基于TOPSIS的朝阳市水安全评价

赵琳琳

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)

1972、1977年联合国2次警示全球水危机、水问题[1-2]。1997年以来多次举办“水论坛”，水安全问题日益受到重视，水安全问题不断延展到生存安全、粮食安全、经济安全、生态安全等层面[3-8]，因此保障“21世纪水安全”是全世界共同的目标[9-10]。国内外学者不断开展、深化对水安全的研究，金菊良等从水资源、水环境、水灾防治及社会经济发展方面选取评价指标分析研究水安全问题[11]。束月月结合“PSR”指标模型运用可变模式识别模型对辽宁省水资源安全进行评价[12]。李如忠等结合考虑水资源安全风险及脆弱性，基于RWSA-SSTFN模型进行评价，一定程度上解决了不确定性因素对评价的影响[13-15]。

朝阳市地处辽宁省西部，大凌河、小凌河2条水系发育，地形以山区及河谷平原为主，属北温带大陆性季风气候区，受蒙古干冷气团作用，半干燥、半湿润气候，年降水量450～580 mm。朝阳市水资源和生态、人口、土地资源组合不匹配，加之水资源时空分配不均，用水过程存在水资源浪费，造成水资源量匮乏、水环境污染。社会经济等发展对水资源需求的增加，加剧水资源问题，水安全形势严峻，水安全亟待分析研究。本文采用TOPSIS理想点法进行朝阳地区水安全评价。

1 指标体系建立

水安全的评价涉及水源的量、质、位置、取水、制水、输水、生产、生活及生态用水等诸多方面，故建立多指标评价体系。多指标评价分析较繁琐，需将各影响因子有效地结合，并将评价体系分级处理，使得评价体系简单化、清晰化。

水资源在开发利用过程中，先从水源取水通过供水工程供给用水户，水安全与生态环境是密不可分的，生态系统对水的开发利用行为做出响应，为保持健康、持续的水安全系统，从分析研究目的出发，以水安全为总系统，将整个系统分水源安全、供水工程安全、用水安全和生态安全4个子系统，建立“水源、供水工程、用水、生态环境”评价指标体系。各子系统及其各子标在水安全总系统中体现出不同的作用与意义，见表1。

表1 指标体系构成及指标作用意义

1.1 水源

水源安全主要为量与质安全，考虑灵敏性，选“人均水资源量”作水量指标，水资源量受气象因素影响，综合降水蒸发因素，选择“干旱指数”作水量评价指标；考虑可操作性原则，选取“水功能区水质达标率”为水质指标，工农业活动影响水质安全，“工业废水排放密度”“化肥施用强度”可作为水质指标。

1.2 供水工程

供水工程是水源与用水户的链接，主要考虑取水、制水、输水和配水，四者串联完成水从水源到用水户的供给，其安全性影响着供水工程安全系统，进而影响供水安全整体系统。考虑全面性原则，选择“水资源开发利用率”作评价指标；取水工程提取水资源后需要制水工程对水进行处理，选取“供水综合生产能力”作评价指标；管道是水资源输送的基础设施，选择“万人供水管道长度”更好地体现供水安全，此外管道输水过程中还存在有水量的损失等，依照可操作性原则，选择“产销差”作评价指标；“用水普及率”是供水工程中配水的最直接指标。

1.3 用水

用水是开发利用水足迹的末端，是水资源开发利用的需求与压力，用水户需水对供水安全产生的压力可以用来自生活、生产及生态三方面的压力指标表征。“人口密度”则反映了区域人口的多少，而供水也与面积有关，故选择“人口密度”作评价指标；用水人口类型的影响用水量有差异，选择“城镇化率”作评价指标；“GDP增长率”是生产活动效益的整体表现；农业灌溉用水其用水量大，很大程度上影响着供水安全，选择“灌溉面积占播种面积比”指标。

1.4 生态

生态环境与水的开发利用紧密相关，一方面水源从属生态环境，取水为从生态环境中取水，另一方面用水户的垃圾、污水等排放于生态环境中，影响生态环境，考虑全面性、整体性、可操作性等原则，结合研究区供水、水处理等基础资料的情况，选取“工业废水达标排放率”“污水集中处理率”“生活垃圾无害处理率”作本次生态子系统的评价指标。

选取能够代表不同作用的指标，建立多指标分级水安全指标体系模型(图1)，其中各指标对水安全的作用主要为效益与成本。

图1 水安全指标体系

2 TOPSIS模型

TOPSIS为由C.L.Hwang和K.Yoon于1981年提出的一种为多属性、多目标决策分析的计算方法，是一种与理想解逼近程度的排序评价方法[9]。其主要原理：分析样本对象各属性最优、最劣状态，建立样本各属性最优、最劣方案作为正(负)理想点，计算样本对象属性与正(负)理想点的距离，继而获得样本对象与理想点的贴近程度，计算步骤如下。

a) 建立初始计算矩阵A：设样本为m个，样本属性n个，则A=(aij)m×n，aij为第i个样本的第j个属性值(i∈M；j∈N)。

b) 矩阵标准化处理，标准化矩阵为B=(bij)m×n，标准化处理方法为：

(1)

c) 构建加权矩阵：采用主、客观加权确定权重集W，采用C=B×W构造加权规范化决策矩阵，C=(cij)m×n，其中，cij=wj×bij。

层次分析：搭建判定矩阵A=(aij)n×n，计算一致性指标CI=(λmax-n)/(n-1)，建立平均随机一致性指标RI，计算一致性比例CR，多次重复建立RI、CR，修正CI，对各层级指标判断矩阵进行转化计算，确定权重。

