基于熵权法的水匮乏指数在四川省水安全评价中的应用

罗 斌，姜世中，郑月蓉，常婷婷，彭文甫

(四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都610066)

基于熵权法的水匮乏指数在四川省水安全评价中的应用

罗 斌，姜世中*，郑月蓉，常婷婷，彭文甫

(四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都610066)

水安全问题对人民生活、社会经济发展有着重要影响．根据边际效益递减原理和熵权法，采用水匮乏指数对四川省2008—2012年水安全状况进行了评价．结果表明，四川省2008、2009年水安全处于极不安全状态;2010、2011、2012年处于不安全状态．必须通过加强水资源利用与管理、环境保护、加快经济发展方式转型、提高人民生活水平等有效途径，确保四川省水安全，促进社会经济健康、持续、稳定发展．

熵权法;水匮乏指数;水安全

在全球变化和经济发展迅速的今天，水安全问题逐渐成为全世界重要的议题，自2000年以来，多次重要国际会议都重点讨论了水安全议题［1］．水安全是指在人类生产、生活以及经济发展过程中发生的与水有关的危害现象，从而导致人类财产损失、人口死亡、健康恶化、生存环境的舒适度降低、经济发展受到严重制约的现象［2］．水安全的内涵有两方面:一是自然属性，既干旱、洪涝、河流改道等自然型的水安全;二是社会属性，由于人类对自然水循环的干预而导致的水量短缺、水质污染、水环境破坏、水资源浪费等行为．最终，水安全将引发其他诸如粮食安全、经济安全，甚至是国家安全等诸多问题［3］．

四川省位于我国西南部，介于97°21'～108°31' E，N26°03'～34°19'N之间，幅员面积4．843×105km2．地势西高东低，西部为川西高原山地、东部为四川盆地．辖18个地级市、3个自治州，人口达0．804亿人．全省河流分属7个水系二级流域．四川省作为西部大开发的桥头堡，引领西部经济发展．随着西部大开发的持续深入，经济迅速发展，对水资源要求，特别是工业用水需求量将大增，供需矛盾将日益凸显，加之生态破坏、环境污染，致使四川省水安全状况急剧下降，水安全问题突出．

水安全评价比较常用的方法有层次分析法、集对分析法、模糊数学方法、熵权法、人工神经网络法［4－6］，以及一些专门应用于水资源、水环境的评价方法，如虚拟水理论、水匮乏指数［7－8］等．本文使用水匮乏指数方法对四川省水安全状况进行评价．

1 水匮乏指数

水匮乏指数(WPI)是英国自然环境研究委员会生态水文中心为了检测水行业发展状况，而提出的一种新的水管理评价技术［9］．它综合考虑了一个区域水资源状况、水资源获取、水环境状况及水资源利用能力和潜力，已在不同的尺度进行应用，获得了较好的效果［10－11］．

水匮乏指数的计算方法:先根据边际递减原理，计算出各次级指标的个体指数;再依据熵权法，求得各次级指标的权重，并计算出各指标综合指数及水匮乏总指数．

1．1 指标体系 水匮乏指数的指标体系包含资源、途径、利用、能力和环境5个指标，每个指标又包含若干个次级指标．根据研究区的实际情况，并参考国内外研究成果，构建了计算研究区域水匮乏指数的指标体系(表1)［3，9－10］．

1．2 水匮乏指数的计算方法 次级指标分为2种类型:一类为指标值愈大，水资源愈安全;另一类为指标值愈小，水资源愈安全．这两类次级指标的个体指数计算公式分别为:

表1 WPI指标体系Table 1 Index system of water poverty index

式中，Imi为第m个指标下的第i个次级指标的个体指数;xi为第i个次级指标的观测值;ai、bi为系数．

各指标综合指数计算公式为

式中，Im为第m个指标的综合指数，m=R，A，C，E，U，分别表示资源、途径、能力、利用和环境5个指标;Imi为第i个次级指标的个体指数，wi为第i个次级指标的权重;k为某指标的次级指标个数．

水匮乏总指数计算公式为

1．3 水安全等级划分标准 参考国内外相关研究成果，将水安全按WPI划分为5个等级［12］分别为:＞62，非常安全;56～62，安全;48～56，基本安全; 35～48，不安全;＜35，极不安全．

式中，WPI为水匮乏总指数;Im为第m个指标综合指数，ωm为第m个指标的权重．由于5个指标的权重值很难确定，一般采用等权方法，即

2 四川省水匮乏指数计算模型参数的识别

2．1 个体指数计算模型中系数ai和bi的确定根据前人研究成果及我国水资源安全现状，参考环保部《生态县、生态市、生态省建设指标(修订稿)》，筛选出了适合四川省的实际情况的次级指标值分级标准(见表2)［13－16］．并根据分级标准，按照经济学中的边际递减原理，计算出了四川省个体指数计算公式中系数ai和bi(见表2)．

