基于熵值法的山西省水资源安全综合评价.pdf

山西水利科技第 2 期（总第 228 期）Comprehensive Evaluation of Water Resources Security in Shanxi Province Based on Entropy MethodGONG Meng-li WANG Wen-hui WANG Yuan-yuanAbstract:The evaluation index system of water resources security was constructed from three aspects院water quantity security袁water efficiency security and water ecological security.The entropy method was used todetermine the index weight袁and the water resources security of 11 prefecture-level cities in Shanxi Province in2020 was comprehensively evaluated.The results show that the overall evaluation result of Shanxi Province is safe.Among them袁Linfen City is very safe袁Taiyuan City and Yuncheng City are basically safe袁and the evaluationresults of the remaining 8 prefecture-level cities are safe.It is necessary to make full use of the Yellow Riverwater and local surface water to replace groundwater袁increase water conservation袁improve unconventional waterreuse rate袁and implement groundwater overexploitation control measures to improve water resources security.Keywords:entropy method曰Shanxi Province曰water resources曰safety evaluation文章编号：1006-8139渊2023冤02-053-05基于熵值法的山西省水资源安全综合评价龚孟梨王文晖王媛媛（山西水资源研究所有限公司 山西太原 030001）摘要：从水量安全、水效安全和水生态安全三个方面构建水资源安全评价指标体系，采用熵值法确定指标权重，并对 2020 年山西省 11 个地级市水资源安全进行综合评价，结果表明：山西省整体评估结果为安全。其中：临汾市为非常安全，太原市和运城市为基本安全，剩余 8 个地市评价结果均为安全，需要从充分利用黄河水及本地地表水置换地下水，加大节水力度，提高非常规水回用率，落实地下水超采治理措施等方面提升水资源安全。关键词：熵值法；山西省；水资源；安全评价中图分类号：TV213.4文献标识码：B0引言在城市化进程快速推进与经济建设高速发展的时代背景下，水资源开发利用的需求极大增加1。早期的水资源安全评价主要通过单一指标进行评价，包括水资源压力指数、水资源开发利用程度等2-4。随着研究成果的不断完善，水资源安全的内涵也得到丰富，评价维度也得以增加。汇总前人研究成果，总结水资源安全评价内涵主要包括三个方面：水量保障、可持续性保障以及水质保障5。水资源禀赋天然不足，时间空间分布不均，水供需矛盾尖锐，水生态脆弱，是山西省水资源的短板。水利部以水资管 2020 280 号文对黄河流域水资源超载地区暂停新增取水许可，山西省 38 个县域为地下水超载地区，临汾市部分区县为地表水超载地区，已经形成了水资源条件与经济发展矛盾激化的局面。为了贯彻习近平总书记 2014 年 3 月就保障国家水安全会议和 2019 年 9 月主持召开黄河流域生态保护和高质量发展座谈会“以水而定、量水而行”“把水资源作为最大的刚性约束”重要讲话精神，应尽快对山西省水资源安全状况进行评估，分析不同区域现状水资源安全存在的问题，合理配置非常规水、黄河水、地表水、地收稿日期：2023-04-03修回日期：圆园圆3原04原17基金项目：山西省 2022 年水资源管理与保护项目（1499002022CCS01472）作者简介：龚孟梨（1990-），女，2013 年硕士研究生毕业于武汉大学，高级工程师。