疏勒河流域水資源安全評價研究

武蘭珍，孫棟元，趙 霞，鄢繼選，牛最榮，齊廣平

(甘肅農業(yè)大學水利水電工程學院，蘭州 730070)

水資源是生態(tài)環(huán)境的重要控制性要素，是基礎性的自然資源和戰(zhàn)略性的經濟資源，也是國家綜合國力的有機組成部分[1]。我國水資源短缺，人均水資源占有量僅為世界水平的1/4，水資源時空分布不均勻，尤其是在西北內陸生態(tài)環(huán)境相對脆弱的干旱與半干旱地區(qū)，水資源問題已成為制約當?shù)亟洕?、社會發(fā)展的最主要因素[2]。在日益嚴峻的水資源問題中水資源安全問題日漸突顯，水資源安全與否已成為人類生存和發(fā)展的保障性基本條件。水資源安全問題成為學界和政府關注的重要議題[3,4]。而水資源安全評價作為水資源安全研究的關鍵問題之一，越來越受到人們重視。

近年來，國內外眾多學者用各類評價指標和各種評價模型對不同區(qū)域水資源安全進行了評價。在評價指標的選擇中，有單向指標也有綜合指標。通常選擇區(qū)域人均水資源量和水資源開發(fā)利用程度作為單項指標[5,6]。但水資源安全作為一個綜合性概念，單項指標難以反映水資源安全評價的全部內容，而且這2個單項指標在應用過程中所反映出的水資源安全狀況在部分地區(qū)可能完全相反，因此構建水資源安全評價綜合指標十分必要。國內外常用的水資源安全評價的綜合指標有水安全指數(shù)( Water Security Index)[7]、水貧乏指數(shù)( Water Poverty Index)[8,9]、水壓力綜合指數(shù)( Integrated Water Stress Index)[10]、水短缺指數(shù)( Water Scarcity or Shortage Index)[11]、水資源承載力指數(shù)( Water Resources Carrying Capacity Index)[12]等，這些指標較為綜合地考慮了社會、經濟、資源、環(huán)境等各方面因素，較為全面地反映出不同區(qū)域的水資源安全狀況，但這些綜合指標數(shù)據(jù)的可獲得性較難保障。在水資源安全評價方法方面，陸建忠等利用綜合指數(shù)法對鄱陽湖流域水資源安全進行了評價研究[13]；黃乾等建立了基于熵權的水安全模糊物元模型，并對2005年山東省水安全進行了評價[14]；盧敏等用集對分析理論提出了基于集對分析的水安全評價方法[15]；宋培爭等運用基于粒子群算法優(yōu)化的Logistic指數(shù)公式對區(qū)域水資源安全進行了評價[16]。這些評價模型和方法各有優(yōu)缺點，基本上都需要根據(jù)決策者的偏好和指標體系的特點進行選擇[17]。為此，本文提出了一種基于時間尺度具有數(shù)據(jù)可獲得性、結果可比較性的水資源安全評價方法來全面反映以時間為尺度的流域水資源相對安全狀況。文章采用AHP(層次分析)和多目標多層次的模糊綜合評判模型，選取疏勒河流域為研究區(qū)域，結合流域2005-2017年流域內自然、經濟、社會和水資源狀況等統(tǒng)計資料，對流域水資源安全進行綜合評價，以期為區(qū)域水資源安全狀況做出準確判斷，從而為疏勒河流域生態(tài)治理和水資源開發(fā)利用提供決策依據(jù)[18]。

1 研究區(qū)概況

疏勒河是地處甘肅河西走廊最西端的3大內陸河之一[2]，干流全長670 m，流域面積4.13 萬km2，由于地處西北內陸干旱半干旱地帶，流域內多年平均降水量僅為47～63 mm，而年均蒸發(fā)量為2 897～3 042 mm，根據(jù)2005-2017年《甘肅省水資源公報》中數(shù)據(jù)顯示，流域多年平均水資源總量為25.73 億m3，用水量為18.4 億m3。2017年，流域內總人口為53.23 萬人，其中城鎮(zhèn)人口32.11 萬人，農村人口21.12 萬人，國內生產總值342.62 億元，人均GDP為6.44 萬元。早在漢唐時期，疏勒河流域就是絲綢之路上的重要產糧區(qū)，推動著絲綢之路的發(fā)展。目前，流域下轄干流中游昌馬灌區(qū)、干流下游雙塔灌區(qū)及花海灌區(qū)3大灌區(qū)，灌區(qū)有效灌溉面積為8.96 萬hm2[19]。

