基于DPSIR模型的西北五省區(qū)水安全評價

蔣忙舟，楊 志，張曉明，李 鵬，許垚濤，趙 陽，任宗萍，王得軍，文妙霞

(1. 中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043; 2. 寧夏回族自治區(qū)水土保持監(jiān)測總站，寧夏 銀川 750002; 3. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048; 4. 西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048; 5. 旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國家林草局重點實驗室，陜西 西安 710048; 6. 國家林業(yè)和草原局西北調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，陜西 西安 710048)

0 引 言

水是維持區(qū)域社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要資源，同時也是區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的重要資源。“水安全”一詞最早起源于20世紀40年代，自2000年世界水論壇發(fā)表《21世紀水安全：海牙世界部長級會議宣言》以來，水安全備受人類關(guān)注。水資源安全研究主要包括：水安全測度、水資源管理、水安全評價。水安全系統(tǒng)包括水資源安全子系統(tǒng)、水環(huán)境安全子系統(tǒng)、水生態(tài)安全子系統(tǒng)以及其他子系統(tǒng)，系統(tǒng)之間相互制約、相互依賴。同時，水安全系統(tǒng)與社會經(jīng)濟系統(tǒng)密切相關(guān)，是社會經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。水安全系統(tǒng)的優(yōu)劣往往會導(dǎo)致深層次的社會經(jīng)濟問題，如糧食安全、生態(tài)安全等。因此，作為水資源管理基礎(chǔ)的水安全評價成為學(xué)者們研究的熱點之一。

目前，水安全評價主要通過建立評價指標體系進行研究。從評價角度來看，研究主要集中在水資源供需平衡、區(qū)域水資源承載能力和區(qū)域水安全評價中的水足跡。從評價方法來看，大致可分為5種：①主成分分析法，往往由于主成分的含義較為模糊，使得水安全的分級標準難以確定，導(dǎo)致存在一定的主觀性；②模糊評價法，在處理多層次問題上具有一定的優(yōu)勢，但易受到人為的干擾；③層次分析法，與模糊評價法有同樣的缺陷；④系統(tǒng)動力學(xué)(SD)模型，能夠較好地解決水安全系統(tǒng)中的復(fù)雜問題，但大多數(shù)研究集中在水安全單個子系統(tǒng)問題上；⑤目標規(guī)劃模型、投影尋蹤回歸模型等。然而，為了準確評價區(qū)域水安全，往往需要從不同的維度構(gòu)建水安全評價指標體系，滿足水安全評價的需求，但評價指標體系子系統(tǒng)之間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系鮮有學(xué)者進行研究，同時針對評價結(jié)果具體受到哪些因子的制約也未進一步分析。

近年來，氣候變化和快速的城市化導(dǎo)致用水量穩(wěn)步增加并誘發(fā)嚴重的水危機。陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆地處中國西北干旱區(qū)，水資源短缺、生態(tài)環(huán)境脆弱、水資源過度開發(fā)和水環(huán)境污染等問題導(dǎo)致水安全隱患突出。因此，本文基于驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(DPSIR)模型從社會、經(jīng)濟、資源、生態(tài)4個方面建立西北五省區(qū)水安全評價指標體系，采用單指標量化-多指標綜合-多準則綜合法(SMI-P)分析水安全發(fā)展格局，并分析驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)5個子系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)度，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建障礙度模型，進一步對水安全度的障礙因子進行分析，以期為進一步改善西北五省區(qū)水資源管理提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

以西北五省區(qū)(陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆)為研究區(qū)，選擇2005、2010、2015和2018年為研究年份。數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》和相關(guān)省份、自治區(qū)統(tǒng)計年鑒。一部分數(shù)據(jù)直接來源于上述年鑒，部分數(shù)據(jù)通過查找得到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后計算得到。

1.2 水安全評價指標體系

DPSIR模型在20世紀90年代由歐洲環(huán)境署(EEA)開發(fā)，作為描述、溝通和分析社會與環(huán)境之間復(fù)雜系統(tǒng)相互關(guān)系的政策組織工具。該模型假設(shè)了一個因果關(guān)系鏈，人類活動中的驅(qū)動因素(D)可以對環(huán)境產(chǎn)生壓力(P)，從而導(dǎo)致狀態(tài)的變化(S)，產(chǎn)生健康的社會-生態(tài)影響(I)，并激發(fā)對政策相應(yīng)的響應(yīng)(R)，同時R也會對D-P-S-I鏈產(chǎn)生影響?；诖?，本文在DPSIR模型的基礎(chǔ)上，將西北五省區(qū)水安全評價指標體系分解為目標層、子系統(tǒng)、指標層。在前人研究的基礎(chǔ)上，基于科學(xué)性、代表性、合理性、數(shù)據(jù)可獲取性的原則選取能夠反映地區(qū)水安全問題的典型指標，從社會經(jīng)濟、自然資源、生態(tài)環(huán)境等能夠反映西北五省區(qū)水安全現(xiàn)狀的方面入手，構(gòu)建水安全評價指標體系(表1)。

