祁连山内陆河流域水资源安全评价及障碍因子诊断

任潇潇，牛成英

(兰州财经大学统计学院，甘肃 兰州 730020)

祁连山物产种类多样，水资源丰富。由黑河、石羊河、疏勒河构成的祁连山内陆水系是甘肃省内的主要水域之一，是河西走廊人民物质生活的基础保障。评价水资源安全状态，掌握水资源安全动态变化趋势，探索分析水资源安全影响因素，对实现水资源可持续发展具有重要的现实意义。目前，关于水资源安全现状综合评价，所用的方法主要包括综合指数法[1]、模糊综合评价模型法(IFCEM)[2]、层次分析法[3]、熵权法[4]和功效系数法[5]等。在这些方法中，综合指数法在选取对比值时较困难，且会因为出现过高的单项评价值而影响综合评价值，致使评价结果不尽合理。IFCEM与层次分析法计算复杂，主观性较强，评价结果较为主观。熵权法相比层次分析法，过于依赖数据的波动程度来提取信息，忽略了数据的实际意义。功效系数法相比于以上方法，具有可以缩小单项评价值的差距，减弱某一单项评价值过高对综合评价值的影响的优点[6]。

本文选取影响祁连山内陆河流域水资源安全的主要指标，以此构建该地区水资源安全评价指标体系。在此基础上，结合熵权法与功效系数法，对该地区1999～2019年的水资源安全进行综合评价，并利用障碍度模型对影响水资源安全的障碍因子进行分析，以期为今后水资源开发利用提供科学的决策依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

祁连山内陆河流域水系即指发源于祁连山，流经甘肃河西走廊地区的3大内陆水系，包括石羊河、黑河和疏勒河。该流域地区属于祁连山地槽边缘带，气候干旱，但冰雪融水丰富，灌溉农业发达，是西北地区最主要的商品粮食基地和经济作物集中产地，也是国家“一带一路”倡议的主要实施区。如图1所示。

图1 研究区示意图

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源及指标体系 本文研究数据来自1999～2019年的《甘肃省水资源公报》和《甘肃省统计年鉴》，部分指标数据是根据年鉴数据进行相关计算得到，如农田用水率、林牧渔用水率等。本文在《公报》和《年鉴》原始数据的基础上，剔除了指标体系中的GDP价格变动因素，评价中采用1999年不变价格GDP.

构建水资源安全评价指标体系是综合评价的关键步骤。本文参考已有研究文献[7，8]，结合祁连山内陆河流域数据资料情况，构建的水资源评价指标体系，包括反映水资源安全度的目标层；与水资源安全有关的社会经济条件、水环境(水资源条件)、水生态安全(水资源开发利用与生态安全状态)构成的准则层；若干可观测指标构成的指标层，具体见表1.

表1 祁连山水资源安全评价指标体系

1.2.2 确定评价指标体系权重 根据已构建的评价指标体系，需确定两层指标权重，分别是准则层权重和指标层权重。由于准则层指标无法通过具体统计数据直接计算，根据本文的研究目的，考虑到研究内容匹配性和研究的专业性，本文参考黄昌硕、耿雷华[7]等专家学者关于中国水资源安全及生态安全评价研究的结果，确定准则层三个指标的权重，即一级权重，分别为0.2150、0.3282、0.4568.根据熵权法[4]计算指标层权重，即二级权重，具体结果见表1.

