基于熵权法的甘肃省水资源承载力综合评价

刘晓敏 张天萌

摘要 甘肃省大部分地区干旱少雨，水资源承載力是制约甘肃省社会经济发展的因素之一，评价甘肃省水资源承载力可以指导其社会经济的可持续发展和水资源的可持续利用。选取水资源系统、社会经济系统两个方面的指标，通过熵权法对甘肃省2005—2017年和2017年甘肃省各市水资源承载力进行评价。结果表明：甘肃省2005—2016年水资源承载力较低;2017年甘肃省大部分市水资源承载力较低，差别较大，水资源承载力不平衡。甘肃省在快速发展经济的同时，水资源利用效率得到了提高。鉴于甘肃省水资源比较缺乏的现状，提出了继续提高甘肃省水资源利用效率、进一步减少农田灌溉用水量、促进节水农业的发展，提高农田灌溉用水效率的建议。

关键词 水资源承载力;综合评价;熵权法;甘肃省

中图分类号 TV 213  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）14-0180-04

Abstract Most areas in Gansu Province are dry and rainless， and water resource carrying capacity is one of the factors that restrict the social and economic development of Gansu Province. Evaluation of water resource carrying capacity in Gansu Province can guide the sustainable development of social economy and the sustainable utilization of water resource. This paper selects two indexes of water resources system and social and economic system， and evaluates the water resources carrying capacity of each city in Gansu Province from 2005 to 2017 by entropy weight method. The evaluation results showed that the water resources carrying capacity of Gansu Province was low from 2005 to 2016. In 2017， the water resources carrying capacity of most cities in Gansu Province was relatively low， with large differences and unbalanced water resources carrying capacity. Along with the rapid development of economy， the efficiency of water resources utilization has been improved in Gansu Province. In view of the shortage of water resources in Gansu Province， this paper puts forward the suggestions of improving the efficiency of water resources utilization in Gansu Province， further reducing the water consumption of farmland irrigation， promoting the development of watersaving agriculture， and improving the water use efficiency of farmland irrigation.

Key words Water resource carrying capacity;Comprehensive evaluation;Entropy method;Gansu Province

基金项目 教育部人文社会科学研究一般项目（19YJC790118）;河北经贸大学京津冀一体化发展协同创新中心经费资助（0112200360）。

作者简介 刘晓敏（1975—），女，河北蠡县人，副研究员，博士，从事农业经济、资源与环境经济研究。

收稿日期 2020-10-15;修回日期 2020-11-05

随着人口的增长和社会经济的发展，我国尤其是北方地区水资源短缺愈加严重，成为制约社会经济可持续发展的重要因素。水资源短缺日趋严重，水资源合理开发利用、可持续利用已经成为政府及社会各界的关注与重视的问题[1]。水资源承载力反映了水资源满足社会经济发展的能力。水资源承载力是缺水地区制约社会经济发展的“瓶颈”因素，它对一个国家或地区发展规模和综合发展的影响至关重要[2]。评价水资源承载力可以为社会的可持续发展和水资源的可持续利用提供决策指导的作用[3]。目前，国内外关于水资源承载力研究方法主要有常规趋势法、系统动力学法、综合评价法和多目标分析法等[4]。熵权综合评价法是通过熵权法客观确定评价指标的权重，然后通过线性加权法进行综合评价，避免了人为确定评价指标权重主观因素可能会引起的偏差。在水资源承载力评价研究中得到应用[5-6]。水资源承载力的研究内容主要涉及水资源人口承载力、水资源综合评价等。该研究在借鉴已有研究结果的基础上，运用熵权法综合评价甘肃省的水资源承载力，期望研究结果能对甘肃省水资源可持续利用提供指导。

1 研究区概况

甘肃省位于中國西北地区，处于32°11′～42°57′N、92°13′～108°46′E，总面积42.58万km2。甘肃地处黄土高原、青藏高原和内蒙古高原三大高原的交汇地带，气候类型从南向北包括亚热带季风气候、温带季风气候、温带大陆性干旱气候和高原山地气候四大类型。甘肃省年平均气温0～15 ℃，大部分地区气候干燥，干旱、半干旱区占总面积的75%。主要气象灾害有干旱、暴雨洪涝、冰雹、大风、沙尘暴和霜冻等。全省各地年降水量在36.6～734.9 mm，大致从东南向西北递减，乌鞘岭以西降水明显减少，陇南山区和祁连山东段降水偏多，降水主要集中在6—8月份，占全年降水量的50%～70%，年降雨量平均约300 mm。2018甘肃省年农田灌溉用水量80.273 3亿m3，林牧渔畜用水量8.884亿m3，工业用水量9.249 1亿m3，城镇公共用水量3.489 1亿m3，居民生活用水量5.738 7亿m3，生态环境用水量4.673 2亿m3，总用水量112.307 4亿m3，2018年甘肃省农田灌溉用水量占用水量的71%。2018年甘肃省供水量112.31亿m3，需水量122.41亿m3，全年缺水量10.1亿m3，缺水程度达8.3%（《2018年甘肃省水资源公报》）。截至2018年末，甘肃省常住人口2 637.26万，2018年实现地区生产总值（GDP）8 246.1亿元，其中，第一产业增加值921.3亿元，第二产业增加值2 794.7亿元，第三产业增加值4 530.1亿元，三次产业结构比为11.2∶33.9∶54.9，人均地区生产总值31 336元。甘肃省年均降雨量低且在全年不同季节及甘肃省不同地区间分布不均，甘肃省水资源供不应求。

