基于熵值-TOPSIS模型的湖南省水资源安全空间评价及障碍因子诊断

2022-12-18罗紫薇胡希军韦宝婧

水资源与水工程学报 2022年6期

罗紫薇，胡希军，汤佳，韦宝婧

(1.中南林业科技大学风景园林学院，湖南长沙 410004； 2.中南林业科技大学城乡景观生态研究所，湖南长沙 410004； 3.湖南省自然保护地风景资源大数据工程技术研究中心，湖南长沙 410004；4.中南林业科技大学生命科学与技术学院，湖南长沙 410004)

1 研究背景

水资源作为最基础的生活、经济和环境资源，其安全问题与人类的生存和社会的可持续发展息息相关，是国家生存与发展的战略性问题[1]。对区域水资源进行安全评价、总结区域水资源安全问题，是总体调控区域内水资源可持续开发利用的前提和基础。

水资源安全评价是对区域内水资源维护良好生活、生产和生态不受侵害能力的评估。专家学者们对各个尺度、地域的水资源安全进行了评价，评价方法归纳为：(1)运用单一指标或模型进行评价，通过综合考虑区域社会经济、资源环境等因素，从水资源安全总体出发，使用水安全指数[2-3]、水贫困指数[4-5]、水压力综合指数[6]、水短缺指数[7]、水资源承载力指数[8]等综合指标评价水资源安全状况；(2)通过建立不同水安全层面的子目标，构建水资源安全评价指标体系，如将其分为经济、生态、水资源3类[9]，水资源条件、社会协调能力、经济协调能力和生态环境协调能力4类[10]等，或利用PSR(pressure-state-response,压力-状态-响应)模型[11]或DPSIR(driving force-pressure-state-response,驱动力-压力-状态-影响-响应)模型[12]等框架进行指标筛选，并基于如多准则综合评价法[13]、层次分析法[14]、模糊综合评价法[15]、熵值法[16]、模糊物元模型[17]、BP(back propagation)神经网络[18]、LVQ(learning vector quantization)网络模型评价法[19]等方法确定指标权重，通过功效系数法[20]、TOPSIS(technique for order preference by similarity to an ideal solution)[21]等模型方法进行水资源安全综合评价。

水资源安全的障碍因子诊断一般有定性和定量两种方式。定性分析主要是对评价期内的重要水事和经济发展状态进行描述，侧面反映水资源安全的状态变化[22]。定量分析包括指标权重排序[11]、计算响应指数和响应度[23]、贝叶斯网络模型[24]以及障碍度排序[25]等方法。定量诊断区域水资源安全的主要障碍因子，识别其对水资源安全的影响关系，才能满足区域水资源保护和利用的实际需求。

现有水资源安全评价研究多为将计算区域水资源安全评价目标层的决策优属度值作为水资源安全程度的定量指标，是区域多年水资源安全程度的横向比较，无法提供空间上的实际指导意义。同时，水资源安全评价研究多止步于评价结果层面，对障碍因子诊断的重视程度不够。

湖南省作为洞庭湖流域的主要省份，其水资源安全状态不仅影响着区域人民的生产和生活，同时也在维系洞庭湖区和长江流域粮食安全、经济安全与湿地生态安全等方面具有重要的作用。对湖南省进行水资源安全评价、明确影响区域水资源安全的阻碍因素从而进行针对性调控，是促进长江中下游地区可持续发展的重要手段。本研究综合考虑数据的可获得性及其实际意义，结合研究区2000-2020年自然、社会、经济等统计资料，构建水资源安全空间评价指标体系，从时间和空间两个层面对湖南省区域水资源安全状况做出准确判断，运用障碍度模型识别影响区域水资源安全的主要障碍因素，从而为湖南省乃至洞庭湖流域水资源的合理开发和保护提供决策依据。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

