許應(yīng)石，李長安，張中旺，張增杰

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430074;2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，南京 210018;3.湖北文理學(xué)院，湖北襄陽 441053)

湖北省地處南方季風(fēng)濕潤區(qū)，境內(nèi)水系發(fā)達(dá)，降水充沛，河湖密集，素稱“千湖之省”，水資源量比較豐富。但是，由于降水量時空分布不均，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成用水量快速增加，同時水質(zhì)污染、水資源浪費(fèi)等問題普遍存在，湖北省水資源短缺的問題日益突出。2000年以來，湖北省已經(jīng)發(fā)生過3次嚴(yán)重干旱，給湖北省社會經(jīng)濟(jì)造成了巨大損失［1］。湖北省區(qū)域地理位置特殊，既是“九省通衢”華中腹地，又處于長江流域地勢二級階梯向三級階梯的過渡地帶，又是南水北調(diào)中線工程的主要水源地，其水資源利用狀況關(guān)系著華中地區(qū)、長江流域中下游地區(qū)乃至華北地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，開展湖北省水資源短缺風(fēng)險評價研究，為區(qū)域水資源利用管理提供決策依據(jù)，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 水資源短缺風(fēng)險評價方法研究

近年來，隨著干旱氣候頻發(fā)及經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展導(dǎo)致水資源需求劇增，水資源短缺問題已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的突出瓶頸，水資源短缺風(fēng)險評價研究也日益受到重視。水資源短缺風(fēng)險具備客觀性、損失性及潛在的確定性3個特征［2］，這就要求水資源短缺風(fēng)險評價應(yīng)該具備風(fēng)險識別和風(fēng)險分析的功能，在客觀數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，評價模型正確地計算出反映地區(qū)水資源短缺程度的風(fēng)險指數(shù)，通過風(fēng)險組成分析造成水資源短缺的潛在因素，為政府部門提供科學(xué)管理的決策依據(jù)，指導(dǎo)水資源合理配置與高效利用，最終實現(xiàn)水資源供需平衡。

水資源短缺風(fēng)險評價屬于多因素綜合評價。學(xué)界對多因素綜合評價進(jìn)行了大量的研究，主要方法有層次分析(AHP)、模糊數(shù)學(xué)法、數(shù)學(xué)模擬、投影追蹤聚類等，這些模型結(jié)構(gòu)在水資源短缺評價中也多有應(yīng)用［2－9］。然而，這些模型結(jié)構(gòu)并不統(tǒng)一，算法迥異，各有利弊。在水資源短缺風(fēng)險評價方面，層次分析法能夠精確計算風(fēng)險評價體系中各個指標(biāo)的權(quán)重，卻受到人為設(shè)定的影響;模糊數(shù)學(xué)法能夠很好地區(qū)分各個指標(biāo)的風(fēng)險度，卻不適合多層次因素分析;數(shù)學(xué)模擬則受到公式選擇、不同區(qū)域條件的限制;投影追蹤聚類的降維算法在多指標(biāo)體系中應(yīng)用困難，投影特征值也掩蓋了風(fēng)險組成。水資源短缺風(fēng)險評價是一個綜合性的系統(tǒng)工程，受到諸多不確定性因素的影響，任何一種方法模型都很難全面地進(jìn)行評價［3］。本文在風(fēng)險識別和風(fēng)險分析的原則指導(dǎo)下，將層次分析法與模糊數(shù)學(xué)法隸屬度評價結(jié)合起來，將抽象的評價過程和算法具體化。首先，應(yīng)用層次分析法辨識水資源短缺風(fēng)險來源，再運(yùn)用隸屬度評價度量各個指標(biāo)的風(fēng)險程度，最終完成評價區(qū)風(fēng)險指數(shù)計算及分析。

2 水資源短缺風(fēng)險評價體系

層次分析法(AHP)就是將復(fù)雜問題中的各種影響因素劃分為相互聯(lián)系的有序?qū)哟?，根?jù)對客觀現(xiàn)實就每一層次的各個因素比較評判，利用數(shù)學(xué)矩陣計算每一層次全部因素的相對重要性權(quán)值，最終完成所有因素對目標(biāo)問題的重要性排序［10］。AHP法是一種較系統(tǒng)、靈活且實用的方法，其理論與應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，對多因素多層次的復(fù)雜系統(tǒng)的決策十分有效。

