水資源集約安全利用評估模型構建及應用

王紅瑞，李一陽，楊亞鋒,3，趙 勇，楊榮雪，劉 璇

(1.北京師范大學水科學研究院，北京 100875； 2.北京市水科學技術研究院，北京 100048； 3.華北理工大學理學院，河北 唐山 063210； 4.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

深入貫徹新發展理念，推進水資源集約安全利用，是踐行習近平總書記“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”十六字治水思路的重要途徑和題中之義[1-3]。集約利用的核心是用最少的水資源投入產生更大的效益，提高水資源利用效率，節約亦是其內在要求之一；安全利用指水資源開發利用不能影響生態安全和國家安全，水資源利用要限制在其承載力范圍之內；集約安全利用就是要將集約和安全有機結合起來，相互制約，相互促進，即水資源集約利用要保障安全，安全利用要助力集約[4]。水資源集約安全利用指數的大小是區域高質量發展水平高低的重要體現。因此，在集約中保障安全，在安全下促進集約，是當前水資源高效合理利用的新模式需求。

目前，水資源集約安全利用的相關研究主要集中在國內。在集約利用方面，李來勝等[5]從三次產業方面提出了解決黃河水資源開發利用的循環經濟方程，為黃河水資源集約利用提供了理論依據和政策建議；廖文梅等[6]從農業用水、工業用水以及居民生活用水等指標合成區域水資源集約利用指數，對區域水資源集約利用進行綜合評價；韓宇平等[7]針對水資源集約利用的概念、內涵與模式進行解讀，探討了構建評價指標體系的基本原則。在安全利用方面，劉華[8]基于PSR模型構建了城市水資源安全利用評價指標體系，利用集對分析方法建立了評價排序模型；劉麗穎[9]以貴州省為研究區，綜合運用地理學、環境學、生態學和人工智能等學科理論和方法對水資源安全進行動態評價、仿真及調控研究。綜合考慮集約利用和安全利用，姜文來[4]在分析水資源集約安全利用內涵的基礎上探討了實現中國水資源集約安全利用的戰略路徑。可見，已有研究成果大多聚焦水資源集約利用或安全利用，而鮮見將二者綜合考慮的情況。雖然相關研究的指標體系在一定程度上涵蓋了集約利用和安全利用的相關指標，但若能將二者有機結合起來，從系統論的角度出發，從整體上評價集約安全利用水平，并針對性地提出必要的改進措施，將是很有意義的一項研究。

水資源集約安全利用評價涉及資源、經濟、生態等多領域，是多屬性決策問題[10-12]。近年來，模糊綜合評判法[13-15]、集對分析法[16-20]、投影尋蹤法[21-22]、物元模型法[23-25]、TOPSIS(technique for order preference by similarity to ideal solution)方法[26-29]等是水資源系統分析領域的常用決策方法。其中，TOPSIS方法由于具有計算簡便、應用性強等特點廣受學者們青睞。劉樹林等[30]針對TOPSIS方法中存在不能排序的問題提出夾角度量法，并與TOPSIS法對比得到較好的結果。然而,有研究發現夾角度量法也存在不足[31-32]，只考慮兩方案的夾角貼近度，忽略其長度差異；若兩方案夾角完全相同、長度不同，那么夾角度量法就不能得到正確的結論，因此，趙萌等[33]提出相對熵排序法。盧國祥等[34]發現相對熵不滿足對稱性和三角不等式，不是方案與理想方案和負理想方案之間真正的距離，但將其作為方案與理想方案和負理想方案的差異測度具有實際意義，基于此對相對熵排序法進行改進，得到新的排序方法——對稱交互熵多屬性排序法，滿足了相對熵的對稱性和有界性。目前，對稱交互熵多屬性排序法已在ISAR干擾效果評估、信息度量與聚類、遙感圖像分割和綜合生產效果評價等方面得到成功應用，反映出該方法在多屬性評價問題中的適用性和有效性，可望在水資源系統評價領域發揮作用，但尚未有相關研究和報道。

鑒于此，在前人研究基礎上，本文基于節水優先和生態優先方針探討水資源集約安全利用的時代內涵及其相互影響關系，從系統論的角度探索水資源集約安全利用評價指標體系，進而基于對稱交互熵多屬性排序法構建一種新的水資源集約安全利用評估模型，并在2019年中國31個省級行政區(不含港澳臺)展開應用，其結果可為中國水資源高效利用和經濟社會高質量發展提供支撐。

1 水資源集約安全利用評價體系構建

在參考相關文獻的基礎上篩選評價指標體系，利用層次分析(analytic hierarchy process, AHP)法與CRITIC(criteria importance though intercriteria correlation)法綜合賦權，進而基于對稱交互熵多屬性決策排序方法建立水資源集約安全利用評估模型。