532023 年 5 月山西水利科技下水水源，强化用水总量和强度双控，加强水资源用途管制，切实保障河流生态用水，加快实施地下水超采治理和岩溶大泉保护。1水资源安全评价指标体系的建立根据水资源系统的特点及指标体系建立的准则，以区域“水资源量-用水效率-水生态”复合系统之间相互作用关系为切入点，建立 3 个准则层，分别为水量安全、水效安全和水生态安全。同时，选择能体现水资源安全内涵、发展状态及发展过程的因素为指标：1）在水量安全准则层，以“十四五”用水总量控制指标及 2025 年地下水用水总量管控指标为约束条件，选取用水总量控制指标开发利用程度、地下水管控指标开发利用程度以及地表水开发利用率这 3 个评价指标。2）在水效安全准则层，以提高用水、节水效率，不能因水的问题影响经济的可待续发展为前提，选取万元 GDP 用水量、万元工业增加值用水量、单位面积灌溉用水量、城镇人均综合用水量、农村人均综合用水量这 5 个评价指标。3）在水生态安全准则层，以维持水生态系统健康，保护水环境不受污染为前提，选取地下水超采面积占比、多余城市污水排放率、多余矿坑水排放率以及河流水质达标率这 4 个评价指标。建立的山西省水资源安全评价指标体系见表 1。2水资源安全综合评价方法2.1 评价方法水资源安全综合评价主要评价方法有层次分析法、熵权法、突变级数法、集对分析法、主成分分析法等6-10。本文采用熵值法计算各指标的权重，熵是系统状态不确定性的度量，用以度量信息量的大小。分别对具有正向影响和逆向影响的目标提出其相应的归一化公式，对于任意给定的目标其目标值差异越大，说明它包含和传输的信息越多，对目标决策的影响力则较大；若差异小对目标决策影响则较小。由于在熵值法中运用到了对数，标准化后的数值不能直接使用。为了合理解决负数造成的影响，对进行归一化处理后的数据进行平移：Xij=xij+A式中：Xij平移后的数值；龚孟梨，王文晖，王媛媛：基于熵值法的山西省水资源安全综合评价表 1水资源安全评价指标体系目标层 A准则层 B指标层 C单位指标定义指标属性水资源安全水量安全 B1用水总量控制指标开发利用程度 C1m3/人实际开发利用的水资源总量占“十四五”用水总量控制指标的比例逆向地下水管控指标开发利用程度 C2%实际开发利用的地下水资源量占 2025 年控制地下水资源量的比例逆向地表水开发利用率 C3%实际开发利用的本地地表水资源量占当地多年平均地表水资源量的比例逆向水效安全 B2万元 GDP 用水量 C4m3/万元实际生产中每生产万元 GDP 需要取用的水量逆向万元工业增加值用水量 C5m3/万元工业生产中每生产万元工业增加值需要取用的水量逆向单位面积灌溉用水量 C6m3/hm2农业实际灌溉中每灌溉 1 hm2耕地需要消耗的水量逆向城镇人均综合用水量 C7L/d.p每一城镇用水人口平均每天需要消耗的水量逆向农村人均综合用水量 C8L/d.p每一农村用水人口平均每天需要消耗的水量逆向水生态安全 B3地下水超采面积占比 C9%各地市超采的面积占各地市国土面积的比例逆向多余城市污水排放率 C10%县城污水处理后多余排放量占收集污水量的比例逆向多余矿坑水排放率 C11%涉矿县域多余矿坑水排放量占涌水量的比例逆向河流水质达标率 C12%水质达标的考核断面个数占总考核断面个数的比例正向54山西水利科技第 2 期（总第 228 期）龚孟梨，王文晖，王媛媛：基于熵值法的山西省水资源安全综合评价xij标准化处理后的数值；A平移幅度。1）计算各地市指标所占比重：pij=Xijni=1移Xij式中：pij第i个地市指标所占比重；N评价地市的个数。2）计算各评价指标的熵值：ej=-1ln（n）ni=1移pijln（pij）式中：ej第j个评价指标的熵值。3）计算各评价指标的权重：Wj=（1-ej）mj=1移（1-ej）式中：Wj第j个评价指标的权重；m评价指标的个数。4）分别求出各地市水量安全、水效安全、水生态安全这 3 个子系统的安全值以及整体水资源安全值：Ii=mj=1移Wj伊Xij式中：Ii某评价地市的水量安全、水效安全、水生态安全以及水资源安全综合评价值。2.2 评价标准参考相关研究成果，提出水资源安全评价标准11-12，见表 2。表 2水资源安全评价标准3山西省水资源安全综合评价3.1 研究区概况本报告基础数据主要来源于 山西统计年鉴 20202020 年山西省水资源公报 用水统计及调查分析（二二年度），各地级市有关指标数据见表 3。