湖南省地处中国中部，下辖13个地级市、1个自治州，总面积为211 829 km2，97.6%的面积属长江流域，2.4%属珠江流域。湖南省属大陆性亚热带季风气候，水系密布，湘、资、沅、澧四水以及汨罗江和新墙河等分别从东、南、西三面汇入洞庭湖，后从城陵矶站汇入长江，全省多年平均降水量为1 450 mm，多年平均水资源总量为1 689×108m3[26]，水资源相对丰富但其时空分布存在明显差异。湖南省区位及水系分布见图1。

图1 湖南省区位及水系分布图

2.2 数据来源

研究区水文数据来源于2000-2020年《湖南省统计年鉴》及《湖南省水资源公报》，部分指标数据经统计、计算所得；原始降水量数据为1 km栅格数据，在ArcGIS平台中将其“重采样”为30 m分辨率的栅格数据；其他12类统计数据连接入湖南省行政区划(市、县、区)矢量数据，按年份分别进行“要素转栅格”操作，再统一“重采样”为30 m分辨率栅格数据。所有栅格数据统一采用WGS_1984_UTM_Zone_49N投影，GCS_WGS_1984地理坐标系。各种类数据及来源具体见表1。

2.3 研究方法

2.3.1 水资源安全评价指标体系综合水资源安全内涵，参考相关研究成果[11，27]，设置水资源条件、社会经济条件和生态环境条件3个准则层，坚持科学性、整体性、实用性、代表性和地域性原则[28]，选取13个评价指标全面体现区域空间水资源安全状况，参考国内外不同类型地区水资源安全、水资源可持续发展等相应指标标准以及《湖南省“十三五”水利发展规划》等规划指标综合确定各指标的安全等级及相应赋值，并结合相关文献和湖南省水资源特点制定各指标分级赋值方法[29-30]，正向影响指标最高级赋值为5、最低级赋值为1，安全等级递减，负向影响指标反之。湖南省水资源安全评价指标体系见表2。依据该分级赋值方法，在ArcGIS平台中将13个指标的栅格图进行“重分类”操作，分级赋值后获得13个指标分级栅格图。

表1 研究区数据来源一览表

2.3.2 熵值-TOPSIS模型熵值法是一种客观确权方法，通过计算各指标熵值及占所有样本的比重，确定各指标的权重。TOPSIS法是一种基于对有限个评价对象逼近理想解程度进行排序的方法[31-32]。本研究基于熵值-TOPSIS模型构建湖南省水资源安全空间评价模型。

(1)熵值法。指标的信息熵越小，表面指标值的变异程度越大，提供的信息量越多，在综合评价中起到的作用越大，其权重也就越大[33]。此方法可极大程度地消除主观判断对评价结果的影响，熵值法已在多个领域得到广泛运用。对2000-2020年湖南省水资源安全评价指标数据通过min-max标准化法处理[34]，运用熵值法确定水资源安全评价各指标权重，结果见表2。计算步骤如下：

表2 湖南省水资源安全评价指标体系

① 标准化后的指标值占比

(1)

式中：Pij为标准化后第i期第j个指标值的占比，%；n为数据期数；Yij为标准化后第i期第j个指标值。

② 计算第j个指标的信息熵值

(2)

③ 确定各指标权重

(3)

式中：Wj为第j个指标的权重；m为指标个数。

(2)TOPSIS模型。运用TOPSIS模型可计算2000-2020年湖南省水资源安全综合评价得分，通过接近度排序可知区域水资源安全状态变化情况，得分越接近1，则安全水平越优，越接近0，则安全水平越劣。计算步骤如下：

① 将指标体系中的极小型指标(影响属性为“-”)转为极大型指标(影响属性为“+”)，即正向化处理，并将正向矩阵进行归一化处理得到正向归一化矩阵，计算公式如下：

极小型指标正向化：

yij=maxxj-xij

(4)

正向指标归一化：

(5)

得到正向归一化矩阵Z：

Z=(zij)n×m(i=1,2,…,n;j=1,2,…，m)

(6)