1.1 集約安全利用評價指標體系

指標體系構建是定性、定量評價水資源集約安全利用的前提。生態環境保護和經濟社會高質量發展是水資源開發和利用的必要前提和追求目標之一。水資源集約利用和安全利用是實現該目標的兩個重要途徑。集約是安全的約束，安全是集約的保障，二者相互制約、相互促進，是一個有機的統一體。作為重要的基本資源，水資源必須保質保量地滿足經濟社會高質量發展的需求；水資源開發利用要走綠色發展之路，與資源環境相協調，以水資源承載力為紅線，不能破壞生態環境[4]；此外，以科技創新為動力，革新開發利用技術，提升水資源利用效率，也是水資源集約安全利用的主要途徑。堅持“節水優先”方針是水資源管理工作的根本依據，堅持“生態優先”原則是可持續發展的剛性約束，二者同時為水資源的集約安全利用提出了綱領性的要求，因此，水資源集約安全利用既要在節約用水的前提下著力提高水資源利用效率和效益，又要在生態友好的導向下嚴格限制水資源開發的強度，保障三生用水的安全度和和諧度。基于以上分析，本研究結合相關文獻[1,4,7]的主要論點，構建水資源集約安全利用評價指標體系，見圖1。

水資源集約安全利用評價指標體系中，單方水GDP產出量受產業結構、自然地理、社會經濟等影響，能從一定程度上反映水資源綜合利用效率的高低，也能反映水資源投入產出關系和用水效益；萬元工業增加值用水量可從一定程度上反映工業用水效益，是水資源集約利用的經濟學表征；農田灌溉水有效利用系數可從一定程度上反映農業領域的用水效率和科技水平；耕地實際灌溉畝均用水量能夠反映農業領域的耕地灌溉用水效率和效益；人均生活用水量的高低可從一定程度上反映一個地區的居民日常生活中節水意識的強弱；人均COD排放量可反映水資源利用所產生的負面生態環境影響，也是水質保障的重要指標；人均供水量從一定程度上反映了用水量保障度，是水資源短缺風險的一項重要表征指標；水資源開發利用率是生態安全和經濟社會可持續發展水平的重要衡量指標之一；生態用水占水資源量比例在一定程度上反映了生態需水的滿足程度,包括河道內生態需水滿足程度和河道外生態需水滿足程度，是水資源安全利用的主要表征。指標I1、I3、I7和I9為正向指標，即越大越優，其余指標為負向指標，即越小越優。

1.2 對稱交互熵多屬性排序法

基于水資源集約安全利用評價指標體系，采用對稱交互熵多屬性決策排序法，將31個省級行政區的水資源集約安全利用水平及其發展態勢評估問題轉化為多屬性決策排序問題。具體步驟如下：

步驟1建立標準化決策矩陣。設多屬性決策問題包含m個方案和n個評價指標，其方案集、指標集分別為：A={A1,A2,…,Am}，B={B1,B2,…,Bn}，方案Ai對指標Bj的值記為yij(i=1,2,…,m;j=1,2,…n)，則形成目標決策矩陣Y=[yij]m×n，建立標準化決策矩陣Z：

(1)

步驟2確定指標權重。為兼顧專家經驗、指標客觀數據的統計規律及指標間的相關性，采用AHP法和CRITIC法相結合的組合賦權方法。指標Bj的權重wj為：

(2)

式中αj、βj分別為AHP法和CRITIC法所得到的權重。

步驟3構建加權標準化矩陣和確定其理想解。計算加權決策矩陣X=[xij]m×n，xij=wjzij。對于正向和負向指標，分別計算正理想解向量X+和負理想解向量X-：

(3)

(4)

(5)

步驟5計算相對貼近度。計算各方案與理想方案的相對貼近度Ci，Ci值越接近于1，說明第i個評價方案就越接近最優方案；Ci值越小，說明第i個評價方案越差。

(6)

2 模型應用與分析

2.1 數據來源

選取中國31個省級行政區(不含港澳臺)為研究單元。所需的社會經濟數據來源于2020年《中國統計年鑒》和各省級行政區《統計年鑒》，所需的水資源和用水數據主要來源于2019年《中國水資源公報》。

2.2 計算過程

表1 標準化決策矩陣Table 1 Standardization decision matrix

表2 31省的對稱交互熵、貼近度和水資源集約安全利用指數Table 2 Symmetrical cross-entropy, closeness and intensive-safe utilization index of water resources in 31 provinces

2.3 結果與分析

水資源集約安全利用指數是區域水資源集約安全利用水平的一種相對度量方式，在0～10之間取值，其值越大，代表水資源集約安全利用水平越高。由表2可知，中國31個省級行政區的水資源集約安全利用水平總體上不容樂觀。具體來看，北京是唯一的6分以上的省級行政區，其水資源集約安全利用指數為7.069，然而仍存在較大的提升空間。指數為5～6的省級行政區，包括新疆、內蒙古、陜西，天津和浙江。指數為3～5的省級行政區占比71%，分別是環渤海區域的河北、山東、遼寧；中部地區的河南、山西；西南地區的云南、四川、重慶；西北地區的青海和東南沿海的廣東和福建；緊隨其后的是貴州、湖南、湖北、江西、安徽、上海、海南、西藏、甘肅、吉林和黑龍江。此外，有3個省級行政區水資源集約利用水平相對落后，指數均在3以下，分別是寧夏、江蘇和廣西。

