水资源集约安全利用评估模型构建及应用

王红瑞，李一阳，杨亚锋,3，赵 勇，杨荣雪，刘 璇

(1.北京师范大学水科学研究院，北京 100875； 2.北京市水科学技术研究院，北京 100048； 3.华北理工大学理学院，河北 唐山 063210； 4.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

深入贯彻新发展理念，推进水资源集约安全利用，是践行习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”十六字治水思路的重要途径和题中之义[1-3]。集约利用的核心是用最少的水资源投入产生更大的效益，提高水资源利用效率，节约亦是其内在要求之一；安全利用指水资源开发利用不能影响生态安全和国家安全，水资源利用要限制在其承载力范围之内；集约安全利用就是要将集约和安全有机结合起来，相互制约，相互促进，即水资源集约利用要保障安全，安全利用要助力集约[4]。水资源集约安全利用指数的大小是区域高质量发展水平高低的重要体现。因此，在集约中保障安全，在安全下促进集约，是当前水资源高效合理利用的新模式需求。

目前，水资源集约安全利用的相关研究主要集中在国内。在集约利用方面，李来胜等[5]从三次产业方面提出了解决黄河水资源开发利用的循环经济方程，为黄河水资源集约利用提供了理论依据和政策建议；廖文梅等[6]从农业用水、工业用水以及居民生活用水等指标合成区域水资源集约利用指数，对区域水资源集约利用进行综合评价；韩宇平等[7]针对水资源集约利用的概念、内涵与模式进行解读，探讨了构建评价指标体系的基本原则。在安全利用方面，刘华[8]基于PSR模型构建了城市水资源安全利用评价指标体系，利用集对分析方法建立了评价排序模型；刘丽颖[9]以贵州省为研究区，综合运用地理学、环境学、生态学和人工智能等学科理论和方法对水资源安全进行动态评价、仿真及调控研究。综合考虑集约利用和安全利用，姜文来[4]在分析水资源集约安全利用内涵的基础上探讨了实现中国水资源集约安全利用的战略路径。可见，已有研究成果大多聚焦水资源集约利用或安全利用，而鲜见将二者综合考虑的情况。虽然相关研究的指标体系在一定程度上涵盖了集约利用和安全利用的相关指标，但若能将二者有机结合起来，从系统论的角度出发，从整体上评价集约安全利用水平，并针对性地提出必要的改进措施，将是很有意义的一项研究。

水资源集约安全利用评价涉及资源、经济、生态等多领域，是多属性决策问题[10-12]。近年来，模糊综合评判法[13-15]、集对分析法[16-20]、投影寻踪法[21-22]、物元模型法[23-25]、TOPSIS(technique for order preference by similarity to ideal solution)方法[26-29]等是水资源系统分析领域的常用决策方法。其中，TOPSIS方法由于具有计算简便、应用性强等特点广受学者们青睐。刘树林等[30]针对TOPSIS方法中存在不能排序的问题提出夹角度量法，并与TOPSIS法对比得到较好的结果。然而,有研究发现夹角度量法也存在不足[31-32]，只考虑两方案的夹角贴近度，忽略其长度差异；若两方案夹角完全相同、长度不同，那么夹角度量法就不能得到正确的结论，因此，赵萌等[33]提出相对熵排序法。卢国祥等[34]发现相对熵不满足对称性和三角不等式，不是方案与理想方案和负理想方案之间真正的距离，但将其作为方案与理想方案和负理想方案的差异测度具有实际意义，基于此对相对熵排序法进行改进，得到新的排序方法——对称交互熵多属性排序法，满足了相对熵的对称性和有界性。目前，对称交互熵多属性排序法已在ISAR干扰效果评估、信息度量与聚类、遥感图像分割和综合生产效果评价等方面得到成功应用，反映出该方法在多属性评价问题中的适用性和有效性，可望在水资源系统评价领域发挥作用，但尚未有相关研究和报道。

鉴于此，在前人研究基础上，本文基于节水优先和生态优先方针探讨水资源集约安全利用的时代内涵及其相互影响关系，从系统论的角度探索水资源集约安全利用评价指标体系，进而基于对称交互熵多属性排序法构建一种新的水资源集约安全利用评估模型，并在2019年中国31个省级行政区(不含港澳台)展开应用，其结果可为中国水资源高效利用和经济社会高质量发展提供支撑。

1 水资源集约安全利用评价体系构建

在参考相关文献的基础上筛选评价指标体系，利用层次分析(analytic hierarchy process, AHP)法与CRITIC(criteria importance though intercriteria correlation)法综合赋权，进而基于对称交互熵多属性决策排序方法建立水资源集约安全利用评估模型。

