指標ui對應gj的正態(tài)云模型(Ex,En,He)；

步驟4：計算可拓云模型各評價因素U與信用評語G間的關聯(lián)度，根據正態(tài)云模型計算U及信用評語G間的單因素模糊測度作為關聯(lián)度，即根據(8)求得不同指標在各評價等級的關聯(lián)度。設ξij指U中第i個指標ui對應評語G中等級gj的關聯(lián)度，共M個等級，M為5。重復運行K次均值化處理，形成可拓云模型的關聯(lián)度矩陣。

步驟5：水安全綜合評價指數分析。結合關聯(lián)度矩陣ξi，權重集W做模糊轉化處理，取得綜合測度集。

其中φj(j=1,2,L,M)指待測試對象第j個評語的隸屬度，將最大隸屬值對應的第j等級gj作為水安全等級測試結果。

步驟6：修正水安全等級隸屬度。為了將不同水安全等級的隸屬度進行差異化表示，對評價對象的水安全隸屬度值進行修正。采用隸屬度值與等級基礎隸屬度值求和的方式修正，設不同等級對應的基礎隸屬值為。這里設置按水安全等級由理想安全的I級到危機的V級逐漸遞減，即。

4 實證分析

廣東省地處我國南方，常年降水充沛。但是，近年來隨著社會經濟的快速發(fā)展和氣候環(huán)境的變化，水資源時空分布不均衡等問題日益突出。受全球氣候變化和區(qū)域水環(huán)境改變的影響，廣東省防治洪澇、干旱、水污染和咸潮上溯等水患的任務艱巨。隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進程的加快，水資源綜合利用中供、用、排、耗水關系和用水結構出現(xiàn)重大變化，水資源供需矛盾日益突出。城鄉(xiāng)人均耗水量偏大，水資源利用效率低。部分區(qū)域水生生物資源受到嚴重威脅，水環(huán)境安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)。部分水域水質污染嚴重，水質性缺水問題亟待解決。因此，這里選取廣東省為代表進行水安全評價分析，分析其水安全狀態(tài)進行變化趨勢以及主要影響因素，總結促進廣東省水安全良性發(fā)展的建議。具體內容有：

首先，對廣東省的發(fā)展現(xiàn)狀和水資源狀況進行分析研究，整理出目前廣東省水安全可能存在的風險，并結合水安全影響因素，運用DPSIR模型建立廣東省水安全評價指標體系。

其次，考慮到水安全問題的系統(tǒng)性、復雜性和不確定性，選用基于可拓云理論的評價法對廣東省水安全狀況進行評價。

此外，依據評價結果對廣東省水安全狀態(tài)進行變化趨勢分析，分析其變化原因和主要影響因素。

4.1 數據說明

本研究建立在對歷年相關數據分析的基礎上，包含廣東省1995年到2017年水安全評價相關的數據。這里的指標數據主要來源為《中國統(tǒng)計年鑒》（2005-2018）、《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》（2005-2018）、《廣東省統(tǒng)計年鑒》（2005-2018）、《廣東水資源公報》（2005-2017）、《廣東環(huán)境狀況公報》（2005-2017）、《廣東省環(huán)境保護“十三五”規(guī)劃》、《廣東省國民經濟和社會發(fā)展“十三五”規(guī)劃綱要》、《廣東省水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃》及部分相關部門公開的統(tǒng)計信息等。其中部分數據為直接查找得到，部分數據由查找的數據經過計算得到。

4.2 廣東省水安全等級劃分

為了對城市水環(huán)境進行有效評價辨識區(qū)域水安全演變的層次關系，需將城市水安全概念集合中的漸變關系由定性描述為定量評價。結合國家水安全評價研究成果，將區(qū)域水安全劃分為5個等級，由I級到V級水安全狀況由危機到理想安全轉變，水安全水平遞增，定性描述為：Ⅰ（危機）、Ⅱ（不安全）、Ⅲ（臨界安全）、Ⅳ（較安全）、Ⅴ（理想安全），由此確定區(qū)域水安全評價等級的劃分標準。

