潁河流域區(qū)域水資源綜合利用效果評價指標(biāo)體系構(gòu)建

程 芳

(潁上縣水資源管理所，安徽 阜陽 236200)

0 引 言

水資源在生態(tài)系統(tǒng)健康保障方面扮演著重要的角色。水資源的可持續(xù)利用是確保社會可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)條件，與人類社會和生態(tài)環(huán)境緊密關(guān)聯(lián)。現(xiàn)階段，全球區(qū)域內(nèi)的水資源面臨著環(huán)境大面積污染和退化、資源枯竭等問題。我國水資源的可持續(xù)利用和發(fā)展也存在較大的問題，如水生態(tài)功能下降、資源耗費大、時空分布無規(guī)律性，成為限制經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要原因[1-3]。

潁河流域是人口集中區(qū)域的典型代表，隨著人口的激增及經(jīng)濟(jì)發(fā)展，目前水資源可持續(xù)發(fā)展面臨重大挑戰(zhàn)。為此，許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，并提出利用模糊綜合評價、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色聚類分析等不同評價方法，實現(xiàn)對水資源綜合利用效果進(jìn)行評價。在多種評價方法中，最直接有效的方法為物元可拓模型，其處理方法不是面向空間形式和數(shù)據(jù)，而是能直面問題的一種處理方式[4-5]。因此，本文構(gòu)建潁河流域水資源綜合利用效果的評價指標(biāo)，利用物元可拓模型確定指標(biāo)權(quán)重，并利用熵權(quán)法改進(jìn)權(quán)重的確定方式，以實現(xiàn)結(jié)合主觀和客觀的形式，對水資源綜合利用情況進(jìn)行評價。

1 潁河流域水資源綜合評價指標(biāo)體系建立和評價

1.1 綜合利用效果評價指標(biāo)體系建立

本研究以穎河流域為例，構(gòu)建水資源綜合評價指標(biāo)體系。該流域是淮河最大的支流，地理位置為E111°56′-E116°31′，總面積39 075.30km2，氣候帶為亞熱帶和暖溫帶，年均降雨量約750mm。穎河流域南段的主要支流為汾泉河、北汝河、沙河、魯河，是河南省重要的水源。目前，穎河流域內(nèi)人為活動較為頻繁，導(dǎo)致城市、農(nóng)業(yè)、工業(yè)的用水量急劇增加，也造成污染排放量逐漸增加，進(jìn)而對區(qū)域水資源的綜合利用產(chǎn)生惡劣的影響。選取該流域南段的10個城市2019-2021年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，城市分別是駐馬店、周口、南陽、漯河、許昌、汝州、平頂山、洛陽、開封、鄭州，數(shù)據(jù)來源為穎河流域管理局、《河南省統(tǒng)計年鑒》及《河南省水資源公報》。

水資源綜合利用效果是一個囊括多因素的綜合概念，具體包括社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、資源等多個維度。水資源可持續(xù)利用的主要內(nèi)容：在利用水資源的過程中，不僅需保障經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面對水資源的利用需求，同時也需確保未來水資源的可持續(xù)利用需求[6-8]。水資源綜合利用評價是指對水資源的發(fā)展趨勢和可持續(xù)利用水平進(jìn)行評價，并據(jù)此給出相應(yīng)的政策和改善措施。

本文結(jié)合前人的研究經(jīng)驗和穎河流域的實際情況，應(yīng)用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(Pressure-State-Response，PSR)模型，確定水資源綜合利用評價指標(biāo)。PSR模型的應(yīng)用范圍為可持續(xù)、環(huán)境、資源問題，主要包括壓力指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)、響應(yīng)指標(biāo)三類指標(biāo)。其中，響應(yīng)指標(biāo)是指應(yīng)用于不利資源狀況變化和不利環(huán)境的政策和手段；狀態(tài)指標(biāo)是指在人為活動的干擾情況下資源和環(huán)境的狀態(tài)變化；壓力指標(biāo)是指體現(xiàn)環(huán)境和資源在人為社會的影響程度。該模型能直接反映水資源綜合評價過程中各個層面的邏輯關(guān)系，一方面能體現(xiàn)環(huán)境和資源在人為活動影響下所產(chǎn)生的狀態(tài)變化，同時也能借助相應(yīng)的政策和措施對自然系統(tǒng)進(jìn)行改善，進(jìn)而滿足人、自然和諧共處的美好狀態(tài)。圖1為穎河流域水資源綜合利用評價指標(biāo)體系。

圖1 穎河流域水資源綜合利用評價指標(biāo)體系

該評價指標(biāo)體系包括壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個維度，總共包含18個指標(biāo)，分別用字母A1-A18表示。其中，負(fù)向指標(biāo)包括年用水量(108m3)、農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水的比例(%)、工業(yè)增加萬元用水體積(m3)、國民生產(chǎn)總值(GDP)萬元的用水量(m3)、污水排放的總體積(104m3)、人口密度(人/km2)、灌溉面積(102hm2)、常住人口增長率(%)、總?cè)丝跀?shù)量(萬人)。正向指標(biāo)包括年全部水資源體積(108m3)、人均水資源體積(m3)、人均GDP(元)、城市綠化面積(hm2)、節(jié)水灌溉率(%)、工業(yè)用水減少量(108m3)、GDP萬元用水下降率(%)、廢水處理率(%)。

