黄河流域水资源节约集约利用能力评价.pdf
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1、黄河流域水资源节约集约利用能力评价李跃红,蒋晓辉,张琳(西北大学城市与环境学院,西安710127)摘要:基于主成分分析法和熵值法,从水资源系统、社会经济系统、生态环境系统 3 个方面选取 17 个指标建立评价体系,使用黄河流域 20112020 年的相关数据,进行黄河流域水资源节约集约利用能力评价。研究结果表明:黄河流域水资源节约集约利用能力整体上呈先降低后上升趋势,由 2011 年的0.0935 增长到 2020 年的 0.1097,9 个省(自治区)的水资源节约集约利用能力从大到小分别为青海(0.0253)、陕西(0.0126)、山西(0.0122)、甘肃(0.0114)、四川(0.011
2、0)、宁夏(0.0103)、内蒙古(0.0091)、河南(0.0089)和山东(0.0089);黄河流域水资源节约集约利用仍存在水资源供需矛盾突出、开发利用率高、利用效率低和生态环境脆弱的问题,针对这些问题提出加强黄河流域水资源节约集约利用的对策,为推动黄河流域用水方式由粗放低效向节约集约转变提供依据。关键词:水资源;节水;集约;主成分分析法;熵值法;黄河流域中图分类号:TV213文献标志码:ADOI:10.13476/ki.nsbdqk.2023.0071“水资源节约集约利用”主要包括两层含义:一是保护水资源,即对水资源的数量、质量和生态功能进行保护,从而保护水资源,防止水资源遭到破坏或者枯
3、竭,影响人类生存;二是水资源节约集约利用,包括节约和集约两方面的内容1。节约用水不是不让用水,而是减少用水量,让人们高效地使用水资源,改善用水结构,加强用水管理,改变粗放的利用方式以此提高水资源利用效率,推动水资源可持续发展,尽力维持水资源总量的稳定2-4。集约用水是相对于粗放用水而言的,是以水资源总量为刚性约束,通过提高资金、管理措施和科学技术等的使用效率或者降低要素重组所需投入的成本来提高水资源利用效率,获取最大的经济效益5-6。这两方面相辅相成、相互联系,在促进水资源可持续发展的过程中二者不可或缺。张欣等7从农业、工业、服务业、生活和综合 5个方面选取 10 个指标,采用用水定额和分级标
4、准相结合的评价方法对我国华北地区缺水区域进行评价。张志旭等8对咸阳市进行了节水评价,采用因素分解模型将用水变化驱动效应分解为规模效应、技术效应和结构效应。孙晓文等9采用层次分析法对高耗水行业的典型重点监控用水单位进行评价,指出了节水管理中存在的问题,提出了相应的节水对策。王红瑞等10用 AHP-CRITIC 综合赋权的方法建立水资源集约安全利用评估模型,并应用于2019 年我国 31 个省级行政区。廖文梅等11从农业、工业以及生活用水 3 个方面选取区域水资源集约利用指数,以鄱阳湖生态经济区为研究对象,对区域内水资源集约利用进行综合评价。邓铭江12从节水优先、用水总量控制、高效利用和循环经济
5、4 个方面探究了旱区水资源集约利用内涵,并提出了相应措施,以期为旱区水资源集约利用提供借鉴。Li等13以江苏省为例,基于层次分析法全面分析江苏省民用建筑物节水现状和问题。Mao 等14基于相关函数和层次分析法,利用定量与定性相结合的节水综合评价指标体系对浙江省舟山市和玉环县进行评价。Zhao 等15基于 TOPSIS 方法构建了综合评价指标体系来评价中国四川省 21 个典型湿润地市的节水灌溉发展水平。Zhang 等16利用 AHP-TOPSIS 模型分析了河南省近 10 年的节水状况。收稿日期:2022-11-14修回日期:2023-05-03网络出版时间:2023-07-10网络出版地址:h
6、ttps:/ 年 3 月黄河流域综合规划(20122030 年)进入组织实施阶段,其中提出了执行最严格的水资源管理制度,并推行各种节水措施,做到节流开源并举、节流优先、适度开源,以此来建设资源节约、环境友好的节水型社会。2016 年水利改革发展“十三五”规划要求全面推进节水型社会建设,实施全民节水行动计划。2017 年水利部全面启动县域节水型社会达标建设,黄河流域各省因地制宜,均印发省级县域节水型社会达标建设实施方案。2019 年国家节水行动方案印发,提出节水主要目标、重点行动和具体要求等。黄河流域各省相继出台省级节水法规或规范性文件,均制定印发省级节水行动实施方案。2021 年 8 月水利部
