基于熵权法的武威市水资源脆弱性评价

刘晓敏 孙天合

摘    要：甘肃省武威市是石羊河流域中人均国内生产总值较高而水资源供需矛盾较突出的内陆干旱盆地，水资源是制约其社会经济发展的主要瓶颈因素，研判该区水资源脆弱性可为该区社会经济活动提供指导意义。通过选取水资源系统、社会经济系统、生态系统的12个评价指标，运用熵权法对武威市2005—2017年水资源脆弱性进行综合评价，得出武威市2005—2017年水资源脆弱性呈降低趋势，由强脆弱到中脆弱、中脆弱到弱脆弱、弱脆弱到不脆弱转变。研究还表明，2005—2017年武威市万元GDP用水量呈显著降低趋势，总体上经济发展的用水效率得到大幅提升;武威市降雨量和人均地下水资源量较低，2005—2017年武威市农田灌溉用水率虽然呈降低趋势，但该值依旧在80%以上，农业用水所占比例较高。在上述基础上，本研究提出通过使用高效农田灌溉技术等工程节水技术、调整种植结构等农业节水措施、调节农业水价等多种措施控制农田灌溉用水量，以期进一步降低农业用水量，提高农业用水效率。

关键词：水资源;脆弱性;熵权法;武威市

中图分类号：P964          文献标识码：A          DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.07.011

Abstract： Wuwei is an inland arid basin with a high per capita GDP in shiyang river basinand a prominent contradiction between the supply and demand of water resources. Water resources are the main bottleneck factors that restrict its social and economic development， the study on the vulnerability of water resources can provide guidance for social and economic activities in the region. Based on 12 evaluation indexes of water resources system， socio-economic system and ecosystem， the water resources vulnerability of Wuwei in 2005—2017 was evaluated by entropy weight method. From 2005 to 2017， the vulnerability of water resources in Wuwei showed a decreasing trend， from strong vulnerability to medium vulnerability， medium vulnerability to vulnerability， vulnerability to non-vulnerability. The research also showed that the water consumption per ten thousand yuan of GDP in Wuwei city showed a trend of significant decrease from 2005 to 2017， and the overall water efficiency of economic development was greatly improved. The rainfall and per capita groundwater resources of Wuwei city were relatively low. Although the irrigation water rate of Wuwei city showed a trend of decreasing from 2005 to 2017， the value was still above 80%， and the proportion of agricultural water was relatively high. On the basis of the above，  the paper proposed to control the water consumption of farmland irrigation by means of water saving technology of efficient farmland irrigation technology， agricultural water saving measures such as adjusting planting structure， and regulating agricultural water price and other measures， so as to further reduce the water consumption of agriculture and improve the water use efficiency of agriculture.

Key words： water resources; vulnerability; entropy method; Wuwei city

水資源是人类生活与生产的重要物质基础，水资源短缺是制约经济社会发展的首要问题和关键因素[1]。随着社会经济的快速发展和水资源消费量不断增加，水资源短缺已成为我国许多城市发展的瓶颈因素[2]。水资源脆弱性定义为在气候变化、人为活动等作用下，水资源系统结构发生了改变，水资源的质量降低、数量减少，以及由此引发的水资源供给、需求、管理的变化和旱涝等自然灾害的发生[3-5]。我国对水资源脆弱性研究始于20世纪90年代，研究前期主要对地下水脆弱性进行了评价，2000年以来，对水资源脆弱性系统性评价逐渐增多[6]。

水资源脆弱性的评价分为定性评价和定量评价。定性评价是研究者系统分析与水资源变化有密切关系的多种因素，判断出主要影响因素，然后提出降低水资源脆弱性的对策;研究者对水资源脆弱性定量评价多引入脆弱度的概念，评价所得数值越大，脆弱度越强，抵抗干扰的能力越弱[6]。水资源脆弱性评价研究主要以定量分析为主[4，7]，一般是提出综合评价指标，通过熵权法[8-15]、突变级数法[16]、灰色三角白化权SPA模型[17]、基于概率论的贝叶斯公式和模糊识别耦合方法[18]、基于循环迭代算法的模糊综合评判模型[19]等模型对区域、流域水资源脆弱性进行综合评价。熵权法被研究者多次用于区域水资源脆弱性评价。本文以甘肃省武威市为研究区域，构建了熵权法水资源评价模型，以2005—2017年为时间演变阶段，研究武威市水资源脆弱性及从时间上的异质性，以期为甘肃省用水政策提供参考。文中数据来源于甘肃省水资源公报2005—2017。

