遼寧省農(nóng)業(yè)水資源安全評價

雷書姍

(昌圖縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 昌圖 112599)

0 引 言

20世紀90年代基于能源和食品安全理論提出了水資源安全這一新的概念，相關(guān)研究主要從自然環(huán)境、經(jīng)濟與社會安全的角度分析水資源狀態(tài)。當前，尚未形成統(tǒng)一、完善的水資源安全定義，依據(jù)相關(guān)研究成果將水資源安全的內(nèi)涵概括為：在特定的歷史發(fā)展階段和水環(huán)境破壞、水質(zhì)污染、洪水災(zāi)害和干旱缺水等對國家或區(qū)域利益不產(chǎn)生嚴重損失的條件上，水資源能夠持續(xù)維持色會與國民經(jīng)濟發(fā)展需要的狀態(tài)[1]。

關(guān)于水資源安全的概念、理論方法和模型探討等，國內(nèi)外諸多學者取得了一定的研究成果，如周安康等運用綜合評判模型和實測評價指標，寶雞峽灌區(qū)的農(nóng)業(yè)水資源安全及其關(guān)鍵性影響因子進行科學的分析；劉布春等從人為、社會和自然因素3個子系統(tǒng)分析了農(nóng)業(yè)水安全的基本構(gòu)成要素；王鵬等對灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源安全運用模糊綜合評判法和AHP法進行科學評價，結(jié)合工程實踐和文獻資料提出了切實可行的建議措施[2-4]。也有學者針對模型評價方法開展了研究，主要側(cè)重于數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、理論推到與工程實例相結(jié)合、定性分析與定量計算等方面。文章結(jié)合水資源管理和水安全相關(guān)研究成果，將農(nóng)業(yè)水資源安全水平依據(jù)生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟、供水、用水與水資源之間的關(guān)系進行分析，從而確定水資源安全關(guān)鍵性影響因子，依據(jù)評價結(jié)果和區(qū)域水資源利用實際提出有效的決策建議[5]。

1 研究方法

1.1 水資源安全評價目標

水資源安全是農(nóng)業(yè)灌區(qū)用水狀況的直接反映和城市水資源管理的核心內(nèi)容，它體現(xiàn)了區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展和群眾生活用水的需求水平，可用于描述農(nóng)業(yè)水安全存在的隱患和水資源所處的良好狀況，為區(qū)域水資源管理規(guī)劃和水安全科學評價提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1.2 構(gòu)建數(shù)學模型

1.2.1 指標賦權(quán)

1) 指標賦權(quán)。AHP層次分析法是一種將定量計算和定性分析相結(jié)合的多因素、多層次決策分析法，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的量化分析和模型化運算。該方法主要是對梯階層次體系間的非序列關(guān)系按照主觀經(jīng)驗和模型理論分析，從而為決策者的有效判斷提供科學的依據(jù)。其基本流程為：將研究問題按照一定的原則分解為若干個層次，從而構(gòu)建因素層、準側(cè)層和目標層的梯階框架模型，通過分析任意2個因素之間的重要性關(guān)系，按照標度準則構(gòu)造的判斷矩陣，計算確定各因素的單排序、總排序及其權(quán)重的大小，最終優(yōu)選出最佳的方案。該方法具有誤差小、可靠性高等優(yōu)點，為當前權(quán)重計算較為常用的方法之一。

2) 梯階層次體系。將梯階框架模型的第1層設(shè)定為農(nóng)業(yè)水資源安全評價，評價體系的第2層有水資源、生態(tài)績效、社會經(jīng)濟、供水和用水子系統(tǒng)；結(jié)合區(qū)域水資源利用實際情況選擇典型的評價指標，通過相關(guān)性分析構(gòu)造第3層結(jié)構(gòu)體系。

3) 構(gòu)造判斷矩陣。不同指標對農(nóng)業(yè)水安全評價的貢獻率存在差異，判斷矩陣的構(gòu)造考慮選用1-9標度法和專家咨詢法確定，即：

式中：aij=vi/vj——為評價因子j因子i的重要程度，且αij應(yīng)滿足的條件有：aij=1/αji(j=1,2,…,n)；αii=1，aii≥0(i=1,2,…,n)。

4) 權(quán)重計算。一般情況下，不同指標對水資源安全評價的影響不盡相同，個別指標對評價結(jié)果的貢獻率較高，而有些指標的貢獻率較小，所以有必要對各因素賦予相應(yīng)的權(quán)重反映其對評價結(jié)果的貢獻率大小。其中，單層次排序計算公式為：