2 研究方法

2.1 评判因素的选取

参考水资源承载力评价指标体系[7-10]，根据甘肃省及各市水资源利用的特点，并在评价指标有代表性和数据可获得性原则下，选出水资源系统、社会经济系统两个方面的甘肃省水资源承载力评价指标体系。指标计算方法和含义如下。

（1）水资源系统指标。人均水资源量（m3， B1 ），即水资源总量与总人口数的比值，反映人均拥有水资源情况;人均地下水资源量（m3/人， B2 ）。即地下水资源量与总人口数比值，反映人均拥有地下水资源情况;产水模数（万m3/km2， B3 ），水资源总量与区域面积的比值，反映区域水资源量情况;供水模数（万m3/km2， B4 ），即供水量与区域面积的比值，反映区域水资源供给量情况;降雨量（mm， B5 ），统计数据，反映降雨量的情况;水资源开发利用率（%， B6 ），供水量与水资源总量的比值，反映水资源开发利用的程度;生态环境用水率（%， B7 ），即生态环境用水量与用水总量的比值，反映生态环境建设情况。

（2）社会经济系统指标。万元GDP用水量（m3/万元， B8 ），即用水量与万元GDP的比值，反映单位GDP用水量情况;人口密度（人/km2， B9 ），即总人口数与区域面积的比值，反映区域人口情况;人均GDP（元/人， B10 ），即GDP与总人口数的比值，反映人均经济发展情况;农田灌溉用水率（%， B11 ），即农田灌溉用水量与用水总量的比值，反映农田灌溉用水效率情况;人均用水量（m3/人， B12 ），用水量与总人口数的比值，反映人均用水量情况。

其中 B1、B2、B3、B5、B7、B10是正向指标，B4、 B6、 B8、B9、B11、B12 是负向指标。

2.2 评价方法

通过熵权法评价甘肃省水资源承载力。首先对评价指标数据进行标准化处理，然后通过熵权法计算各评价指标的权重，最后通过线性加权法对综合评价甘肃省水资源承载力。熵权法是一种客观的赋权法，熵值由评价指标值的变异程度决定。线性加权法运算原理是通过叠加对承载力不同影响程度的各评价指标，计算出一个综合值，根据综合值对水资源承载力进行评价，综合值越大，水资源承载力越强，综合值越小，水资源承载力越弱。计算过程如下：

（1）数据的标准化处理。利用极差标准化法对指标数据进行标准化处理，消除评价指标的量纲差异。正向指标，采用公式（1）计算其标准化值;负向指标，采用公式（2）计算其标准化值。

式中， rij是第i个评价对象，第j个评价指标的标准化数值;xij是第i个评价对象，第j个评价指标的原始数值;xi max是 第j个指 标中的最大数值; xi min是第 j 个指标中的最小数值。

（2）构建标准化指标矩阵。 设m个被评价对象，n个指标，指标数据标准化后构成标准化指标矩阵，标准化指标矩阵R表示：

3 甘肃省2005—2017年水资源承载力评价

3.1 甘肃省2005—2017年水资源承载力评价指标值的获取 甘肃省2005—2017年水资源承载力评价指标值原始数据来源于《甘肃省水资源公报（2005—2017）》《甘肃统计年鉴2018》，国家统计局地区年度数据。根据原始数据计算得到甘肃省2005—2017年水资源承载力评价指标值（表1）。

由表1可看出，甘肃省2005—2017年人均地下水资源量呈现下降趋势。甘肃省2005—2017年降雨量变化不大，每年的降雨量都较少。甘肃省2005—2017年水资源开发利用率多数年份在50%左右，水资源开发利用率中等。甘肃省2005—2017年农田灌溉用水率呈现下降的趋势，但是依然较高，占到总用水率的70%以上。甘肃省万元GDP用水量2005—2017年呈现下降趋势，说明总体上甘肃省水资源利用效率得到提高。甘肃省2005—2017年人均GDP增长速度快，2017年的人均GDP是2005年的3倍多。生态环境用水率2015—2017相比2005—2014年增长较快，利于生态环境改善。

3.2 基于熵权法的甘肃省2005—2017年水资源承载力评价

通过极差标准化法公式（1）和（2），对甘肃省2005—2017年水资源承载力评价指标值进行标准化处理后，采用熵权法计算公式（3）和（4），计算出甘肃省2005—2017年水资源承载力评价指标的权重（表2），然后采用公式（5）计算出综合评价值（表3）。