“危機”是指水資源、水環(huán)境和社會經濟系統(tǒng)之間出現(xiàn)極大的矛盾，水安全狀態(tài)極度堪憂，已經對社會經濟發(fā)展產生制約影響，需要加大政策力度和整治手段來使水安全現(xiàn)狀得以有效改善?！安话踩?，是區(qū)域內的水安全程度很低，處于高危狀態(tài)，水資源、水環(huán)境和經濟社會系統(tǒng)之間出現(xiàn)較大矛盾和危機，已經威脅到了人類社會經濟與生活的可持續(xù)發(fā)展，應及時采用相應舉措，針對不安全因素進行控制和改善，提高安全程度；“臨界安全”則是說明區(qū)域內水安全介于不安全和安全之間，水安全程度一般，相對而言屬于不穩(wěn)定的狀態(tài)，水資源、水環(huán)境和經濟社會系統(tǒng)之間的協(xié)調健康程度顯露出一些問題，暫時與區(qū)域長遠發(fā)展的要求不相符，但是，通過有效的調控，則可以漸漸實現(xiàn)狀況的安全；“較安全”則是指，該區(qū)域內有相對較高的水安全程度，基本上水環(huán)境、水資源能夠和社會經濟系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展，基本能夠滿足區(qū)域的中長期發(fā)展；“理想安全”，意味著區(qū)域內的有很高的水安全程度，水環(huán)境和水資源能夠和社會經濟系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展，有著良好的可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展態(tài)勢，能夠良好地滿足區(qū)域的長期發(fā)展需求?？紤]到國民經濟發(fā)展特點，以及廣東省地區(qū)水資源環(huán)境具體情況，將廣東省水安全評價標準區(qū)間做劃分，見表2。

表2 區(qū)域水安全等級劃分

在上述水安全等級劃分標準基礎上，結合區(qū)域水安全評價的指標體系，得出評價體系的等級劃分。結合2005年至2017年《中國統(tǒng)計年鑒》、《廣東省統(tǒng)計年鑒》、《廣東省水資源公報》等。將每個指標劃分成5個評價等級，給每個評價等級劃分出相應的數值區(qū)間，對水安全評價各指標界限進行如下劃分，見表3。

表3 水安全評價指標的等級劃分表

4.3 水安全指標權重的確定

4.3.1 基于層次分析法的指標權重確定

為了使各因素之間進行兩兩比較得到量化的判斷矩陣，引入1～9的標度（李奕霖等，2019）。為了構造判斷矩陣，選6個專家進行咨詢，根據專家和作者的經驗，得到各層的比較矩陣。首先，廣東省水安全目標層判斷矩陣見表4 水安全目標層判斷矩陣。

表4 水安全目標層判斷矩陣

采用層次單排序及一致性檢驗。記上述矩陣為T1，求其特征向量及最大特征值，進行一致性檢驗。根據運算結果：最大特征值λ1= 5.06，最應的特征向量為ω= (0.31，0.36，0.62，0.55，0.31)，歸一化后為ω0n= (0.14,0.17,0.29,0.26,0.14)。

對判斷矩陣進行一致性檢驗，上述構造的判斷矩陣具有滿意的一致性，其權重分配合理。

水安全趨動力指標層的判斷矩陣見表5。

表5 趨動力指標層判斷矩陣

根據運算結果：最大特征值λ1= 3.88，最應的特征向量為ω1= (0.79, 0.43, 0.37, 0.23)。將特征向量歸一化后為ω1n= (0.43, 0.24, 0.20,0.13)。對判斷矩陣進行一致性檢驗，上述構造的判斷矩陣具有滿意的一致性，其權重分配合理。

水安全壓力指標層的判斷矩陣見表6。

表6 壓力指標層判斷矩陣

根據運算結果：最大特征值λ2= 9.09，最應的特征向量為ω2= (0.23,0.14,0.08,0.07,0.13,0.07,0.68,0.46,0.46)。將特征向量歸一化后為ω2n= (0.1,0.06,0.03,0.03,0.06,0.03,0.29,0.2, 0.2)。對判斷矩陣進行一致性檢驗，上述構造的判斷矩陣具有滿意的一致性，其權重分配合理。

采用相同的方法分別確定水安全的狀態(tài)、影響、響應的指標層判斷矩陣，得到各指標層歸一化后的特征向量分別為，ω3n= (0.34,0.22,0.16,0.12,0.08,0.08)，ω4n=(0.16,0.1,0.06,0.26,0.42)，ω5n= (0.25,0.14,0.14,0.37,0.1)，對各判斷矩陣進行一致性檢驗，均具有滿意的一致性，其權重分配合理。匯總指標層與準則層的權重，得到廣東省水安全評價指標層次分析法賦權結果，如表7所示。