1.2 偏好熵權(quán)物元可拓模型

標(biāo)準(zhǔn)物元可拓模型的理論基礎(chǔ)為可拓集合和物元理論。首先在物元分析的前提上，對節(jié)點域和經(jīng)典域進(jìn)行構(gòu)建，確定評價等級的標(biāo)準(zhǔn)。然后依據(jù)實際測得的數(shù)據(jù)組建待評物元獲得相應(yīng)等級的關(guān)聯(lián)度，進(jìn)而確定被評價對象所歸屬的等級。物元可拓模型可從定量和定性兩個方面來建立基于多指標(biāo)參數(shù)的評定模型，直接反映評價對象對策的具體情況，但該模型在實際應(yīng)用過程中存在一些問題。研究對標(biāo)準(zhǔn)物元可拓模型進(jìn)行了改進(jìn)，但通過關(guān)聯(lián)度函數(shù)計算得到的各評價物元權(quán)重，并不能以客觀角度來體現(xiàn)在待評事物中各評價指標(biāo)在重要性方面的差異?；诖?，研究借助熵權(quán)法實現(xiàn)權(quán)重的確定，保證評價模型不僅擁有物元可拓模型的優(yōu)勢，同時權(quán)重的確定過程也更加準(zhǔn)確、合理。在確定評價指標(biāo)權(quán)重過程中，熵權(quán)法的確定依據(jù)為實際數(shù)據(jù)所包含的信息量，然而在實際水資源綜合利用評價過程中，不同階段人們對生態(tài)環(huán)境、水資源供給和需求、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有差異化，因此僅單獨使用熵權(quán)法很難確定客觀權(quán)重。因此，在此基礎(chǔ)上引入偏好度確定指標(biāo)權(quán)重，依據(jù)評價區(qū)域的具體情況給予評價指標(biāo)相應(yīng)的偏好度，有效結(jié)合客觀和主觀賦值的優(yōu)勢，確定更加合理、科學(xué)的指標(biāo)權(quán)重。物元可拓模型的基本元為物元，所有事物均可以有序的三元組來描述，分別是事物、特征、量值。偏好熵權(quán)物元可拓模型的構(gòu)建步驟見圖 2。

圖2 偏好熵權(quán)物元可拓模型的構(gòu)建步驟

第一，確定事物的經(jīng)典域、節(jié)點域、待評物元。

第二，對等級評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行確定。

第三，確定權(quán)重。依據(jù)熵權(quán)法確定各評價指標(biāo)的變化程度，進(jìn)而得到相應(yīng)的權(quán)重，具體過程如下：首先，構(gòu)建判斷矩陣。其次，對水資源綜合利用評價指標(biāo)進(jìn)行無綱量化處理。由于每個水資源綜合利用評價指標(biāo)的量綱和內(nèi)涵存在差異，同時可分為正向和反向兩種類型指標(biāo)。為了便于所有評價指標(biāo)的統(tǒng)計和分析，研究需正向化處理所有的負(fù)向指標(biāo)，得到全新的判斷矩陣，并進(jìn)行無綱量化處理。再次，計算各指標(biāo)的熵值和各指標(biāo)的熵權(quán)。最后，借助偏好度對權(quán)重進(jìn)行修正。

第四，確定待評價物元和評價等級的加權(quán)關(guān)聯(lián)度。

第五，采取最大關(guān)聯(lián)度識別原則，確定物元所歸屬的等級。研究依據(jù)全國水資源綜合利用的平均水平以及實際情況，確定5個評價等級，分別用I-V表示。見表1。

表1 5種評價等級的情況

2 潁河流域水資源綜合評價效果分析

表2為潁河流域水資源綜合評價指標(biāo)體系5個等級的評價標(biāo)準(zhǔn)。潁河流域18個水資源綜合評價指標(biāo)體系的評價區(qū)間，隨著評價等級的增加而逐漸增加或逐漸降低。其中，以A7、A8、A10、A12、A14、A15、A16、A17、A18為代表的9個評價指標(biāo)的評價區(qū)間，隨著評價等級的增加而表現(xiàn)出逐漸下降；其余9個評價指標(biāo)表現(xiàn)出相反的變化趨勢。以負(fù)向A1評價指標(biāo)為例，Ⅰ-Ⅴ這5個評價標(biāo)準(zhǔn)分別為(0,136.50]、(136.50,138.75]、(138.75,140.75]、(140.75.75,142.50]、(142.50.75,144.25]。以正向A7評價指標(biāo)為例，Ⅰ-Ⅴ這5個評價標(biāo)準(zhǔn)分別為(221.00,260.25]、(183.00，221.00]、(142.50,183.00]、(106.00,142.50]、(0,106.00]。

