水利工程群应对干旱能力评价方法及应用*

王刚，严登华，吴楠，杨志勇，韩冬梅，刘少华

(1.北京市环境保护科学研究院，北京100037;2.中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京100038; 3.中国水利水电科学研究院离退休处，北京100038;4.河北工程大学水土保持和水电学院，河北邯郸056038)

水利工程群应对干旱能力评价方法及应用*

王刚1，2，严登华2，吴楠3，杨志勇2，韩冬梅4，刘少华2

(1.北京市环境保护科学研究院，北京100037;2.中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京100038; 3.中国水利水电科学研究院离退休处，北京100038;4.河北工程大学水土保持和水电学院，河北邯郸056038)

基于水利工程群应对干旱能力的影响因素分析，从水利工程的布局、规模和运行管理两个层面构建水利工程群应对干旱能力评价指标体系。综合层次分析法和熵值法两种确定权重的方法，确定各评价指标的组合权重，采用模糊综合评价法构建了水利工程群应对干旱能力评价模型。该评价模型在漳卫河流域的应用结果表明，该流域整体应对干旱能力水平较弱，未来需要加强对现有水利工程体系的科学调度管理，并充分利用流域外调水提高干旱应对能力。

水利工程群;干旱应对能力;层次分析法;熵值法;模糊综合评价;漳卫河流域

干旱作为水循环极值过程之一，其发生受到气候变化、下垫面条件和水利工程群调节的综合作用，具有典型的“自然-人工”二元特性。对当前水利工程体系应对干旱能力进行客观评价分析，有针对性地开展水利工程群调控研究，是流域抗旱规划和旱灾管理的重要基础性工作之一。国内学者高度评价了水利工程应对干旱的作用，对干旱应对中暴露出来的工程和管理方面的问题也进行了深刻的思考［1-3］，但以定性描述的居多，应对干旱能力研究尚处于起步阶段，且侧重于农业抗旱能力的综合评价［4］。如顾颖等［5］建立了中国农业抗旱能力综合评价指标体系，并应用数序模糊聚类方法对全国农业抗旱能力进行了评价分类。邓建伟等［6］建立了甘肃省农业抗旱能力综合评价指标体系，并应用单目标分析法对甘肃省农业抗旱能力进行评价。康蕾和张红旗［7］选择土壤质地、高低需水作物面积比、耕地有效灌溉率、农机动力系数、农林水利事物支出、人均GDP等6个指标，利用加权求和法评价了我国五大粮食主产区的农业抗旱能力。近年来，一些学者开始从区域抗旱能力的角度开展研究，如梁忠民等［8］从水利工程、经济实力、用水水平、应急抗旱及管理4个方面构建区域抗旱能力评价指标体系。费振宇等［9］构建了由区域背景特征、水利工程条件、经济社会发展水平、科技生产水平、抗旱组织管理水平5个子系统组成的区域抗旱能力评价体系及相关评价模型。不管是农业抗旱还是区域抗旱研究中，均考虑了水利工程条件在应对干旱中的作用。

水利工程对水资源的时空调节是区域干旱应对的关键途径，在当前研究中，水利工程被当作农业抗旱能力评价的一个评价因子或者在评价指标体系中纳入个别反映水利工程条件的评价指标的方法，不能全面反映水利工程应对干旱能力的水平，难以为基于水利工程群调节的干旱应对策略的制定提供实践支撑。为此，本文在剖析水利工程(群)应对干旱能力影响因素的基础上，初步构建了水利工程群应对干旱能力评价指标体系，提出多指标的综合评价方法，并以漳卫河流域为例进行实证研究。