信息熵：计算第j个评价指标属性的熵Hj，计算变差系数αj=1-Hj，定义熵权矩阵为wn×1=[ωj]。

(2)

(3)

评价指标体系中体现供水安全的各指标等级划分是不可忽略的，各指标等级划分对供水安全状态中有直接的影响，依据国际、国内有关的指标划分标准，参考前人做过的研究成果、经验，结合研究区或省、国家相关规划，对各指标进行紧急不安全、不安全、警戒安全、较安全、安全状态指标值的划分，并根据TOPSIS方法计算最终等级阈值。

3 水安全状况分析

根据2005、2007、2009、2011、2013年样本数据计算水安全，计算结果见图2。根据水安全计算结果可以看出，朝阳市水安全呈良性发展，水安全状态逐步转好。2005年水安全指数为0.464，为警戒安全状态，此后2007、2009、2011、2013年水安全指数在0.67～0.82范围内，水安全指数波动式增加。可见，水资源保护、环境治理等整治措施有积极响应，但经济的快速发展、技术手段不先进等社会用水因素对水系统仍带来一定的负面反馈，水安全状况仍有提升改善空间。

图2 水安全指数

从水安全系统内部分析，水安全系统的根本源头水系统自身的安全指数在0.50～0.56范围内，处警戒安全，且安全指数变幅小，体现了水资源匮乏固有性。水源是水安全系统的自然支撑力、社会用水的供给，朝阳地区气候干旱，水资源匮乏、人均水资源禀赋很差，需水满足保障程度低，加之农业发展，分布式农药化肥施用经土壤对水资源的质量亦有一定程度的负作用，水系统不安全制约水安全状态发展。

从供用出发，供水是水源到用水户的必经过程，2005—2013年安全指数总体呈现上升的趋势，安全状态较好。用水需求是水安全系统的驱动所在，对水安全状态的直接影响压力，从图3中可以看出，2005—2013年安全指数表现为弱“V”型，用水压力先增加后减小。2005年压力小是由于生活水平较低，城镇化率低，故用水户需水压力小，处于安全。而2007年呈警戒安全状态，是由于GDP的快速增长、人口数量增加、城镇化加大，加之此时保护意识、水资源利用率低，用水压力增加，用水状态不安全，此后经济、人口发展较2007年减缓，水资源、水生态受重视，经济产业结构优化，用水技术革新，用水利用率高、严格水管理等措施，使近年用水压力减少，安全状态逐步好转。

图3 水安全指标值

生态环境对水系统的反馈主要是“废水”“废物”对水质的影响。2005—2013年指标评价值表现为“V”型，2005年虽农业化肥较粗放施用、治废差，但由于排污量小，此时安全指数为0.636，较安全；2007年后，经济快速发展，但此时治污能力意识滞后于经济发展速度，此时2007年子系统安全状态贴近度小，此后经济发展减缓，但环保意识、治理力度增大，治污能力提升、污水处理率增大、固体废弃物利用率增大等，对安全状态好转作出贡献。

在水安全系统评价模型中，水系统本身安全得分值变幅小，且较低，朝阳市水源本身压力对水安全制约影响一直存在，而总体水安全状态的提升多得益于外加驱动及反馈等作用，说明用水技术革新、水资源保护、环境整治对水安全状态具有很大的影响，可见水资源匮乏、水系统本身的不安全因素并未改善，水资源匮乏作为水安全系统的主要自然因素亟需改善，外调水、找新水源、再生水等开创水源多样化，从基础上减少水安全系统压力，节水措施、工程开展、产业结构调整等开展水资源高产出化，从驱动上降低对水安全系统的压力。

4 结语

从水足迹出发，分析了水安全系统的组成和运转，充分考虑水资源、人类用水活动及其对水资源的影响，构建包括水源、供水工程、用水及生态环境四大子系统评价系统。水源是水安全的本源、自然支撑所在，供水是水的运送环节，用水系统是水安全系统主要驱动、压力，生态环境为自然对开发利用的反馈，建立本次水安全系统评价框架，在此基础上建立18个指标的朝阳市水安全指标分析评价体系；采用TOPSIS理想点模型，充分考虑主观方案及客观计算结合确定TOPSIS权重问题，评价朝阳市水安全状态，结果表明朝阳市水安全状态良性发展，水安全评价得分呈增长趋势，但自然因素水资源匮乏问题未有改善，压力较大，社会用水压力对水安全影响直接迅速，近年已逐步改善，但整体水平仍有改进空间。