任瀟瀟，牛成英

(蘭州財經(jīng)大學統(tǒng)計學院，甘肅 蘭州 730020)

祁連山物產(chǎn)種類多樣，水資源豐富。由黑河、石羊河、疏勒河構(gòu)成的祁連山內(nèi)陸水系是甘肅省內(nèi)的主要水域之一，是河西走廊人民物質(zhì)生活的基礎(chǔ)保障。評價水資源安全狀態(tài)，掌握水資源安全動態(tài)變化趨勢，探索分析水資源安全影響因素，對實現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。目前，關(guān)于水資源安全現(xiàn)狀綜合評價，所用的方法主要包括綜合指數(shù)法[1]、模糊綜合評價模型法(IFCEM)[2]、層次分析法[3]、熵權(quán)法[4]和功效系數(shù)法[5]等。在這些方法中，綜合指數(shù)法在選取對比值時較困難，且會因為出現(xiàn)過高的單項評價值而影響綜合評價值，致使評價結(jié)果不盡合理。IFCEM與層次分析法計算復雜，主觀性較強，評價結(jié)果較為主觀。熵權(quán)法相比層次分析法，過于依賴數(shù)據(jù)的波動程度來提取信息，忽略了數(shù)據(jù)的實際意義。功效系數(shù)法相比于以上方法，具有可以縮小單項評價值的差距，減弱某一單項評價值過高對綜合評價值的影響的優(yōu)點[6]。

本文選取影響祁連山內(nèi)陸河流域水資源安全的主要指標，以此構(gòu)建該地區(qū)水資源安全評價指標體系。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合熵權(quán)法與功效系數(shù)法，對該地區(qū)1999～2019年的水資源安全進行綜合評價，并利用障礙度模型對影響水資源安全的障礙因子進行分析，以期為今后水資源開發(fā)利用提供科學的決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

祁連山內(nèi)陸河流域水系即指發(fā)源于祁連山，流經(jīng)甘肅河西走廊地區(qū)的3大內(nèi)陸水系，包括石羊河、黑河和疏勒河。該流域地區(qū)屬于祁連山地槽邊緣帶，氣候干旱，但冰雪融水豐富，灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)達，是西北地區(qū)最主要的商品糧食基地和經(jīng)濟作物集中產(chǎn)地，也是國家“一帶一路”倡議的主要實施區(qū)。如圖1所示。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源及指標體系 本文研究數(shù)據(jù)來自1999～2019年的《甘肅省水資源公報》和《甘肅省統(tǒng)計年鑒》，部分指標數(shù)據(jù)是根據(jù)年鑒數(shù)據(jù)進行相關(guān)計算得到，如農(nóng)田用水率、林牧漁用水率等。本文在《公報》和《年鑒》原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，剔除了指標體系中的GDP價格變動因素，評價中采用1999年不變價格GDP.

構(gòu)建水資源安全評價指標體系是綜合評價的關(guān)鍵步驟。本文參考已有研究文獻[7，8]，結(jié)合祁連山內(nèi)陸河流域數(shù)據(jù)資料情況，構(gòu)建的水資源評價指標體系，包括反映水資源安全度的目標層；與水資源安全有關(guān)的社會經(jīng)濟條件、水環(huán)境(水資源條件)、水生態(tài)安全(水資源開發(fā)利用與生態(tài)安全狀態(tài))構(gòu)成的準則層；若干可觀測指標構(gòu)成的指標層，具體見表1.

表1 祁連山水資源安全評價指標體系

1.2.2 確定評價指標體系權(quán)重 根據(jù)已構(gòu)建的評價指標體系，需確定兩層指標權(quán)重，分別是準則層權(quán)重和指標層權(quán)重。由于準則層指標無法通過具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)直接計算，根據(jù)本文的研究目的，考慮到研究內(nèi)容匹配性和研究的專業(yè)性，本文參考黃昌碩、耿雷華[7]等專家學者關(guān)于中國水資源安全及生態(tài)安全評價研究的結(jié)果，確定準則層三個指標的權(quán)重，即一級權(quán)重，分別為0.2150、0.3282、0.4568.根據(jù)熵權(quán)法[4]計算指標層權(quán)重，即二級權(quán)重，具體結(jié)果見表1.