4.3.2 基于熵權法的指標權重確定

首先，根據公式(2)和公式(3)對廣東省水安全評價指標體系的29個指標原始數據進行標準化。再通過公式(4)和(5)對各項指標熵值進行計算，最后，根據公式計算所有指標的信息熵冗余度。表7給出了熵值、信息冗余度與權重的計算結果。

4.3.3 基于層次分析-熵權法組合法的指標權重確定

依據層次分析法和熵權法分別的計算結果，根據公式(1)可求得2005-2017年廣東省水安全評價指標體系29個評價指標的組合權重，表7給出了組合權重權的計算結果。

表7 廣東省水安全評價指標賦權結果

續(xù)表

4.4 水安全評價指標的云物元模型

按照正態(tài)云發(fā)生器取得測度指標所對應水安全等級下的正態(tài)云。以水資源總量、人均用水量、工業(yè)廢水排放量、建成區(qū)綠化覆蓋率為例，其正態(tài)云見圖3和圖4 工業(yè)廢水排放量正態(tài)云。由圖可以看出基于云模型可以很好地表示水安全指標的模糊性。

圖3 水資源總量正態(tài)云

圖4 工業(yè)廢水排放量正態(tài)云

在劃分各指標閾值的基礎上，根據公式(9)和(10)計算出水安全評價模型中正態(tài)云模型的特征數據Ex，熵En。由計算出的期望值Ex，熵En，并確定超熵He可以分別表示出水安全評價當中的云物元，這里超熵常量取值為0.5。

表8 廣東省水安全評價指標云物元模型

續(xù)表

4.5 水安全評價結果與分析

根據可拓云模型及其參數的的期望值、熵值、超熵，按照基于物元可拓云模型的水安全評價方法將各評價對象的評價指標數據輸入，并多次計算排除隨機偶然性，這里取1000次重復計算得出各評價年份的關聯(lián)度矩陣。

基于各年度的關聯(lián)度矩陣再根據式(12)可以得到水安全各等級的隸屬度值。按照可拓云模型的步驟5選取隸屬度最大的等級作為待評價年份的水安全級別。按照步驟6進行所屬水安全等級的隸屬度值修正得到水安全指數。表9給出了待評價各年份的水安全評價結果。

表9 廣東省水安全評價結果

根據表9的水安全評價結果，2005-2017年期間，廣東省水安全指數雖然存在一定程度的波動，但整體上呈現(xiàn)逐步攀升趨勢，水安全水平從2005年的II級不安全轉為2017年的IV級基本安全。在2005-2009年水安全級較低為“不安全”狀態(tài)，到2010時，水安全水平從“不安全”提升到“安全”，到2011年出現(xiàn)波動，水安全水平又下降到“不安全”，從2012年開始水安全水平提升到“安全”，到2016年起水安全水平進一步提升達到基本安全狀況。

隨著時間的推移，經濟社會發(fā)展，社會節(jié)水意識逐漸提升，節(jié)水技術與器具普及推廣，人均用水量逐步下降，從2005年501立方米每人到2017年的391立方米每人，下降了21.8%。此外，在2010-2015年“十二五期間”，廣東省針對水安全問題采取了很多改善和解決措施，加大了環(huán)境污染治理力度提高了水安全水平。在此期間廣東省全省城鎮(zhèn)生活污水處理能力極大提高，到2015年城鎮(zhèn)生活污水處理能力達到93.3%，相比2010年提升了27.6%，可以看出廣東省經濟社會發(fā)展以及對環(huán)境的改善措施作用下取得了較好的成效，廣東省的水安全整體狀況在進入2016年后相較前幾年得到了明顯改善，廣東省水安全水平提升到了基本安全。

為了進一步分析影響廣東省水安全狀況的主要因素，進行分指標趨勢分析，結合廣東省十三年間的具體發(fā)展情況，針對驅動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應五個子系統(tǒng)分別進行動態(tài)趨勢分析，分析影響廣東省水安全狀況的主要因素，從而找出問題及風險的癥結所在，為后續(xù)制定對策提供依據。