2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

為了全面系統(tǒng)地分析湖北省水資源短缺原因、風(fēng)險指數(shù)及主要風(fēng)險來源，對比不同地區(qū)的風(fēng)險差異，需要運(yùn)用一系列的計算指標(biāo)構(gòu)建統(tǒng)一完整的評價指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系要能從不同角度反映出區(qū)域內(nèi)水資源供需關(guān)系和外界的環(huán)境條件，指標(biāo)選取時要考慮指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取的可操作性，指標(biāo)的度量性、對比性，選取代表性指標(biāo);同時要保證指標(biāo)的相互獨(dú)立性，避免指標(biāo)之間相互干擾，從而使指標(biāo)體系成為一個有機(jī)整體［11］。根據(jù)AHP法指標(biāo)體系構(gòu)建的層次結(jié)構(gòu)要求，以及參考前人的相關(guān)研究成果［5－6］，本文構(gòu)建一套由目標(biāo)層、狀態(tài)層和指標(biāo)層組成的3級指標(biāo)體系。該體系包括1個目標(biāo)因子(I)、5個狀態(tài)因子(A—E)和20個指標(biāo)因子(A1—E3)(見表1)。

表1 水資源短缺風(fēng)險評價指標(biāo)體系Table 1 Index system of water shortage risk assessment

在這個指標(biāo)體系下，水資源短缺風(fēng)險可以用狀態(tài)層的5個因子衡量:水資源量反映區(qū)域水資源量的多寡及水資源背景，與水資源短缺風(fēng)險呈負(fù)相關(guān);社會需求指標(biāo)反映主要反映區(qū)域水資源承載的社會經(jīng)濟(jì)規(guī)模和需水強(qiáng)度，與水資源短缺風(fēng)險呈正相關(guān);水資源儲備狀況反映區(qū)域緩解水資源短缺的能力，與水資源短缺風(fēng)險呈負(fù)相關(guān);供水指標(biāo)主要反映區(qū)域供水能力，與水資源短缺風(fēng)險分別呈負(fù)相關(guān);水環(huán)境狀況反映區(qū)域水質(zhì)狀況、污水排放情況，與水資源短缺風(fēng)險呈負(fù)相關(guān)。

2.2 指標(biāo)權(quán)重計算與檢驗

上述水資源短缺風(fēng)險評價指標(biāo)體系中，狀態(tài)層的5個因子對目標(biāo)層水資源短缺風(fēng)險指數(shù)影響程度或貢獻(xiàn)率并不相同，同樣，狀態(tài)層下的不同指標(biāo)相對重要程度也各不相同，指標(biāo)層的各個指標(biāo)對目標(biāo)層的貢獻(xiàn)率或影響程度很難直接比較。層次分析法能很好地解決這個問題，首先構(gòu)建各個層次的判斷矩陣，將各個層次的影響因子和指標(biāo)的相對重要性數(shù)值化，通過層次單排序和層次總排序計算得到狀態(tài)層5個影響因子的權(quán)重及指標(biāo)層20個指標(biāo)的歸一化權(quán)重值，明確每個指標(biāo)在水資源短缺風(fēng)險指數(shù)計算中的權(quán)值。