7、印发关于实施黄河流域深度节水控水行动的意见,其内容表明要全面贯彻深度节水控水政策,把量水而行、节水为重作为中心,把水资源作为最大的刚性约束来推进该流域水资源高效和持续利用。2021 年 10月印发的黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要中关于水资源节约集约利用提出必须坚持量水而行、节水优先的内容。黄河是西北地区和华北地区重要的水源地之一17,因此构建合理的水资源节约集约利用能力评价体系对其具有重要意义。结合黄河流域水资源实际情况,本文运用主成分分析法和熵值法,从水资源系统、社会经济系统和生态环境系统 3 方面选取17 个指标建立黄河流域水资源节约集约利用能力评价体系,得到黄河流域 9 省(自治区
8、)20112020年的节约集约能力,分析黄河流域水资源节约集约利用存在的问题及原因,有针对性地提出提升对策,为该流域水资源的高效利用提供依据。1黄河流域水资源利用现状黄河是我国北方的重要水源,长 5464km,是仅次于长江的第二长河18。黄河流域幅员辽阔,自西向东分别流经青、川、甘、宁、内蒙古、陕、晋、豫、鲁9 个省(自治区)19,流域面积达79.5 万 km2(含内流区面积 4.2 万 km2)。21 世纪以来,经济社会的发展加剧了水资源的紧张趋势,全国 50 多座大中城市由黄河供水,开发利用率超过了 80%,远超一般河流生态警戒线,供需矛盾突出20-21。黄河水资源公报显示,2020 年,
9、黄河流域供水区总取水量为 536.15 亿 m3,其中地表水取水量占 79.5、地下取水量占 20.5。供水区总耗水量为 435.35 亿 m3,其中地表水耗水量占 81.3、地下水耗水量占 18.7。黄河供水各省(自治区)取水量、耗水量见表 1。总取水量内蒙古最多为 111.94 亿m3,占总取水量的 20.9;总耗水量山东最多为88.87 亿 m3,占总耗水量的 20.4。黄河流域分行业取水量、耗水量百分比见图 1、图 2。从图 1 可以看出:农业取水量最多,占总取水量的 65.3;生态环境取水量最少,占总取水量的 10.2。从图 2 可以看出:农业耗水量最多,占总耗水量的 64.7;工业
10、耗水量最少,占总耗水量的 10.6。表1黄河供水各省(自治区)取水量、耗水量Tab.1Waterintakeandconsumptionoftheprovinces(autonomousregions)suppliedbytheYellowRiver单位:亿m3省(自治区)取水量耗水量地表水地下水合计地表水地下水合计青海12.642.1714.819.331.3110.64四川0.240.010.250.190.010.20甘肃34.523.1837.7028.032.2730.30宁夏65.076.1571.2239.874.3244.19内蒙古88.3123.63111.9466.1518
11、.3784.52陕西36.5628.3464.9029.2220.8750.09山西32.1518.6150.7628.9914.0443.03河南52.6721.1973.8649.7615.4265.18山东85.686.7092.3883.964.9188.87河北18.33018.3318.33018.33合计426.17109.98536.15353.8381.52435.35农业取水65.3%工业取水10.6%生活取水13.9%生态取水10.2%图1黄河流域分行业取水量百分比Fig.1PercentageofwaterextractedbyindustryintheYellowRi
12、verbasin第21卷第4期南水北调与水利科技(中英文)2023年 8 月732农业耗水64.7%工业耗水10.6%生活耗水13.2%生态耗水11.5%图2黄河流域分行业耗水量百分比Fig.2PercentageofwaterconsumptionbyindustryintheYellowRiverbasin2数据来源及研究方法2.1数据来源20112020 年指标数据来源:人均用水量、人均水资源量、地表水开发利用率、用水普及率、水重复利用率、森林覆盖率和废水排放总量数据来源于中国环境统计年鉴;耗水总量、供水总量、工业用水总量、农业用水总量和生态用水总量数据来源于黄河水资源公报;城市供水管网