2．2 个体指数权重的确定 采用熵权法对个体指数赋权，计算公式为

式中，wi为第i个个体指数的权重;Hi为第i个次级指标的熵值，其计算公式为

式中，C=1/ln n，n为样本容量(n=5);t为时间(即2008—2012年);Pit表示第i个个体指数第t年值占所在指标下全体个体指数总和的比重，即

3 结果及分析

采用上述模型方法计算出了四川省2008—2012年，资源、途径、利用、能力和环境5个指标的水匮乏综合指数及总指数(表3)．

由表3可知，当前四川省水安全整体处于不安全状态，2008、2009年处于极不安全状态，2010、2011、2012年处于不安全状态．由WPI时间变化趋势图(图1)可见，2008—2012年，四川省水匮乏总指数逐年增大，至2012年水匮乏总指数达47．48，即将达到基本安全水平．

图2绘制出了四川省水匮乏指数各指标的综合指数雷达图．由图2可知，2008—2012年，在5个指标中，资源、环境、使用3个指标的水匮乏综合指数值较大，而途径、能力2个指标的水匮乏综合指数值较小．

资源水匮乏综合指数时间平均值最大，但随时间有所波动，途径平均值最小．可见，四川省地表水资源量、地下水资源、人均水资源量均比较丰富．四川省位于我国一、二阶梯过渡地带，水能资源位居全国之首，近年来进行了大规模梯级水电资源开发，不仅拥有仅次于三峡水电站的洛溪渡水电站、向家坝水电站，还有二滩水电站、锦屏一级水电站、锦屏二级水电站、紫平铺水电站、瀑布沟水电站、桐子林水电站等，以及数目众多的中、小型水电站．虽

然四川省水资源十分丰富，但时空分布不均．盆地周山地区相对丰富，而在金沙江、岷江干热河谷区，盆中丘陵地区十年几旱，水资源短缺，水资源开发利用水平十分低下．

表2 四川省水匮乏个体指数值分级及计算模型Table 2 Classification and calculation model of water poverty index value of Sichuan

表3 四川省2008—2012年水匮乏综合指数及总指数Table 3 Comprehensive index and combined index of water poverty in Sichuan during 2008—2012

环境水匮乏综合指数逐年呈下降的趋势，表明经济发展的同时，环境问题也日益严峻．据2012年四川省水资源公报，在全省5 099 km河长中，仅有1．8%的河长全年达到了I类水质标准，而有5．8%的河长水质为IV、V类，尤其是沱江流域水污染十分严重．因此，在发展经济的同时，必须加大控制工业污染、农业面源污染的力度，防止水污染事故的发生．深入持久开展“长治工程”，注重水生生态建设，积极发展生态经济产业．

使用指标的水匮乏综合指数呈逐年上升趋势，表明四川省对水资源的利用，逐渐向资源节约型转变．

途径和能力2个指标的水匮乏综合指数虽然都呈逐年上升趋势，但其值较小，尤其城市化率、人均GDP等经济指标个体指数值很小，这表明近几年四川省经济发展速度较快，但经济发展水平依然较低．参考文献

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［8］姜宁，付强，孙颖娜．水匮乏指数及其在东北地区水安全评价中的应用［J］．东北农业大学学报，2013，44(2):88－91．

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［10］刘东，赵清，白雪峰．水匮乏指数在区域水安全评价中的应用［J］．灌溉排水学报，2009，28(4):55－58．

［11］张翔，王晓妮，穆宏强．中国主要流域水安全评价指数的应用研究［C］//第二届青年科技论坛论文集．郑州:黄河水利出版社，2005:577－581．

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Application of Water Poverty Index Based on The Entropy Weight Method to Water Security Evaluation of Sichuan Province

LUO Bin，JIANG Shizhong，ZHENG Yuerong，CHANG Tingting，PENG Wenfu

(College of Geography and Resources Science，Sichuan Normal University，Chengdu 610066，Sichuan)

The problem of water security has an important effect on people’s life and social economic development．Water Poverty Index is a comprehensive model of regional water security evaluation．Selecting works of the water poverty index，the principle of diminishing marginal benefit and the entropy weight method，this paper makes the water security evaluation of Sichuan province in 2008—2012．The results show that:the water security of Sichuan province in 2008 and 2009 is highly unsafe，and it in 2010，2011 and 2012 is unsafe．In order to make the water security of Sichuan province toward healthy development，the government must reinforce the utilization of water resources and the environmental protection，accelerate the economic development pattern transformation，and improve the people’s living standards，etc．

The entropy weight method;water poverty index;water security

TV213;X24

A

1001－8395(2016)04－0608－04

10．3969/j．issn．1001－8395．2016．04．028

(编辑 李德华)

2015－02－02

国家自然科学基金(41371125)

*通信作者简介:姜世中(1965—)，男，教授，主要从事水资源及水环境的研究，E－mail:jiangshizhong@126．com