基于WPI模型的水资源安全分析评价研究

张 宏

(杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100)

1 引 言

我国2016年全国用水量达到了5 800多亿m3，其中农业用水占61.9%左右，但我国人均水资源占有量只占世界人均水平的25%[1]，水资源匮乏问题一直是制约我国经济等各方面发展的重要原因之一。水是人类社会发展及生物生存的重要组成部分，水资源已逐渐成为了国际战略性资源之一，成为了制约国家发展的重要因素[2]。近年来我国在经济上取得了十分显著的进步，但由于在经济发展过程中对生态环境的忽视，导致了国内水资源污染严重，国内水资源匮乏、水污染日益加剧使国内水资源安全与可持续利用收到了严重威胁。同时由于我国存在较严重的季节性干旱、洪涝灾害造成了我国巨大的经济损失和人身安全危害。水资源安全是水资源管理的核心，其涉及到了生态、社会等多个方面，找出合理的评价方法对水资源安全进行评价已成为了相关领域研究的热点[3]。

目前针对水资源安全综合评价方面，已有了部分研究。对于水资源安全评价的方法多集中在模糊综合评价[4]、集对分析[5]、灰色系统理论[6]等方法中。但这些评价方法只能单方面对水资源安全进行评价，无法完全考虑其对生态及社会造成的综合影响。英国牛津大学的Sullivan[7]综合考虑水资源安全的各个方面，提出了Water Poverty Index(WPI)模型，该模型综合考虑的水资源安全的R(资源状况)、A(供水途径)、C(利用能力)、U(使用效率)和E(环境影响)5个方面，可较全面地反映水资源安全的综合情况。

目前国内对水资源安全的研究虽取得了一定进展，但仍处于学习阶段。邵薇薇和杨大文[8]基于WPI模型对中国7大流域进行了水资源安全评价，指出辽河、海河、淮河、黄河流域的缺水程度严重，长江和珠江流域的缺水程度相对较低,，结论符合中国实际情况；王晓妮等[9]基于WPI模型对松辽流域不同分区进行了水资源安全评价，计算了不同区域的WPI指数，指出嫩江 、第二松花江、松花江三岔河口以下区域WPI指数最高；孙才志与王雪妮[10]基于WPI-ESDA 模型对中国水贫困评价和空间关联格局进行了分析，指出国内北方地区水资源贫乏且使用率极高，西部地区水贫乏现象最为严重。

本文基于WPI模型，选取水资源安全评价体系，计算不同指标的权重，通过权重与实测数据计算水资源安全值，对区域水资源安全进行评价，同时引入因素强度分析模型，找出影响水资源安全的最关键因素，得出的结论可为水资源管理以及改善水资源安全提供理论依据。

2 研究方法

2.1 WPI指数及评价体系确定

WPI指数于2002年由英国生态与水文研究所的研究学者Sullivan等人提出，从5个方面反映水贫困情况，由R(资源状况)、A(供水途径)、C(利用能力)、U(使用效率)和E(环境影响)组成，每个指标下可以选择同类型的子指标，综合反映地区的水贫困情况。

由于水资源安全指标体系复杂，涉及范围较广，在选取指标构建评价体系时，应注意以下原则：

(1)科学性原则。指标体系要符合客观实际，与已经被认可的科学理论相一致；

(2)完整性原则。选择的指标，构建的指标体系应形成一个完整的整体；

(3)主观性与客观性兼顾原则。选取的指标既要符合客观要求，也要与人们的主观意识相一致，充分反映主观经验与客观事实。

根据以上原则，综合考虑R(资源状况)、A(供水途径)、C(利用能力)、U(使用效率)和E(环境影响)5个方面，每个层面选取4种指标进行分析，得出的评价指标体系，见图1。

图1 水资源安全评价指标体系构建Fig.1 Establishment of evaluation index system of water resource security

2.2 信息熵理论指标权重确定

本文基于改进信息熵理论计算不同水资源安全评价指标的权重，同时发出210份问卷调查，调查不同专家学者对水质指标权重的评定，收回208份有效问卷，得出主观专家权重，将信息熵权重(客观权重)与专家权重(主观权重)进行综合，得出综合权重，该权重既可以反映客观事实，也可反映主观专家意见，具有一定的代表性，客观权重与综合权重计算过程如下：

假设有m个对象，n个被评价指标，熵定义为：

(1)

(2)

式中：Hj代表计算的信息熵；m为评价对象个数；n为待评价指标个数；bij为计算的相对隶属度；fij为相对隶属度所占比例。

对各项指标进行无量纲化处理，得出相对隶属度：

(3)

计算第j项指标的变异度：

Dj=1-Hj

(4)

式中：Dj为所求的变异度；Hj代表指标的信息熵。

计算该指标所对应的熵权重(客观权重)：

(5)

式中：wbj为所求的客观权重；Dj为某项指标的变异度。

根据专家经验得出的主观权重与计算得出的客观权重，得出综合权重：

(6)

式中：wj为所求的综合权重；waj为通过问卷调查所得的主观权重；wbj为所求的客观权重。

2.3 趋势系数计算

为明确反映出指标多年变化情况，本文引入趋势系数指标，该指标可通过数值反映不同子系统数据的上升下降趋势，具体公式如下：

(7)

