颍河流域区域水资源综合利用效果评价指标体系构建

程 芳

(颍上县水资源管理所，安徽 阜阳 236200)

0 引 言

水资源在生态系统健康保障方面扮演着重要的角色。水资源的可持续利用是确保社会可持续发展的基础条件，与人类社会和生态环境紧密关联。现阶段，全球区域内的水资源面临着环境大面积污染和退化、资源枯竭等问题。我国水资源的可持续利用和发展也存在较大的问题，如水生态功能下降、资源耗费大、时空分布无规律性，成为限制经济社会发展的重要原因[1-3]。

颍河流域是人口集中区域的典型代表，随着人口的激增及经济发展，目前水资源可持续发展面临重大挑战。为此，许多学者进行了大量研究，并提出利用模糊综合评价、人工神经网络、灰色聚类分析等不同评价方法，实现对水资源综合利用效果进行评价。在多种评价方法中，最直接有效的方法为物元可拓模型，其处理方法不是面向空间形式和数据，而是能直面问题的一种处理方式[4-5]。因此，本文构建颍河流域水资源综合利用效果的评价指标，利用物元可拓模型确定指标权重，并利用熵权法改进权重的确定方式，以实现结合主观和客观的形式，对水资源综合利用情况进行评价。

1 颍河流域水资源综合评价指标体系建立和评价

1.1 综合利用效果评价指标体系建立

本研究以颖河流域为例，构建水资源综合评价指标体系。该流域是淮河最大的支流，地理位置为E111°56′-E116°31′，总面积39 075.30km2，气候带为亚热带和暖温带，年均降雨量约750mm。颖河流域南段的主要支流为汾泉河、北汝河、沙河、鲁河，是河南省重要的水源。目前，颖河流域内人为活动较为频繁，导致城市、农业、工业的用水量急剧增加，也造成污染排放量逐渐增加，进而对区域水资源的综合利用产生恶劣的影响。选取该流域南段的10个城市2019-2021年数据进行分析，城市分别是驻马店、周口、南阳、漯河、许昌、汝州、平顶山、洛阳、开封、郑州，数据来源为颖河流域管理局、《河南省统计年鉴》及《河南省水资源公报》。

水资源综合利用效果是一个囊括多因素的综合概念，具体包括社会经济、生态、资源等多个维度。水资源可持续利用的主要内容：在利用水资源的过程中，不仅需保障经济社会发展和生态环境保护等方面对水资源的利用需求，同时也需确保未来水资源的可持续利用需求[6-8]。水资源综合利用评价是指对水资源的发展趋势和可持续利用水平进行评价，并据此给出相应的政策和改善措施。

本文结合前人的研究经验和颖河流域的实际情况，应用压力-状态-响应(Pressure-State-Response，PSR)模型，确定水资源综合利用评价指标。PSR模型的应用范围为可持续、环境、资源问题，主要包括压力指标、状态指标、响应指标三类指标。其中，响应指标是指应用于不利资源状况变化和不利环境的政策和手段；状态指标是指在人为活动的干扰情况下资源和环境的状态变化；压力指标是指体现环境和资源在人为社会的影响程度。该模型能直接反映水资源综合评价过程中各个层面的逻辑关系，一方面能体现环境和资源在人为活动影响下所产生的状态变化，同时也能借助相应的政策和措施对自然系统进行改善，进而满足人、自然和谐共处的美好状态。图1为颖河流域水资源综合利用评价指标体系。

图1 颖河流域水资源综合利用评价指标体系

该评价指标体系包括压力、状态、响应3个维度，总共包含18个指标，分别用字母A1-A18表示。其中，负向指标包括年用水量(108m3)、农业和工业用水的比例(%)、工业增加万元用水体积(m3)、国民生产总值(GDP)万元的用水量(m3)、污水排放的总体积(104m3)、人口密度(人/km2)、灌溉面积(102hm2)、常住人口增长率(%)、总人口数量(万人)。正向指标包括年全部水资源体积(108m3)、人均水资源体积(m3)、人均GDP(元)、城市绿化面积(hm2)、节水灌溉率(%)、工业用水减少量(108m3)、GDP万元用水下降率(%)、废水处理率(%)。

1.2 偏好熵权物元可拓模型

标准物元可拓模型的理论基础为可拓集合和物元理论。首先在物元分析的前提上，对节点域和经典域进行构建，确定评价等级的标准。然后依据实际测得的数据组建待评物元获得相应等级的关联度，进而确定被评价对象所归属的等级。物元可拓模型可从定量和定性两个方面来建立基于多指标参数的评定模型，直接反映评价对象对策的具体情况，但该模型在实际应用过程中存在一些问题。研究对标准物元可拓模型进行了改进，但通过关联度函数计算得到的各评价物元权重，并不能以客观角度来体现在待评事物中各评价指标在重要性方面的差异。基于此，研究借助熵权法实现权重的确定，保证评价模型不仅拥有物元可拓模型的优势，同时权重的确定过程也更加准确、合理。在确定评价指标权重过程中，熵权法的确定依据为实际数据所包含的信息量，然而在实际水资源综合利用评价过程中，不同阶段人们对生态环境、水资源供给和需求、社会经济发展具有差异化，因此仅单独使用熵权法很难确定客观权重。因此，在此基础上引入偏好度确定指标权重，依据评价区域的具体情况给予评价指标相应的偏好度，有效结合客观和主观赋值的优势，确定更加合理、科学的指标权重。物元可拓模型的基本元为物元，所有事物均可以有序的三元组来描述，分别是事物、特征、量值。偏好熵权物元可拓模型的构建步骤见图 2。