2 疏勒河流域水資源安全評價模型

2.1 評價指標體系的確定

水資源安全評價內容豐富，評價對象除水資源本身之外，還包括與水資源相關的眾多自然因素、社會經濟因素和人文因素等。水資源安全是所有與其相關的多種因素組成的綜合水環(huán)境系統(tǒng)的安全。因此水資源安全評價所建立的指標體系須全面、完整、準確地反映水資源安全屬性。在遵循科學性、典型性、可表征性、可獲得性等的原則基礎上，借鑒國內水安全評價中的指標體系，結合疏勒河流域實際情況，選取能綜合反映疏勒河流域水資源安全狀況的20個評價指標，建立由目標層(A)、準則層(B)、指標層(C)3個層次組成的疏勒河流域水資源安全綜合評價指標體系。指標的計算公式和選取意義見表1。

2.2 評價指標權重的確定

層次分析法(AHP)是將要進行的決策問題置于一個具有多種因素相互作用的大系統(tǒng)中，并將這些問題層次化，形成多層次結構分析模型，通過兩兩相比的方法將各不同層次的因素進行判別，確定各因素之間的相對重要程度。疏勒河流域水資源安全即為一個多層次多目標的系統(tǒng)，通過指標分類比較，最終得到影響疏勒河水資源安全的各因素的重要性權值。其具體步驟為:

(1)建立層次結構。根據(jù)疏勒河流域具體情況，選取水資源量、供水安全、社會安全、經濟安全和生態(tài)安全5個層面為準則層，每個準則層又包含若干評價指標[20]，建立流域水資源安全層次結構體系。見表1。

表1 疏勒河流域水資源安全綜合評價指標體系Tab.1 Comprehensive evaluation index system of water resources security in Shule River basin

(2)構造矩陣。比較下層因素Ci、Cj(i，j=1，2，…，n)對上層因素Bk的影響。每次取2個因素Ci和Cj，用cij表示Ci對Cj的相對重要度賦值。構成B-C的判斷矩陣A：

(1)

(3)權重計算。得到判斷矩陣A后，求解判斷矩陣A的最大特征根λmax及所對應的特征向量w，將w歸一化后，即為各指標因素C1，C2，…，Cn的排序權重。為判斷得到的權重是否在合理的允許范圍內，需對判斷矩陣A進行一致性檢驗。檢驗公式為：

(2)

式中：CR為判斷矩陣的隨機一致性比率；RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標；CI為判斷矩陣一致性指標：

(3)

1～9 階的判斷矩陣的RI值見表2。

表2 平均隨機一致性指標RI的取值Tab.2 Mean random consistency index RI

當CR<0.1或λmax=n，CI=0時，判斷矩陣具有滿意的一致性。否則，應對判斷矩陣加以調整。

綜上，層次分析法將定性分析與定量判斷相結合，較為科學地對各指標進行權重賦值，能夠適用于疏勒河流域水資源安全綜合評價中各指標的權重賦值。疏勒河流域各評價指標權重和CR值見表3。

表3 評判指標權重值及一致性檢驗Tab.3 Weight value and consistency test for each evaluation index

2.3 多層次多目標模糊綜合評判模型

多層次多目標模糊綜合評價模型以模糊數(shù)學為基礎，主要針對決策問題中的復雜多目標問題。實際問題往往需要評價復雜系統(tǒng)，因此按照一定規(guī)則對評價內容逐級進行分類歸納，構成不同方案，評價每個方案內容，將得出的結果再次作為評價內容，不斷重復，最終得到最高層次的唯一值作為評價優(yōu)屬度狀況。