1.2.3 功效系數(shù)法 功效系數(shù)法主要是依據(jù)多目標決策的一種綜合評價方法[6]。在水資源安全評價中，運用該方法能夠較好地滿足評價體系中運用多指標評價水資源安全的要求。具體步驟如下：

1)確定綜合評價指標體系。

2)確定指標的滿意值與不允許值。正向指標的不允許值和滿意值為時間序列中可能達到的最小值和最大值，負向指標與此相反。

3)計算指標功效系數(shù)值。對于正向指標和負向指標分別采用極大型功效系數(shù)計算公式(1)和極小型功效系數(shù)計算公式(2)來進行計算：

(1)

(2)

4)計算準則層指標功效系數(shù)值與總功效系數(shù)值。

(3)

其中，Esk,j表示第j年第k個準則層指標的功效系數(shù)值，sk表示準則層第k個指標，L表示各準則層指標下的水資源指標數(shù)量，ωi表示由熵權(quán)法確定的指標層各指標的權(quán)重，即二級權(quán)重。

(4)

其中，ETj表示水資源安全總功效系數(shù)值，ωk表示由層次分析法確定的準則層指標權(quán)重，即一級權(quán)重。

5)基于功效系數(shù)法確定水資源安全狀態(tài)分級標準，根據(jù)總功效系數(shù)值進行水資源安全狀態(tài)綜合評價。

1.2.4 障礙度模型 障礙度是指和祁連山內(nèi)陸河流域水資源安全相關(guān)的指標對區(qū)域水資源安全狀態(tài)提升產(chǎn)生的阻礙程度。某項指標障礙度越大，說明該指標對水資源安全的阻力越大。根據(jù)障礙度排名找出主要障礙因子，可以有針對性地制定相關(guān)管理措施，改善水資源安全狀態(tài)[8]。

計算采用因子貢獻度、指標偏離度和障礙度進行相關(guān)分析：

1)因子貢獻度Fi，表示單項指標對水資源安全的影響程度，即

Fi=ωi×ωij

(5)

其中，ωi表示第i個單項指標的權(quán)重；ωij表示第i個指標所屬第j個準則層的權(quán)重。

2)指標偏離度Oi，指單項指標評估值與100%之差，即

(6)

3)障礙度Ii，單項指標對水資源安全風險的影響程度，即

(7)

其中，m表示樣本數(shù)。

4)計算各準則層指標對水資源安全的障礙度。

Ui=∑Iij

(8)

其中，Iij表示第j個準則層第i項指標的障礙度，∑表示對第j個準則層下所有指標的障礙度求和。

2 祁連山內(nèi)陸河流域水資源安全狀態(tài)綜合評價及結(jié)果分析

2.1 水資源安全狀態(tài)綜合評價結(jié)果

根據(jù)上述評價指標體系，首先，由式(1)和式(2)得到單個指標的功效系數(shù)值。其次，結(jié)合各指標的功效系數(shù)值和二級權(quán)重，運用式(3)對單個子系統(tǒng)，即社會經(jīng)濟條件、水資源條件和水資源生態(tài)安全分別計算功效系數(shù)值，得到準則層指標的功效系數(shù)值。最后，結(jié)合各準則層指標的功效系數(shù)值和一級權(quán)重，運用式(4)，得到水資源安全總功效系數(shù)值。

為了更好地描述祁連山內(nèi)陸河流域水資源的安全狀態(tài)，本文參考功效系數(shù)法評價等級劃分文獻[9,10]，對水資源安全綜合評價值做分級處理，最終將該區(qū)域水資源安全狀態(tài)劃分為安全、較安全、較危險、危險四個等級。具體劃分標準如表2所示。

表2 水資源安全狀態(tài)分級標準

祁連山內(nèi)陸河流域水資源安全綜合評價的具體結(jié)果如表3所示。

表3 水資源安全功效系數(shù)值與安全狀態(tài)

由表3可知，祁連山內(nèi)陸河流域水資源安全總功效系數(shù)值在70～90之間，功效系數(shù)值越小，安全狀態(tài)越高。依據(jù)各準則層指標得分和總功效系數(shù)值，說明該區(qū)域水資源安全狀態(tài)整體較為穩(wěn)定，集中處于較安全和較危險狀態(tài)。

2.2 評價結(jié)果分析

根據(jù)社會經(jīng)濟條件、水資源條件、水生態(tài)安全的功效系數(shù)值，以及總功效系數(shù)所得時序圖(圖2)顯示，可直觀反映綜合評價隨時間變化情況。

圖2 1999～2019年水資源安全功效系數(shù)時序圖

由表3和圖2可見，對于社會經(jīng)濟條件， 2018～2019年，其功效值仍有增大的趨勢。反映出社會經(jīng)濟的發(fā)展對水資源的需求越來越高，出現(xiàn)較大的供需矛盾。水資源條件狀態(tài)較不穩(wěn)定，在較安全與較危險之間呈“波浪式”波動。自2016年開始，水生態(tài)資源安全處于“較危險”狀態(tài)， 但2018年，安全問題有所緩解，2019年轉(zhuǎn)為較危險狀態(tài)。2013～2016年，水資源生態(tài)安全功效系數(shù)值呈降低態(tài)勢發(fā)展，水資源一直處于較安全狀態(tài)。

3 障礙度因子診斷

3.1 指標層障礙因子分析

根據(jù)障礙度模型，結(jié)合指標層指標的權(quán)重，即二級權(quán)重和指標所屬的準則層指標權(quán)重，即一級權(quán)重，運用式(5)、式(6)和式(7)對1999～2019年的祁連山內(nèi)陸河流域水資源安全評價體系中單項指標的障礙度進行測算，并按障礙度大小對排名前10的障礙因子進行排序，具體結(jié)果如表4所示。