1 评价指标体系与评价标准

1.1 影响因素分析

水利工程群是由蓄、引、提、调工程及闸坝工程组成的复杂供水系统。在干旱缺水地区布置水利工程是应对干旱的前提，即首先要确定工程“有没有”的问题。由于各类工程的开发功能不同，其对干旱事件的调节特征也不同(表1)。蓄水工程尤其是水库可对水资源进行时程调节，改善天然来水过程与用水过程在时间上的不匹配性，保障干旱缺水时段的用水需求。工程的规模决定着其调节能力的大小，多年调节水库对年尺度干旱具有调节作用，年调节水库可对年内干旱事件具有调节作用。引、提水工程可在空间上分别对水资源进行水平调节和垂向调节，解决水资源空间分布不均匀产生的供需矛盾。调水工程不仅可以调节水资源在地域空间上的分布，还可以增加本地可供水量。相对蓄水工程，引、提水工程对供水水源没有调节能力，供水可靠性差，而调水工程的可调水量取决于调出水区的来水情况，在调出水区与受水区同时遭遇干旱的不利情景下，调水量必然受到影响。相对单一工程类型，水利工程群是多水源供水，供水可靠性更强;且能同时在时空上对水资源进行较全面的调控，对干旱事件的调节能力也更强。水利工程布局与干旱分布的匹配性、水利工程构成的相容性和互补性、工程规模的合理性均会影响水利工程群整体应对干旱的能力。在分析水利工程“有没有”的基础上，还应充分考虑工程的运行管理水平，工程整体效率与效益的发挥需要有科学的调度管理做支撑，这就离不开健全的体制、法制以及利益相关方的协调机制等。水利工程运行管理水平的高低，最终反映在可量化的指标上，就是干旱期水利工程提供的水量能够满足用户多大程度的用水需求，可用耕地灌溉率、城市缺水率、生态环境用水率等表征。

表1 不同水利工程的开发类型、调节特性及供水可靠性汇总表

表2 水利工程群应对干旱能力评价指标体系

1.2 指标体系构建

1.2.1 指标选取的原则

所选指标应该意义明确，具有代表性，构建的指标体系能够较全面地反映水利工程群应对干旱能力的水平;评价指标之间相对独立，不重复选取同一类的关系密切的指标;评价指标可以量化，并易于获取，便于评价和分析。

1.2.2 指标体系

基于水利工程群应对干旱能力的影响因素分析，遵循一定的指导原则，从水利工程规模、布局和工程运行管理两个层面，构建包含12个指标的具有一定层次结构的评价指标体系(表2)。

(1)单位供水面积上的供水能力:供水面积指水利工程供水受益区，包括灌区、城镇等，当供水对象不明确或受资料限制，可用评价单元面积代替。工程供水能力包括蓄水工程、引水工程、取水泵站、配套机电井以及流域外调水工程的总的供水能力。

(2)水库调蓄率:以水库为代表的蓄水工程是一类具有较强调节能力的水利工程。水库的设计库容越大，对天然径流的调蓄能力越强，其所具有的潜在的应对干旱的能力也越强。

(3)单位面积兴利库容:相对总库容，兴利库容与水库供水能力直接相关，能直接反映水库供水能力的大小。

(4)单位灌溉面积机电井数目:相对于地表水，地下水的变异性小，且受气候变化的直接影响小，供水稳定性要好。尤其在井灌区或井渠双灌类型的灌区应对干旱能力突出。

(5)乡村供水安全保障率:农村传统的小型、分散、简陋的供水设施保证率低，导致乡村地区干旱期缺水风险较大，人畜饮水困难。集中式供水工程不仅能较好地保证供水水质，而且一般具有较大的供水保证率。

(6)水资源开发利用率:可在一定程度上反映一个地区的水资源条件和工程能力的相对匹配性。水资源开发利用率越大，表明工程对水资源的控制能力越强。

(7)可调节水资源量的供水率:在某一区域的供水工程中，蓄水、地下水、外调水等供水水源的供水比例越大，其供水稳定性越高，应对干旱能力就越强。超采的地下水会造成生态环境的破坏，不列入稳定供水水源。

(8)耕地灌溉率与旱涝保收率:农业用水在供水优先级中低于城市生活和工业供水的保证程度，对于旱作物为主的缺水地区，灌溉设计保证率一般只有50％～75％，而城市供水设计保证率可达到95％以上。所以，选取耕地灌溉率与旱涝保收率可以表征水利工程群应对农业干旱的能力。

(9)灌溉水利用系数:反映农业灌溉管理水平，并间接反映配套工程体系的完备性。由于农业灌溉用水占整个用水量的比例较大，灌溉水利用系数的提高，可在较大程度上减少灌溉总水量。

(10)城市缺水率:反映供水系统对城市工业和生活供水的保证程度，缺水率越大，应对能力越差。

(11)生态环境用水率:国民经济用水挤占生态环境用水的现象一直比较突出，在干旱期生态环境用水的基本保证程度也能从侧面反映水利工程应对干旱的能力。如果一个地区生态环境用水长期稳定在一定的比例，间接反映出该地区的水利工程群具有较强的可靠性。