2.3.1 多層次多目標模糊評價模型的建立與運算

(1)確定目標集與方案集。設某一決策方案的結構形式為Mj(j=1,2,…,n)，則M=(M1,M2,M3,…,Mn)表示依照順序通過排列集合得到的方案集。以不同層次等級對目標集進行分層，不同對應方案下所影響的不同目標的結構形式用gi(i=1,2,…,m)表示，則能夠得到m個獨立目標構成的目標集G={Z1,Z2,…,Zm}，若用t個評價體系對目標集G進行歸類，將得到t個不同的類別，即G={G1,G2,…,Gt}。進行歸類后的目標集中的每一個子集仍就以不同的目標值組成，得到G={g1k,g2k,…,gmk}(k=1,2,…,t)。進行細分后，將第1次所劃分形成的G={G1,G2,…,Gt}看作目標集的首層，以此類推，將第2次劃分的目標Gk={g1k,g2k,…,gmk}(k=1,2,…,t)作為目標集的下一層。由于方案集與目標集呈現(xiàn)出兩兩對應的關系，令xij(i=1,2,…,m,j=1,2,…,n)為方案對目標的屬性關系指標量，則可用矩陣Xij=(xij)m×n表示m個目標對n個決策方案關于目標特征值的矩陣[21]：

(4)

(2)計算指標相對隸屬度。目標界定過程中，指標可分為成本型和效益型2類。

成本項指標：目標特征值越小越優(yōu)秀的指標，隸屬度構造公式為：

效益型指標：目標特征值越大越優(yōu)秀的指標，隸屬度構造公式為：

式中：rij表示方案對目標的相對隸屬度；xij是方案目標的特征值。

綜上，每一個目標對應的隸屬度所構成的矩陣為R：

(5)

疏勒河流域水資源安全評價各指標隸屬度表4。

表4 疏勒河流域水資源安全評價各指標隸屬度Tab.4 Subordination degree of water resources security assessment indexes in Shule River basin

(3)構建評價體系中的最優(yōu)及最劣方案。對于方案集中不受其他平行方案影響的評價方案，建立最優(yōu)方案與最劣方案。即抽出矩陣R中的每一行的最大值：

rg=(rg1,rg2,…,rgn)=

(maxr1j,maxr2j,…,maxrmj)=(1,1,…,1)

(6)

為理想優(yōu)等方案。

同理抽出矩陣R中每一行的最小值：

rb=(rb1,rb2,…,rbn)=

(minr1j, minr2j,…,minrmj)=(0,0,…,0)

(7)

為理想的劣等方案。

任何一個方案Mj都將以優(yōu)屬度ugi、劣屬度ubj隸屬于優(yōu)等方案rg和劣等方案rb。由此模糊劃分矩陣U被建立：

(8)

式中：0≤uji≤1,0≤ubj≤1,uji+ubj=1,j=1,2,…,n)。

(4)模糊優(yōu)選模型的建立。利用上述層次分析法得到各指標權重的加權向量，建立方案Mj與最優(yōu)等方案相對應的隸屬度ugi的最優(yōu)值的優(yōu)化準則，即：

(9)

(10)

式(9)為多目標模糊優(yōu)選模型，其中ugi為決策優(yōu)屬度。

最后，建立每個決策系統(tǒng)當中m個子系統(tǒng)的模糊關系矩陣irgi，將m個矩陣中所對應的不同元素依次合成，就可得到如下的多目標模糊矩陣U：

所以，如果各子系統(tǒng)的加權向量w=(w1,w2,…,wm)能夠計算出n個系統(tǒng)方案的決策優(yōu)屬度，以此類推，則將計算求得的底層指標決策優(yōu)屬度確定為每個單元更高一層的評價指標，然后再進行計算，這樣從最低層逐層向上一層進行模糊優(yōu)化運算。當最高一層只剩唯一一個單元時，則能夠求出最高級的單元系統(tǒng)也是整體方案的優(yōu)屬度向量：

uj=(u1,u2,…,un)

(12)

多層次多目標模糊綜合評價模型是從每個準則層的各個指標開始計算，用每個指標的權重進行賦值，然后再利用多層次多目標模糊綜合評價模型求出決策優(yōu)屬度向量，用求得的決策優(yōu)屬度向量逐層計算更高一層的決策優(yōu)屬度，求得最高級的決策優(yōu)屬度向量。值得一提的是，此方法評價的結果并不能代表系統(tǒng)的絕對優(yōu)劣程度，而是相對的判斷。優(yōu)屬度表示該指標相對于優(yōu)秀狀態(tài)的程度，優(yōu)屬度越高，情況越優(yōu)秀。