表1 西北五省區(qū)水安全綜合評價指標體系Table 1 Comprehensive Evaluation Index System of Water Security in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

1.3 研究方法

1.3.1 單指標量化-多指標綜合-多準則綜合法

(1)單指標量化。采用分段隸屬度函數(shù)來度量各個指標的子安全度，數(shù)值介于0～1。

數(shù)值越大越優(yōu)型指標的子安全度計算公式為

(1)

數(shù)值越小越優(yōu)型指標的子安全度計算公式為

(2)

式中：、分別為第個指標的指標值和子安全度；、、、、代表第個指標的最差值、較差值、及格值、較優(yōu)值和最優(yōu)值，參考全國平均水平、省級發(fā)展規(guī)劃、部分學(xué)者研究成果進行取值。

(2)多指標綜合。采用熵值法確定各個指標和子系統(tǒng)權(quán)重。熵值法已被許多學(xué)者用于計算權(quán)重，此處不再贅述。5個子系統(tǒng)的安全度計算公式為

(3)

式中：為第個子系統(tǒng)的安全度；為利用熵值法計算所得的第個指標權(quán)重；為第個子系統(tǒng)指標數(shù)量；=1,2,3,4,5，分別表示驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)子系統(tǒng)。

(3)多準則綜合。最終目標層水安全計算公式為

=++++

(4)

式中：為區(qū)域水安全度；、、、、分別為熵值法計算所得的驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)5個子系統(tǒng)的權(quán)重。

基于評價結(jié)果將西北五省區(qū)水安全等級劃分為6個等級(表2)。

表2 西北五省區(qū)水安全等級劃分Table 2 Classification of Water Security in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

1.3.2 耦合協(xié)調(diào)度

耦合協(xié)調(diào)度模型能夠反映不同子系統(tǒng)之間相互作用影響及這種作用中良性耦合程度的大小。DPSIR模型中驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)5個子系統(tǒng)之間相輔相成，可以采用耦合協(xié)調(diào)度模型定量測度這5個子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)發(fā)展水平。其計算公式為

(5)

(6)

式中：為驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)5個子系統(tǒng)之間的耦合協(xié)調(diào)度；為水安全耦合協(xié)調(diào)度。

依據(jù)前人研究結(jié)果對西北五省區(qū)水安全5個子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度進行等級劃分(表3)。

表3 西北五省區(qū)5個子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度等級劃分Table 3 Classification of Coupling Coordination Degree of Five Subsystems in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

1.3.3 障礙度模型

在計算得到水安全結(jié)果并分析5個子系統(tǒng)之間的耦合協(xié)調(diào)度后，有必要進一步找到影響水安全的障礙因素。通過構(gòu)建障礙度模型確定影響水安全的主要障礙因子。其計算公式為

(7)

(8)