表4 1999～2019年水資源安全障礙因子排序

續(xù)表4

由表4可知，1999～2008年間，在排名前10的障礙因子中，農(nóng)田用水率(I11)、GDP(I2)和糧食產(chǎn)量(I4)的障礙度較大，其次是年徑流量(I6)、總用水量(I16)、產(chǎn)水系數(shù)(I9)、廢污水排放量(I17)、產(chǎn)水規(guī)模(I10)、生活用水率(I14)、淺層水(I8)和工業(yè)用水率(I13)。2009～2015年間，障礙度較大的障礙因子包括，淺層水(I8),工業(yè)用水率(I13),生態(tài)環(huán)境用水率(I15),總用水量(I16)。2016～2019年，在排名前10的障礙因子中，障礙度較大的障礙因子包括節(jié)水灌溉面積(I3)、產(chǎn)水系數(shù)(I9)、生態(tài)環(huán)境用水率(I15)、人口數(shù)量(I1)和年輸沙量(I18)等。

在眾多水資源安全評價影響因子中，存在具有普遍影響作用的障礙因子。因此，在表4的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計1999～2019年排名前十的障礙因子出現(xiàn)的次數(shù)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 水資源安全障礙因子年份頻數(shù)分布

圖4 準則層指標障礙度

從圖3中可以看出，本文選取的障礙因子在1999～2019年中出現(xiàn)的頻數(shù)普遍較高，數(shù)據(jù)說明按障礙度大小排名所選取的障礙因子較能代表影響祁連山內(nèi)陸河流域水資源安全的制約因素。在排名前10的障礙因子中，年降水量(I10)和產(chǎn)水規(guī)模(I10)出現(xiàn)次數(shù)最多，年份頻數(shù)為15，其次是年徑流量(I6)、廢污水排放量(I17)出現(xiàn)次數(shù)最多，年份頻數(shù)都為14.再次是林牧漁用水率(I12)和生態(tài)環(huán)境用水率(I15)，年份頻數(shù)都為13.再是GDP(I2)、地表水量(I7)、淺層水(I8)、產(chǎn)水系數(shù)(I9)、生活用水率(I14)和總用水量(I16),年份頻數(shù)為12.排名前10的障礙因子年份頻數(shù)最低為7，數(shù)據(jù)也說明在祁連山內(nèi)陸河水資源安全的常年治理中，制約水資源安全狀態(tài)上升的影響因素既包括自然條件因素，也包括人為因素。

3.2 準則層障礙因子分析

為進一步研究影響祁連山內(nèi)陸河流域水資源安全狀態(tài)的系統(tǒng)因素，運用公式(8)，由各個指標的障礙度進一步計算各準則層指標的障礙度，計算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，社會經(jīng)濟條件的障礙度雖在2000～2001年和2013～2016年兩個階段內(nèi)有較明顯增加，但整體發(fā)展較為穩(wěn)定。水資源條件的障礙度呈“波浪式”變化，在增減之間不斷變動。水生態(tài)安全的障礙度在部分年間波動較大。其中，水資源生態(tài)安全的障礙度從2018年的47.55降低到2019年的33.01，水資源條件的障礙度由2018年42.49降低到2019年21.68，降幅明顯。水生態(tài)安全的障礙度在所有年份基本都是最高的，其次是水資源條件。因此，水生態(tài)安全是制約祁連山內(nèi)陸流域水資源安全的最主要系統(tǒng)因素。

4 結(jié)論

1)水資源安全的實質(zhì)是水資源的供給是否能滿足對水資源的需求。本文運用功效系數(shù)法對1999年到2019年祁連山內(nèi)陸河流域水資源的安全狀態(tài)進行測度評價。結(jié)果表明，該地區(qū)水資源在特定的時間段內(nèi)較為穩(wěn)定，整體發(fā)展趨勢看，在“較安全”和“較危險”狀態(tài)之間波動，2016～2017年，該地區(qū)水資源一直處于較危險狀態(tài)，2018年有所改善，轉(zhuǎn)為較安全狀態(tài)，但2019年有惡化趨勢。

2)在對祁連山內(nèi)陸河流域水資源安全狀態(tài)測度的基礎(chǔ)上，尋找影響其安全的主要障礙因子。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水生態(tài)安全是影響祁連山內(nèi)陸河流域水資源安全的最主要障礙因子。另外包括年徑流量、廢污水排放量、林牧漁用水率、生態(tài)環(huán)境用水率、GDP、地表水量、淺層水、產(chǎn)水系數(shù)、生活用水率和總用水量，對于該地區(qū)水資源安全也具有關(guān)鍵性影響。在水資源自然條件因素不可控的影響條件下，控制人為因素對水資源安全的影響是現(xiàn)階段祁連山水資源安全治理的關(guān)鍵點。