2.3.2 多層次多目標模糊綜合評價模型在疏勒河流域水資源安全評價中的應用

以時間尺度為基準對疏勒河流域水資源安全進行評價，選取2005-2017年疏勒河流域水資源安全評價指標，采用多層次多目標模糊綜合評價模型，對疏勒河流域13 a的水資源安全狀況進行綜合評價。以疏勒河流域13 a中每一個不同年份為方案集，即M=(M1，M2，…，M13)。根據(jù)疏勒河流域水資源安全綜合評價指標體系，從最底層開始經過逐層計算，最后得到最高層次決策優(yōu)屬度向量即水資源安全優(yōu)屬度。計算出的優(yōu)屬度值越大，表示水資源安全狀況相對越安全。疏勒河流域水資源安全評價各層次決策優(yōu)屬度見表5和圖1。

表5 疏勒河流域水資源安全評價目標層決策優(yōu)屬度Tab.5 Decision-making superiority degree of each target level for water resources security assessment in Shule River basin

圖1 疏勒河流域水資源安全評價各準則層決策優(yōu)屬度Fig.1 Decision-making superiority degree of each criterion level for water resources security assessment in Shule River basin

3 疏勒河水資源安全評價結果分析

由于多層次多目標模糊綜合評價模型并不是對水資源安全優(yōu)劣進行絕對評判，而是以時間為尺度，對水資源安全狀況進行相對定論，所以本文以年為單位，對疏勒河水資源安全進行相對狀況分析研究。根據(jù)表4、表5、圖1的內容，按照不同層次優(yōu)屬度屬性，得出基于時間尺度的2005-2017年13 a的疏勒河水資源安全相對狀況。

疏勒河水資源安全狀況是一個動態(tài)變化過程，其安全度大小通過每一年水資源安全優(yōu)屬度的上下浮動值表示。由于優(yōu)屬度表示其隸屬于優(yōu)的程度，所以優(yōu)屬度越大則水資源安全狀況越優(yōu)，即越安全；反之，優(yōu)屬度越小則水資源安全狀況越差。從表5中可以看出，疏勒河13 a中水資源安全情況的排名為2015年<2014年<2005年<2016年<2007年<2017年<2012年<2006年<2013年<2009年<2010年<2008年<2011年。其中2015年優(yōu)屬度最小，表明2015年水資源安全狀況相對于其他年份最不樂觀；而2011年水資源安全優(yōu)屬度值最大，表明2011年疏勒河流域水資源安全狀況相對于其他年份是最好的。表5中數(shù)據(jù)顯示2014年與2015年疏勒河流域水資源優(yōu)屬度較低。究其原因是因為2014年甘肅省實施《最嚴格水資源管理制度考核辦法》，考核辦法中明確提出了用水量考核[22,23]，因此疏勒河流域用水量從2012年的20.84 億m3降低到了2013年的18.14 億m3，2014年則降至15.38 億m3，2015年為15.34 億m3，呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，直到2017年用水量才略有增加。

從圖1準則層優(yōu)屬度狀況可看出，準則層優(yōu)屬度變化浮動較大的是B5生態(tài)環(huán)境安全方面，其中2005年優(yōu)屬度最低，2011年優(yōu)屬度最高，但優(yōu)屬度為整體上升趨勢，2011-2015年優(yōu)屬度降低幅度較大，2015年達到最低狀態(tài)，2015年之后優(yōu)屬度又有上升。主要原因是疏勒河流域用水主要以農業(yè)灌溉為主，農業(yè)用水占比高達80%左右，根據(jù) 2003-2015 年昌馬、雙塔和花海3大灌區(qū)引水量及昌馬總干渠引水量統(tǒng)計資料，昌馬總干渠的年引水量均超出了省定額水量，且表現(xiàn)為逐年上升的趨勢，農業(yè)用水嚴重擠占生態(tài)用水。

其次2013年甘肅省開始實施《最嚴格水資源管理制度考核辦法》，為了達到考核目標調整流域用水結構，生態(tài)用水被嚴重擠占，2013年流域生態(tài)用水量達到最低值，生態(tài)環(huán)境用水率僅為1.9% 。因此，恢復流域生態(tài)用水是流域后續(xù)水資源合理配置的重要工作。2013年之后，由于對沙漠綠洲生態(tài)問題的關注，為解決敦煌生態(tài)問題，甘肅省實施《敦煌水資源合理利用與生態(tài)保護綜合規(guī)劃( 2011-2020 年)》，流域生態(tài)用水量在2013年后有所增加，2014年疏勒河流域生態(tài)用水率為2.2%，2015年為3.8%，2016年為5.0%，已超過流域2005-2017年13 a平均生態(tài)用水率4.5%，2017年提高至10.4%。