1.1 集约安全利用评价指标体系

指标体系构建是定性、定量评价水资源集约安全利用的前提。生态环境保护和经济社会高质量发展是水资源开发和利用的必要前提和追求目标之一。水资源集约利用和安全利用是实现该目标的两个重要途径。集约是安全的约束，安全是集约的保障，二者相互制约、相互促进，是一个有机的统一体。作为重要的基本资源，水资源必须保质保量地满足经济社会高质量发展的需求；水资源开发利用要走绿色发展之路，与资源环境相协调，以水资源承载力为红线，不能破坏生态环境[4]；此外，以科技创新为动力，革新开发利用技术，提升水资源利用效率，也是水资源集约安全利用的主要途径。坚持“节水优先”方针是水资源管理工作的根本依据，坚持“生态优先”原则是可持续发展的刚性约束，二者同时为水资源的集约安全利用提出了纲领性的要求，因此，水资源集约安全利用既要在节约用水的前提下着力提高水资源利用效率和效益，又要在生态友好的导向下严格限制水资源开发的强度，保障三生用水的安全度和和谐度。基于以上分析，本研究结合相关文献[1,4,7]的主要论点，构建水资源集约安全利用评价指标体系，见图1。

水资源集约安全利用评价指标体系中，单方水GDP产出量受产业结构、自然地理、社会经济等影响，能从一定程度上反映水资源综合利用效率的高低，也能反映水资源投入产出关系和用水效益；万元工业增加值用水量可从一定程度上反映工业用水效益，是水资源集约利用的经济学表征；农田灌溉水有效利用系数可从一定程度上反映农业领域的用水效率和科技水平；耕地实际灌溉亩均用水量能够反映农业领域的耕地灌溉用水效率和效益；人均生活用水量的高低可从一定程度上反映一个地区的居民日常生活中节水意识的强弱；人均COD排放量可反映水资源利用所产生的负面生态环境影响，也是水质保障的重要指标；人均供水量从一定程度上反映了用水量保障度，是水资源短缺风险的一项重要表征指标；水资源开发利用率是生态安全和经济社会可持续发展水平的重要衡量指标之一；生态用水占水资源量比例在一定程度上反映了生态需水的满足程度,包括河道内生态需水满足程度和河道外生态需水满足程度，是水资源安全利用的主要表征。指标I1、I3、I7和I9为正向指标，即越大越优，其余指标为负向指标，即越小越优。

1.2 对称交互熵多属性排序法

基于水资源集约安全利用评价指标体系，采用对称交互熵多属性决策排序法，将31个省级行政区的水资源集约安全利用水平及其发展态势评估问题转化为多属性决策排序问题。具体步骤如下：

步骤1建立标准化决策矩阵。设多属性决策问题包含m个方案和n个评价指标，其方案集、指标集分别为：A={A1,A2,…,Am}，B={B1,B2,…,Bn}，方案Ai对指标Bj的值记为yij(i=1,2,…,m;j=1,2,…n)，则形成目标决策矩阵Y=[yij]m×n，建立标准化决策矩阵Z：

(1)

步骤2确定指标权重。为兼顾专家经验、指标客观数据的统计规律及指标间的相关性，采用AHP法和CRITIC法相结合的组合赋权方法。指标Bj的权重wj为：

(2)

式中αj、βj分别为AHP法和CRITIC法所得到的权重。

步骤3构建加权标准化矩阵和确定其理想解。计算加权决策矩阵X=[xij]m×n，xij=wjzij。对于正向和负向指标，分别计算正理想解向量X+和负理想解向量X-：

(3)

(4)

(5)

步骤5计算相对贴近度。计算各方案与理想方案的相对贴近度Ci，Ci值越接近于1，说明第i个评价方案就越接近最优方案；Ci值越小，说明第i个评价方案越差。

(6)

2 模型应用与分析

2.1 数据来源

选取中国31个省级行政区(不含港澳台)为研究单元。所需的社会经济数据来源于2020年《中国统计年鉴》和各省级行政区《统计年鉴》，所需的水资源和用水数据主要来源于2019年《中国水资源公报》。

2.2 计算过程

表1 标准化决策矩阵Table 1 Standardization decision matrix

表2 31省的对称交互熵、贴近度和水资源集约安全利用指数Table 2 Symmetrical cross-entropy, closeness and intensive-safe utilization index of water resources in 31 provinces

2.3 结果与分析

水资源集约安全利用指数是区域水资源集约安全利用水平的一种相对度量方式，在0～10之间取值，其值越大，代表水资源集约安全利用水平越高。由表2可知，中国31个省级行政区的水资源集约安全利用水平总体上不容乐观。具体来看，北京是唯一的6分以上的省级行政区，其水资源集约安全利用指数为7.069，然而仍存在较大的提升空间。指数为5～6的省级行政区，包括新疆、内蒙古、陕西，天津和浙江。指数为3～5的省级行政区占比71%，分别是环渤海区域的河北、山东、辽宁；中部地区的河南、山西；西南地区的云南、四川、重庆；西北地区的青海和东南沿海的广东和福建；紧随其后的是贵州、湖南、湖北、江西、安徽、上海、海南、西藏、甘肃、吉林和黑龙江。此外，有3个省级行政区水资源集约利用水平相对落后，指数均在3以下，分别是宁夏、江苏和广西。