13、漏损率和城市污水处理率由中国城乡建设统计年鉴计算整理得到;万元工业增加值用水量、万元 GDP 用水量和农田有效灌溉面积均来源于中国统计年鉴。2.1.1评价指标体系选取原则综合性原则。指标的选取必须综合考虑研究领域内的各种不同因素,包括自然、社会和经济条件等,既要能反映出研究区域的主要特征、状态,也要能反映出它们之间的内在联系,从而对其进行全面综合的分析和评价。客观性原则。客观性是指各指标的选取能客观反映研究区的自然经济和社会特征,尊重客观实际同时有科学的理论作为支持,保证研究结果的真实性。典型性原则。水资源利用能力受到多种社会、经济和资源环境因素的影响,其影响程度不同,所以选取指标要具有典型代
14、表性,尽可能准确反映研究区域的特征。可比性原则。评价指标体系要有通用可比性,对评价指标数据采取调整权重的方法,使得评价结果更加科学合理。实用性原则。评价指标体系不能太复杂,合理地选取指标,评价所需要的数据要容易获得,同时要考虑数据的准确性,评价方法要简单,容易计算,确保评价结果的真实可靠性。2.1.2评价指标体系水资源节约集约利用能力评价的核心环节就是建立评价指标体系。本着客观性、典型性和可比性等原则,根据黄河流域水资源利用现状,结合 2021年国家发改委联合有关部门印发的黄河流域水资源节约集约利用实施方案,在众多评价指标中,有针对性地选择出水资源系统、社会经济系统和生态环境系统 3 个一级指
15、标、用水普及率和供水总量等17 个二级指标作为黄河流域水资源节约集约利用能力评价的指标体系,见表 2。2.2水资源节约集约利用能力评价方法考虑评价结果的准确性和客观性,选取主成分分析法和熵值法开展黄河流域水资源节约集约利用评价。2.2.1主成分分析法主 成 分 分 析 法(principal component analysis,PCA)是利用降维的方法对基础指标体系进行筛选,将原本可能存在相关关系的变量通过正交变换进行转换,得到一组线性不相关的变量22。利用SPSS26对原始数据进行分析处理,对各指标在各主成分线性组合中的系数的加权平均的归一化,计算得到所选 17 个指标的权重值(表 3),
16、计算步骤如下:计算相关系数矩阵:R=r11r12r1pr21r22r2p.ri1ri2rip(1)rij(i,j=1,2,p)xixjx1,x2,xp式中:为原变量 和的相关系数(记原有变量指标为)。计算特征值和特征向量:|ER|=012 p 0iei(i=1,2,p)解特征方程,这里 E 是单位矩阵,求出所有特征值,并按其大小顺序排列为,分 别 求 出 对 应 特 征 值的 特 征 向 量。根据特征值,计算主成分累计贡献率:mk=1kpk=1k(2)计算原指标在不同成分线性组合中的系数:lij=eiji(i=1,2,m;j=1,2,p)(3)eijixj式中:为第 主成分对原指标变量 的载荷
17、数。计算主成分贡献率:李跃红,等黄河流域水资源节约集约利用能力评价733表2黄河流域水资源节约集约利用能力评价指标体系Tab.2EvaluationindexsystemofwaterresourcesconservationandintensiveusecapacityintheYellowRiverbasin目标层准则层指标层属性指标含义黄河流域水资源节约集约利用能力评价水资源系统人均用水量/m3负向是指一个人生活中使用的水量人均水资源量/m3正向指在一个地区内某一个时期每个人占有的平均水资源量地表水开发利用率/负向流域或区域地表用水量占地表水资源总量的比,体现地表水资源开发利用的程度供水
18、总量/亿m3负向指各种水源提供的包括输水损失在内的毛供水量耗水总量/亿m3负向指在输水、用水过程中通过蒸发蒸腾、居民引用、土壤吸收等多种途径消耗掉不能回归到地表水体和地下含水层的水量工业用水总量/亿m3负向是指工业生产过程中使用的水和员工生活用水量的和农业用水总量/亿m3负向是指农田、林地、草地和鱼塘等用水量的和生态用水总量/亿m3负向包括部分河湖、湿地补水和人类提供的城镇环境用水社会经济系统万元工业增加值用水量/m3负向工业用水量与工业增加值之比,也就是以万元为单位的工业增加值万元GDP用水量/m3负向由总用水量除以生产总值得到城市供水管网漏损率/负向城市管网漏损的水量与供水总量之比,是衡量
19、供水系统效率的指标用水普及率/正向指城市用水的非农业人口数与城市非农业人口数之比农田有效灌溉面积/103hm2正向是地块比较平整,有一定水源、灌溉设施配套,在一般年景下当年能进行正常灌溉的农田面积生态环境系统废水排放总量/万t负向包括生产过程中的工业废水和居民的生活污水水重复利用率/正向生产过程中重复用水量加上回用水量与总用水量之比城市污水处理率/正向指经过污水处理厂处理的城市污水量占污水排放总量的比森林覆盖率/正向是指森林面积占土地总面积的比值ui=mk=1k(i=1,2,m)(4)计算原指标在综合模型中的系数:dj=mi=1uilij(i=1,2,m;j=1,2,p)(5)指标权重归一化,