判斷矩陣是由各層次的n個子因子(指標(biāo))兩兩比較重要性得到的量化數(shù)值組成的n×n的矩陣，是一個比較判斷矩陣。本文采用1－5標(biāo)度法獲得相對重要性量化數(shù)值［12］:強(qiáng)因子與弱因子比較1～5數(shù)值分別指代重要性程度為相等、稍微重要、明顯重要、強(qiáng)烈重要、極端重要，相反，弱因子與強(qiáng)因子比較則使用1～5的倒數(shù)指代。指標(biāo)單排列權(quán)重計算采用判斷矩陣的特征根法，首先求得矩陣的最大特征值λmax，然后計算出該矩陣最大特征值對應(yīng)的最大特征向量，將最大特征向量歸一化處理即得到矩陣中各指標(biāo)的單排列權(quán)值。矩陣最大特征值及特征向量計算在MATLAB 7.0數(shù)學(xué)計算軟件中完成。狀態(tài)層－指標(biāo)層5個判斷矩陣單排列完成后，用各指標(biāo)單排列權(quán)值乘以對應(yīng)的狀態(tài)層因子單排列權(quán)值得到所有指標(biāo)歸一化權(quán)值［13］，計算結(jié)果如表2所示。

表2 指標(biāo)體系權(quán)值計算結(jié)果與一致性檢驗Table 2 Weight values and consistency check of index system

判斷矩陣構(gòu)建中可能存在人為判斷失誤而導(dǎo)致矩陣元素兩兩比較出現(xiàn)相互矛盾的數(shù)據(jù)，為避免這種矛盾誤差影響權(quán)值計算，需要進(jìn)行一致性檢驗。判斷矩陣一致性檢驗值CR=CI/RI，CI表示判斷矩陣的一致性指標(biāo)，RI表示判斷矩陣平均一致性指標(biāo)，CI=λmax－n/(n－1)，λmax是判斷矩陣最大特征值，n是判斷矩陣的維數(shù);判斷矩陣維數(shù)n為3，4，5，6 時 RI值分別取0.58，0.94，1.12，1.24［10］，計算結(jié)果見表2。指標(biāo)層各判斷矩陣一致性檢驗CR值均小于0.1，表明判斷矩陣滿足一致性檢驗，指標(biāo)單排列權(quán)值分配排除矩陣誤差。在單排列指標(biāo)一致性檢驗的基礎(chǔ)上計算獲得指標(biāo)總排列一致性檢驗CR值為0.004 2，達(dá)到一致性檢驗要求，說明各單項指標(biāo)總排列權(quán)值分配符合技術(shù)要求。

指標(biāo)體系權(quán)重計算結(jié)果顯示，在狀態(tài)層5個因子中，代表水資源供需關(guān)系的2個指標(biāo)B項和D項權(quán)重和為0.508 4，反映水資源外界環(huán)境條件的A，C，E 3項指標(biāo)權(quán)重和為0.491 6，這2部分指標(biāo)對目標(biāo)層的貢獻(xiàn)率幾乎對等;C，E 2項指標(biāo)是水資源外界環(huán)境條件的輔助指標(biāo)，權(quán)重相當(dāng)，且低于A項指標(biāo);B項指標(biāo)包含了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)，權(quán)重稍高于D項;這與前人研究結(jié)果基本一致［5］，符合水資源短缺的成因構(gòu)成。各個單項指標(biāo)權(quán)重分布梯度明顯，20個指標(biāo)以0.12和0.014為大小極值，呈現(xiàn)似正態(tài)分布，這種權(quán)重分配模式便于識別風(fēng)險來源，也符合客觀的水資源短缺成因組合。

3 綜合評價模型

水資源短缺風(fēng)險評價指標(biāo)體系建立完成后，還需要將各個指標(biāo)數(shù)值與水資源短缺風(fēng)險指數(shù)聯(lián)系起來，但指標(biāo)數(shù)值與風(fēng)險指數(shù)之間沒有明確函數(shù)關(guān)系，模糊數(shù)學(xué)評價法通過劃分?jǐn)?shù)值區(qū)間將指標(biāo)數(shù)值轉(zhuǎn)換為風(fēng)險隸屬度，從而建立指標(biāo)數(shù)值與風(fēng)險指數(shù)間的關(guān)系。

