基于熵值法和層次分析法的廣東省水資源安全評價及影響因素分析

黃楚珩, 蔣志云, 楊志廣, 黃文惠, 陳曉瀅, 楊 肖

(華南師范大學 地理科學學院， 廣東 廣州 510631)

1 研究背景

水資源是保障人類生存、經濟發展和社會穩定不可替代的重要資源[1]。近幾十年來，隨著人口增長和經濟社會發展，世界范圍內水資源緊張局勢日益嚴峻，據估計，全球約有80%的人口面臨水安全問題[2]，水資源已經成為制約人類生存與全球發展的關鍵因素。因此，近年來關于水資源安全研究，特別是區域水資源安全評價，已成為國內外水資源科學研究的熱點問題[3-4]。Olli等[5]通過全球范圍內水資源四個維度的定量分析，發現水資源對糧食安全具有重要影響。Dong等[6]利用集對分析(SPA)原理，對2006-2016年洛陽市的水資源安全進行評價，結果表明洛陽市水資源壓力主要來源于社會經濟發展。石衛等[7]利用水資源敏感性和抗壓性分析方法，從流域尺度分析了山東省的水資源安全現狀。現有研究大多從水資源量和社會經濟發展現狀等單一維度對區域水資源安全狀況進行評價，難以全面反映區域水資源安全的實際情況。

水資源安全是一個綜合性概念，受自身條件(水資源量壓力)及外界條件(社會經濟發展和生態環境質量)等多重因素制約[8]。選取少量指標對水資源安全進行評價存在片面性，因此需要建立水資源綜合安全評價指標體系，以評價水資源安全狀況和影響因素[9]。建立水資源安全評價指標體系需確定各指標賦值權重，目前指標權重的確定一般采用層次分析法(AHP)[10]、集對分析法(SPA)[6,11]、物元分析法[12]等，這些方法識別問題系統性強，但在賦值的過程中容易丟失部分信息，存在一定的主觀性。為減少主觀性，已有研究采用熵值法[13]或BP神經網絡法[14]等構建水資源安全評價模型，但由于缺乏先驗知識而使得計算較為復雜。通過結合熵值法與層次分析法構建水資源安全評價體系，能夠更加客觀和便捷地對水資源安全進行綜合評價。

廣東省處于我國低緯度沿海地區，水資源總量較為充沛，但人均水資源量卻低于全國和世界人均水資源量[15]。作為我國改革開放的排頭兵，廣東省在經濟高速發展的形勢下，仍面臨十分嚴峻的水資源問題，如許多地區仍受水質性缺水、工程性缺水、資源性缺水以及管理性缺水問題的困擾[16]。水資源安全問題己成為制約廣東省經濟社會可持續發展的重要因素之一，引起社會廣泛關注與研究。向紅梅[17]研究發現廣東省水旱災害對區域水安全存在較大影響。陳充[18]利用供水安全管理評價體系對廣東省各市的供水安全管理能力進行評價，指出廣東省水資源量地區分布不均，水質與經濟發展密切相關。陶倩君等[19]研究發現2000-2014年廣東省水資源生態足跡呈上升趨勢，水污染問題已成為影響廣東省水資源可持續利用的關鍵因素。雖然近年來關于廣東省水資源的研究不斷增多，但主要集中在水資源量或生態環境等單一領域，并未考慮到廣東省各區域間經濟發展水平和生態環境狀況存在較大差異的實際情況[20-21]，綜合考慮水資源量、水生態環境及社會經濟等對廣東省水資源安全進行評價的研究較為欠缺。

本文基于廣東省水資源安全現狀，通過熵值法和層次分析法確定指標權重，構建水資源安全評價體系，對廣東省水資源安全的影響因素進行綜合評價與分析，以期豐富廣東省水資源安全的研究內容，為廣東省水資源的合理高效利用與可持續發展提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

