臨沂市水資源安全綜合評價研究

李 丹，毛玉鑫，3，陳森林，2，梁 斌，譚安琪，潘志浩，孫亞婷

（1.武漢大學水利水電學院，武漢 430072；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；3.中國長江電力股份有限公司，湖北宜昌 443133；4.長江水利委員會長江中游水文水資源勘測局，武漢 430072）

0 引 言

水資源是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟資源，是人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。近年來，水資源安全問題日漸突顯，并已經(jīng)成為制約我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重要因素［1］。隨著人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的地區(qū)出現(xiàn)了水資源緊張的局勢，目前我國有16 個省（區(qū)、市）的人均水資源量低于嚴重缺水線［2］。水資源的相對短缺及嚴峻的水污染形勢已對經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展造成了前所未有的壓力，水資源安全是水資源管理的核心內(nèi)容與終極目標，同時也是社會經(jīng)濟安全與可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和前提，逐漸成為學界和政府部門關(guān)注的重要議題。同時我國水資源安全研究也取得了很大成就，以黃河來說，隨著對黃河水資源安全研究的不斷深入，黃河流域的水資源短缺得到一定程度的緩解，水污染狀況得到有效的治理，同時困擾黃河流域多年的斷流問題也基本得到了根治，黃河流域的整體健康狀況有了很大改善［3］。

水資源安全評價作為水資源安全研究的關(guān)鍵問題，同時也是實現(xiàn)水資源安全戰(zhàn)略的基礎(chǔ)性工作，已成為國內(nèi)外水資源科學研究的熱點［4］。水資源安全評價的核心問題是一個國家或地區(qū)（流域）的水資源能否滿足社會長遠、可持續(xù)發(fā)展的要求［5］。通過水資源安全評價，系統(tǒng)分析各因素對區(qū)域水資源安全的影響，評估區(qū)域水資源安全現(xiàn)狀，是水資源可持續(xù)開發(fā)與管理的依據(jù)，也是相關(guān)工程規(guī)劃、設(shè)計及運行管理的前提，水資源安全評價的研究意義重大［6］。本文基于對目前水資源安全評價常用指標的梳理，建立水資源安全評價基本指標庫，并結(jié)合研究區(qū)域的相關(guān)特性，構(gòu)建臨沂市水資源安全評價指標體系，利用層次分析法對臨沂市水資源安全進行綜合評價研究，以期為地區(qū)水資源安全狀況做出準確判斷，從而為區(qū)域水資源安全戰(zhàn)略提供相關(guān)決策支撐。

1 水資源安全評價指標體系

1.1 水資源安全評價的基本指標庫

國內(nèi)對水資源安全領(lǐng)域的研究始于本世紀初，在建立指標體系時，一般分為兩類情形：其一是依據(jù)水資源安全的內(nèi)涵將其分為多個子安全系統(tǒng)，如經(jīng)濟安全、供水安全、生態(tài)安全等，然后在各個子系統(tǒng)內(nèi)選擇合適的指標；其二是從水資源總體出發(fā)選擇指標，建立評價指標體系。

賈紹鳳等［7］將水資源安全分為總體安全、社會安全、經(jīng)濟安全和生態(tài)安全4 個層面，選取了約22 個評價指標建立了水資源安全評價指標體系，以海河流域作為研究實例進行了水資源安全現(xiàn)狀的評價，并由分析了海河流域水資源不安全的幾點原因。張巧顯等［8］運用系統(tǒng)分析的理論和方法，建立了水安全動態(tài)模型，從生命安全、經(jīng)濟安全、糧食安全、生態(tài)系統(tǒng)安全、環(huán)境安全和社會安全6 個子目標出發(fā)，選取了16 個指標建立指標體系對我國水安全進行模擬。黃微塵等［9］則是從水資源量、水環(huán)境質(zhì)量和社會經(jīng)濟用水三個方面選取了共24 項指標，采用ELECTRE 方法對淮河流域水資源安全進行了評價研究。黃楚珩［10］、張志君［11］及江慧寧［12］等也相繼建立了類似的指標體系，用于不同地區(qū)的水資源安全評價研究。