1.2.3 功效系数法 功效系数法主要是依据多目标决策的一种综合评价方法[6]。在水资源安全评价中，运用该方法能够较好地满足评价体系中运用多指标评价水资源安全的要求。具体步骤如下：

1)确定综合评价指标体系。

2)确定指标的满意值与不允许值。正向指标的不允许值和满意值为时间序列中可能达到的最小值和最大值，负向指标与此相反。

3)计算指标功效系数值。对于正向指标和负向指标分别采用极大型功效系数计算公式(1)和极小型功效系数计算公式(2)来进行计算：

(1)

(2)

4)计算准则层指标功效系数值与总功效系数值。

(3)

其中，Esk,j表示第j年第k个准则层指标的功效系数值，sk表示准则层第k个指标，L表示各准则层指标下的水资源指标数量，ωi表示由熵权法确定的指标层各指标的权重，即二级权重。

(4)

其中，ETj表示水资源安全总功效系数值，ωk表示由层次分析法确定的准则层指标权重，即一级权重。

5)基于功效系数法确定水资源安全状态分级标准，根据总功效系数值进行水资源安全状态综合评价。

1.2.4 障碍度模型 障碍度是指和祁连山内陆河流域水资源安全相关的指标对区域水资源安全状态提升产生的阻碍程度。某项指标障碍度越大，说明该指标对水资源安全的阻力越大。根据障碍度排名找出主要障碍因子，可以有针对性地制定相关管理措施，改善水资源安全状态[8]。

计算采用因子贡献度、指标偏离度和障碍度进行相关分析：

1)因子贡献度Fi，表示单项指标对水资源安全的影响程度，即

Fi=ωi×ωij

(5)

其中，ωi表示第i个单项指标的权重；ωij表示第i个指标所属第j个准则层的权重。

2)指标偏离度Oi，指单项指标评估值与100%之差，即

(6)

3)障碍度Ii，单项指标对水资源安全风险的影响程度，即

(7)

其中，m表示样本数。

4)计算各准则层指标对水资源安全的障碍度。

Ui=∑Iij

(8)

其中，Iij表示第j个准则层第i项指标的障碍度，∑表示对第j个准则层下所有指标的障碍度求和。

2 祁连山内陆河流域水资源安全状态综合评价及结果分析

2.1 水资源安全状态综合评价结果

根据上述评价指标体系，首先，由式(1)和式(2)得到单个指标的功效系数值。其次，结合各指标的功效系数值和二级权重，运用式(3)对单个子系统，即社会经济条件、水资源条件和水资源生态安全分别计算功效系数值，得到准则层指标的功效系数值。最后，结合各准则层指标的功效系数值和一级权重，运用式(4)，得到水资源安全总功效系数值。

为了更好地描述祁连山内陆河流域水资源的安全状态，本文参考功效系数法评价等级划分文献[9,10]，对水资源安全综合评价值做分级处理，最终将该区域水资源安全状态划分为安全、较安全、较危险、危险四个等级。具体划分标准如表2所示。

表2 水资源安全状态分级标准

祁连山内陆河流域水资源安全综合评价的具体结果如表3所示。

表3 水资源安全功效系数值与安全状态

由表3可知，祁连山内陆河流域水资源安全总功效系数值在70～90之间，功效系数值越小，安全状态越高。依据各准则层指标得分和总功效系数值，说明该区域水资源安全状态整体较为稳定，集中处于较安全和较危险状态。

2.2 评价结果分析

根据社会经济条件、水资源条件、水生态安全的功效系数值，以及总功效系数所得时序图(图2)显示，可直观反映综合评价随时间变化情况。

图2 1999～2019年水资源安全功效系数时序图

由表3和图2可见，对于社会经济条件， 2018～2019年，其功效值仍有增大的趋势。反映出社会经济的发展对水资源的需求越来越高，出现较大的供需矛盾。水资源条件状态较不稳定，在较安全与较危险之间呈“波浪式”波动。自2016年开始，水生态资源安全处于“较危险”状态， 但2018年，安全问题有所缓解，2019年转为较危险状态。2013～2016年，水资源生态安全功效系数值呈降低态势发展，水资源一直处于较安全状态。

3 障碍度因子诊断

3.1 指标层障碍因子分析

根据障碍度模型，结合指标层指标的权重，即二级权重和指标所属的准则层指标权重，即一级权重，运用式(5)、式(6)和式(7)对1999～2019年的祁连山内陆河流域水资源安全评价体系中单项指标的障碍度进行测算，并按障碍度大小对排名前10的障碍因子进行排序，具体结果如表4所示。