2 結(jié)果分析與討論

2.1 水安全評價

2.1.1 綜合評價

利用熵值法計算出各指標權(quán)重后，結(jié)合單指標量化-多指標綜合-多準則綜合法求得西北五省區(qū)水安全度及其等級劃分(表4)?？傮w來看，西北五省區(qū)水安全度呈現(xiàn)變好的趨勢，但最大也僅處于基本安全狀態(tài)，不同省區(qū)之間差異較大。陜西水安全在2005年和2010年處于較不安全狀態(tài)，2015年和2018年上升至基本安全狀態(tài)，水安全度由2005年的0.40增加至2018年的0.55，得益于陜西近年來在重大水源工程建設(shè)方面取得了突破性進展；甘肅水安全在2005年和2010年處于不安全狀態(tài)，水安全度都為0.26，2015年和2018年處于較不安全狀態(tài)，水安全度增加較大，由最初的0.26上升至0.45，但隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化快速推進，甘肅水安全將面臨新的考驗；青海水安全狀態(tài)變化趨勢與陜西類似，由2005年的較不安全狀態(tài)至2018年達到基本安全狀態(tài)，水安全度由最初的0.47上升至0.52，作為中國重要生態(tài)安全屏障，平衡水安全與發(fā)展之間的關(guān)系將有利于水安全度的提升；新疆水安全狀態(tài)在2005年、2010年、2015年和2018年一直處于較不安全狀態(tài)，水安全度雖有上升，但幅度不大，主要因為農(nóng)業(yè)用水占比較高(約90%)，節(jié)水灌溉體制不完善，同時其自身環(huán)境的脆弱性導(dǎo)致水資源短缺，水安全保障能力較弱；寧夏水安全度在西北五省區(qū)中最差，2005年、2010年和2015年連續(xù)處于不安全狀態(tài)，2018年水安全狀態(tài)雖然上升至較不安全狀態(tài)，但其水安全度僅為0.33，水資源占有量少，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量本底弱，同時面臨著發(fā)展的壓力，導(dǎo)致其水安全度較低。

表4 西北五省區(qū)2005、2010、2015、2018年水安全綜合評價結(jié)果Table 4 Comprehensive Assessment of Water Security in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang in 2005, 2010, 2015 and 2018

2.1.2 子系統(tǒng)評價

對西北五省區(qū)水安全做出總體評價的基礎(chǔ)上，進一步對驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)5個子系統(tǒng)的安全度進行評價(圖1～5)，并依據(jù)表2對其進行等級劃分。對于驅(qū)動力子系統(tǒng)，除甘肅外，其他各省區(qū)驅(qū)動力子系統(tǒng)的安全度均有一定幅度的下降，至2018年只有陜西驅(qū)動力子系統(tǒng)的安全度處于基本安全水平，其他省區(qū)則位于基本安全水平以下；壓力子系統(tǒng)的安全度只有陜西處于變好狀態(tài)，2018年達到基本安全水平，其余各省區(qū)呈現(xiàn)波動下降，其中甘肅壓力子系統(tǒng)的安全度最差，僅為0.26，處于不安全水平；狀態(tài)子系統(tǒng)的安全度各省區(qū)都呈現(xiàn)增加趨勢，其中青海狀態(tài)子系統(tǒng)的安全度從2005年的基本安全(0.62)到2018年達到了較安全(0.74)，與此同時，寧夏狀態(tài)子系統(tǒng)的安全度雖有所上升，但依舊處于不安全水平；影響子系統(tǒng)的安全度各省區(qū)較為接近，至2018年，除新疆位于基本安全水平外，其余各省區(qū)都處于較不安全水平；響應(yīng)子系統(tǒng)的安全度各省區(qū)總體呈現(xiàn)上升趨勢，其中陜西、甘肅和寧夏在2018年達到了基本安全水平，青海和新疆則位于較不安全水平。

圖1 西北五省區(qū)驅(qū)動力子系統(tǒng)的安全度分布Fig.1 Distribution of Water Security of Driving Force Subsystem in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

2.2 水安全耦合協(xié)調(diào)度分析

利用式(5)、(6)計算得到西北五省區(qū)2005年、2010年、2015年、2018年水安全耦合協(xié)調(diào)度，并依據(jù)表3對其進行等級劃分(表5)。總體來看，各省區(qū)水安全耦合協(xié)調(diào)度等級在逐年變好，這與西北五省區(qū)水安全度變化趨勢相一致。從不同年份來看，2005年至2010年，甘肅水安全耦合協(xié)調(diào)度等級由瀕臨失調(diào)(0.49)上升為勉強協(xié)調(diào)(0.50)，新疆、青海、寧夏、陜西水安全耦合協(xié)調(diào)度等級在這5年未發(fā)生變化，分別處于勉強協(xié)調(diào)、初級協(xié)調(diào)、瀕臨失調(diào)、初級協(xié)調(diào)；2010年至2015年，甘肅和青海水安全耦合協(xié)調(diào)度等級未發(fā)生變化，分別處于勉強協(xié)調(diào)和初級協(xié)調(diào)，新疆水安全耦合協(xié)調(diào)度等級由勉強協(xié)調(diào)(0.58)上升為初級協(xié)調(diào)(0.62)，寧夏水安全耦合協(xié)調(diào)度等級由瀕臨失調(diào)(0.49)上升為勉強協(xié)調(diào)(0.54)，陜西水安全耦合協(xié)調(diào)度等級由初級協(xié)調(diào)(0.67)上升為中級協(xié)調(diào)(0.73)；2015年至2018年，水安全耦合協(xié)調(diào)度等級未發(fā)生變化的省區(qū)有新疆、青海、寧夏、陜西，甘肅水安全耦合協(xié)調(diào)度等級由勉強協(xié)調(diào)(0.59)上升為初級協(xié)調(diào)(0.67)。在整個研究時段(2005～2018年)內(nèi)，西北五省區(qū)水安全耦合協(xié)調(diào)度等級都達到了勉強協(xié)調(diào)及以上，其中甘肅水安全耦合協(xié)調(diào)度等級變化最為明顯，由最初的瀕臨失調(diào)(0.49)上升為初級協(xié)調(diào)(0.67)，陜西水安全耦合協(xié)調(diào)度水平最高，達到了中級協(xié)調(diào)(0.74)，新疆水安全耦合協(xié)調(diào)度等級由勉強協(xié)調(diào)(0.58)上升為初級協(xié)調(diào)(0.65)，寧夏水安全耦合協(xié)調(diào)度等級最低，僅為勉強協(xié)調(diào)(0.56)，青海水安全耦合協(xié)調(diào)度等級未發(fā)生轉(zhuǎn)變，但其值由0.63上升至0.69，處于初級協(xié)調(diào)。