另外，一些學者直接從水資源安全總體出發(fā)建立評價體系。如吳開亞等［13］選取水資源利用率、萬元工業(yè)產(chǎn)值耗水量、灌溉水綜合利用系數(shù)等共8 個指標，建立了水資源安全評價指標體系，并以巢湖流域作為研究實例進行評價；陸建忠等［14］選取了20 項指標建立水資源安全評價指標體系，對鄱陽湖流域2000-2010年年水資源安全狀態(tài)進行了評價。此外，還有一些學者通過水資源壓力來評價水資源安全，最具代表性的指標是人均水資源量、水資源開發(fā)利用程度和水貧困指數(shù)（WPI）。其中，水貧困指數(shù)（WPI）是目前國際上較為公認的水資源安全評價指標，它由英國水文學家Sullivan［15］等提出，我國學者如張翔［16］等也曾使用這種方法對水資源安全進行評價。WPI 指數(shù)由資源（Resource）、途徑（Access）、利用（Use）、能力（Capacity）和環(huán)境（Environment）5個分指數(shù)組成，是個較為綜合的指標，能夠比較全面地反映水資源開發(fā)利用中所涉及的方面，但是計算和資料搜集過程復(fù)雜繁瑣，且定性的描述需征詢專家意見，此外，對不同的地區(qū)，各分指數(shù)的計算依據(jù)不同，因此如何選擇合適的變量來構(gòu)成WPI 指數(shù)的計算框架也是一項重要的工作。綜上所述，將水資源安全評價指標分為供水類、承載類、開發(fā)類、調(diào)蓄類及利用類5大類，并對其中使用較為廣泛的若干指標進行梳理，得到構(gòu)成水資源安全評價指標體系的基本指標庫，如圖1所示。

圖1 水資源安全評價的基本指標庫Fig.1 Basic index database of water resources safety evaluation

1.2 水資源安全指標體系的構(gòu)建

建立指標體系最為核心的原則是要兼顧科學性和簡便性，科學性要求指標體系盡可能全面、準確地反映所評價的對象，簡便性要求所選取的指標數(shù)據(jù)容易獲得、計算簡便、便于操作和應(yīng)用。科學性與簡便性往往互相矛盾，若只追求科學性而忽略簡便性，建立的指標體系可能因為資料難以獲取而失去應(yīng)用價值；而過分注重簡便性而忽略科學性，則由此建立的指標體系雖然簡便，但卻反映不了所評價對象的真實情況，同樣也失去指標體系的應(yīng)用價值。所以實用、合理的指標體系，必須是科學性和簡便性的最佳結(jié)合［5］。

水資源安全涉及范圍較廣，涵蓋內(nèi)容較多，既有動態(tài)指標又有靜態(tài)指標，既有定性指標又有定量指標等。結(jié)合水資源安全的內(nèi)涵，參照相關(guān)研究成果，綜合考慮上述原則，將水安全評價體系分為目標層、準則層和指標層。目標層為單一目標，即水資源安全，表達水資源的綜合安全程度，水資源安全評價的目的在于綜合評價區(qū)域水資源安全水平，并根據(jù)評價結(jié)果采取相應(yīng)的水管理措施，以推進人水和諧以及社會經(jīng)濟的可持續(xù)健康發(fā)展。準則層是目標層的有機組成部分，通過水資源安全相關(guān)研究成果的梳理，選取供水保障、水資源開發(fā)、水資源調(diào)配和水資源利用作為水資源安全評價的準則層。準則層下包含若干具體的評價指標，評價指標的選取堅持科學性、整體性、實用性、代表性和地域性原則，全面體現(xiàn)評價區(qū)域水資源安全保障社會經(jīng)濟發(fā)展的整體狀況。