水资源安全值评价跃0.8非常安全0.60.8（含）安全0.40.6（含）基本安全臆0.4不安全表 3山西省主要用水指标表评价区域用水总量控制指标开发利用程度/（%）地下水管控指标开发利用程度/（%）地表水开发利用率/（%）万元 GDP用水量/（m3/万元）万元工业增加值用水量/（m3/万元）单位面积灌溉用水量/（m3/hm2）城镇人均综合用水量/（L/d.p）农村人均综合用水量/（L/d.p）地下水超采面积占比/（%）多余城市污水排放率/（%）多余矿坑水排放率/（%）河流水质达标率/（%）太原市81.05149.9571.3019.4023.103 568.77173116.2636.2575.5034.51100.00大同市83.7386.9551.6744.9921.002 324.2811088.451.3587.8624.1984.62阳泉市81.69109.9330.3624.9820.853 101.9919280.960.0072.0434.91100.00长治市84.4296.1223.7730.3415.272 116.9914476.530.4787.0435.51100.00晋城市88.25113.8920.6829.2220.072 310.7816971.492.2484.6037.0587.50朔州市84.95108.0870.6943.6916.682 142.3412370.625.2063.8021.97100.00忻州市85.8174.7134.8363.2919.302 823.9110863.550.1472.1135.9471.43吕梁市89.7486.3028.5338.2212.082 558.2711859.090.6181.1232.9677.78晋中市86.69109.1526.4045.8016.472 250.4912573.373.6084.0828.99100.00临汾市81.7692.3938.1947.5314.962 866.8110763.531.8451.7031.03100.00运城市89.17121.4828.9498.6826.312 738.2616172.8520.0078.8032.4160.00山西省85.63102.7533.6941.2318.402 563.5213679.054.8076.7432.0884.88552023 年 5 月山西水利科技3.2 各准则层评估结果分析依据水资源安全综合评价方法，结合熵值法计算出的指标权重，分别计算出水量安全、水效安全以及水生态安全值，见表 4。表 4各准则层评估结果水资源量评估方面，评估结果为“非常安全”的有阳泉市、临汾市和长治市；评估结果为“安全”的有大同市、朔州市、忻州市、晋中市、运城市、晋城市、吕梁市及太原市。水资源利用效率评估方面，评估结果为“非常安全”的只有吕梁市；评估结果为“安全”的有大同市、朔州市、忻州市、长治市、晋中市、临汾市及晋城市；评估结果为“基本安全”的有太原市、阳泉市和运城市。水生态评估方面，评估结果为“非常安全”的只有临汾市；评估结果为“安全”的有朔州市及阳泉市；评估结果为“基本安全”的有大同市、忻州市、吕梁市、太原市、晋中市、长治市、晋城市及运城市。3.3 水资源安全评估结果分析对于水资源安全这个目标层，水量安全准则层权重大于水生态安全准则层和水效安全准则层，水量安全作为区域水资源基础用水安全问题，是水资源安全主要的驱动力量。同时，水资源短缺是区域水资源长期存在的问题，通过促进用水效率性、效益型指标的改善，节水效果明显，可以间接反映在区域的水资源安全程度提升上。依据水资源安全综合评价方法，结合熵值法计算出的指标权重，计算出水资源安全评估值及评估结果，见表 5。表 5水资源安全目标层评估结果由表 5 可见，评估结果为“非常安全”的是临汾市，从准则层来看，各方面条件均较好，但这是对整个临汾市的评估，临汾部分县区是属于地下水超采区，需要暂停新增取水许可，充分用足黄河水指标，并进行地下水超采区综合治理。评估结果为“基本安全”的是太原市和运城市，这两个地市水量安全、水效安全以及水生态安全评估等级分别为“安全”、“基本安全”、“基本安全”，需要通过技术创新等措施提高工业、农业以及生活用水效率，来降低水效安全风险；同时，太原市和运城市水量安全的前提是充分用足黄河水指标，因此，要充分利用黄河水，加大地下水压采力度，落实地下水超采治理措施，提高非常规水回用率，加大生态修复治理力度，来降低水生态安全风险。评估结果为“安全”的有大同市、朔州市、忻州市、阳泉市、吕梁市、晋中市、长治市、晋城市等剩余 8 个地市。