廣東省位于我國東南沿海地區(109°15′～117°20′E，20°09′～25°31′N)，主要分為珠三角、粵東、粵西和粵北4個區域，下轄21個地級市。全省地勢北高南低，北部以山地和丘陵為主，南部以平原和臺地為主。氣候類型為熱帶和亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，降水量豐富，全省多年平均降水量1 789.3 mm，降水時空分配不均，降水量年內與年際變幅較大，旱澇災害頻繁且嚴重[20]。廣東省水資源豐富并且水系發達，全省多年平均水資源總量1 830×108m3，主要河系有珠江的西江、東江、北江和三角洲水系、韓江水系以及粵東、粵西沿海諸河[21]。

2.2 數據來源

本文收集了廣東省2007-2016年的水資源數據和經濟統計數據。數據主要來源于《全國城市建設統計年鑒》《廣東省水資源公報》《廣東省統計年鑒》以及廣東省各市的統計年鑒和公報。

在數據處理的過程中，由于某些地區與年份的數據有少量缺失，采用鄰近年份的平均值進行填補。由于順德區在2009年后才恢復地級市的管理權限，為保持數據一致性，仍將其劃歸為佛山市。

2.3 水資源安全評價指標選取

目前對水資源安全評價的研究角度主要集中在供需關系、與社會經濟的關系及可持續發展與水生態安全等方面。本文主要參考劉斌濤等[9]關于水資源安全評價體系的指標選取原則和考慮因素，選取水資源量、社會經濟和水生態環境作為水資源安全評價指標。其中水資源量指數包括人均水資源量、產水模數、供水模數、人均蓄水量和水資源開發利用率5個指數；社會經濟指數包括人均用水量、萬元GDP用水量、農村居民人均純收入、耕地單產量和人均GDP 5個指標。水生態環境指標包括森林覆蓋率、廢水排放總量、城市污水處理率、工業廢水排放達標率及入河污水量5個指標。

2.4 水資源綜合評價方法

采用多因子綜合評價模型，綜合評價廣東省水資源安全狀況，其表達式如公式(1)。

(1)

式中：I為水資源安全指數，指數愈大則水資源安全程度愈高；Wi為評價因子的權重；Ii為評價因子歸一化指標值。

評價指標歸一化的方法見公式(2)～(3)。

正向指標計算公式：

(2)

負向指標計算公式：

(3)

式中：Fi為評價因子原始數值；Imax為評價因子的最大值；Imin為評價因子的最小值。

按照安全等級劃分標準進行水資源安全評價，由于目前還沒有統一的安全等級的劃分方法，本研究以0.2為極差，將水資源安全綜合指數劃分為安全、較安全、一般安全、臨界安全和不安全5個等級[22]，根據廣東省水資源的分布特點，參考國內外有關文獻[14, 22-23]，最終確定的15個指標對應的水資源安全綜合指數分級標準閾值見表1。

2.5 水資源安全評價權重確定

采用層次分析法(AHP)計算出各因子的權重，再采用熵值法對權重系數進行修正，修正方法如公式(4)[22]。

(4)

式中：pj為第j項的指標層權重；vj為第j項的信息權重；rj為修正后的權重系數。

廣東省水資源安全評價指標體系及各指標權重見表2。

表1 水資源安全綜合指數各指標分級標準閾值

表2 廣東省水資源安全評價指標體系及各指標權重

2.6 影響因素模型的建立

通過建立因素強度系數模型來定量分析各要素對水資源安全的影響程度，因素強度系數D的計算公式為：

(5)

若D≥1.30，則該因素為優勢因素；若D≤0.70，則該因素為劣勢因素；若0.70

表3 優、劣勢因素判斷準則

3 結果分析

3.1 廣東省水資源安全時間變化特征

2007-2016年廣東省水資源安全指數隨時間變化情況見圖1。圖1表明，2007-2016年廣東省水資源量安全指數始終介于0.4～0.6之間，變化趨勢不顯著，屬一般安全等級；水生態安全指數由2007年的0.642波動下降至2016年的0.546，從較安全下降為一般安全等級，水生態環境趨于惡化；社會經濟安全指數除2009年有所下降外，由2007年的0.441上升至2016年的0.716，從一般安全上升為較安全等級；水資源綜合安全指數平均值為0.56，總體呈波動上升趨勢，屬一般安全等級。