綜合評價模型就是在評價指標(biāo)體系的指標(biāo)層加入風(fēng)險隸屬評價，將評價區(qū)每個指標(biāo)的實測值轉(zhuǎn)化為風(fēng)險隸屬度，然后對評價區(qū)所有指標(biāo)風(fēng)險隸屬度加權(quán)求和得到評價區(qū)的風(fēng)險指數(shù)［7］。指標(biāo)隸屬度評價就是將指標(biāo)體系中實測數(shù)值劃分為若干個區(qū)間，對應(yīng)于不同的水資源短缺風(fēng)險隸屬度，為了加權(quán)計算后仍保留4位有效數(shù)字以及便于指標(biāo)間對比，本文風(fēng)險隸屬度取值為1～10之間，數(shù)值越高風(fēng)險隸屬度越高。在參照前人相關(guān)研究基礎(chǔ)上［5，14，15］，結(jié)合湖北省實際水資源狀況，將水資源短缺風(fēng)險高低劃分為5級(V1—V5)風(fēng)險隸屬度，各指標(biāo)數(shù)值隸屬度區(qū)間及分級標(biāo)準(zhǔn)見表3。

4 評價結(jié)果分析

表3 水資源短缺指標(biāo)體系風(fēng)險隸屬度分級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification standard for risk membership degree of water shortage index system

為了客觀地反映近年來湖北省水資源短缺風(fēng)險，本文選用2000—2010年湖北省水資源公報公布的數(shù)據(jù)，各項水資源指標(biāo)均采用2000—2010年平均值，社會經(jīng)濟(jì)類指標(biāo)參考2000—2010年湖北省統(tǒng)計年鑒。根據(jù)湖北省各縣市(州)地理位置、水資源指標(biāo)相似程度，將湖北省行劃分為4個評價區(qū):鄂西北(十堰、襄陽)，江漢平原(荊門、隨州、天門、潛江、仙桃、孝感、武漢)，鄂西南(宜昌、恩施自治州、神農(nóng)架林區(qū))，鄂東南(黃岡、鄂州、咸寧、荊州、黃石)。各評價區(qū)主要水資源指標(biāo)如表4所示。

按照指標(biāo)體系量化公式將統(tǒng)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的指標(biāo)值，對應(yīng)表3中風(fēng)險隸屬度區(qū)間獲得評價區(qū)所有指標(biāo)的風(fēng)險隸屬度，如圖1所示。

表4 2000—2010年湖北省主要水資源指標(biāo)情況Table 4 The mean values of main water resource indexes in Hubei province from 2000 to 2010

圖1 各評價區(qū)指標(biāo)風(fēng)險隸屬度Fig.1 The risk membership degree of all indexes in each assessment region

將各個指標(biāo)的風(fēng)險隸屬度與對應(yīng)指標(biāo)的全排列權(quán)值加權(quán)求和即得到評價區(qū)水資源短缺風(fēng)險指數(shù)，如表5所示。根據(jù)上述模型計算方法，目標(biāo)層水資源短缺風(fēng)險指數(shù)介于1～10之間，根據(jù)風(fēng)險值高低可以將水資源短缺風(fēng)險劃分為4個等級:極高風(fēng)險(＞7.5)，高風(fēng)險(7.5～5.5)，中度風(fēng)險(5.5～3.5)、低風(fēng)險(＜3.5)［5－6］。

表5 各評價區(qū)水資源短缺風(fēng)險指數(shù)Table 5 The risk indexes of each assessment region

結(jié)果顯示，湖北省平均風(fēng)險指數(shù)為5.24，存在中度水資源短缺風(fēng)險。風(fēng)險隸屬度較高的指標(biāo)集中在B，D，E 3類，其風(fēng)險構(gòu)成主要來自于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求量大、供水能力不足、跨流域調(diào)水壓力、水體污染及水資源利用率低等方面，這些因素指標(biāo)風(fēng)險隸屬度普遍高于5，在很大程度上增加了湖北省水資源短缺風(fēng)險。A，C類指標(biāo)風(fēng)險程度較低，說明湖北省不存在先天水資源量短缺，河湖眾多的天然優(yōu)勢為區(qū)域環(huán)境水資源短缺提供了有利條件，但是年末水庫蓄水并不充裕，這也導(dǎo)致應(yīng)對干旱年份水資源短缺的能力有限。