（1）供水保障。供水保障準則層反映的一個地區(qū)供水能力建設(shè)等因素對水資源安全所產(chǎn)生的影響，選取綜合供水保障率這一指標，作為衡量區(qū)域內(nèi)供水對于當?shù)馗鞑块T用水需求的整體保障程度；此外，區(qū)域內(nèi)的蓄、引、提水工程是供水的重要保障工程措施，其運用狀況直接影響到當?shù)厮Y源供給能力，因此選取蓄、引、提水供水率作為衡量區(qū)域內(nèi)重要供水工程合理運用的評價指標。

（2）水資源開發(fā)。水資源開發(fā)準則層反映的是一個地區(qū)開發(fā)水資源等因素對水資源安全所產(chǎn)生的影響，對大多數(shù)區(qū)域而言，水資源的開發(fā)一般包含地表水和地下水兩部分，因此選取地表水資源開發(fā)率和地下水水資源開采率分別評價該地區(qū)地表水和地下水的開發(fā)（采）程度，綜合反映區(qū)域內(nèi)水資源開發(fā)的程度。

（3）水資源調(diào)配。水資源調(diào)配準則層反映的是一個地區(qū)調(diào)配水資源能力和效率等因素對水資源安全所產(chǎn)生的影響，水庫作為主要的調(diào)節(jié)地表徑流的工程設(shè)施，區(qū)域內(nèi)水庫的調(diào)節(jié)能力很大程度上反映了該地區(qū)對于地表徑流的調(diào)節(jié)能力；農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)和供水管網(wǎng)漏損率則分別反映了該地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)和供水管網(wǎng)調(diào)配水資源的效率，因此選取區(qū)域水庫調(diào)節(jié)能力指數(shù)、農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)和供水管網(wǎng)漏損率這3 項指標用于評價區(qū)域內(nèi)的水資源調(diào)配能力。

（4）水資源利用。水資源利用準則層反映的是一個地區(qū)水資源利用水平和效率等因素對水資源安全所產(chǎn)生的影響，水資源利用水平和效率是水資源保障區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的動力。人均用水量、萬元GDP用水量綜合反映了一定經(jīng)濟發(fā)展狀況下該地區(qū)的宏觀用水水平，因此選取該兩項指標用于評價區(qū)域內(nèi)的綜合用水水平；污水處理回用率、工業(yè)水重復(fù)利用率則是作為常用的反映區(qū)域內(nèi)用水效率的評價指標。

綜上分析，設(shè)置供水保障、水資源開發(fā)、水資源調(diào)配和水資源利用4 個準則層，共選取11 項指標，構(gòu)建區(qū)域水資源安全綜合評價指標體系（見表1）。

表1 水資源安全綜合評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of water resources safety

2 評價方法

2.1 指標標準化

不同的指標評價存在單位的不一致問題，為了更好的綜合評估目標需要對單個指標計算結(jié)果賦分?？刹捎脴O值標準化方法，即對某一指標按極值標準化［17］。

對于正向指標（即指標越大，相應(yīng)的評分越好），如綜合供水保障率，指標得分按式（1）計算。

式中：xvel為指標賦分值，為0～100 之間；x為指標實際計算值；xmax為該項指標的滿分值（達到該值，該項指標為滿分）；xmin為該項指標計算的零分值，滿分值和零分值的選取需參考現(xiàn)有的研究成果或相關(guān)規(guī)范標準確定。