3.2 廣東省水資源安全空間格局

人均水資源量可以作為水資源壓力指數以度量區域水資源稀缺程度。根據Falkenmark等[24]對人均水資源量安全等級的劃分標準計算出廣東省各市人均水資源量等級，見圖2。由圖2發現，廣東省人均水資源量地區分布不均，珠三角核心區人均水資源量較為緊缺，特別是深圳市與東莞市已處于不安全等級。粵東的潮汕地區(汕頭、潮州和揭陽3市)與粵西的湛江市人均水資源量存在短缺風險，其中汕頭市屬于不安全等級。

另外，廣東省各市水資源安全綜合評價結果見圖3。由圖3可看出，2007-2016年廣東省21個地級市水資源綜合安全指數均介于一般安全至較安全等級之間，屬一般安全等級的共有11個市，屬較安全等級的共有10個市。其中陽江市水資源安全指數最高，為0.739，深圳市水資源安全指數最低，僅為0.408，最高值約為最低值的1.8倍，廣東省水資源安全狀況地區差異顯著。

除珠海市外，珠三角核心區的水資源均屬一般安全等級，粵東的潮汕地區以及粵西的湛江市水資源屬于一般安全等級，其余地區屬較安全等級。廣東省水資源安全指數分布格局與人均水資源量分布格局基本一致。在水資源量安全方面，珠海市、粵東的汕頭、潮州和揭陽3市以及粵西的湛江市水資源量較為緊張，汕頭市水資源量安全指數僅為0.324，排名倒數第1；而韶關、河源、梅州、陽江、云浮和江門市水資源量較為豐富。在水生態安全方面，除珠海市外，珠三角核心區的水生態環境均處于不安全至臨界安全等級，其中廣州市與佛山市水生態安全指數分別為0.023和0.031，位列全省倒數第1和第2。珠三角核心區社會經濟安全指數最高，而粵東地區的汕尾市和梅州市社會經濟安全指數最低。

圖1 2007-2016年廣東省水資源安全指數時間變化

圖2 2007-2016年廣東省各市人均水資源量分布

采用最小二乘法擬合廣東省各市水資源安全指數的斜率，用以綜合反映水資源安全的時空變化特征，結果見圖4。圖4表明，2007-2016年廣東省各地市水資源量安全指數整體變化趨勢不明顯，梅州市水資源量安全指數有所上升，而江門市、東莞市、汕尾市和中山市則有所下降；在水生態安全指數上，珠三角核心區的廣州市、東莞市和深圳市水生態環境有所改善，但仍有10個市的水生態安全指數呈現下降態勢；除江門市和東莞市外，2007-2016年廣東省各地市社會經濟安全指數不斷提高，社會經濟不斷向前發展；在水資源安全指數上，韶關市和陽江市上升最快，水資源安全狀況持續改善，但茂名市的水資源安全指數卻呈現下降趨勢。

3.3 水資源安全影響因素

廣東省水資源安全優、劣勢影響因素分析結果見表4。結果表明，珠三角核心區水資源安全的優勢因素為社會經濟，而劣勢因素為水生態，粵東、粵西、粵北以及珠三角外圍區的優勢因素為水資源量和水生態，劣勢因素為社會經濟。整體而言，廣東省水資源安全影響因素呈現明顯的地區差異。

4 討 論

本文研究結果(圖1)表明，2007-2016年廣東省水資源量基本保持平穩，社會經濟快速發展，水資源安全指數不斷提高，但水生態安全指數呈顯著下降態勢。對比2007-2016年廣東省社會經濟安全和水資源安全指數的變化趨勢可看出，社會經濟發展水平是促進廣東省水資源安全提高的基礎。社會經濟發展提高了水資源的利用率，改善了廣東省在水量或水質層面的供水能力[18]，水資源安全指數持續上升，但與此同時，廣東省需水量和排污量隨之增加，水生態環境趨向惡化，水資源壓力增大[19]。