鄂西北地區(qū)風(fēng)險指數(shù)為5.38，屬于中度風(fēng)險，接近高風(fēng)險。該地區(qū)處于濕潤、半濕潤區(qū)過渡帶，干旱系數(shù)大、徑流系數(shù)低，降水偏少，說明該區(qū)域?qū)邓昙咀兓置舾?。其風(fēng)險高值出現(xiàn)在B，D，E 3類指標(biāo)，體現(xiàn)在工業(yè)發(fā)展對水資源需求較高、水體污染十分嚴(yán)重，同時，該地區(qū)是南水北調(diào)中線工程的主要水源地，跨流域調(diào)水也在一定程度上減少區(qū)域水資源供應(yīng)量。在平均降水量條件下，增加庫容能夠滿足跨流域調(diào)水需求;在干旱少雨年份，大量調(diào)水則會增加本地區(qū)水資源短缺風(fēng)險。

江漢平原風(fēng)險值為5.64，全省最高，屬于高風(fēng)險區(qū)。風(fēng)險高值出現(xiàn)在A，B，E 3類指標(biāo)，主要原因有:一方面降水年季變化、季節(jié)變化顯著，近80%的降水集中在4—10月份，近10年來該地區(qū)降水距平率普遍超過20%，降水的不穩(wěn)定性給水資源短缺帶來很大風(fēng)險;另一方面該地區(qū)是湖北省社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心區(qū)之一，人口密度大，工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)規(guī)模大，水資源需求量大;人類活動劇烈引起自然環(huán)境惡化，水土流失嚴(yán)重，水源保持率低;水體污染嚴(yán)重，水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率不足50%。水庫湖泊蓄水量低小于水資源總量的20%，供水能力有限，特別是農(nóng)田水利設(shè)施發(fā)展滯后，遇到旱年江漢平原首當(dāng)其沖成為重災(zāi)區(qū)。此外，新水源開發(fā)不足、水資源利用率低等因素也削弱了區(qū)域水資源承載能力。

鄂西南地區(qū)風(fēng)險值為4.10，全省最低，屬于中度風(fēng)險，接近低風(fēng)險。該區(qū)域水資源總體狀況較好，水資源總量巨大、水源保持率高、水質(zhì)較好。盡管如此，鄂西南同樣存在水資源短缺的威脅，主要有:水利設(shè)施落后、供水率偏低、水資源粗放利用、缺乏新水源開發(fā)等。

鄂東南地區(qū)風(fēng)險值為5.34，接近中度風(fēng)險，略高于全省風(fēng)險平均值。該地區(qū)降水充沛、水資源總量豐富，區(qū)域水資源承載能力較強(qiáng)。但是C，E類指標(biāo)風(fēng)險值很高，風(fēng)險度甚至達(dá)到了8，9，主要體現(xiàn)在水資源儲備少，工農(nóng)業(yè)發(fā)展需求量增大，水資源利用率低等方面。

5 對策

針對湖北省水資源短缺風(fēng)險狀況及風(fēng)險來源，應(yīng)對水資源短缺風(fēng)險需要從以下幾個方面入手:

(1)加強(qiáng)氣候變化研究，建立天氣干旱預(yù)警機(jī)制。降水量多少在很大程度上決定了地區(qū)水資源短缺程度，區(qū)域降水量少于平均降水量30%就存在很大的水資源短缺風(fēng)險［16］。異常的氣候干旱是造成水資源短缺的重要因素，尤其是在東亞季風(fēng)區(qū)內(nèi)，盡管季風(fēng)氣候存在季節(jié)性變化規(guī)律，但是受到多種驅(qū)動力的影響，季風(fēng)氣候往往表現(xiàn)出多種不穩(wěn)定性特征［17］，夏季風(fēng)弱的年份就可能發(fā)生天氣干旱。然而，季風(fēng)氣候的異常都是在一定的驅(qū)動力條件下形成的，氣候波動對驅(qū)動力的響應(yīng)有一定的滯后性，因此，通過對氣候驅(qū)動力及季風(fēng)氣候的波動規(guī)律研究，可以建立長期干旱氣候預(yù)警，同時，建立相應(yīng)的干旱預(yù)警機(jī)制。