圖5給出了2005年到2017年中廣東省驅動力系統(tǒng)總體及各指標水安全指數變化。從圖中的水安全指數可以看出，驅動力系統(tǒng)的水安全指數從2015到2017年間基本維持在不安全的水平。驅動力系統(tǒng)中水資源總量的水安全指數在2018年有所上升，然而整體基本維持在不安全水平。人口密度和人口自然增長率的水安全指數緩慢下降，這是由于隨著社會經濟發(fā)展，城鎮(zhèn)化高速發(fā)展帶來的人口增長造成水安全危機。此外，近年來廣東省經濟水平持續(xù)提升，地區(qū)生產總值快速增長，對水安全水平有正向影響。因此，要提高驅動力系統(tǒng)的水安全指數，需要控制人口增長率，通過加大水利工程建設力度等提高水資源量。

圖5 廣東省驅動力系統(tǒng)總體及各指標水安全指數變化

圖6給出了廣東省壓力系統(tǒng)總體及各指標水安全指數變化。從圖中看出2015到2017年間廣東省壓力系統(tǒng)的水安全指數逐步上升。其中人均用水量、工業(yè)用水量、農業(yè)用水量、萬元工業(yè)增加值用水量的水安全指數均呈現(xiàn)逐步上升趨勢，萬元工業(yè)增加值用水量尤為明顯，由2005年的不安全上升為2017年的非常安全。而生態(tài)環(huán)境補水量、廢水排放量、化學需氧量COD排放量、氨氮排放量對應的水安全指數均呈下降趨勢，這說明隨著社會經濟的發(fā)展，帶來了廣東省水環(huán)境惡化，水體污染增加，造成了水安全水平降低。綜上，提升壓力系統(tǒng)的水安全水平應通過持續(xù)強化節(jié)水控制力度，降低生產、生活用水量，嚴格控制水污染物排放，降低水污染中化學需氧量、氨氮排放等方面著手。

圖6 廣東省壓力系統(tǒng)總體及各指標水安全指數變化

圖7給出了廣東省狀態(tài)系統(tǒng)總體及各指標水安全指數變化?？煽闯?，2015到2017年間廣東省狀態(tài)系統(tǒng)的水安全指數不斷上升。其中森林植被覆蓋率的水安全水平較高，維持在較安全狀態(tài)，而人均水資源總量、工業(yè)廢氣排放量的水安全水平整體較低，工業(yè)廢水排放量、人均GDP和人均消費水平的水安全指數均不斷上升，人均GDP水平尤為明顯從2005年的不安全上升為2017年的理想安全狀態(tài)。結合廣東省實際分析可以進一步證實以上數據結果。廣東省是我國的經濟大省，GDP總量一直處理較高水平，到2017年人均GDP水平達到8萬元以，有力支持了社會生產、環(huán)境治理等各方面的建設與發(fā)展。在社會發(fā)展的同時，廣東省重視保護和加強生態(tài)環(huán)境，森林植被覆蓋率保持在55%以上。綜合，廣東省狀態(tài)系統(tǒng)的水安全水平不斷提升是由于經濟的發(fā)展人均GDP的提高，生態(tài)方面森林植被覆蓋率高，工業(yè)廢水排放不斷下降產生的，然而，人均水資源總量和工業(yè)廢氣排放量的安全性較低降低了水安全水平。因此，廣東省需要注重加強水資源管理，合理配置水資源，持續(xù)降低水體和大氣污染排放與治理，從而提高水安全狀態(tài)水平。

圖7 廣東省狀態(tài)系統(tǒng)總體及各指標水安全指數變化

圖8給出了廣東省影響系統(tǒng)總體及各指標水安全指數變化?？煽闯?，2015到2017年間廣東省水安全影響系統(tǒng)的水安全指數不斷攀升，從2005年的危機狀態(tài)上升為2017年的較安全狀態(tài)。其中，工業(yè)生產總值，農林牧漁業(yè)總產值、建成區(qū)綠化覆蓋率、農村自來水普及率等指標的水安全指數均不斷增長，上升到了較安全的狀態(tài)；城市用水普率在2014年出現(xiàn)一定幅度下降，然而又很快回升，保持了較安全的狀態(tài)。因此，提升影響系統(tǒng)的水安全水平應保持廣東省在經濟方面工業(yè)、農、林、牧、漁等生產總值的持續(xù)提升，持續(xù)注重環(huán)境和生態(tài)保護，加強綠化覆蓋，提高人們社會生活用水保障水平，提高城市和農村用水普及率。