其中，大同市、长治市、忻州市和吕梁市水生态安全风险较大，需要加大中水回用率，提高矿坑水回用率，以减少废污水排放量，从而提高河流水质达标率，提高水生态安全；阳泉市水效安全风险较大，主要是城镇人均综合用水量及单位面积灌溉用水量评价指标较大，需要提高公众节水意识，加大节水力度，通过技术创新等措施提高工业、农业以及生活用水效率；晋中市和晋城市的地下水管控指标开发利用程度及多余城市污水排放率指标较大，需要加大中水回用率，同时充分利用黄河水指标置换部分地下水以满足2025 年地下水控制指标，降低水资源安全风险；朔州评价区域水量安全水效安全水生态安全评估值 评估结果 评估值 评估结果 评估值 评估结果太原市0.67安全0.52基本安全0.48基本安全大同市0.79安全0.72安全0.60基本安全阳泉市0.85非常安全0.58基本安全0.64安全长治市0.82非常安全0.75安全0.53基本安全晋城市0.69安全0.68安全0.51基本安全朔州市0.66安全0.77安全0.79安全忻州市0.80安全0.73安全0.60基本安全吕梁市0.69安全0.82非常安全0.56基本安全晋中市0.73安全0.75安全0.60基本安全临汾市0.86非常安全0.79安全0.81非常安全运城市0.63安全0.51基本安全0.49基本安全山西省0.75安全0.70安全0.60基本安全评价区域水资源安全评估值水资源安全评估结果太原市0.58基本安全大同市0.71安全阳泉市0.72安全长治市0.72安全晋城市0.64安全朔州市0.72安全忻州市0.72安全吕梁市0.69安全晋中市0.70安全临汾市0.83非常安全运城市0.56基本安全山西省0.69安全龚孟梨，王文晖，王媛媛：基于熵值法的山西省水资源安全综合评价56山西水利科技第 2 期（总第 228 期）市水量安全风险较大，需要严格控制用水总量，优化水资源配置方案，同时在水量控制的前提下，进一步加大节水力度，提高中水回用率，实现水资源供需平衡。山西省水资源安全评估值为 0.69，属于“安全”等级。对于整个山西省水资源安全提升来说，需要有针对性地采取以下措施提高山西省水资源安全：1）坚持“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”的原则，严格控制用水总量，优化水资源配置方案，实现水资源供需平衡。2）用足黄河水，以充分压采地下水。水利部黄委会于 2019 年 2 月以黄水调函 2019 21 号文明确山西黄河干流耗水指标 28.03 亿 m3。2020 年山西省黄河干流实际取水量 13.35 亿 m3，还有很大的用水空间。3）提高非常规水回用率，加大生态修复治理力度，落实地下水超采治理措施，来降低水生态安全风险。4结论及建议根据对山西省各地市水资源安全评估结果可见，太原市和运城市评估结果为基本安全，临汾市为非常安全，剩余 8 个地市评价结果均为安全，但就目前来讲，各地市的水资源安全程度距离安全的界限还有一定的距离。从实际分析来看，山西省水资源安全问题，除受地理位置和水资源条件的影响之外，主要是由于在水资源开发利用中缺乏统一有效的管理体制和保护措施，水资源开发模式不合理以及水资源的有效利用率低等原因造成的，因此要提高山西省水资源安全状况，必须建立切实有效的水资源安全保障措施，保证水资源系统的良性循环和社会经济的可持续发展。本文提出的水资源安全评估是以地市为单位进行的，在实际各县（区、市）水资源管理工作中，还需要结合实际情况对措施进行调整。比如临汾市水资源安全评估结果为“非常安全”，地下水超采程度在安全阈值范围内，但是根据山西省水利厅文件晋水资源2020 162 号文，临汾市的侯马市、曲沃县、翼城县、襄汾县以及浮山县属于地下水超采区，需要暂停新增取水许可，并进行地下水超采区综合治理。同时需要说明的是，本文中提出的提高水资源安全的措施只是短期内提升水资源安全的最优提升方向，当水资源安全评估结果发生明显变化时，需要重新判定提升方向。参考文献：1 邱德华援区域水安全战略的研究进展 J.水科学进展，2005，16（2）：305-312.（QIU D H.Research advances in regional watersecurity strategy J.Advance in Water Science，2005，16（2）：305-312.（in Chinese）.2 FALKENMARK M，WIDSTRAND C.Population and waterresources：adelicetebalance J.PopulationBulletin，1992，47（3）：1-36.3 SULLIVAN C A，MEIGH J R，GIACOMELLO A M.The waterpoverty 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