對各評價指標權(quán)重值Vi利用上述公式分別計算，從而得到相對于上一層該層次各指標的相對重要度比，由此確定水資源安全各因素單層次排序。

依據(jù)單層次排序的計算結(jié)果及其權(quán)重值，采用下式確定多層次總排序，即：

式中：θi、θij——為k層因素的總排序權(quán)值和k-1層第j個因素關(guān)于第k層的單排序權(quán)值；αj、m——為k-1層中因素j的總排序權(quán)值及其所包含的因素個數(shù)。

5) 一致性檢驗。根據(jù)1-9標度準則對m個元素的權(quán)重進行單排序，從而構(gòu)造構(gòu)造相應(yīng)的權(quán)向量，然后利用Matlab相關(guān)軟件對最大特征根利λmax計算。從數(shù)學的角度能夠很容易證明矩陣C屬于正互反矩陣，通過計算可確定某一正實數(shù)λmax。對農(nóng)業(yè)水資源安全評價分析時，按照專家賦分構(gòu)造的判斷矩陣并不完全符合一致性要求，所以需要利用CI指標衡量其一致性程度。一致性指標CI值為0，則水資源安全評判矩陣滿足一致性檢驗；否則，采用指標RI重新檢驗其一致性，其表達式為：

司馬遷對“至圣”孔子之關(guān)注，是出于繼承孔子“作《春秋》”偉大事業(yè)的遺志，也是出于對孔子的情感認同。那么司馬遷心中的“至圣”又有著什么樣的內(nèi)涵？他筆下的“至圣”孔子又有怎樣的特點？

判斷矩陣C符合平均隨機一致性檢驗的標準為CR≤0.10，在該條件下認為各參數(shù)權(quán)值符合實際情況可用于水資源評價；若不符合上述條件則應(yīng)重新調(diào)整，重復(fù)以上計算流步驟直至滿足檢驗要求停止運算。對于不同的階數(shù)矩陣，平均隨機一致性RI的判別標準如表1所示。

表1 平均隨機一致性RI檢驗指標值

1.2.2 綜合評價模型

水資源安全評價屬于多約束、多層次和多因素的綜合評價問題，目前較為常用的有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、單因子分析、模糊綜合法和層次分析法等。通常情況下，為便于計算分析可按照某種屬性將評判因素集劃分為多個層級，通過對每一層參數(shù)的評價分析最終給出綜合評價結(jié)果，文章對農(nóng)業(yè)水資源安全評價考慮利用多層次模糊數(shù)學法，其表達式為：

式中：Xa、Y為a類系統(tǒng)評價結(jié)果值和系統(tǒng)綜合評價值；Vj、θi為因素層總排序權(quán)重值和單層次排序權(quán)值；Pi、Pj為矩陣及其對應(yīng)指標的評定系數(shù)。

考慮區(qū)域水資源開發(fā)利用情況和農(nóng)業(yè)用水特點，將評價等級劃分為非常危險、危險、基本安全、安全和較高安全5個級別，所對應(yīng)的標準值為<1、1-2、2-3、3-4、>4。根據(jù)理想標準等級和評判結(jié)果，反映不同評價等級下農(nóng)業(yè)水資源的安全水平。

1.3 評價指標體系及等級劃分

文章依據(jù)遼寧省農(nóng)業(yè)水資源分布特點和水安全評價方法及其內(nèi)涵，綜合考慮國內(nèi)外研究成果和相關(guān)資料，從生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟、水資源、供水及用水5個方面選擇17項典型評價指標，遵循代表性、層次性、科學性、可獲取性、區(qū)域性、獨立性和整體性等原則建立多層次多要素綜合評價體系。其中，目標層反映了農(nóng)業(yè)水資源與環(huán)境、經(jīng)濟、人口、資源等系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，系統(tǒng)層體現(xiàn)了研究區(qū)各影響因子與子系統(tǒng)之間的復(fù)雜關(guān)系，因素層主要有安全各評價指標[6]。

根據(jù)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃、國際和國家認可的標準、行業(yè)規(guī)范等確定農(nóng)業(yè)水資源安全等級，將評價等級劃分為Ⅰ-Ⅴ級5個標準，各評價指標的等級區(qū)間和等級劃分參考文獻資料，劃分標準如表2所示。