表2 潁河流域水資源綜合評價指標(biāo)體系5個等級的評價標(biāo)準(zhǔn)

表3為潁河流域各水資源綜合評價指標(biāo)權(quán)重。18個評價指標(biāo)熵權(quán)值的取值范圍為0.052 64～0.056 25，偏好度的取值范圍為0.8～1.5，偏好熵權(quán)的取值區(qū)間為0.034 51～0.062 54。最大取值范圍的指標(biāo)并不是統(tǒng)一指標(biāo)，說明熵權(quán)值大的指標(biāo)并不一定擁有較高的偏好熵權(quán)值。

圖3為2017-2021年潁河流域水資源綜合評價5個等級的隸屬度等級。整體來看，在偏好和無偏好的情況下，潁河流域水資源綜合評價等級并不完全相符，同時在無偏好情況下的水資源綜合利用評價等級優(yōu)于有偏好情況下的評價等級。2017年，潁河流域水資源綜合評價等級在無偏好和有偏好情況下分別為Ⅲ級和Ⅳ級；2018年，在無偏好和有偏好情況下均為Ⅲ級，此時水資源的綜合利用可以理解為均衡的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。2019年，在無偏好和有偏好情況下潁河流域水資源綜合評價等級均為Ⅱ級，此時該區(qū)域的水資源狀態(tài)已經(jīng)改善為一種良好的可持續(xù)狀態(tài)，其原因可能是由于2018年國際上通過了“水促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展”決議，同時國內(nèi)政府部門給予了以可持續(xù)為目標(biāo)的政策。2020年，在無偏好和有偏好情況下潁河流域水資源綜合評價等級存在較大的差異，分別為Ⅰ級和Ⅳ級，即水資源良好的可持續(xù)發(fā)展和基本可持續(xù)發(fā)展兩種截然不同的狀態(tài)，這可能是由于該流域不同區(qū)域的水質(zhì)有較大的差異；2021年，在無偏好和有偏好情況下評價等級均為理想的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，即Ⅰ級。

表3 潁河流域各水資源綜合評價指標(biāo)權(quán)重

圖3 2017-2021年潁河流域水資源綜合評價5個等級的隸屬度等級

潁河流域水資源綜合評價分值逐年增加，水資源的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)表現(xiàn)出良好的趨勢，從不可持續(xù)利用逐漸開始向著可持續(xù)方向發(fā)展，表明該流域的水資源治理工作取得較為理想成效。因此，潁河流域水資源綜合利用情況逐漸向著合理化和可持續(xù)性方向發(fā)展，有助于為該流域的區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展做好充足的物質(zhì)資源保障。針對潁河流域水資源綜合評價結(jié)果，為進(jìn)一步提升部分指標(biāo)的穩(wěn)定性，提出以下建議：①依據(jù)該流域內(nèi)不同城市的實際情況作出相應(yīng)的管理策略，對于工業(yè)用水量的減少量、年用水量、常住人口增長率等存在差異性的指標(biāo)需重點關(guān)注，并依據(jù)實施情況盡快作出調(diào)整和優(yōu)化，在水資源可持續(xù)發(fā)展中做好相應(yīng)的保障。②在該區(qū)域內(nèi)采用先進(jìn)的農(nóng)業(yè)節(jié)水方案，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化水平；改善城市居民用水的整體質(zhì)量，積極宣傳環(huán)保節(jié)水理念，使居民擁有綠色節(jié)能意識；對城市污水處理方式進(jìn)行改善，強(qiáng)化非生活用水的處理手段；對工廠的用水方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，降低其對水資源綜合利用的影響。③積極增強(qiáng)該區(qū)域不同城市之間的經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)性，縮減人均GDP差別，對城鄉(xiāng)用水結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，弱化人口移動對地方經(jīng)濟(jì)以及用水結(jié)構(gòu)的影響。

3 結(jié) 論

本文引入偏好熵權(quán)法和物元可拓模型，構(gòu)建了潁河流域水資源綜合評價體系。其中，18個評價指標(biāo)的熵權(quán)值的取值范圍為0.052 64～0.563 25，偏好度的取值范圍為0.8～1.5，偏好熵權(quán)的取值區(qū)間為0.034 51～0.082 54，但最值對應(yīng)的相應(yīng)指標(biāo)并不是同一指標(biāo)。2017-2021年，水資源綜合評價5個等級的隸屬度等級顯示，在偏好和無偏好下潁河流域水資源綜合評價等級并不完全相符，同時在無偏好情況下的水資源綜合利用評價等級優(yōu)于有偏好情況下的評價等級。水資源的綜合利用情況從基本可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)發(fā)展為理想的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，即從IV級過渡到I級，表明研究所提出的評價方法能極大增強(qiáng)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。