表5 西北五省區(qū)水安全耦合協(xié)調(diào)度演變結(jié)果Table 5 Evolutions of Water Security Coupling Coordination Degree in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

圖2 西北五省區(qū)壓力子系統(tǒng)的安全度分布Fig.2 Distribution of Water Security of Pressure Subsystem in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

圖3 西北五省區(qū)狀態(tài)子系統(tǒng)的安全度分布Fig.3 Distribution of Water Security of State Subsystem in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

圖4 西北五省區(qū)影響子系統(tǒng)的安全度分布Fig.4 Distribution of Water Security of Impact Subsystem in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

圖5 西北五省區(qū)響應(yīng)子系統(tǒng)的安全度分布Fig.5 Distribution of Water Security of Response Subsystem in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)5個子系統(tǒng)之間相互依賴，任何一個子系統(tǒng)的不穩(wěn)定都將制約整個水安全系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。同時，子系統(tǒng)間耦合協(xié)調(diào)度的發(fā)展趨勢與水安全度的發(fā)展趨勢較為一致，當(dāng)水安全度增加時，對應(yīng)的子系統(tǒng)間耦合協(xié)調(diào)度也隨之上升。至2018年，除寧夏水安全耦合協(xié)調(diào)度等級為勉強協(xié)調(diào)外，其余各省區(qū)都位于初級協(xié)調(diào)及以上；相應(yīng)地，2018年寧夏水安全度也僅為0.33，主要受到驅(qū)動力子系統(tǒng)和狀態(tài)子系統(tǒng)的安全度較差的影響。

2.3 水安全障礙因子分析

僅僅通過5個子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)與否無法判斷制約水安全度的主導(dǎo)因素，因此，有必要進一步采用障礙度模型得到制約西北五省區(qū)水安全度的障礙因子。表6列出了西北五省區(qū)水安全度指標層排名前五的各障礙因子?？傮w來看，不同省區(qū)水安全度的制約因素各不相同，同一省區(qū)不同年份障礙因子也不相同，本文僅對2018年指標層因子的障礙度進行分析。2018年，影響陜西水安全度的障礙因子主要有GDP增長率、第三產(chǎn)業(yè)增長比重、城市化率、人口自然增長率、水資源利用率，各因子的障礙度相差不大，累計障礙度達61.6%；影響甘肅水安全度的障礙因子為第三產(chǎn)業(yè)增長比重、城市化率、GDP增長率、農(nóng)業(yè)用水率、生態(tài)補水率，其中第三產(chǎn)業(yè)增長比重、城市化率、GDP增長率的障礙度較大，三者累計障礙度達79.6%；影響青海水安全度的障礙因子有GDP增長率、城市化率、第三產(chǎn)業(yè)增長比重、農(nóng)業(yè)用水率、用水普及率，累計障礙度為94%，但主要因素為GDP增長率、城市化率、第三產(chǎn)業(yè)增長比重，三者累計障礙度為77.5%；影響寧夏水安全度的障礙因子主要有第三產(chǎn)業(yè)增長比重、城市化率、GDP增長率、工業(yè)固廢綜合利用率、生態(tài)補水率，障礙度分別為36%、21.1%、21%、8.4%、5.2%。綜合來看，2018年，陜西、甘肅、寧夏、青海水安全度主要受到GDP增長率、第三產(chǎn)業(yè)增長比重、城市化率3個指標的影響。左其亭等研究認為區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展受到水資源條件的制約，區(qū)域GDP增長率在一定程度上能夠反映該區(qū)水資源支撐能力的強弱。第三產(chǎn)業(yè)對水資源消耗具有較小的壓力，還具有保護水資源的作用，因此，第三產(chǎn)業(yè)比重是經(jīng)濟和水生態(tài)效益的雙重體現(xiàn)。同時，過快的城市化會導(dǎo)致水資源壓力倍增，協(xié)調(diào)好水資源與城市化之間的關(guān)系有利于達到“雙贏”的目的。2018年，影響新疆水安全度的障礙因子有水資源利用率、單位面積水資源量、城市化率、第三產(chǎn)業(yè)增長比重、人均水資源量，障礙度分別為14.9%、13.1%、12.9%、11.3%、11.2%，累計障礙度為63.4%。新疆人均水資源量約為全國平均的2倍，但單位面積水資源量低，同時較高的水資源開發(fā)利用率制約了水安全度向好發(fā)展。