表2 水資源承載力評價體系及等級劃分

2 農(nóng)業(yè)水資源安全綜合評價

2.1 區(qū)域概況

遼寧省地處溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年均氣溫為8-12.6℃，主要有饒陽河、大凌河、渾河、太子河、大洋河、遼河等支流，降水充沛，水資源豐富。氣候特點為：春秋季短、冬長夏暖、平原風大、寒冷期長、雨量集中、雨熱同期、四季分明、光照豐富，年降水量600-1100mm之間。由于特殊的地理環(huán)境和復(fù)雜的水文氣象，降水呈明顯的區(qū)域性與季節(jié)性特征，不同時間尺度上的降水量存在較大的差異，每年的7、8、9月份為降雨集中期且多暴雨或強降雨；在空間分布上，中部平原區(qū)相對于東部山地丘陵區(qū)較少，與渤海相鄰的東南部降水量充足，而西北地區(qū)風沙干旱嚴重且降水稀少[7-9]。

2000-2010年統(tǒng)計資料顯示，全省年均降水量986.67億m3，地表水與地下水量分別為238.6、130.2億m3，由于降水的年際變化和季節(jié)性變化使得地表水資源量存在較大的年際變化特征。農(nóng)業(yè)用水占總用水量的49.8%，統(tǒng)計期間農(nóng)村生活用水基本不變，為95L/d。全省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)仍需要進一步提高，當前仍處于0.510的較低水平。

2.2 數(shù)據(jù)來源

農(nóng)業(yè)水資源安全評價各指標數(shù)據(jù)來源于2018年遼寧省各地市農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒、水資源公報、各地市水資源統(tǒng)計公報及相關(guān)資料，部分指標依據(jù)農(nóng)業(yè)水資源實際情況和專家意見獲取。

2.3 綜合評價分析

2.3.1 權(quán)重的計算

N=(0.3082,0.2751,0.2145,0.1357,0.0665)；

M1-3=(0.2988,0.2633,0.4379)；

M4-6=(0.2971,0.1638,0.5392)；

M7-9=(0.2205,0.3528,0.1178,0.1769)；

M10-13=(0.3530,0.3530,0.1176,0.1764)；

M14-17=(0.5328,0.1785,0.1785,0.1102)。

2.3.2 結(jié)果分析

以基準水平年2018年為例，依據(jù)遼寧省農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒和水資源相關(guān)資料，將該區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源安全狀態(tài)選用環(huán)境影響程度、農(nóng)村經(jīng)濟與人口發(fā)展、當?shù)剞r(nóng)作物面積及類型、水利設(shè)施現(xiàn)狀和水資源等指標評價。水資源安全評價體系各子系統(tǒng)和綜合系統(tǒng)的評價值利用多因子模糊綜合評判模型計算，即X1、X2、X3、X4、X5和Y值分別為2.695、2.261、2.218、1.922、3.526。

依據(jù)評價等級劃分標準確定綜合系統(tǒng)的水資源安全處于基本安全水平，社會經(jīng)濟、用水、供水和水資源子系統(tǒng)處于偏低的安全狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境為影響水資源安全評價結(jié)果的重要因素且其評價值最小為1.922。結(jié)合區(qū)域農(nóng)業(yè)用水狀況，引起該區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價值較小的原因有面源污染和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，且評價結(jié)果受灌溉水源水質(zhì)和河流污染等因素影響顯著，在未來的治理過程中應(yīng)注重對環(huán)境的分析。水利工程設(shè)施完好率和耕地灌溉率處于2級標準，由此表明供水系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)水安全評價的貢獻較大。另外，水資源大于供水系統(tǒng)的評價值，說明該區(qū)域仍存在進一步的水資源開發(fā)空間，要采取有效的工程措施提高水資源利用效率和承載力；用水子系統(tǒng)評價值處于中等的供需平衡水平，但仍存在節(jié)水意識薄弱、渠系用水效率低和灌溉措施落后等問題；較其他子系統(tǒng)而言，社會經(jīng)濟系統(tǒng)處于中等的較高狀態(tài)。綜上分析，水資源安全和隱患共存為遼寧省農(nóng)業(yè)水當前的狀態(tài)，為保證農(nóng)業(yè)用水安全要綜合考慮各個方面的額影響采取有效的措施。

3 結(jié) 論

將遼寧省農(nóng)業(yè)水資源安全狀態(tài)利用多因子模糊綜合法進行科學評價，水資源安全和隱患共存為該區(qū)域農(nóng)業(yè)水當前的狀態(tài)，水資源整體處于基本安全水平，由于污水處理能力低、節(jié)水意識薄弱、再生水利用率低以及耕地灌溉率低等使得水資源可持續(xù)發(fā)展水平低，這也是引起農(nóng)業(yè)水安全評價較低的關(guān)鍵原因。