水資源集約安全利用是一個整體概念，集約和安全相輔相成，缺一不可，形成一個水資源利用的多目標約束系統。為探究子系統的耦合發展狀態和主要癥結所在，在綜合評估的基礎上，將評價指標體系分為相對獨立的兩部分：集約利用指標(I1、I2、I3、I4、I5)和安全利用指標(I6、I7、I8、I9)，分別執行本文構建的模型，并與集約安全利用指數進行比較分析，結果見圖2。

圖2 中國31省級行政區水資源集約、安全利用對比Fig.2 Comparison of intensive and safe utilization of water resources in 31 provinces of China

由圖2可見，北京的水資源集約安全利用指數最高，但主要歸功于集約利用指數(9.817)，接近理想解，而安全利用指數則相對較低。具體來看，北京的單方水GDP產出達到847.46元，是排在第二位的天津的1.7倍；萬元工業增加值用水量和農田灌溉水有效利用系數均處于最高水平。可以看出，超高的用水效率和用水效益是北京市水資源集約安全利用水平最高的主要原因。此外，北京市在投入約1/3的生態用水的同時，人均供水量處在倒數第二名，僅高于天津。歸根結底，資源型缺水仍然是北京用水安全的主要制約因素。天津和山東的情況和北京類似，其中天津水資源的集約利用和安全利用水平懸殊更大。河北的水資源集約利用處于較高水平，相對而言用水安全也是應關注的重點。總體來看，未來幾十年，仍需繼續加大南水北調中線工程的調水規模，同時加快推進南水北調東線二期工程，以滿足京津冀地區及山東的經濟社會發展的用水需求。浙江、陜西、山西和河南4個省級行政區水資源集約利用水平均處在較高的水平，但用水安全情況處于相對滯后狀態，這一點與河北相似，水資源短缺問題是主要矛盾之一。重慶、遼寧、上海、福建、四川和廣東等6個省級行政區表現出了較高的水資源集約利用水平，相比之下，安全利用水平稍低，但在全國范圍內也屬于中等水平。而云南、吉林、甘肅、貴州、安徽、湖北、內蒙古和青海等8個省級行政區情況類似，但相反的是，集約用水水平稍微低于安全用水水平。各省級行政區應因地制宜，抓住主要矛盾，重點突破，以最有效的方式努力提升短板，同時兼顧保持或提升相對優勢，以耦合發展和共同提升的模式從整體上提升水資源集約安全利用水平。黑龍江、海南、江西、湖南、西藏、廣西和新疆等7個省級行政區的水資源集約利用處于落后水平。其中，尤以西藏和廣西為甚，水資源集約利用情況接近負理想解，但需指出的是，這些省級行政區卻表現出了較高的水資源安全利用水平，如新疆的水資源安全利用指數在31個省級行政區中排名第一，西藏排名第三。單方水GDP產出量是導致新疆集約利用水平較低的主要因素。這些省級行政區大多水資源稟賦優越，同時能夠做到合理、適度開發利用水資源，三生用水和生態環境較為和諧。加大科技投入，提升用水效率，將是這些省級行政區促進水資源集約利用的主要途徑之一。寧夏和江蘇的水資源集約利用水平處于落后水平，分別排在23和24位，而安全利用水平則是最低的兩個省級行政區，因此全面施策、協同優化，勢在必行。

3 結 論

a.中國31個省級行政區的水資源集約安全利用總體上處于中等偏下水平，水資源集約安全利用指數在5分以下的省級行政區占比80.1%，指數最高的北京也存在較大的提升空間；天津、北京、山東、新疆、西藏和廣西等多個省級行政區水資源集約利用和安全利用之間懸殊較大，協調發展程度較低。資源型缺水是北京等地區水資源安全利用的主要障礙；用水效益低下是新疆等地區水資源集約利用的主要瓶頸。

b.中國水資源集約利用水平具有較明顯的地域特征和區域差異，基本趨勢是，經濟發達且水資源利用壓力較大的地區集約利用水平較高，但安全利用水平偏低，這些地區包括北京、天津、山東、浙江和陜西等；經濟不發達或者受自然條件限制較大的地區水資源集約利用水平較低，而安全利用水平則相對較高，包括廣西、西藏等；水資源集約利用和安全利用在一定程度上存在互斥現象。

c.新發展理念下，中國水資源集約安全利用迫在眉睫，任重道遠。推進水資源的集約安全利用首先要因地制宜，抓住主要矛盾重點突破，同時要做到各方兼顧，均衡發展，重視集約利用與安全利用的辯證影響關系，從系統論的角度，疏經把脈，精準施策。