式中：c代表趋势系数，a-1；xi和xj分别代表第i年和第j年所求数值；n为第i年到第j年之间的年数。

2.4 水资源安全值计算

本文采用非均衡法对水资源安全值进行计算，针对不同指标的不同权重，通过加权平均的方法得到评价区的WPI值即水资源安全值，本文水资源安全值是从R(资源状况)、A(供水途径)、C(利用能力)、U(使用效率)和E(环境影响)5个准则层进行非均衡计算。首先根据公式(8)进行加权计算，然后利用公式(9)，进行下一步的加权求和，得出水资源安全值。

(8)

(9)

式中：yij指第i个评价年的第j个指标的标准化值；ωj分别为各子系统的综合权重；f(yj)和F(x)分别为各子系统的得分值和水资源安全值。

3 结果与分析

3.1 水资源安全值计算结果分析

本文数据来自2006～2016年《陕西省环境统计年报》《陕西省统计年鉴》和《陕西省国民经济和社会发展统计公报》，并通过结合实地考察获取。分别调查了某市2006～2016年间的水资源情况，统计了从R(资源状况)、A(供水途径)、C(利用能力)、U(使用效率)和E(环境影响)5个方面共20个基础指标的基本情况，通过公式(1)～(6)分别计算不同指标的权重，结果见表1。

通过公式(7)～(8)可计算出不同准则层的水资源安全值，结果见表2。根据表2的数据可得出不同指标水资源安全值的变化趋势，结果见图2。表2和图2显示，不同指标在2006～2016年之间的变化趋势不同。水资源安全值呈现逐年提高的趋势，趋势系数为2.833/a，供水途径(A)和利用能力(C)子系统水资源安全值呈现逐年升高的趋势，趋势系数分别达到了4.794/a和4.473/a，使用效率(U)子系统水资源安全值虽在2012～2013年出现降低，但总体呈上升趋势，趋势系数为2.447/a，资源状况(R)和环境影响(E)子系统水资源安全值在2006～2016年间呈现出了较大的波动趋势，变化幅度相近，但总体仍存在了上升趋势，趋势系数分别为1.481/a和1.310/a，同时2个子系统的波动情况反映出了丰水年和枯水年的交替变化，与实际情况相符[11]。

表1 水资源安全评价体系各层次指标权重确定Tab.1 Determination of weights of indexes of water resources security evaluation system

表2 水资源安全值计算结果Tab.2 Calculation results of water resource security value

图2 不同准则层指标水资源安全值变化趋势Fig.2 Variation trend of water resource security value of different subsystems

3.2 水资源安全值因素模型分析结果

为得出影响水资源安全的最主要因素，以期为水资源安全措施制定提供依据。本文引入因素分析模型[12]，定义因素强度系数为WPI模型各子系统的得分值与水资源安全值的比值，记为M。同时还要参考各子系统的得分值来判断，记为L。分析2006年～2016年各子系统得分值和水资源安全得分值，调整合适的阈值，将水资源安全值进行分级，结果见表3。

根据表2水资源安全值计算出WPI模型不同年份的各个子系统的强度系数，见表4。表4显示，供水途径(A)与利用能力(C)变化趋势逐年变好，在2006～2007年为劣等水平，2008～2013年为中等水平，2014年以后达到了优等水平，这表明随着社会经济的发展以及城市公共设施的完善，用水普及率和有效灌溉面积相应地的增加，直接导致了供水途径和利用能力等级的上升；使用效率(U)整体趋势较优，随着科技的进步和发展，以及群众节水意识的增强，水资源的使用效率大幅度提高；资源状况(R)整体上是处于中等和劣等水平，由于经济的发展，工业的繁荣和重视以及城市的扩张，导致生态环境遭到不同程度的破坏；同时由于人口的增加，农业化肥用量和农药使用量也在不断的增加，环境问题越来越突出。

表3 水资源安全影响因素分类评判标准Tab.3 Criteria for classification and evaluation of influencing factors of water resources security

综上所述，WPI模型的5个子系统均向着使水资源安全变好的趋势发展，但是资源状况(R)影响着综合水资源安全的结果，甚至拉低了近几年的水资源安全值，因此资源状况是影响当地水资源安全情况的最主要因素。

表4 不同子系统水资源安全值等级划分Tab.4 Grading of water resource security values of different subsystems

4 结 论

4.1 水资源安全值呈现逐年提高的趋势，趋势系数为2.833/a，供水途径(A)和利用能力(C)子系统水资源安全值呈现逐年升高的趋势资源状况(R)和环境影响(E)子系统水资源安全值在2006～2016年间呈现出了较大的波动趋势，变化幅度相近，但总体仍存在了上升趋势，趋势系数分别为1.481/a和1.310/a；

4.2 供水途径(A)与利用能力(C)变化趋势逐年变好，使用效率(U)整体趋势较优，随着科技的进步和发展，以及群众节水意识的增强，水资源的使用效率大幅度提高；资源状况(R)整体上是处于中等和劣等水平，拉低了近几年的水资源安全值，因此资源状况是影响当地水资源安全情况的最主要因素。