基于熵權的沈陽市水資源脆弱性及其時空異質性研究

李慶昕

(遼寧省沈陽市水文局，遼寧 沈陽 110094)

1 研究區域概況

沈陽市總面積約1.3萬km2，是我國東北地區經濟發展的核心區域；沈陽市共下轄10個市轄區即沈北新區、渾南區、鐵西區、沈河區、于洪區、皇姑區、蘇家屯區、遼中區、和平區、大東區，2個縣即法庫縣、康平縣和1個縣級市新民市[1]。沈陽市位于溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，全市年將雨水量約600～800mm，降雨量受季風氣候影響主要集中在夏季，年均氣溫為6.2～9.7℃，冬季寒冷漫長且降雪量較低，夏季短暫且暴雨較為集中[2]；境內大小河流共27條，主要有繞陽河、遼河、北沙河、渾河、秀水河等，水資源總量約32.6億m3，其中地下水和地表水分別為21.2億m3和11.4億m3，人均水資源量約1862m3，不足我國水資源平均水平的1/4，而人均水資源占有量在鐵西區、大東區、沈河區等區域不足1200m3，遠遠低于平均水平，極易造成夏季或春季干旱災害。沈陽市水資源在時空分布上極不均衡，水利工程在山區蓄水較為困難、城區用水緊張、水體污染嚴峻等問題對水資源安全保障構成嚴重威脅[3]。沈陽市水資源脆弱性在時間演變、細化尺度等方面的研究相對較少，當前主要有水資源模型、區域以及系統脆弱性等相關研究成果可供借鑒和參考，如CHEN Junxu等[4]構建了基于風險概率、敏感度、抗壓性以及暴露度的RESC模型；鄒君等[5]基于GIS指標疊置法和客觀丁醛綜合指數法對水資源開展研究并表現出一定的現實指導意義。據此，本文在詳細分析熵權法基本理論的基礎上構建了評價模型，并以沈陽市為研究對象利用評價模型對2006—2016年水資源脆弱性演變規律及其空間異質性進行研究，以期為研究流域水資源的科學開采利用以及洪澇干旱災害的準確預測提供一定的理論依據和決策支持。

2 建立基于熵權的水資源脆弱性評價模型

依據研究區域水資源脆弱性現狀、存在的基本問題以及評價指標的獨立性、代表性、可獲取性和可對比性等基本原則，在借鑒相關研究成果和評價指標選取基本方法的基礎上最終構建了沈陽市評價指標體系，見表1。

水資源脆弱性受不同本地自然狀況的作用影響可通過自然指標進行表征，而降水量的年際變化狀況可利用年降水量距平值與多年降水量平均值的比值表征即降水量距平百分比，且區域水資源的稟賦現狀可用單位面積徑流量即產水模數表征[6]。人類活動以及社會經濟發展對水資源的作用影響往往利用社會指標進行表征，而正常灌溉條件下的可灌溉耕地面積即為有效灌溉面積，是表征農田抗旱能力的關鍵性指標。區域缺水程度和供水與需水之間的平衡程度可利用需水量與可供水量的比值即水資源供需比進行表示，而區域人口對水資源的潛在需求可利用單位面積上的人口數量即人口密度指標表征。水資源脆弱性受社會經濟發展的間接作用影響可利用經濟指標進行表征，其中經濟發展對水資源利用的現狀可采用萬元GDP用水量進行表征，而水資源脆弱性受人們的賦予程度的潛在作用影響可利用GDP與人口數的比值即人均GDP進行表征。結合相關資料對脆弱性等級的評定標準以及研究區域實際狀況，可將沈陽市水資源脆弱性等級劃分為5個等級，各評價指標的在標準化參考分級的取值范圍見表2，其中正向和負向評價指標分別為X4、X5、X6、X7和X1、X2、X3。對正向指標和負向指標可分別利用下述公式進行標準化參考數值處理：

表1 沈陽市水資源脆弱性評價指標體系

(1)