圖8 廣東省影響系統(tǒng)總體及各指標水安全指數變化

圖9廣東省響應系統(tǒng)總體及各指標水安全指數變化給出了廣東省響應系統(tǒng)總體及各指標水安全指數變化?？煽闯?，2015到2017年間廣東省水安全響應系統(tǒng)的水安全指數在2017年得到了快速提長，從危機狀態(tài)上升為較安全狀態(tài)。從水安全響應相關指標的水安全指數變化可以看出，環(huán)境污染治理投資總額、累計水土流失治理面積、城鎮(zhèn)生活污水處理率以及城市生活垃圾無害化處理率的水安全指數均持續(xù)提升，因此，廣東省水安全響應系統(tǒng)的水安全指數在2017年達到了理想安全的狀態(tài)。環(huán)境投入占GDP比重的水安全指數有所下降，這是由于盡管持續(xù)增加環(huán)境治理投資額，但是相對于廣東省持續(xù)高速的經濟發(fā)展而言環(huán)境投入占比仍然顯示為下降趨勢，這一定程度上降低了響應系統(tǒng)整體的水安全水平。因此，要提升響應系統(tǒng)的水安全水平應保持廣東省環(huán)境治理在水土流失、污染處理、垃圾處理等方面的力度，并進一步加強環(huán)境污染治理投資額。

圖9 廣東省響應系統(tǒng)總體及各指標水安全指數變化

4.6 討論與結論

通過構建基于DPSIR模型的廣東省水安全指標體系進行區(qū)域水安全評價，采用基于層次分析和熵權組合法的指標權重確定方法確定指標權重，構建了基于可拓云理論的水安全評價模型，評價2005年到2017年廣東省水安全水平，得出如下結論：

廣東省水安全從“不安全”狀態(tài)到“安全”狀態(tài)，再到“較安全狀態(tài)”，區(qū)域水安全水平不斷轉好。研究結果與實際狀況基本相符。

通過分析2005年至2017年間廣東省水安全指標的評價結果得到：提升區(qū)域水安全水平需要通過控制區(qū)域人口增長，強化節(jié)水控制力度，降低生產、生活用水浪費，降低水體和大氣污染排放，提升經濟水平，加強綠化覆蓋，提高社會用水保障，加強環(huán)境污染治理投資力度等綜合作用共同實現(xiàn)。

隨著經濟發(fā)展，水體和大氣污染排放增加，對區(qū)域水安全水平起到制約作用，此外，需要在區(qū)域發(fā)展過程中持續(xù)進行經濟結構調整，提升生產和生活用水效率，從而減少經濟發(fā)展對區(qū)域水安全的影響。

5 總 結

區(qū)域水安全狀況的客觀評價對區(qū)域水安全規(guī)劃和決策具有重要影響。本研究針對水安全評價相關數據不容易準確地獲取，具有模糊性和隨機性等問題，引入可拓云模型，該模型具有，可拓學中物元理論可融合定量與定性分析的特點，又有云模型能夠處理雙重不確定性的優(yōu)勢。在水安全評價指標選擇方面，基于DPSIR模型構建水安全評價指標體系，從水安全的驅動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應五方面出發(fā)，綜合考慮水資源、社會、經濟、生態(tài)等影響因素進行水安全評價分析。在指標權重選擇方面，采用主觀和客觀組合法，基于層次分析和熵權組合法確定指標權重。構建了基于可拓云理論的水安全評價模型用于評價區(qū)域水安全。采用廣東省統(tǒng)計數據進行實例分析，根據分析結果廣東省水安全水平逐漸轉好。研究結果與實際狀況基本相符。根據具體指標的分析提升區(qū)域水安全水平需要通過控制區(qū)域人口增長，強化節(jié)水控制力度，降低生產、生活用水浪費，降低水體和大氣污染排放，提升經濟水平，加強綠化覆蓋，提高社會用水保障，加強環(huán)境污染治理投資力度等綜合作用共同實現(xiàn)。