表6 西北五省區(qū)水安全度指標層障礙因子Table 6 Barrier Factors of Index Layer for Water Security in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

3 結(jié) 語

(1)總體來看，西北五省區(qū)水安全度呈現(xiàn)變好的趨勢。至2018年，陜西和青海水安全處于基本安全水平，甘肅、寧夏、新疆水安全處于較不安全水平。

(2)水安全子系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度與水安全變化相一致。2018年，陜西水安全子系統(tǒng)處于中級協(xié)調(diào)，甘肅、青海、新疆水安全子系統(tǒng)處于初級協(xié)調(diào)，寧夏水安全子系統(tǒng)處于勉強協(xié)調(diào)。

(3)GDP增長率、第三產(chǎn)業(yè)增長比重、城市化率是影響陜西、甘肅、寧夏、青海水安全度現(xiàn)狀的主要障礙因子，新疆水安全度主要受水資源利用率、單位面積水資源量、城市化率的影響。

總之，西北五省區(qū)作為中國重要的能源基地，在新形勢下應(yīng)該充分利用其豐富的綠色能源，調(diào)整能源消費結(jié)構(gòu)，發(fā)展綠色經(jīng)濟，同時應(yīng)該選擇耗水少、耗電低、技術(shù)高的新型產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)經(jīng)濟快速發(fā)展，開發(fā)利用西北豐富的土地資源，發(fā)展高標準、高品質(zhì)生態(tài)農(nóng)業(yè)，理性對待城市化，合理控制主城區(qū)人口，有序引導(dǎo)人口向節(jié)點城市匯聚，這是西北地區(qū)未來發(fā)展的科學(xué)選擇。與此同時，針對水資源問題，有必要實施相關(guān)工程措施通過遠距離調(diào)水來緩解和改善西北地區(qū)水資源匱乏和分布不均的問題。

西安地質(zhì)調(diào)查中心是自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局直屬的公益一類事業(yè)單位，主要承擔(dān)西北地區(qū)地質(zhì)調(diào)查、科技創(chuàng)新、科學(xué)普及和相關(guān)綜合研究工作。我曾與西安地質(zhì)調(diào)查中心很多專家在陜北榆林荒漠化區(qū)綜合地質(zhì)調(diào)查與評價以及秦嶺、寧東礦產(chǎn)資源集中開采區(qū)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查等項目展開了深度合作。在交流過程中，對該中心工作的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、工作特點以及工作成就有更深入的了解，對該中心堅持“支撐國家、服務(wù)社會、科技創(chuàng)新、綠色發(fā)展、保障資源、保護生態(tài)”的管理方針和積極踐行“責(zé)任、創(chuàng)新、合作、奉獻、清廉”新時代地質(zhì)文化有了更加深刻的認識，對自己的科研工作也起到了極大的幫助和促進作用。值此西安地質(zhì)調(diào)查中心組建六十周年之際，衷心祝愿西安地質(zhì)調(diào)查中心事業(yè)進步，人才輩出！在基礎(chǔ)調(diào)查、科學(xué)研究、服務(wù)社會等方面取得更大的成就，早日建成世界一流新型大區(qū)地質(zhì)調(diào)查機構(gòu)！