表3 水利工程群应该干旱能力评价指标等级标准

1.3 评价标准

目前，国内外对水利工程群应对干旱能力评价尚没有一个统一的标准体系或划分先例，本文根据综合评价的情况和实际应用的需要，将评价等级分为4级，即1级(弱)、2级(较弱)、3级(较强)、4级(强)。表3中给出的12项指标的4级评价等级标准值，尽量与国家颁布的标准或当前文献中已经采用的衡量标准相一致，如城市缺水率指标的等级标准参考文献［10］，灌溉水利用系数指标的等级标准参考文献［11］，耕地灌溉率和旱涝保收率指标的等级标准参考了文献［9］。对于缺乏参考标准的评价指标，则在参照全国各省市平均水平的基础上，以¯X、¯X±0.5S作为三个分点值初步得到4个分级区间，其中¯X为某项指标的平均值，S为标准差，然后再咨询专家意见对部分指标的等级标准进行修正。

2 综合评价模型

2.1 模糊综合评价基本方法

采用模糊综合评价对水利工程群应对干旱能力进行评价。模糊综合评价基于模糊数学的概念和方法，应用模糊关系合成原理，根据评价对象在类属上的亦此亦彼性，从数量上对其所属进行描述。该方法广泛应用于具有模糊性的各类综合评价中。水利工程应对干旱的能力的大小本身没有明显的界限，符合模糊特性。模糊综合评价方法的主要步骤如下:

(1)建立评价对象的因素论域U={u1，u2，…，un}，其中u1，u2，…，un为被评价对象的n个因素。

(2)构建评价因素的评语论域V={v1，v2，…，vm}，其中v1，v2，…，vm为每个评价因素的m个评语等级。

(3)在因素论域U与评语论域V之间进行单因素ui评价，得到V上的模糊集(ri1，ri2，…，rim)，从而确定模糊关系矩阵R:

式中:rij表示因素论域U中第i个因素ui对应于评语论域中第j个等级vj的相对隶属度。

(4)确定评价因素的权重模糊向量A=(a1，

(5)通过模糊合成运算，实现权重向量A与模糊关系矩阵R的综合，得到模糊综合评价结果B:

式中:“。”为模糊合成算子，常用的算子有4种: M(∧，∨)算子、M(·，∨)算子、M(∧，⊕)算子和M(·，⊕)算子，不同类型算子在体现权重作用、综合程度、利用隶属度信息等方面有所差异。由于取大取小型算法只选取部分信息，容易造成一些重要信息的丢失，综合考虑，采用加权平均型算子M(·，⊕)进行综合，则:

(6)进行综合评价。一般按照最大隶属度原则，取B各分量的最大值max bj所对应的评语作为最终的综合评价结果。

2.2 模糊关系矩阵确定

确定模数关系矩阵的核心是合理构造隶属函数。本文采用4级评价标准，评价等级以区间形式给出的，某评价因素对评价等级的隶属关系可根据各评价因素的实际值对照评价分级表来分析推求。由于存在“等级之间数值相差不大，而评价等级相差一级的跳跃现象”，为了消除这种不合理现象，使隶属函数在各级之间实现平滑过渡，将其按文献［12］提出的方法进行模糊化处理。对于4级评价等级V={v1，v2，v3，v4}，可构造如下隶属度函数。

对于正效应型指标，有:

式中:c1、c3、c5为v1，v2，v3，v4四个等级区间的3个临界值;c2、c4分别是v2，v3两个等级区间的中点，即有c2=(c1+c3)/2，c4=(c3+c5)/2。对于负效应型指标，分别把上式右端判别区间中的“≤”换为“≥”，将“＜”换为“＞”号，并将“≥”换为“≤”，将“＞”换成“＜”号，然后仍用原来的计算式计算。

2.3 权重向量的确定

目前模糊综合评价的难点之一是如何科学、合理地将一个多指标问题综合成一个单指标形式进行客观评价［13］，这便涉及到各项评价指标之间的权重分配问题。层次分析法和熵值法是两种目前被广泛应用的确定权重的方法。两种方法分别是主观赋权和客观赋权的典型方法，各有优劣。本文结合两种方法的特点，按下式计算评价指标的组合权重［14］。