式中：n为期数；m为指标个数；yij为正向化处理后的第i期第j个指标值。正向归一化矩阵见表3。

表3 评价指标正向归一化矩阵

②提取矩阵Z中各指标的最大值和最小值，确定最优方案Z+和最劣方案Z-：

=(0.49，0.46，0.50，0.48，0.65，0.77，0.59，0.64，0.68，0.64，0.68，0.56，0.52)

(7)

=(0.39，0.44，0.40，0.41，0.00，0.07，0.00，0.00，0.00，0.00，0.08，0.00，0.00)

(8)

(9)

(10)

式中：Wj为熵值法所得的第j个指标权重。

表4 2000-2020年最大和最小加权欧氏距离计算结果

④计算被评价对象与方案Z+的接近度Ci：

(11)

式中：接近度Ci的取值范围为[0, 1]。

通过上述熵值-TOPSIS模型对指标数据进行计算，运用ArcGIS平台，可获得2000-2020年湖南省水资源安全综合评价得分及水资源安全等级空间分布情况，综合评价得分结果在0～1之间，空间赋值叠加值在1～5之间，参考相关文献[35]～[36]，确定的湖南省水资源安全评价分级标准如表5所示。

2.3.3 障碍度模型本研究利用障碍度模型计算湖南省水资源安全影响指标的障碍度大小，指标的障碍度与其对区域水资源安全的阻力大小呈正相关[37]。诊断主要障碍因素，可更实际和针对性地提出水资源安全管控措施，达到改善水资源安全状态的目的，主要包括以下步骤：

表5 湖南省水资源安全评价分级标准

(1)计算因子贡献度Fi，指标偏离度Ii

Fi=Wi·Xij

(12)

Ii=1-xij

(13)

式中：Wi为第i个指标的权重；Xij为该指标所属的第j个准则层的权重；xij为归一化后的指标数值。

(2)计算指标i、准则层j对水资源安全的障碍度Pi、Uj

(14)

Uj=∑Pij

(15)

3 结果与分析

3.1 湖南省水资源安全综合评价

利用上述熵值法计算所得指标权重代入水资源安全TOPSIS模型，计算2000-2020年水资源安全贴近度，即湖南省水资源安全综合得分，结果见表6。由表6可知，2000-2020年湖南省综合水资源安全变化总体呈上升趋势，水资源安全水平可分为3个阶段：2000-2005年、2010-2015年和2020年，分别代表着低水平的基本安全、高水平的基本安全以及较安全的水资源安全状态。

表6 2000-2020年湖南省水资源安全综合评价得分表

通过查阅各年《湖南省水资源公报》可知，第1阶段中，湖南省连续遭受了较为严重的洪涝灾害和旱情，造成了极大的经济损失，同时水资源质量状况未得到根本改善，存在着水质性缺水和水源性缺水威胁。为此，2005年湖南省为实现工程水利向资源水利、传统水利向现代水利、可持续发展水利转变这一指导思想，编制了“十一五”水利规划，大力发展水利建设，全面推进以长沙市为代表的经营水利、湘潭政策水利、茶陵民营水利和以湖区21个城市积山丘区35个城市防洪为代表的外资水利等4种水利，并启动水源地水资源质量、入河排污口检测和水源地安全保障规划。直至2010年提升水资源安全水平成效显著，2005-2010年也是20年来水资源安全水平增长速度最快的阶段。2010-2015年全省水资源安全水平维系着平稳状态，各市(州)水功能区水质达标率实现预期目标，蓄水工程蓄水量较前一阶段大幅增加。为响应国务院最严格水资源管理制度，2015年湖南省出台了一系列水资源管理和水资源论证等工作的方案通知，湖南省水资源管理进入严格实行“红线”管理的新时期，同时提出“节约水资源、保障水安全”，倡导全社会形成节约用水意识，宜章县莽山水库工程也正式开工建设，至2020年，湖南省水资源安全水平又上升了一个台阶。