對于逆向指標（即指標越小，相應(yīng)的評分越好），如供水管網(wǎng)漏損率，指標得分按式（2）計算。

考慮到一些指標在數(shù)據(jù)觀測或收集中不確定性可能帶來的異常值問題，對存在明顯異常值的計算結(jié)果采用95%極值標準化。

最后，依據(jù)得分對各項評價指標的狀態(tài)進行等級劃分，分級情況如表2所示。

表2 指標得分對應(yīng)狀態(tài)分級Tab.2 State classification corresponding to index score

2.2 層次分析法

層次分析法是美國著名運籌學家Saaty在20世紀70年代初提出的一種多目標決策系統(tǒng)分析方法，是水資源評價指標體系最常用方法，其原理是：將需要決策的問題置于一個大系統(tǒng)中，將問題分解并層次化，形成一個多層次的評價分析模型；之后綜合運用數(shù)學方法與定性分析方法，計算出每個評價指標對上級指標產(chǎn)生的影響權(quán)重。最終通過逐層計算，得到問題總目標的權(quán)重，以此評價解決方案的優(yōu)劣，實現(xiàn)輔助決策［18，19］，其主要步驟如下：

（1）構(gòu)建判斷矩陣。針對某一個評價指標的下一級，有n個同級指標，aij為第i個指標對第j個指標的相對重要性比值，構(gòu)成判斷矩陣為：

其中：aij＞0，aii =1，aji =1/aij，i= 1～n，j= 1～n，數(shù)值根據(jù)Saaty提出的9標度法確定。

（2）計算判斷矩陣的特征向量W與最大特征值λmax，并對判斷矩陣進行一致性檢驗。

①對A的每列進行歸一化處理，得B=(bij)n×n，其中，bij =

②對B的每行求和，得C=(C1，C2， ...Cn)，其中，Ci =

③對C進行歸一化處理，得W=(W1，W2， ...Wn)，其中，，W即為矩陣近似特征向量。

⑤判斷矩陣一致性指標，CR =CI/RI，其中CR為判斷矩陣的隨機一致性比率，CI為判斷矩陣的一般一致性指標。CI =；RI通過查表3 得到。如果CR＜0.1，則認為判斷矩陣較為滿意的一致性。通過一致性檢驗，最大特征值λmax所對應(yīng)的特征向量W的各個分量代表了該層各指標相對于上一級指標的相對重要性，即為該級各指標的權(quán)重。

表3 不同階數(shù)判斷矩陣RI值Tab.3 RI value of judgment matrix with different orders

按照上述過程計算每一級指標權(quán)重，自下而上逐級相乘得到每個評價指標相對總目標的權(quán)重，最終將各指標按其權(quán)重加以綜合評價。

3 實例應(yīng)用

3.1 區(qū)域概況

臨沂市轄3 區(qū)9 縣，總面積為17 185 km2，屬于魯東南低山丘陵區(qū)，氣候溫和，自然資源豐富，交通便利。根據(jù)《臨沂市水資源調(diào)查評價》，臨沂市多年平均降水量818.8 mm，水資源總量55.36 億m3，全市人均水資源占有量僅為497 m3，不足全國人均水平的1/4，屬于資源型缺水地區(qū)。所處的地理位置和自然氣候氣象條件，決定了臨沂市是一個干旱、洪水和臺風災(zāi)害發(fā)生頻繁的地區(qū)。水資源在年際間變化大，年內(nèi)分布不均，6-9月的徑流量約占全年徑流量的83.0%；最大年徑流量是最小年徑流量的9.5 倍。地下水資源的地域分布也很不平衡，總體是平原區(qū)大于山丘區(qū)，巖溶山區(qū)大于一般山丘區(qū)，淺層地下水呈衰減態(tài)勢。主要河流的大部分河段水質(zhì)為Ⅲ類水，且有逐年下降的趨勢。

3.2 水資源安全評價

根據(jù)2013-2018年《臨沂市水資源公報》，臨沂市多年平均供水量為17.02 億m3，其中地表水供水量為12.30 億m3，多年平均耗水量11.48 億m3；臨沂市多年平均蓄水工程供水量6.24 億m3，多年平均引水工程供水量4.50 億m3，多年平均提水工程供水量1.57 億m3。多年平均人均用水量為159.29 m3，多年平均萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值用水量43.31 m3，農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)0.632。根據(jù)《臨沂市水安全保障總體規(guī)劃》，臨沂市現(xiàn)狀水平年供水管網(wǎng)漏失水量為2 103.35 萬m3，管網(wǎng)漏損率為12.59%，污水處理回用率為23.7%，工業(yè)水重復(fù)利用率為92%，根據(jù)《臨沂市水資源調(diào)查評價》和《山東省水資源綜合規(guī)劃》，占臨沂市域面積77.5%的沂沭河流域，現(xiàn)狀水資源開發(fā)利用率只有31.3%。