圖3 2007-2016年廣東省各市水資源安全評價

圖4 2007-2016年廣東省水資源安全指數空間變化(p<0.05)

表4 廣東省水資源安全優、劣勢影響因素分析

另外，研究結果還發現廣東省水資源安全形勢空間差異顯著(圖3)，尤其是珠三角核心區的水資源安全形勢不容樂觀，其中深圳市和東莞市的水資源安全指數最低。雖然珠三角地區社會經濟發達，但水資源量和水生態環境是影響其水資源安全的劣勢因素。已有研究指出珠三角核心區水資源承載力較低，城市現有的社會經濟指標與水資源利用匹配性較差，容易出現水資源短缺的現象[25]。此外，粵東的潮汕地區和粵西的湛江市水資源安全指數也較低，造成該區域水資源安全問題的主要原因有兩個：一是水資源量稀缺。汕頭市與湛江市水資源量安全指數在廣東省分列倒數第1與倒數第3。雖然粵東地區水資源總量較大，但人口高度集中，經濟社會發展需求超過水資源的承載能力[19]，而粵西的湛江市過境徑流多，地表水資源廢棄量大，且干旱出現頻率高，持續時間長，水資源較為脆弱[26]；二是社會經濟水平較低，經濟發展模式較為粗放。該區域的社會經濟發展水平排名大都處于全省的中下水平，尤其是粵東地區高耗能污染企業多，基礎設施建設滯后，綜合治理能力弱[27]，湛江市所處的雷州半島水資源調節性能很差，供水狀況不平衡，水資源開發利用程度不高[28]。

整體來看，廣東省水資源安全狀況與區域社會經濟發展水平不協調，經濟相對發達的珠三角核心區、粵東和粵西沿海地區水資源安全形勢更為嚴峻。根據《廣東省生態環境監測“十三五”規劃》[29]中對廣東省主體功能區的劃分，珠三角地區為國家優先開發區，粵西與粵東的沿海地區為國家重點開發區，而粵北地區為國家和省級的生態功能區，未來社會經濟發展將帶來更大的水資源壓力。因此，珠三角、粵東及粵西兩翼未來的發展應該更加注重對水資源的合理利用，提高水資源利用效率、減少水污染、保護當地的水生態環境，避免因水資源短缺而制約經濟社會發展，粵北地區應繼續加強對水源地的保護，發展綠色產業，促進生態與經濟效益雙豐收。

5 結 論

本文采用熵值法和層次分析法構建了廣東省水資源安全評價體系，并綜合分析了2007-2016年全省水資源安全狀況，結果表明：

(1)2007-2016年廣東省水資源綜合安全指數平均值為0.56，始終介于0.4～0.6之間，屬于一般安全等級。水資源量變化趨勢不顯著，水資源和社會經濟安全指數穩步提升，但水生態安全指數呈現下降趨勢。

(2)廣東省水資源安全指數空間分異明顯，珠三角核心區、粵東的潮汕地區及粵西的湛江市水資源安全等級較低，水資源量安全指數較高的區域集中在珠三角外圍及粵北地區，珠三角核心區的水生態指數較低，社會經濟安全指數由珠三角核心區向外圍逐步遞減。

(3)廣東省水資源安全影響因素存在區域差異，珠三角地區水資源安全的優勢因素為社會經濟，劣勢因素為水生態環境，而粵東、粵西及粵北地區的優勢因素為水資源量與水生態環境，劣勢因素為社會經濟。

綜合來看，廣東省水資源安全狀況與區域經濟發展程度不匹配，經濟相對發達的珠三角核心區、粵東和粵西沿海地區水資源安全形勢較為嚴峻，廣東省在發展社會經濟的同時要加強對水資源管理和保護，在提高水資源利用效率的同時改善水生態環境，避免使水資源成為制約社會經濟發展的阻礙因素。