表4 1999～2019年水资源安全障碍因子排序

续表4

由表4可知，1999～2008年间，在排名前10的障碍因子中，农田用水率(I11)、GDP(I2)和粮食产量(I4)的障碍度较大，其次是年径流量(I6)、总用水量(I16)、产水系数(I9)、废污水排放量(I17)、产水规模(I10)、生活用水率(I14)、浅层水(I8)和工业用水率(I13)。2009～2015年间，障碍度较大的障碍因子包括，浅层水(I8),工业用水率(I13),生态环境用水率(I15),总用水量(I16)。2016～2019年，在排名前10的障碍因子中，障碍度较大的障碍因子包括节水灌溉面积(I3)、产水系数(I9)、生态环境用水率(I15)、人口数量(I1)和年输沙量(I18)等。

在众多水资源安全评价影响因子中，存在具有普遍影响作用的障碍因子。因此，在表4的基础上，统计1999～2019年排名前十的障碍因子出现的次数，结果如图3所示。

图3 水资源安全障碍因子年份频数分布

图4 准则层指标障碍度

从图3中可以看出，本文选取的障碍因子在1999～2019年中出现的频数普遍较高，数据说明按障碍度大小排名所选取的障碍因子较能代表影响祁连山内陆河流域水资源安全的制约因素。在排名前10的障碍因子中，年降水量(I10)和产水规模(I10)出现次数最多，年份频数为15，其次是年径流量(I6)、废污水排放量(I17)出现次数最多，年份频数都为14.再次是林牧渔用水率(I12)和生态环境用水率(I15)，年份频数都为13.再是GDP(I2)、地表水量(I7)、浅层水(I8)、产水系数(I9)、生活用水率(I14)和总用水量(I16),年份频数为12.排名前10的障碍因子年份频数最低为7，数据也说明在祁连山内陆河水资源安全的常年治理中，制约水资源安全状态上升的影响因素既包括自然条件因素，也包括人为因素。

3.2 准则层障碍因子分析

为进一步研究影响祁连山内陆河流域水资源安全状态的系统因素，运用公式(8)，由各个指标的障碍度进一步计算各准则层指标的障碍度，计算结果如图4所示。

由图4可以看出，社会经济条件的障碍度虽在2000～2001年和2013～2016年两个阶段内有较明显增加，但整体发展较为稳定。水资源条件的障碍度呈“波浪式”变化，在增减之间不断变动。水生态安全的障碍度在部分年间波动较大。其中，水资源生态安全的障碍度从2018年的47.55降低到2019年的33.01，水资源条件的障碍度由2018年42.49降低到2019年21.68，降幅明显。水生态安全的障碍度在所有年份基本都是最高的，其次是水资源条件。因此，水生态安全是制约祁连山内陆流域水资源安全的最主要系统因素。

4 结论

1)水资源安全的实质是水资源的供给是否能满足对水资源的需求。本文运用功效系数法对1999年到2019年祁连山内陆河流域水资源的安全状态进行测度评价。结果表明，该地区水资源在特定的时间段内较为稳定，整体发展趋势看，在“较安全”和“较危险”状态之间波动，2016～2017年，该地区水资源一直处于较危险状态，2018年有所改善，转为较安全状态，但2019年有恶化趋势。

2)在对祁连山内陆河流域水资源安全状态测度的基础上，寻找影响其安全的主要障碍因子。研究结果发现，水生态安全是影响祁连山内陆河流域水资源安全的最主要障碍因子。另外包括年径流量、废污水排放量、林牧渔用水率、生态环境用水率、GDP、地表水量、浅层水、产水系数、生活用水率和总用水量，对于该地区水资源安全也具有关键性影响。在水资源自然条件因素不可控的影响条件下，控制人为因素对水资源安全的影响是现阶段祁连山水资源安全治理的关键点。