式中:w'i为通过层次分析法获取的第i个指标的权重。则权重模糊向量

有关层次分析法的详细步骤参考文献［15-17］，熵值法确定权重系数的主要步骤参考文献［18-19］，这里不详述。

3 应用实例

3.1 研究区概况

漳卫河流域位于海河流域南部，地理坐标为112.44°～115.34°E，35.01°～37.62°N，属于南运河水系的一部分，流域面积约3.53万km2。流域多年平均地表水资源量31.4亿m3，不重复地下水资源量15亿m3，水资源总量46.4亿m3。根据2007-2011年海河流域水资源公报对分区供(用)水量的统计资料，目前，漳卫河流域每年总供(用)水量40.69亿m3，其中本地地表水11.71亿m3，地下水26.23亿m3，从黄河流域调水2.37亿m3，地下水供水量占总供水的64.5％，是供水的主体，但超采现象非常严重。目前山区已建的大中型水库蓄水容积己达35.16亿m3，占地表径流量的130％，理论上可调控所有地表径流。流域内建成漳南灌区、红旗渠灌区、跃进渠灌区、跃峰灌区、人民胜利渠灌区、武嘉灌区等六大20 khm2以上灌区，其中平原灌区采用井渠双灌模式灌溉。

搜集河南省、河北省、山西省的水利统计年鉴、水资源公报，研究流域所包含的各行政区的水利统计年报、各市水资源公报，河南省、河北省、山西省的水资源综合规划、流域水资源综合规划、抗旱规划等，获取相关评价指标的数据(受篇幅限制，表略)。其中，单位供水面积供水能力、水库调蓄率、单位面积兴利库容、单位灌溉面积机电井数目等反映水利工程布局性的指标统一用2010年的资料，其他反映工程运行管理水平的指标，因为各年际之间实际会有些变化，采用近5年的平均值。

3.2 确定组合权重

由层次分析法可得各评价指标的主观权重ω＇= (0.116 3，0.042 6，0.063 1，0.063 1，0.029 6，0.018 5，0.071 5，0.118 0，0.195 9，0.042 8，0.195 9，0.042 8)，由熵值法获得权重向量ω= (0.096 8，0.142 7，0.215 8，0.065 5，0.039 9，0.051 2，0.059 2，0.056 1，0.056 8，0.088 8，0.066 8，0.060 2)，由式(8)计算得到组合权重向量A=(0.143，0.077，0.173，0.053，0.015，0.012，0.054，0.084，0.142，0.048，0.166，0.033)。

3.3 建立评价模型

根据各评价单元各项指标的数据资料，按照式(4)～(7)计算各指标相对隶属度，建立模糊关系矩阵，以漳卫河山区长治为例:

表4 漳卫河流域及各评价单元现状水利工程应对干旱能力综合评价结果

则漳卫河山区长治的水利工程应对干旱能力综合评价为:

按照最大隶属度原则，漳卫河山区长治的水利工程应对干旱能力等级为“2级(较弱)”。同理，可得到其他评价单元的综合评价结果(表4)。在流域的13个评价单元中，有2个单元评价结果为“弱”，有4个单元评价结果为“较弱”，其余7个单元评价结果均为“较强”。从单要素指标隶属度看，在综合应对干旱能力“较强”的7个评价单元中，漳卫河山区安阳、山区新乡的单位面积兴利库容和旱涝保收率指标，以及漳卫河平原新乡、平原鹤壁、平原安阳、平原焦作的单位面积供水能力和旱涝保收率指标，它们的最大隶属度均对应“强”或“较强”等级，这三个指标的权重较大，对综合评价结果的贡献也较大。同时，以上评价单元的乡村供水安全保障率、水资源开发利用率、可调节水资源量供水率等指标也均较大，山区评价单元和平原评价单元则分别在水库调蓄率和单位灌溉面积机电井数目指标上占优势。漳卫河山区焦作的旱涝保收率指标隶属于“强”的等级，城市缺水率指标隶属于“较强”的等级，这两个指标对综合评价结果起到关键作用。对于漳卫河山区晋中、长治、晋城三个评价单元，除了水库调蓄率、乡村供水安全保证率、水资源开发利用率等指标最大隶属度对应较高评价等级以外，其它指标最大隶属度均对应“弱”或“较弱”等级，因此综合应对干旱能力为“弱”。依据表4，可绘制漳卫河流域水利工程群应对干旱能力的空间对比图，如图1所示。

图1 漳卫河流域各评价单元应对干旱能力等级空间对比

按照同样的方法，也可对漳卫河整个流域的水利工程群应对干旱能力进行综合评价，评价结果表明，漳卫河流域整体工程应对干旱的能力的等级为“较弱”。进一步地，对漳卫河流域模糊关系矩阵进行剖析:

从各指标对4个评价等级的隶属度值可以看出，单位供水面积供水能力、单位面积兴利库容2个指标隶属于“弱”的等级;单位灌溉面积机电井数目、耕地灌溉率、旱涝保收率、灌溉水利用系数、城市缺水率、生态环境用水率等6个指标属于“较弱”的等级;水库调蓄率、乡村供水保障率、水资源开发利用率、可调节水资源量供水率等4项指标属于“较强”的等级。由此可见，漳卫河流域在水资源综合开发利用率(81.8％)已经较高、水库调蓄率(57.5％)较大、水利工程调节能力较强的情况下，其单位面积上的供水能力依然不足，城市缺水较严重等，因此，本地水资源的开发潜力已经接近极限，未来需要加强对现有水利工程体系的科学调度管理，以期挖掘提升现有工程体系应对干旱的能力。南水北调工程是从根本上解决漳卫河流域水资源短缺问题的必然选择，应切实保证调水工程按规划准时完成，通过增加受水区的可供水量提高干旱应对能力。

4 结论

初步构建水利工程群应对干旱能力评价指标体系，该指标体系能较全面地反映影响水利工程应对干旱能力的因素以及应对干旱能力的效果。综合主观赋权和客观赋权方法的优点计算各指标权重，既反映了专家对评价指标的偏好，又可反映出系统信息中评价指标的效用大小。基于模糊综合评价方法建立水利工程群应对干旱能力评价模型，并以漳卫河流域为例进行了实例研究。在13个评价单元中，有7个评价单元应对干旱能力属于“强”或“较强”等级，其余6个单元为“弱”或“较弱”等级，漳卫河流域整体应对干旱能力较弱。在流域水资源综合开发利用水平已经很高的情况下，未来需要加强对现有水利工程体系的科学调度管理，并充分利用流域外调水来提高流域干旱应对能力。整个评价过程思路清晰，计算简便，评价结果较为合理。下一步需要在应用中修正评价指标体系，并不断完善评价标准。

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Drought Coping Capacity of W ater Resources Projects:M ethod and a Case Study in Zhangwei River Basin

Wang Gang1，2，Yan Denghua2，Wu Nan3，Yang Zhiyong2，Han Dongmei4and Liu Shaohua2
(1．Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection，Beijing 100037，China; 2．Water Resources Department，China Institute ofWater Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China; 3．Retired Department，China Institute ofWater Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China; 4．School ofWater Conservancy and Hydroelectric Power，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China)

Based on impact factors analysis of drought coping capacity ofwater resources projects，an evaluation index system is established which includes two aspects coving the location and scale as well as operation and management of projects.The combiningweightof each evaluation index is then determined by using analytic hierarchy process(AHP)method and entropy method.An evaluation model is further put forward by using the fuzzy comprehensive evaluation method.Themodel is applied to Zhangwei River Basin，which is shown in the results to be of an overall weak grade of drought coping capacity.The operation and management of the current water resources projects should be strengthened in future.Besides，water diversion outside the basin is essential to improve the drought coping ability.

water resources projects;drought coping capacity;AHP;entropy weightmethod;fuzzy comprehensive evaluation;Zhangwei River Basin

P42;X43

A

1000-811X(2015)01-0039-06

10.3969/j.issn.1000-811X.2015.01.009

王刚，严登华，吴楠，等.水利工程群应对干旱能力评价方法及应用［J］.灾害学，2015，30(1):39-44.［Wang Gang，Yan Denghua，Wu Nan，etal.Drought Coping Capacity ofWater Resources Projects:Method and a Case Study in Zhangwei River Basin［J］.Journal of Catastrophology，2015，30(1):39-44.］

2014-04-17

2014-06-09

国家重点基础研究发展计划(“九七三”计划)项目“气候变化对黄淮海地区水循环的影响机理和水资源安全评估”(2010CB951102);国家自然科学基金面上项目“基于水资源系统的广义干旱风险评价与风险区划研究”(51279207)

王刚(1985-)，男，河南平顶山人，博士，主要从事气候变化下水资源综合应对研究. E-mail:Gangwnan@163.com

严登华(1976-)，男，安徽太湖人，教授级高级工程师，主要从事气候变化下水资源综合应对、生态水文学及地理信息技术应用等研究.E-mail:denghuay@gmail.com