1 研究区概况

武威市是甘肃省辖地级市，位于北纬36°29′～39°27′，东经101°49′～104°16′之间。武威市属温带大陆性干旱气候，蒸发量大，气候干燥，太阳辐射强，光照充足。武威市主要气象灾害有干旱、大风、沙尘暴、暴雨洪涝、冰雹和霜冻等。年平均蒸发量2 163.6 mm，年平均降水量212.2 mm，年平均降雨日数为65 d，降雨集中在每年6—9月，8月最多，降水较少，四季分布不均。

武威市辖1个区、2个县、1个自治县，总面积33 238 km2;2017年底，武威市常住人口182.53万人，其中城镇人口72.51万人，乡村人口110.02万人，城镇化率39.72%。2017年，武威市实现生产总值439.58亿元。2017年，武威市城镇居民人均可支配收入25 572元，城镇居民人均消费支出18 667元;农村居民人均可支配收入10 596元，农村居民人均消费支出8 200元。

武威市位于石羊河中游，是石羊河流域中人类活动最集中、最活跃，人均国内生产总值较高，而人均水资源占有量最少，水资源供需矛盾最突出的内陆干旱盆地[20]。

2 基于熵权法的武威市水资源脆弱性评价模型的建立

2.1 评价指标体系的选择

根据武威市水资源利用的特点，并在考虑指标有代表性和可获得性的条件下，参考全国水资源供需分析评价的指标体系[21]及其他水资源评价指标体系[8-9，22]选取评价指标，评价指标体系包括水资源系统、社会经济系统、生态系统3个方面的12个评价指标。通过计算水资源脆弱度对武威市水资源脆弱性进行评价，认为脆弱度数值越大，脆弱性越高，即武威市水资源越脆弱。因此，模型中设定指标数值越大造成的脆弱性越高的评价指标为正向指标，指标数值越小造成的脆弱性越低的评价指标为负向指标。各指标及含义见表1。

2.2 评价模型

采用熵权法对武威市水资源脆弱性进行评价。熵权法是根据信息论的基本原理来确定评价指标的权重，是一种客观的赋权法，可以避免由于人为主观因素造成的偏差。熵值的大小主要受评价指标值的变异程度决定：如果某个评价指标值的变异程度越大， 熵值就越小， 权重越大;如果某个评价指标值变异程度越小， 熵值越大， 权重则越小。计算过程主要包括：首先指标数据要进行标准化处理，消除不同评价指标量纲差别，再通过熵权法计算各评价指标的权重，最后通过线性加权法得出综合得分，进行综合评价。线性加权法运算原理是通过叠加对脆弱性不同影响程度的各评价指标，计算出综合值，根据所得综合值对武威市水资源脆弱性进行评价。熵权法计算步骤如下。

第1步，指标数据进行标准化处理。由于武威市水资源评价指标的量纲不同，需要把评价指标的数据进行标准化处理，指标数据通过极差标准化法进行标准化处理。对于正向指标，采用公式（1）计算標准化值;对于负向指标，采用公式（2）计算标准化值。

式中，WWVI为综合评价值，Wj为第j个指标的权重值，Cj为其标准化值。武威市水资源脆弱性等级根据计算所得综合评价值，参考表2等级划分范围进行等级划分。

3 武威市水资源脆弱性评价

3.1 武威市水资源评价指标值

根据甘肃省水资源公报获取2005—2017年的相关指标的原始数据，整理出武威市2005—2017年水资源脆弱性评价指标值（表3）。

3.2 武威市水资源脆弱性评价指标标准化值

利用极差标准化法公式（1）和公式（2），对武威市2005—2017年水资源脆弱性评价指标值进行准化化处理，算出武威市2005—2017年水资源脆弱性评价指标值标准化数据（表4）。

