1、第 卷第期 年月水土保持通报 ，收稿日期：修回日期：资助项目：国家自然科学基金项目“基于侵蚀能量过程的集合式流域水土流失预报模型”（）；国家自然科学基金项目“黄土区生态建设治理格局对流域水文水动力过程的作用机理研究”（）；陕西省教育厅重点实验室项目（）；清洁能源与生态水利工程研究中心科技项目（）第一作者：赵 宾 华（），男（汉 族），陕 西 省 宝 鸡 市 人，博 士，讲 师，主 要 从 事 流 域 生 态 水 文 水 动 力 过 程 与 水 土 保 持 研 究。：。通讯作者：黄金华（），男（汉族），江西省景德镇市人，硕士研究生，研究方向为水文水资源与水土保持。：。基于 熵值法组合赋权的甘肃省
2、城市生态用水安全综合评价及影响因素分析赵宾华，黄金华，李占斌，李 婧，周超艳（西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 ；旱区生态水文与灾害防治国家林业和草原局重点实验室，陕西 西安 ；中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 ）摘要：目的综合评价甘肃省城市生态用水安全的关键影响因素，为协调地区生态、生产和生活的关系提供借鉴。方法基于社会、经济、生态以及水资源开发利用，构建生态用水评价体系；综合层次分析法和熵值法得出权重，进行生态用水安全水平划分，并辨析生态用水安全主要影响因素。结果 年嘉峪关、兰州和甘肃省整体生态用水安全指数值大于，处于基本安全水平，其他 座
3、城市均处于较不安全水平。年核心区的生态用水安全水平较低，主要受生态效益子系统影响。绿化覆盖面积、生态环境用水比例、人均公园绿地面积和城市化水平是影响生态用水安全水平的主要障碍因子，其贡献度在 以上。结论甘肃省各市区生态用水安全不容乐观，需提高生态效益来改善甘肃省各市区生态用水安全。关键词：生态用水；层次分析法；熵值法；评价指标；安全评价文献标识码：文章编号：（）中图分类号：文献参数：赵宾华，黄金华，李占斌，等基于熵值法组合赋权的甘肃省城市生态用水安全综合评价及影响因素分析水土保持通报，（）：；，（）：，（.，；.，；.，）：，（），（），：；甘肃省位于黄河上中游，下辖 个地级市和个自治州，面积
4、 ，占全国的百分之一，有着巨大的发展潜力。甘肃省坚持“守底线、优格局、提质量、保安全”的总体思路，建立以“三线一单”为核心覆盖全省的生态分区管控体系。年底，甘肃省政府常务会审议通过 关于实施“三线一单”生态环境分区管控的意见，而水资源在其中占有举足轻重的地位。长期以来，甘肃省由于水资源相对贫乏、时空分布不均且受制于经济发展和工程技术水平的限制，所以整体水生态安全不容乐观。因此，定量了解甘肃的水资源状况就是当前最迫切的需求。近年来水资源评价主要集中在水资源承载力、水安全、河流健康等方面，由于学者看待水资源的角度不同，研究的重点也不同。学者对水安全评价大多基于某个省或某个市。如李奕霖基于 选取相应
5、指标评价 年广东省水安全；姚望等基于 选取相应指标评价 年贵州省的水资源安全；陈冬冬基于熵权综合评价法对郑州市水资源安全问题进行研究；王繄玮等从治污、防洪、排涝、供水、节水和社会经济个方面选择指标，采取层次分析法评判临海市水资源状况。还有的学者从城市群或流域角度评价，如唐家凯等研究黄河流域沿线青海、四川等个省的水资源状况，杨静等 基于熵权法建立京津冀城市群水资源循环经济评价体系。目前前人多关注于城市群和整个省的水资源状况，忽视了组成省和城市群的各个城市的水资源现状，因此本研究对甘肃省内各市水资源利用及配置研究具有一定意义。中国生态用水问题是从河流生态环境最小需水量研究开始的，分为河道内用水和河