20、计算各个因子所占的权重:j=djpk=1dk(j=1,2,p)(6)2.2.2熵值法熵在信息论中是对不确定性的一种度量。信息少,不确定性增大,熵值就越大23-24。熵值法是通过计算指标数据的熵值来量化指标相对变化程度对研究对象的影响,是一种客观的计算权重的方法。指标的熵值与有效信息量及其权重成反比。这种方法几乎不受主观因素的影响,有效地补偿了人为原因造成的结果不准确25-26,使计算结果更加真实可靠。由于熵值法需要有一定量的样本数据才能进行权重计算,且熵值与指标数值本身的大小关系非常密切27,因此熵值法只适用于二级指标的构权,熵值法的主要步骤28-30如下:ijB设定数据矩阵,构建第 年样本第
21、 项评估指标的判断矩阵。B=X11X12X1jX21X22X2j.Xi1Xi2Xij(7)Xijij式中:为第 年第 项指标的值。数据的标准化:水资源节约集约利用有一系列指标的影响因素。由于构建评价指标体系时选取的指标范围比较广泛,各指标间的评价标准和单位不同,因此,需要对指标进行标准化处理,消除变量之间的关系,保证数据的可比性。正向指标标准化方法:Yij=XijminXijmaxXijminXij(8)逆向指标标准化方法:Yij=maxXijXijmaxXijminXij(9)Yijij式中:指的是第 年第 项指标数据的标准化值;第21卷第4期南水北调与水利科技(中英文)2023年 8 月7
22、34XijmaxXijminXijij表示原始数据;、代表第 年第 项指标的最大值和小值。确定指标权重:ijRij计算第 年第 项指标值的比重:Rij=Yij/ni=1Yij(10)jHj计算第 项指标的熵值:Hj=ni=1RijlnRij/lnn(11)jGj计算第 项指标的差异性系数:Gj=1Hj(12)j计算各指标的权重:j=Gj/mj=1Gj(13)RijijXijijHjjGjjjj式中:是第 年第 项指标值占该指标总值的比重;是第 年第 项指标的具体值;是第 项指标的熵值;是第 项指标的差异性系数;是第项指标的权重。由熵值法计算得到黄河流域水资源节约集约利用能力评价各指标的权重见表
23、 3。表3黄河流域水资源节约集约利用能力评价权重Tab.3WeightofevaluationofwaterresourcesconservationandintensiveusecapacityintheYellowRiverbasin指标层熵值法权重 主成分分析法权重 组合权重人均用水量0.0281060.0338910.030998人均水资源量0.3088420.0203700.164606地表水开发利用率0.0151720.0176750.016423供水总量0.0645340.1004420.082488耗水总量0.0898620.0983460.094104工业用水总量0.0323
24、950.0920420.062218农业用水总量0.0765700.1000360.088303生态用水总量0.0146110.0804920.047551万元工业增加值用水量0.0245300.0542720.039401万元GDP用水量0.0141770.0262280.020202城市供水管网漏损率0.0385080.0032240.020866用水普及率0.0378130.0848580.061335农田有效灌溉面积0.1090710.0918060.100438废水排放总量0.0295140.0812270.055370水重复利用率0.0214980.0363890.028943城市
25、污水处理率0.0199010.0354060.027653森林覆盖率0.0748960.0432980.0590972.2.3组合权重及评价值计算Wj基于熵值法和主成分分析法的组合权重计算公式为Wj=(j+j)/2(14)根据求出的组合权重,采用线性加权法分别计算评价值,计算公式为Ej=17j=1YijWj(15):YijijWjjEj式中指的是第 年第 个指标数据的标准化值;是第 个指标的组合权重;为水资源节约集约利用能力综合评价值。3结果与讨论针对研究区域水资源的实际情况,利用 2.2 节中的公式计算得出各指标的权重以及黄河流域 9 个省(自治区)20112020 年每个年份的水资源节约集
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