水库作为最重要的蓄水工程，具有防洪、供水、农业灌溉、改善民生和生态效应5个方面的作用，水库可调节区域径流、蓄洪补枯，使得水资源在时间上和空间上重新分配，使之适应用水部门的要求，可见水库水利建设与区域水资源安全息息相关，因此，水库座数及蓄水动态可作为湖南省水利建设量化指标。通过查阅2000-2020年《湖南省水资源公报》，统计各年大、中型水库及其蓄水量(图2)，与计算出的各年水资源安全综合得分在数据统计分析软件IBM SPSS Statistics 25中进行双变量相关性分析，分析结果见表7。由表7可知，水资源安全综合得分与各指标的相关性系数均大于0.7，说明水资源安全综合得分的变化呈现出与湖南省水利建设同步的趋势。

表7 湖南省水资源安全综合得分与水利建设量化指标相关性

3.2 湖南省水资源安全空间评价

3.2.1 水资源安全等级空间分布分析为了更直观地表达水资源安全等级空间分布情况，根据上述熵值法所得的指标权重(表2)，在ArcGIS平台中，将13个指标分级栅格图进行“加权叠加”操作，再依据评价等级划分标准(表5)进行“重分类”，获得2000-2020年湖南省水资源安全等级空间分布并统计出各等级面积的占比情况，分别见图3和表8。

根据图3、表8可知，湖南省14个市(州)2000-2020年水资源安全基本处于较安全、基本安全和不安全3个等级状态，且随着湖南省水利建设的发展，不安全等级所占面积逐渐减少，逐步向较安全等级转变。

图2 2000-2020年湖南省水库建设量化指标

图3 2000-2020年湖南省水资源安全评价等级空间分布

表8 2000-2020年湖南省水资源安全评价各等级面积占比 %

在水资源安全综合得分最低的2000年，湖南省处于不安全等级的市(州)有7个，分别为常德、岳阳、益阳、娄底、湘潭、株洲和湘西州，永州、张家界、邵阳和郴州界内部分区县亦处于水资源不安全状态；2005年不安全等级面积大幅减少，仅湘潭市和岳阳市市区、岳阳县、汨罗市及临湘市仍处于不安全等级，其他区域的水资源安全状态大幅改善，基本安全等级区域面积已达89.65%，郴州的市区、桂阳县、宜章县和资兴市甚至呈现出较安全的水资源安全水平；2010年水资源综合水平为较安全，不安全等级面积进一步减少，仅岳阳、湘潭及衡阳市的小部分区域水资源仍为不安全，长沙市的长沙县转变为较安全等级，基本安全等级面积占比达97.29%，可见湖南省水资源安全实现了向高水平基本安全的转变；2015年仅韶山市为水资源不安全水平，长沙、怀化、郴州以及永州、湘西州等市(州)的大部分区域转变为较安全水平；至2020年水资源综合水平已达到安全，较安全等级面积比重超过60%，整体水资源安全水平得到质的提升。

3.2.2 水资源安全全域空间分异分析在ArcGIS平台中，对各年湖南省水资源安全加权叠加图(重分类前)的符号系统属性进行调整，选择百分比截断类型的“拉伸”显示，“拉伸”渲染器用于以平滑渐变的颜色显示连续的栅格像元值，可以增大视觉对比度，使得水资源安全水平在空间上连续分布，高值和低值区域更为明显，空间异质性更加具体，可进一步明晰湖南省全域水资源安全空间分异情况，如图4所示，图中安全水平数值越大，则该区域安全性越高。

由图4可以看出，2000年全域水资源安全呈现出西南部高、东北部低的空间分布状态，水资源安全水平最高值出现在怀化市的沅陵县和淑浦县，株洲市的炎陵县和湘潭市的湘潭县处于最低安全水平；2005年水资源安全水平极差较大，湖南省东南部特别是郴州市水资源安全水平最高，而北部各市(州)以及中部的湘潭市安全水平处于低值；至2010、2015年水资源安全水平极差减小，除湘潭市外，全域水资源安全水平均得到改善，长沙市、湘西州、怀化市的水资源安全水平大幅提高，郴州市仍保持着较高水平；综合得分最高的2020年，湖南省北部多个市(州)处于水资源安全较高水平，中部的湘潭及衡阳市处于较低水平。