水资源集约安全利用是一个整体概念，集约和安全相辅相成，缺一不可，形成一个水资源利用的多目标约束系统。为探究子系统的耦合发展状态和主要症结所在，在综合评估的基础上，将评价指标体系分为相对独立的两部分：集约利用指标(I1、I2、I3、I4、I5)和安全利用指标(I6、I7、I8、I9)，分别执行本文构建的模型，并与集约安全利用指数进行比较分析，结果见图2。

图2 中国31省级行政区水资源集约、安全利用对比Fig.2 Comparison of intensive and safe utilization of water resources in 31 provinces of China

由图2可见，北京的水资源集约安全利用指数最高，但主要归功于集约利用指数(9.817)，接近理想解，而安全利用指数则相对较低。具体来看，北京的单方水GDP产出达到847.46元，是排在第二位的天津的1.7倍；万元工业增加值用水量和农田灌溉水有效利用系数均处于最高水平。可以看出，超高的用水效率和用水效益是北京市水资源集约安全利用水平最高的主要原因。此外，北京市在投入约1/3的生态用水的同时，人均供水量处在倒数第二名，仅高于天津。归根结底，资源型缺水仍然是北京用水安全的主要制约因素。天津和山东的情况和北京类似，其中天津水资源的集约利用和安全利用水平悬殊更大。河北的水资源集约利用处于较高水平，相对而言用水安全也是应关注的重点。总体来看，未来几十年，仍需继续加大南水北调中线工程的调水规模，同时加快推进南水北调东线二期工程，以满足京津冀地区及山东的经济社会发展的用水需求。浙江、陕西、山西和河南4个省级行政区水资源集约利用水平均处在较高的水平，但用水安全情况处于相对滞后状态，这一点与河北相似，水资源短缺问题是主要矛盾之一。重庆、辽宁、上海、福建、四川和广东等6个省级行政区表现出了较高的水资源集约利用水平，相比之下，安全利用水平稍低，但在全国范围内也属于中等水平。而云南、吉林、甘肃、贵州、安徽、湖北、内蒙古和青海等8个省级行政区情况类似，但相反的是，集约用水水平稍微低于安全用水水平。各省级行政区应因地制宜，抓住主要矛盾，重点突破，以最有效的方式努力提升短板，同时兼顾保持或提升相对优势，以耦合发展和共同提升的模式从整体上提升水资源集约安全利用水平。黑龙江、海南、江西、湖南、西藏、广西和新疆等7个省级行政区的水资源集约利用处于落后水平。其中，尤以西藏和广西为甚，水资源集约利用情况接近负理想解，但需指出的是，这些省级行政区却表现出了较高的水资源安全利用水平，如新疆的水资源安全利用指数在31个省级行政区中排名第一，西藏排名第三。单方水GDP产出量是导致新疆集约利用水平较低的主要因素。这些省级行政区大多水资源禀赋优越，同时能够做到合理、适度开发利用水资源，三生用水和生态环境较为和谐。加大科技投入，提升用水效率，将是这些省级行政区促进水资源集约利用的主要途径之一。宁夏和江苏的水资源集约利用水平处于落后水平，分别排在23和24位，而安全利用水平则是最低的两个省级行政区，因此全面施策、协同优化，势在必行。

3 结 论

a.中国31个省级行政区的水资源集约安全利用总体上处于中等偏下水平，水资源集约安全利用指数在5分以下的省级行政区占比80.1%，指数最高的北京也存在较大的提升空间；天津、北京、山东、新疆、西藏和广西等多个省级行政区水资源集约利用和安全利用之间悬殊较大，协调发展程度较低。资源型缺水是北京等地区水资源安全利用的主要障碍；用水效益低下是新疆等地区水资源集约利用的主要瓶颈。

b.中国水资源集约利用水平具有较明显的地域特征和区域差异，基本趋势是，经济发达且水资源利用压力较大的地区集约利用水平较高，但安全利用水平偏低，这些地区包括北京、天津、山东、浙江和陕西等；经济不发达或者受自然条件限制较大的地区水资源集约利用水平较低，而安全利用水平则相对较高，包括广西、西藏等；水资源集约利用和安全利用在一定程度上存在互斥现象。

c.新发展理念下，中国水资源集约安全利用迫在眉睫，任重道远。推进水资源的集约安全利用首先要因地制宜，抓住主要矛盾重点突破，同时要做到各方兼顾，均衡发展，重视集约利用与安全利用的辩证影响关系，从系统论的角度，疏经把脉，精准施策。