(2)保護(hù)生態(tài)環(huán)境，穩(wěn)定湖泊面積，擴(kuò)大湖泊調(diào)蓄能力。由于人類活動劇烈，加之粗放的資源開發(fā)利用方式，湖北省植被覆蓋率大幅降低，全省1/3的面積出現(xiàn)水土流失現(xiàn)象。水土流失加劇，導(dǎo)致水源保持率下降，全省水資源保持率不足五成，漢江中下游地區(qū)甚至不足三成，大量降水未能有效地資源化而白白流走。由于過度圍湖填湖，泥沙淤積嚴(yán)重，湖泊數(shù)量、面積迅速減少，直接導(dǎo)致湖泊蓄水量下降，水資源承載力降低。保護(hù)生態(tài)環(huán)境，穩(wěn)定湖泊面積，是從根本上和諧人與水的關(guān)系。一方面，增加地表植被覆蓋率，減少水土流失，涵養(yǎng)水源;另一方面，保護(hù)湖泊環(huán)境，美化環(huán)境，優(yōu)化水質(zhì)，擴(kuò)大湖泊調(diào)蓄能力增強(qiáng)水資源承載力。

(3)加強(qiáng)對水資源的綜合管理，提高水資源的利用效率。節(jié)約用水、防治水體污染是應(yīng)對水資源短缺的有效途徑，造成湖北省水資源浪費(fèi)和污染的最主要原因是管理不善，人們?nèi)狈ΡＷo(hù)水資源的意識。因此，一方面要加強(qiáng)對水資源管理的執(zhí)法力度和宣傳力度，提高人們保護(hù)水資源的意識，使珍惜和保護(hù)水資源成為人們的自覺行為;另一方面還要革新技術(shù)，科學(xué)用水，提高水資源的利用效率。目前，湖北省各地區(qū)水資源利用效率良莠不齊，但普遍低于全國平均水資源利用率，各評價區(qū)風(fēng)險隸屬度普遍較高，存在較大的提升空間。

(4)加強(qiáng)水利科技投入，提高供水能力。2011年湖北冬春連旱，農(nóng)業(yè)成為重災(zāi)區(qū)。農(nóng)業(yè)不僅對水的依賴性很大，同時也是耗水量最大的生產(chǎn)部門。湖北省是農(nóng)業(yè)大省，然而農(nóng)業(yè)水利設(shè)施普遍落后，灌溉覆蓋率較低，很多水庫年久失修，存在有水難取的窘境，這就要求加強(qiáng)水利建設(shè)，提高取水供水能力。在水利覆蓋保障的前提下，也要因地制宜、因時制宜，根據(jù)地域降水特征適當(dāng)調(diào)整農(nóng)作物結(jié)構(gòu)，高溫多雨期種植喜熱喜雨植物，干旱時期種植耐旱植物。在水資源短缺的地區(qū)，還要加大水利科技投入，研究區(qū)域地表水、地下水分布特征、地質(zhì)地貌特征等，水資源利用要與水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)等多學(xué)科結(jié)合。

［1］湖北省防汛抗旱指揮部.湖北省水利廳政府信息公開網(wǎng)－防汛抗旱值班信息［EB/OL］.(2011－06－20)［2011－09－15］.http://219.140.162.169:8888/zwgk/web.html.(Flood Control and Drought Relief Headquarters of Hubei Province.Drought-Resistant Duty Information［EB/OL］.(2011－06－20)［2011－09－15］.http://219.140.162.169:8888/zwgk/web.html(in Chinese))

［2］王 穎，馬莉媛，郁 堯，等.關(guān)于水資源風(fēng)險評價數(shù)學(xué)模型的討論［J］.南水北調(diào)與水利科技，2010，8(2):69－72.(WANG Ying，MA Li-yuan，YU Yao，etal.Discussion on Risk Evaluation Modeling of Water Resources［J］.South-to-North Water Transfers and Water Science＆ Technology，2010，8(2):69－72.(in Chinese))

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