图4 2000-2020年湖南省水资源安全全域空间评价分布

图4还显示，各年水资源安全情况空间分异明显，位于水系密度最高(洞庭湖区)的岳阳市以及湘江穿流而过的湘潭市反而多年处于水资源安全较低水平，而处于相似地理位置的长沙市以及位于山区的湘西州水资源安全水平却呈现逐年提升趋势，同时怀化市在2000-2020年间均保持着较高的水资源安全水平，这些空间分异现象需要通过综合分析主要障碍因子以及当地实际情况进行解释。

3.3 湖南省水资源安全障碍度分析

水资源安全障碍因子诊断从指标层因子和准则层因素两个层面出发，找出湖南省水资源安全的主要障碍因子，以便相关部门对该类因子进行综合调控，从而提高全域水资源安全水平。

3.3.1 指标层障碍因子分析根据障碍度模型公式(14)计算出2000-2020年湖南省水资源安全障碍因子障碍度，见表9。从表9中各指标层因子障碍度时间变化上来看，X6(GDP)障碍度变化最大，由2000年的27.86%递减至2020年的6.66%，X11(生态环境用水量)和X12(废污水排放量)障碍度逐年递减，而X7(万元GDP用水量)和X8(万元工业增加值用水量)障碍度逐年递增，对区域水资源安全的影响增大，其他指标层因子障碍度均在一定范围内波动。从单一年份因子障碍度排序上来看，2000、2005年主要障碍因子为X6(GDP)、X5(人口密度)和X9(农田有效灌溉单位用水量)，2010、2015年为X6(GDP)、X8(万元工业增加值用水量)和X7(万元GDP用水量)，2020年为X8(万元工业增加值用水量)、X7(万元GDP用水量)和X9(农田有效灌溉单位用水量)。

将各年份湖南省水资源安全空间分布与相应的主要障碍因子类型进行对照，着眼于障碍度变化较大的因子，结合区域实际，可对水资源安全空间分布演变趋势进行解释。2000-2005年，从湖南省各市(州)基础数据变化来看，正向影响的主导因子GDP障碍度变化较大，长沙市、郴州市、怀化市的GDP增长率均高于岳阳市和湘潭市，特别是长沙市GDP增长速度数倍于后者，岳阳市、湘潭市的GDP增长率在全省范围内处于较低档；对于负向影响的主要因子人口密度而言，郴州市、怀化市远低于岳阳市、湘潭市，长沙市高于后两者，同时考虑到GDP对水资源安全水平的影响远大于人口密度，综合而言，长沙市、郴州市、怀化市的水资源安全水平呈提高趋势，而岳阳市和湘潭市则相反。2010和2015年水资源安全空间分布情况类似，因此对2005-2015年统一进行分析，GDP仍为主要障碍因子，长沙市和湘西州的GDP增长速度高于湘潭市和娄底市；负向影响的因子万元工业增加值用水量障碍度增加，在2010年成为第二主要障碍因子，2015年成为第一主要障碍因子，从数据上看，长沙市的负增长速度最快，湘潭市处于全省中间水平，娄底市和湘西州则处于低速区间；同为障碍度变化较大的万元GDP用水量因子，娄底市负增长速率为全省最低，其他市(州)数值相差不大，由此可解释长沙市、湘西州的水资源安全水平大幅提高，湘潭市和娄底市仍保持较低水平。2015-2020年，除湘潭市和衡阳市之外，湖南省其他市(州)水资源均处于较高水平，此期间GDP因子障碍度大幅降低，变化最大的主要障碍因子为万元工业增加值用水量，湘潭市和衡阳市的该指标实际用量负增长速度处于全省最低，同时在2020年实际万元工业增加值用水量、万元GDP用水量和农田有效灌溉单位用水量3个负向影响的主要障碍因子指标值均处于全省较高水平，因此，湘潭市和衡阳市的水资源安全水平在全省范围内较低可以得到解释。