準則層中B4為流域經濟安全，由圖1可看出流域經濟安全優(yōu)屬度整體為上升趨勢。但在2013年后優(yōu)屬度呈現(xiàn)下降趨勢，疏勒河流域原有的礦產資源逐漸枯竭，疏勒河流域工業(yè)產值有逐漸下滑的趨勢，因此經濟安全優(yōu)屬度在2013年后有下降趨勢，然而伴隨著國家生態(tài)屏障示范區(qū)的建立，第三產業(yè)有逐漸興起的趨勢，因此2017年經濟安全優(yōu)屬度又有所升高。準則層中B3為流域社會安全，流域社會安全優(yōu)屬度整體為上升趨勢。影響社會安全優(yōu)屬度中與農業(yè)用水相關指標權重為0.305 2，但流域內灌溉用水并沒有實施明確的作物每公頃配水定額，也未對農戶灌溉進行用水限制，仍以大水漫灌為主，農業(yè)灌溉的節(jié)水意識不強[24]。如果改變現(xiàn)狀，由耗水型向節(jié)水型轉變的同時加強流域水資源管理，流域社會安全優(yōu)屬度仍有一定提高空間。B2為流域供水安全，呈現(xiàn)出整體惡化趨勢。因此，提高流域供水安全也是流域未來在水資源規(guī)劃和配置應重點關注的主要方向之一。B1為流域水資源量，從圖1中可以看出 2010年和2017年流域水資源量優(yōu)屬度2次出現(xiàn)峰值，水資源量優(yōu)屬度最低值出現(xiàn)在 2014年，該變化規(guī)律和流域水資源變化狀態(tài)基本吻合，流域水資源總量2010年和2016年出現(xiàn)峰值，2014年流域水資源總量出現(xiàn)最小值為 13.03 億m3。

4 結論與討論

通過AHP和多目標多層次模糊綜合評價模型對2005-2017年疏勒河流域水資源安全進行綜合評價，研究結果表明：

(1)在2005-2017年中疏勒河流域水資源安全狀況最好的為2011年，水資源安全狀況最差的為2015年。其中供水安全在水資源安全中所占比重最大，權重為0.325 7；生態(tài)環(huán)境安全在水資源安全中所占比例最小，權重為0.098 4。

(2)AHP和以時間為尺度的多層次多目標模糊綜合評判模型，可相對評價出歷年疏勒河流域水資源安全狀況的變化情況，具有較強的可行性。其中AHP能夠較好地確定權重，它把影響疏勒河流域水資源安全的各因素劃分成相關聯(lián)、條理化的有序層次，并根據(jù)專家打分和數(shù)學計算得出合理權重。利用AHP得到的各評判因素的權重，通過多目標多層次模糊綜合評判模型建立疏勒河流域綜合模糊評判矩陣并對其安全狀況作出多因素綜合評價，得出基于時間尺度的長序列疏勒河流域水資源安全相對狀況，反映歷年水資源安全的變化情況，為疏勒河流域今后的生態(tài)恢復、水資源合理開發(fā)利用以及社會經濟的可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

(3)國家政策調控和流域自身用水結構是否合理是目前影響疏勒河流域水資源安全的重要因素。因此，在繼續(xù)調整經濟結構轉變增長方式同時，提高水資源的利用效率，出臺合理的水資源管理體制，合理規(guī)劃用水結構是疏勒河流域水資源安全的根本保障。

此外，本文雖提出了一種既能較為全面反映水資源安全狀況，又基于時間尺度上具有數(shù)據(jù)可獲得性、結果可比性的水資源安全評價方法，但仍有不足之處：一方面國內外對水資源安全沒有統(tǒng)一認識及數(shù)據(jù)資料限制，指標體系的設計還有待完善，如生態(tài)環(huán)境指標中由于數(shù)據(jù)難以獲取，僅考慮了生態(tài)環(huán)境用水率和用戶污水排放量2個指標；另一方面AHP法雖然確定了指標權重，但權重確定過程中的專家打分環(huán)節(jié)存在專家的主觀意識，并不能完全客觀地反應指標之間的相對重要程度；其次，通過多目標多層次模糊綜合評判模型計算出的結果，并不是對水資源安全優(yōu)劣進行的絕對評判，而是以時間為尺度，對水資源安全狀況進行的相對定論。