6、道外用水，生态用水包括与生态本身用水和有关物理环境用水 。随着生态问题日益严重，生活、生产和生态用水观念日益被人们所理解，而生态用水在水资源分配中常被生产和生活用水挤压，忽视了生态用水的重要性。本文主要研究河道外生态用水，定量分析甘肃省的生态用水状况，对甘肃省城市生态用水安全的关键影响因素进行综合评价，以期为协调地区生态、生产和生活的关系提供借鉴。材料方法研究区概况甘肃地处中国内陆腹地，远离海洋，气候干燥，雨量稀少，是全国最干旱和水土流失最严重的省份之一，年均降水量 左右，降水各季分配不均，主要集中于月，且自东南向西北减少。甘肃省各地区海拔大多在 以上，山脉纵横交错，海拔相差较大，四周为群山峻
7、岭所环抱。造成甘肃省各市区水资源量空间分布不均和水资源开发利用程度不一致，制约着当地社会经济发展。因此需进一步分析各市区的生态用水安全水平，确定制约因素。为方便分析城市生态用水变化状况，将甘肃省省会城市兰州和周边的白银、临夏回族自治州和武威划分为核心区，并以此为轴，将嘉峪关、酒泉、张掖和金昌划分为甘西地区，庆阳和平凉市为甘东地区，甘南藏族自治州、定西、陇南天水划分为甘南地区（图）。图甘肃省分区 数据来源城区发展数据（人口密度、人均日生活用水量、污水处理率、绿地覆盖面积和人均公园绿地面积）来源于城市建设统计年鉴（年）。水资源数 水土保持通报第 卷据（地表水资源量、地下水资源量、水资源总量、工业用
8、水量、生活用水量、生态环境用水量、总用水量和万元 用水量）来源于甘肃省水资源公报（年）。基础数据（工业产值、工业增加值、人口数和人口自然增长率）来源于甘肃统计年鉴（年）。研究方法评价指标体系建立生态用水安全评价需要从不同角度、不同层面反映水资源均衡调配带来的效益。可以将效益划分为社会、经济和生态个方面。水资源开发利用状况是反映水资源调配方案是否合理可行的主要依据，所以选取的准则层为生态效益、经济效益、社会效益和水资源开发利用。参考已有的研究 ，从上述个方面共选取了 个评价指标，构建甘肃省城市生态用水安全评价体系，具体内容详见图。图甘肃省城市生态用水安全评价体系 指标标准化如果数据的量纲不同，一
9、般需要进行无量纲化处理。本文采用极差变化法进行数据的无量纲化处理，具体见公式（）和（）。正向指标标准化公式：（）（）（）负向指标标准化公式：（）（）（）式中：为标准化后的指标值；为各指标的原始值；，分别为所选数据序列中的最大值与最小值。主客观组合赋权法本研究采用主客观方法相结合的赋权方法对评价指标进行赋权，将层次分析法（）与熵值法进行组合，弱化单独使用主观或客观方法可能带来的影响，从而计算甘肃省各城区水安全评价指标的指标权重。层次分析法和熵值法的具体过程参见文献 。本研究认为层次分析法和熵值法计算出的权重具有同样的价值，所以将层次分析法和熵值法权重计算结果按照 加权求和，得到各评价指标最终结果
10、。综合权重可以避免这两种方法的不足，寻求更为科学的权重结果。障碍度函数计算为了进一步掌握影响生态用水安全的主要指标，引入障碍度函数。其主要包含贡献度、指标偏离障碍度个衡量因子。贡献度和指标偏离度计算公式分别为：（）（）第个指标对生态用水的障碍度为：（）式中：为指标层权重；为准则层权重。评价标准等级划分借鉴水安全指数计算公式，计算生态用水安全指数的公式为：（）式中：，为各准则层的权重值；为社会效益指数；为经济效益指数；为生态效益指数；为水资源开发利用指数。由于计算出来的生态用水安全指数无法直接体现一个城市的生态用水安全，需将其转化为等效值，以便更加方便地反映水生态现状。借鉴文献 第期赵宾华等：基
11、于 熵值法组合赋权的甘肃省城市生态用水安全综合评价及影响因素分析关于水安全评价标准，将综合指数以及评价标准列于表中。表生态用水安全评判等级划分 综合指数评价等级生态用水安全指数 安 全 较安全 基本安全 较不安全 不安全 严重不安全结果与分析甘肃省生态用水安全评价体系权重确定根据层次分析法和熵值法对 年甘肃省各城区数据进行处理，其权重详细结果见表。根据熵值法计算的结果表现为：社会效益生态效益经济效益水资源开发利用。而层次分析法的结果为：生态效益水资源开发利用社会效益经济效益。综合权重的结果为：生态效益社会效益水资源开发利用经济效益。熵值法中权重越大则表明指标间的相差越大，水资源开发利用的权重值