由表2可知，甘肃省2005—2017年水资源承载力评价指标中供水模数 （B4）、农田灌溉用水率（B11）权重相比其他指标较高;万元GDP用水量（B8）、人口密度（B9）、人均地下水资源量（B2） 权重相比其他指标较低。

由表3可知，甘肃省2005—2017年水资源承载力呈现上升的趋势，除2017年较高、2006和2008年较低外，其余年份变化不大，总体上2005—2016年甘肃省水资源承载力较低。

4 2017年甘肃省各市（州）水资源承载力评价

4.1 2017年甘肃省各市（州）水资源承载力评价指标值的获取

甘肃省各市2017年水资源承载力评价指标值原始数据来源于《甘肃省水资源公报2017》，根据原始数据计算得到甘肃省各市2017年水资源承载力评价指标值（表4）。由于嘉峪关市和金昌市水资源原始数据有误，因此不分析这2市的水资源承载力。

由表4可看出，2017年甘南州、张掖市、酒泉市、陇南市人均水资源量较高，而兰州市、白银市、平凉市人均水资源量较低。2017年甘南州、酒泉市、张掖市、陇南市人均地下水资源量较高，而兰州市、平凉市、临夏市、白银市、天水市、庆阳市人均地下水资源量较低。2017年甘肃省降雨量各市很不平衡，陇南市、甘南州、庆阳市、平凉市、天水市、临夏市降雨量较多，而酒泉市、武威市、张掖市降雨量较少。2017年甘肃省兰州市、白银市、武威市水资源开发利用率高，而甘南州、陇南市水资源开发利用率低。

2017年甘肃省各市（州）万元GDP用水量很不平衡，庆阳市、兰州市、陇南市、甘南州、天水市、平凉市万元GDP用水量较低，水资源利用效率较高，而张掖市、酒泉市、武威市、白银市万元GDP用水量较高，水资源利用效率较低;2017年甘肃省各市（州）人口密度也不平衡，酒泉市、甘南州、张掖市、武威市、人口密度较低，兰州市、临夏州、天水市人口密度较高;2017年人均GDP兰州市、酒泉市较高，而临夏州、定西市、陇南市较低;2017年农田灌溉用水率各市相差较大，甘南州、陇南市、兰州市、庆阳市较低，而张掖市、酒泉市、武威市农田灌溉用水率较高。

4.2 基于熵权法的甘肃省各市（州）2017年水资源承载力评价

通过极差标准化法公式（1）和（2），对甘肃省各市（州）2017年水资源承载力评价指标值进行准化处理后，采用熵权法计算公式（3）和（4），计算出甘肃省各市2017年水资源承载力评价指标的权重（表5），然后采用公式（5）计算出综合评价值（表6）。

由表5可知，甘肃省各市（州）2017年水资源承载力评价指标中人均水资源量 （B1）、人均地下水资源量（B2）权重相比其他指标较高;供水模数（B4）、水资源开发利用率（B6）、人均用水量（B12）权重相比其他 指标较低。

由表6可知，2017年甘肃省各市（州）水资源承载力差别较大，甘南州水资源承载力最强，陇南市、酒泉市、庆阳市、平凉市水资源承载力中等;兰州市、张掖市、天水市、定西市水资源承载力处于较弱的位置，武威市、白银市、临夏州2017年在甘肃省各市（州）中水资源承载力最弱。

5 结论

西北地区不仅干旱、水资源量少，而且蒸发量大，水资源对其社会经济发展制约性相比全国来说较为严重，其水资源的合理开发利用显得尤为重要。甘肃省是西北地区典型的大部分地区干旱少雨，重度缺水、生态环境脆弱的省份[11]。该研究参考全国水资源供需分析评价的指标体系和水资源承载力评价研究，并在指标有代表性和数据可获得性条件下，选取水资源系统、社会经济系统两个方面的指标，通过熵权法对甘肃省2005—2017年和2017年甘肃省各市（州）综合评价了甘肃省水资源承载力。

甘肃省2005—2017年水资源承载力虽然呈现上升的趋势，但是依然较低。2017年甘肃省区域间水资源承载力不平衡。究其原因，甘肃省农田灌溉用水率由2005年的75.54%，下降到2017年的71.74%，虽然2005—2017年农田灌溉用水率出现下降的趋势，农田灌溉用水效率得到提高，但是农田灌溉用水率超过70%，农业用水仍然是甘肃省用水主体。提高甘肃省水资源承载力的关键是进一步减少农田灌溉用水量，促进节水农业的发展，提高农田灌溉用水效率是甘肃省今后继续攻克的难题。2005—2017年人均地下水资源量呈现下降趋势，地下水资源利用效率须得到重视。2017年甘肃省区域间水资源承载力不平衡主要由人均水资源量、人均地下水资源量和产水模数的差距造成。

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