(2)

式中，ri—標準化處理后第i個評價指標值；Xi—第i個評價指標真實值；Xijmin、Xijmax—第j的標準區間內第i個評價指標的標準化最小值和最大值；Rjmin、Rjmax—第j個標準化取值范圍對應于第i個指標值Xi的最小值和最大值。

結合評價指標熵值的具體含義，對于有n個評價單元的m個指標可按下式進行計算：

(3)

(4)

式中，Hi—評價指標中第i項評價指標的熵值；fij—第j個評價對象的第i項指標權重占評價的權重值。

根據上述計算結果可對各評價指標的熵權ωi進行計算，計算公式如下：

(5)

式中，ωi—各評價指標的熵權，取值范圍為0～1，所有評價指標的熵權之和為1。

結合上述計算結果可利用下述公式對第k個評價對象的脆弱性指數進行計算：

(6)

式中，r—標準化處理后的指標值；ωi—評價指標的熵權。

表2 水資源脆弱性評價指標標準化分級參考值

本研究利用熵值法建立的評價模型，計算過程為：首先選取具有代表性的評價指標并建立評價指標體系，然后對各指標的權重利用熵權法進行計算求解，最后對各指標的權重進行歸一化標準處理并進行求和，求解得到研究區域的水資源脆弱性綜合指標值[7]。

3 結果與分析

3.1 水資源脆弱性的空間異質性

利用文中所述公式(3)和(4)，并結合研究區域2006—2016年的評價數據可對各指標的權重進行求解，結果如圖2所示。由圖2可知，基于熵權法的權重系數最大值和次大值評價指標分別為水資源需供比和人口密度，分別為0.24和0.20，權重最小值為年降水距百分比指標，為0.08。由此表明水資源脆弱性主要受人口密度和水資源需供比影響顯著，而年降水距百分比對水資源脆弱性的影響程度最低。

圖1 各評價指標的水資源脆弱性權重

對沈陽市水資源脆弱性分級標準利用公式(5)進行判定，結果見表3。水資源脆弱性分級可分為極脆弱、強脆弱、中脆弱、弱脆弱和不脆弱5個等級標準。

表3 水資源脆弱性分級標準

3.2 水資源脆弱性的時空異質性

2006—2016年沈陽市各行政區水資源脆弱性及各評價指標值計算結果見表4。由表4可知，相較于其他區域沈陽市遼中區的脆弱性指數最大為0.62，結合該區域自然條件可知，其產水模數年均值為15.48萬m3/km2并處于沈陽市第3位，然而供需比在該區域卻高達0.85，由此表明其水資源供需矛盾較為突出。結合該區域人口密度等指標，其人口密度為450人/km2，接近于沈陽市平均水平的2.5倍。遼中區屬于典型的干旱災害頻發區，僅在2006—2016年期間就有5次達到偏枯年份，并在2014年12月達到特旱水平，由此說明相較于其他區域遼中區屬于沈陽市脆弱性程度最高的區域[8]。結合表4中數據，沈北新區屬于第二脆弱區為0.60，該區域人口密度較大且經濟發展水平相對較高，水資源需供比高達0.80為嚴重的水資源緊缺區。而和平區的水資源儲蓄量相對較為豐富、產水模數較大而人口密度較低，該區域為沈陽市水資源脆弱性最低的區域屬于弱脆弱性為0.38。

表4 沈陽市各行政區2006—2016年年均水資源脆弱性及指標值

由水資源脆弱性在沈陽市各行政區的計算結果和分布狀況可知，該區域脆弱性指數取值區間為0.38～0.62，且脆弱性由東至西整體呈逐漸降低趨勢，各區域脆弱性指數區間為0.38～0.62，其中遼中區和沈北新區屬于強脆弱性，而渾南區、蘇家屯區、大東區、于洪區均為中脆弱區，而其他各區域為弱脆弱區。結合沈陽市各區域水資源稟賦、供需匹配以及潛在壓力可知，各區域脆弱性空間分布特征與實際狀況保持良好的一致性。遼中區、沈北新區、渾南區、蘇家屯區、大東區、于洪區的水資源需供比分別為0.85、0.80、0.62、0.60，與其對應的人口密度為450、385、326和300人/km2，相對于其他區域屬于較高水平。