12、仅为，表明 年水资源开发利用无较大转变。而社会效益权重值最大是符合甘肃省发展实际的，原因是从 年甘肃省各市区工业、人口、生活均有较大的提升。层次分析法和熵值法计算权重值结果相差较大，这是主客观之间的差距，专家们认为生态用水安全应以生态效益为主，而客观结果以社会效益为主。所以本文选取主客观相结合的方法，能有效避免单一方法带来的误差，使结果与实际更相符。表甘肃省生态用水安全指标体系权重值 目标层准则层熵值法综合权重值指标层 熵值法综合权重生态用水安全指标体系人均日生活用水量 生活用水比例 社会效益（）工业用水比例 人口自然增长率 人口密度 城市化水平 万元 用水量 经济效益（）工业增加值增长率 单
13、方水工业产出 污水处理率 生态效益（）生态环境用水比率 人均公园绿地面积 绿化覆盖面积 水资源开发利用（）水资源开发利用率 地下水开采率 甘肃省各城区生态用水安全评价运用公式（），计算得到甘肃省各城区的生态用水安全指数值（表）。图和表显示了甘肃省和各分区生态用水安全的时空分布特征。整体来看，甘肃省及各分区的生态用水安全在 年呈现不稳定且波动趋势，甘肃省的生态用水安全指数在 范围内，属于基本安全水平。变化趋势为先下降，后稳步提升，最终在 年达到最高点（），个分区与甘肃省变化趋势相一致，尤其是 年后各个分区的生态用水安全指数均显著提升，除甘东地区外均在 年达到最大值。对比 年和 年个分区的生态用水
14、指数，甘东地区降低，而其他个地区的指数均增加。年甘西、甘南、甘东的生态用水安全指数数值在 范围内波动变化，安全等级均为级。而 年核心区的生态用水安全指数数值低于（级阈值），生态用水安全转变为不安全状态，原因主要是受核心区内的白银、临夏和武威三市影响。期间三市的生态用水安全水平低于，主要受生态效益子系统的影响，如 年武威、白银和临夏生态效益的指标值分别为，位居甘肃各城区倒数。年各市区间的差异较大。年甘肃省 个城市生态用水安全指数，由大到小排序依次为嘉峪关（）、金昌（）、陇南（）、甘南（）、天水（）、平凉（）、庆阳（）、兰州（）、酒泉（）、定西（）、张掖（）、白银 水土保持通报第 卷（）、武威（）
15、和临夏（）。其中，嘉峪关处级，武威和临夏处级水平，其他城市则为级水平。年 由 大 到 小 的 排 序 为 兰 州（）、嘉 峪 关（）、甘南（）、酒泉（）、陇南（）、定西（）、庆阳（）、金昌（）、张掖（）、平凉（）、天水（），临夏（）、武威（）和白银（）。从 年，兰州生态用水安全等级由较不安全提升为基本安全水平，数值增加了 ，原因主要是 间兰州生态效益和水资源利用开发利用效率显著提升，生态效益提升了 。生态安全水平较低的地区一直在兰州地区周边（即武威、临夏和白银），但相比于 年，武威和临夏两市生态用水安全等级提升一级，转为较不安全水平。年甘肃各城市中白银的生态用水安全水平最低，接近较不安全与不安
16、全的临界值，水平为级，相比于 年降低了。主要原因为白银的生态效益全省倒数第一，影响了生态用水安全水平，所以应加强三市生态用水的调度与管控，防止生态安全水平降低。表甘肃省及各市 生态用水安全指数 地区市（区）生态用水安全指数 年 年 年 年 年 年 年 年 年 年酒 泉 甘 西嘉峪关 张 掖 金 昌 武 威 核心区兰 州 白 银 临 夏 甘 东平 凉 庆 阳 定 西 甘 南天 水 甘 南 陇 南 甘肃全省 图甘肃省各城区生态用水安全指数 甘肃省各城区生态用水安全指数障碍因素分析基于上述分析，甘肃省 个城区生态用水安全水平均处于较不安全水平。但无法确定控制何种生态用水安全指标可以有效提升安全水平，所以引入障碍度函数可以为更加精准地制定生态用水安全提升策略提供参考依据。结合公式（），计算了 年甘肃各城区生态用水安全指标层的因子障碍度，并 选 取 障碍 度 排 名前 个 指标进行统 计 分 析（图）。研究发现，甘肃省各城区生态用水安全指数主要障碍因素为绿化覆盖面积（）、生态环境用水比例（）、人均公园绿地面积（）和城市化水平（）。由图可知，年绿化覆盖面积障碍度最大，为。人均公园绿地面积的障碍度值