對于指標權(quán)重的選取，采用專家賦分結(jié)合層次分析法，得到各個準則層以及準則層下各項指標的權(quán)重值，并依次加權(quán)求和得到各個準則層得分以及最終臨沂市水資源安全評價綜合得分。綜上，得到臨沂市水資源安全評價結(jié)果如表4。

根據(jù)表4，臨沂市水資源安全評價結(jié)果綜合得分為74.79，說明臨沂市水資源安全水平整體上處于良好狀態(tài)，存在一定的水安全保障需求，可通過相應(yīng)的水利工程和水管理措施進一步提升區(qū)域內(nèi)的水資源安全水平。準則層方面，供水保障準則層的綜合得分為86.03，對應(yīng)狀態(tài)等級為優(yōu)，說明臨沂市在供水保障方面不存在太大的問題，進一步提升區(qū)域內(nèi)供水保障能力的整體性需求不高。水資源開發(fā)準則層的綜合得分為58.52，對應(yīng)狀態(tài)等級為中等，說明臨沂市在水資源開發(fā)方面還存在較大優(yōu)化空間。水資源調(diào)配準則層的綜合得分為86.36，對應(yīng)狀態(tài)等級為優(yōu)，說明臨沂市在水資源調(diào)配方面處于較好的水平。水資源利用準則層的綜合得分為63.88，對應(yīng)狀態(tài)等級為良好，還存在一定發(fā)展空間。

表4 臨沂市水資源安全評價結(jié)果Tab.4 Evaluation results of water resources safety in Linyi City

4 結(jié) 論

水資源是社會經(jīng)濟發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和戰(zhàn)略資源，水資源安全的理念越來越受到社會的關(guān)注，水資源安全評價的目的是分析區(qū)域內(nèi)水資源利用的安全狀況，并依據(jù)其評價結(jié)果，分析區(qū)域水資源開發(fā)利用中存在的問題，為區(qū)域水資源安全戰(zhàn)略和相關(guān)規(guī)劃提供參考和借鑒。

本文基于對目前水資源安全指標的梳理，識別出科學簡明、易于操作的評價指標，構(gòu)成水資源安全評價的基本指標庫。結(jié)合評價區(qū)域的相關(guān)特性，設(shè)置供水保障、水資源開發(fā)、水資源調(diào)配和水資源利用等影響區(qū)域水資源安全的4方面因素作為準則層，構(gòu)建了含11項基本指標的區(qū)域水資源安全綜合評價指標體系，對以臨沂市進行了水資源安全綜合評價研究。評價結(jié)果表明臨沂市水資源安全水平整體上處于良好狀態(tài)，但仍存在一定的水資源安全保障需求，主要體現(xiàn)在增強水資源開發(fā)能力、提升水資源利用效率方面。

水資源開發(fā)方面，由于臨沂市現(xiàn)狀攔蓄水能力較低，大量雨洪資源得不到利用，可通過新建大中型水庫、原有水庫擴容、改建攔河閘壩以及必要的水系連通工程等一系列措施完善水資源調(diào)配工程體系，進一步加強水資源開發(fā)能力。水資源利用效率方面，需堅持節(jié)水優(yōu)先、強化約束，加強城鎮(zhèn)節(jié)水、完善工業(yè)節(jié)水技術(shù)、充分利用再生水資源等系列措施，持續(xù)推進節(jié)水型社會建設(shè)，加快實現(xiàn)從粗放用水向集約節(jié)約用水的轉(zhuǎn)變。 □