沈陽市2006—2016年水資源脆弱性變化趨勢如圖2所示。由圖2可知，該區域具有明顯的時間異質性特征，其脆弱性指數年均值變化范圍為0.38～0.52，均值為0.45屬于中脆弱性。結合在不同時段的變化情況，可將其劃分為3個差異階段：弱脆弱階段即2006—2009年；中脆弱階段即2010—2013年；而2014—2016年的脆弱性指數介于中脆弱與較強脆弱區間范圍。2006—2016年沈陽市水資源脆弱性呈現出先增大后減小的趨勢，其脆弱性最強和最弱的年份分別為2010和2008年，其原因主要和各年份的經濟發展速度和人口增加等因素相關。

圖2 2006—2016年沈陽市總體水資源脆弱性

沈陽市各年份的社會經濟發展水平與當年的水資源狀況是影響其脆弱性時間異質性的關鍵性因素，年降水量距平百比在2006—2009年分別為1.2%、2.5%、15.0%和9.2%，均明顯高于其他階段，而此期間的人均GDP均小于其他階段。在2010—2013年沈陽市西南區域的降水量明顯降低而人口數量增加較快，并且因此造成社會發展對需水量的壓力急劇增強，此期間水資源脆弱性明顯增大所以為中脆弱區。而后2013—2016年隨著水資源保護、開采利用等措施的實施、降水量的恢復正常等水資源保障壓力得到一定緩解，然而隨著人口壓力的依舊增大和社會的持續發展，此期間處于中脆弱程度附近且相對于第一階段有一定的提升[9]。

3.3 脆弱性在不同分區的構成

結合不同區域和脆弱性指標的變化特征，不同區域對水資源脆弱性的作用影響程度不同。研究表明，人口密度以及水資源供需比指標是影響水資源脆弱性的關鍵性因素，其中產水模數、萬元GDP用水量以及有效灌溉面積等指標隨著外部情景的不斷變化而逐漸減少[10]。水資源需供比在弱脆弱區、中脆弱區以及強脆弱區分別不超過0.36、0.82和0.85，其計算值分別在0.06、0.15以內和0.15。結合文中上述分析結果，本文得出沈陽水資源強脆弱區往往屬于干旱影響程度較大、經濟發展較為迅速、供需矛盾突出以及人口增長較快的區域，如遼中區和沈北新區；而水資源中脆弱區往往具有產業結構不合理、水資源利用效率低以及水利設施相對較低等經濟欠發展的區域，如渾南區、蘇家屯區、大東區、于洪區等；弱脆弱區具有的特征主要為供需矛盾不突出、水資源儲蓄量較為豐富且供給壓力較少、經濟發展較為落后等特征，如和平區等。結合沈陽市以往脆弱性評價研究結果，本文得出該區域2006—2016年的脆弱性整體屬于中脆弱區，且脆弱性在不同年份表現出一定的差異[11]。

4 結論

(1)水資源脆弱性主要受人口密度和水資源需供比影響顯著，而年降水矩百分比對水資源脆弱性的影響程度最低；沈陽市水資源脆弱性最大和次大區域分別為遼中區、沈北新區，和平區屬于弱脆弱性為沈陽市脆弱性最低的區域。

(2)沈陽水資源強脆弱區往往屬于干旱影響程度較大、經濟發展較為迅速、供需矛盾突出以及人口增長較快的區域；水資源中脆弱區往往具有產業結構不合理、水資源利用效率低以及水利設施相對較低等經濟欠發展的區域；弱脆弱區具有的特征主要為供需矛盾不突出、水資源儲蓄量較為豐富且供給壓力較少、經濟發展較為落后等特征。