图2 偏好熵权物元可拓模型的构建步骤

第一，确定事物的经典域、节点域、待评物元。

第二，对等级评价指标的关联度进行确定。

第三，确定权重。依据熵权法确定各评价指标的变化程度，进而得到相应的权重，具体过程如下：首先，构建判断矩阵。其次，对水资源综合利用评价指标进行无纲量化处理。由于每个水资源综合利用评价指标的量纲和内涵存在差异，同时可分为正向和反向两种类型指标。为了便于所有评价指标的统计和分析，研究需正向化处理所有的负向指标，得到全新的判断矩阵，并进行无纲量化处理。再次，计算各指标的熵值和各指标的熵权。最后，借助偏好度对权重进行修正。

第四，确定待评价物元和评价等级的加权关联度。

第五，采取最大关联度识别原则，确定物元所归属的等级。研究依据全国水资源综合利用的平均水平以及实际情况，确定5个评价等级，分别用I-V表示。见表1。

表1 5种评价等级的情况

2 颍河流域水资源综合评价效果分析

表2为颍河流域水资源综合评价指标体系5个等级的评价标准。颍河流域18个水资源综合评价指标体系的评价区间，随着评价等级的增加而逐渐增加或逐渐降低。其中，以A7、A8、A10、A12、A14、A15、A16、A17、A18为代表的9个评价指标的评价区间，随着评价等级的增加而表现出逐渐下降；其余9个评价指标表现出相反的变化趋势。以负向A1评价指标为例，Ⅰ-Ⅴ这5个评价标准分别为(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评价指标为例，Ⅰ-Ⅴ这5个评价标准分别为(221.00,260.25]、(183.00，221.00]、(142.50,183.00]、(106.00,142.50]、(0,106.00]。

表2 颍河流域水资源综合评价指标体系5个等级的评价标准

表3为颍河流域各水资源综合评价指标权重。18个评价指标熵权值的取值范围为0.052 64～0.056 25，偏好度的取值范围为0.8～1.5，偏好熵权的取值区间为0.034 51～0.062 54。最大取值范围的指标并不是统一指标，说明熵权值大的指标并不一定拥有较高的偏好熵权值。

图3为2017-2021年颍河流域水资源综合评价5个等级的隶属度等级。整体来看，在偏好和无偏好的情况下，颍河流域水资源综合评价等级并不完全相符，同时在无偏好情况下的水资源综合利用评价等级优于有偏好情况下的评价等级。2017年，颍河流域水资源综合评价等级在无偏好和有偏好情况下分别为Ⅲ级和Ⅳ级；2018年，在无偏好和有偏好情况下均为Ⅲ级，此时水资源的综合利用可以理解为均衡的可持续发展状态。2019年，在无偏好和有偏好情况下颍河流域水资源综合评价等级均为Ⅱ级，此时该区域的水资源状态已经改善为一种良好的可持续状态，其原因可能是由于2018年国际上通过了“水促进可持续发展”决议，同时国内政府部门给予了以可持续为目标的政策。2020年，在无偏好和有偏好情况下颍河流域水资源综合评价等级存在较大的差异，分别为Ⅰ级和Ⅳ级，即水资源良好的可持续发展和基本可持续发展两种截然不同的状态，这可能是由于该流域不同区域的水质有较大的差异；2021年，在无偏好和有偏好情况下评价等级均为理想的可持续发展状态，即Ⅰ级。

表3 颍河流域各水资源综合评价指标权重

图3 2017-2021年颍河流域水资源综合评价5个等级的隶属度等级

颍河流域水资源综合评价分值逐年增加，水资源的可持续发展状态表现出良好的趋势，从不可持续利用逐渐开始向着可持续方向发展，表明该流域的水资源治理工作取得较为理想成效。因此，颍河流域水资源综合利用情况逐渐向着合理化和可持续性方向发展，有助于为该流域的区域社会经济发展做好充足的物质资源保障。针对颍河流域水资源综合评价结果，为进一步提升部分指标的稳定性，提出以下建议：①依据该流域内不同城市的实际情况作出相应的管理策略，对于工业用水量的减少量、年用水量、常住人口增长率等存在差异性的指标需重点关注，并依据实施情况尽快作出调整和优化，在水资源可持续发展中做好相应的保障。②在该区域内采用先进的农业节水方案，提升农业生产的智能化水平；改善城市居民用水的整体质量，积极宣传环保节水理念，使居民拥有绿色节能意识；对城市污水处理方式进行改善，强化非生活用水的处理手段；对工厂的用水方案进行优化调整，降低其对水资源综合利用的影响。③积极增强该区域不同城市之间的经济发展协调性，缩减人均GDP差别，对城乡用水结构进行优化，弱化人口移动对地方经济以及用水结构的影响。

3 结 论

本文引入偏好熵权法和物元可拓模型，构建了颍河流域水资源综合评价体系。其中，18个评价指标的熵权值的取值范围为0.052 64～0.563 25，偏好度的取值范围为0.8～1.5，偏好熵权的取值区间为0.034 51～0.082 54，但最值对应的相应指标并不是同一指标。2017-2021年，水资源综合评价5个等级的隶属度等级显示，在偏好和无偏好下颍河流域水资源综合评价等级并不完全相符，同时在无偏好情况下的水资源综合利用评价等级优于有偏好情况下的评价等级。水资源的综合利用情况从基本可持续发展状态发展为理想的可持续发展状态，即从IV级过渡到I级，表明研究所提出的评价方法能极大增强结果的可靠性和准确性。