表9 2000-2020年湖南省水资源安全障碍因子障碍度 %

3.3.2 准则层障碍因素分析通过公式(15)统计出2000-2020年湖南省水资源安全准则层障碍因素的障碍度(图5)，进一步剖析影响湖南省水资源安全的系统因素。

图5 2000-2020年湖南省水资源安全准则层障碍度

由图5可知，3个准则层障碍度发展均较为稳定，社会经济条件障碍度始终最大，且均超60%，即对湖南省水资源安全的影响最大，水资源条件次之，生态环境条件影响最小。可见，社会经济条件是制约湖南省水资源安全的最主要系统因素。

通过以上分析，节水型社会建设、相关水利建设以及经济投入等经济社会调控手段对湖南省水资源安全水平的提高作用明显，通过对社会经济条件因素进行主动调控，将会对区域水资源安全起到积极的促进作用。因此，加强对水资源安全主要制约因素即社会经济条件中不断变化的主要障碍因子的综合调控，结合对水资源条件中地表水资源量的保护，这种适应性调控可一定程度上提升区域水资源安全程度，促进湖南省全域生活、生产、生态的可持续发展。

4 讨论

(1)分级标准对评价结果而言至关重要，在已有的区域水资源安全评价研究中[9-11]，评价指标和分级标准尚未形成统一的体系，本研究对水资源安全评价是在前人的研究基础上量化分级标准，对评价结果可能产生一定影响，但评价结果所呈现的变化趋势和空间分布规律是一致的、有效的。采用熵值法获取各评价指标权重，代入TOPSIS模型进行贴近度排序，并采用该权重对各指标空间分级数据进行加权叠加，所获得的评价结果是时间(2000-2020年)和空间(湖南省区域)上的相对定论，而不是对水资源安全优劣进行的绝对评判。

(2)在以往的水资源安全障碍因子研究中，往往停留在获取主要障碍因子层面，并未对障碍因子障碍度变化情况与水资源安全空间分布演变趋势之间的关系进行解释[24-25]，本研究以湖南省2000-2020年水资源安全水平变化较为明显的市(州)为例，通过对比其具体实际数据变化情况，对其水资源安全水平的变化趋势进行解释说明，结果显示两者存在一定的同步性，由此提出可主动对主要障碍因素进行调控，以达到提升区域水资源安全水平的目的。需要注意的是，区域水资源安全的主要障碍因子不是一成不变的，需要机动地对社会调控对象和方式进行调整，同时，寻找障碍因子数值变化与水资源安全水平变化间的量化关系是今后需要继续深化研究的关键问题。

(3)从研究结果上看，2000-2020年湖南省水资源安全水平总体呈上升趋势，说明湖南省长期以来坚持生态文明建设和水资源保护取得了一系列成效。但纵观区域水资源安全的空间分布情况，受多种障碍因子影响，湖南省局部仍存在水资源不安全等级的区域，为进一步提升湖南省水资源安全水平，提出以下对策建议：

①将水资源作为最大刚性约束。统筹强化流域管理，深入推进最严格水资源管理制度，加强对水源涵养区、地下水的保护，量水而行，合理确定区域水资源承载力和开发利用上限。

②加强影响水资源安全短板因素的适应性管理。以万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、农田有效灌溉单位用水量为重要指标，建立分地区、分产业的水资源配置方案。

③加大水利工程建设，增强水资源开发能力。研究结果显示水利工程建设与水资源安全水平同步变化，因此，应提高水利设施建设的财政支出，在水资源安全水平较低的区域上游兴建水利工程，如新建大中型水库、原有水库扩容、改建拦河闸坝等水资源调配工程，进一步增强水资源开发能力。

④推进节水型社会建设，提高水资源利用效率。从节约和保护出发，倡导工农业节水和城市生活节水，通过改进节水工艺、发展高科技节水技术等手段，促进水资源、经济、社会、环境、生态的协调发展。