3.3 基于熵权法的武威市2005—2017年水资源脆弱性评价

通过熵权法计算公式（4）和公式（5），计算出武威市2005—2017年水资源脆弱性评价指标的权重（表5），再通过公式（6）计算出武威市2005—2017年水资源脆弱性综合评价值（表6）。

由表5可知，武威市2005—2017年水资源脆弱性评价指标人口密度（B8）、生态环境用水率（B12）、人均用水量（B11）、供水模数（B4）、万元GDP用水量（B7）的权重相比其他指标较高;人均地下水资源量（B2）、降雨量（B5）、农田灌溉用水率（B10）的权重相比其他指标较低。

计算出武威市水资源脆弱性评价指标的权重后，通过公式（5）算出武威市2005—2017年水资源脆弱性综合评价值（表6）。根据表2脆弱度分级获得武威市2005—2017年水资源脆弱度（表6）。

由表6可知，2005—2017年武威市水资源脆弱性呈现减轻趋势，经过了强脆弱、中脆弱、弱脆弱和不脆弱的变化过程。以水资源系统的人均水资源量、人均地下水资源量、产水模数、供水模数、降雨量、水资源开发利用率，社会经济系统的万元GDP用水量、人口密度、人均GDP、农田灌溉用水率、人均用水量，生态系统的生态环境用水率为武威市水资源脆弱性评价指标的评价结果，虽然出现了2005—2017年水资源脆弱性减轻的趋势，但是武威市降雨量并不丰富。武威市万元GDP用水量2005—2017呈现显著降低的趋势，说明总体上经济发展的用水效率得到大幅提升，利于提高水资源承载力、降低水资源脆弱性。

武威市2005—2017年平均年降雨量为222 mm，2017年降雨量为227.3 mm，接近年平均降雨量，以2017年甘肃省13个市的水资源量及用水大户农田灌溉的数据进行比较（表7），发现2017年武威市和甘肃省其他12个市相比年降雨量处于较低状态，而农田灌溉用水率处于较高状态，人均地下水资源量处于中等偏低状态，人均水资源量处于较高状态。因此尽管武威市2005—2017年水资源脆弱性降低，但是和甘肃省其他市相比，地下水和降雨量偏少，农业用水所占比例依然较高。

4 结论与建议

4.1 结 论

武威市2005—2017年水资源脆弱性呈现由强变弱的趋势。武威市2005—2017年水资源脆弱性呈现降低的趋势，由强脆弱到中脆弱变化，由中脆弱往弱脆弱、不脆弱转变。因此，武威市2005—2017年水资源脆弱性逐渐变弱。武威市万元GDP用水量2005—2017呈现显著降低的趋势，说明总体上经济发展的用水效率得到大幅提升，利于提高水资源承载力、降低水资源脆弱性。

4.2 建 议

武威市降雨量和人均地下水资源量较低，需要继续提高用水效率。武威市水资源脆弱性综合评价结果虽然出现了2005—2017年水资源脆弱性减轻的趋势，但是武威市降雨量并不丰富。武威市2005—2017年降雨量变化不大，平均年降雨量为222 mm，武威市和甘肃省其他12个市相比年降雨量较低，人均地下水资源量中等偏低，而农田灌溉用水率相比甘肃省其他12个市较高，因此武威市农业用水亟需提高农业用水效率，逐渐降低农田灌溉用水率。武威市2005—2017年农田灌溉用水率虽然呈现降低趋势，但是武威市农田灌溉用水率依旧在80%以上，农业用水所占比例较高。因此，建议通过使用高效农田灌溉技术等工程节水技术、调整种植结构等农业节水措施、调节农业水价等管理措施控制农田灌溉用水量，进一步降低农业用水量，提高农业用水效率。

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