三生空間角度的甘肅長(zhǎng)江流域水生態(tài)安全評(píng)價(jià)及障礙診斷

牛最榮 賈玲

摘要：探討水生態(tài)安全驅(qū)動(dòng)機(jī)制，為水資源管理、配置等工作提供科學(xué)依據(jù)。以甘肅省長(zhǎng)江流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，從生態(tài)、生活、生產(chǎn)3個(gè)空間角度構(gòu)建基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型（簡(jiǎn)稱PSR）的水生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，根據(jù)研究區(qū)2011-2020年水資源等資料，運(yùn)用熵值法、綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)水生態(tài)安全狀況等級(jí)，并用障礙度模型識(shí)別影響水生態(tài)安全的主要障礙因子。結(jié)果表明：甘肅省長(zhǎng)江流域水生態(tài)安全指數(shù)呈基本安全-較不安全-基本安全變化，2020年為較安全狀態(tài)；2011-2020年，生態(tài)、生產(chǎn)空間是水生態(tài)安全狀態(tài)的主要限制空間，壓力和響應(yīng)系統(tǒng)是水生態(tài)安全狀態(tài)影響的主要限制系統(tǒng)；影響水生態(tài)安全狀況的最大障礙因子隨著年份變化不斷發(fā)生變化，近2年來(lái)的主要驅(qū)動(dòng)因素為生產(chǎn)空間和壓力系統(tǒng)。近10年研究區(qū)水生態(tài)安全形勢(shì)較好。研究結(jié)果可為長(zhǎng)江上游相似流域水生態(tài)保護(hù)、區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：三生空間；PSR模型；水生態(tài)安全；障礙因素；甘肅省長(zhǎng)江流域

中圖分類號(hào)：X826 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-3075（2023）02-0019-07

水生態(tài)安全作為評(píng)價(jià)水資源合理利用的重要內(nèi)容之一，是決定區(qū)域經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的核心因素，也是實(shí)現(xiàn)人水和諧的關(guān)鍵措施（彭建等，2016）。水生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果可為保護(hù)水資源、維持生態(tài)平衡提供重要依據(jù)（Yao et al，2020）。因此，在日益嚴(yán)峻的水資源短缺、洪澇災(zāi)害頻發(fā)、生態(tài)環(huán)境惡化背景下（鄧銘江等，2020），水生態(tài)安全問(wèn)題已成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)內(nèi)容。近年來(lái)，隨著人類活動(dòng)頻繁，長(zhǎng)江流域面臨著水生態(tài)透支、水環(huán)境污染、水資源失衡等嚴(yán)峻的水生態(tài)安全問(wèn)題（Song et al，2019；Gao et al，2020；李德旺等，2021），開(kāi)展流域水生態(tài)安全評(píng)價(jià)工作迫在眉睫。而甘肅省作為國(guó)家西部重要生態(tài)屏障，構(gòu)建良好的水生態(tài)安全體系對(duì)其區(qū)域全方位建設(shè)與長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展至關(guān)重要（Li et al，2019）。

如何構(gòu)建一套科學(xué)全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是水生態(tài)安全評(píng)價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)（鄧捷銘和賈紹鳳，2022）。以往研究主要通過(guò)依據(jù)自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)（戴文淵等，2022）或者構(gòu)建模型（萬(wàn)生新和王悅泰，2019；左其亭等，2022）選取指標(biāo)，但由于水生態(tài)安全研究屬于多學(xué)科交叉領(lǐng)域，具有指標(biāo)體系構(gòu)建復(fù)雜、評(píng)價(jià)過(guò)程模糊等特點(diǎn)（戴文淵等，2021）。盡管現(xiàn)有的指標(biāo)篩選方式彌補(bǔ)了以往研究中“就水言水” 的缺陷，但總體而言，指標(biāo)選取的視角仍舊單一。水資源作為人類賴以生存的重要基礎(chǔ)（Zhang & Vesselinov，2017；牛最榮等，2021），其所處的生態(tài)、生活、生產(chǎn)空間（簡(jiǎn)稱“三生空間”）的平衡及協(xié)調(diào)性直接決定了水生態(tài)安全狀況的優(yōu)劣程度（劉鵬等，2017）。因此，以三生空間為研究空間尺度，構(gòu)建水生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，可以較好地反映水生態(tài)安全在生態(tài)、生活、生產(chǎn)等用途上的發(fā)展規(guī)律（李若飏等，2022），同時(shí)水生態(tài)安全指數(shù)也能解釋不同用水方式間的主要矛盾，為水資源均衡利用提供參考。

識(shí)別水生態(tài)安全狀況變化的影響因素，探討水生態(tài)安全驅(qū)動(dòng)機(jī)制，是水生態(tài)安全評(píng)價(jià)的最終目的。本文以甘肅境內(nèi)長(zhǎng)江流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，構(gòu)建基于“三生空間”視角與PSR模型結(jié)合的水生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用障礙度模型分析水生態(tài)安全的影響因素，以阻力最大的指標(biāo)做為水生態(tài)安全變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。通過(guò)全面分析水生態(tài)安全影響因子，探討近 10年甘肅省長(zhǎng)江流域水生態(tài)安全驅(qū)動(dòng)機(jī)制，以期為甘肅省水資源管理、配置等工作提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為長(zhǎng)江流域水生態(tài)保護(hù)相關(guān)工作提供參考建議。

1 ? 材料與方法

1.1 ? 研究區(qū)概況

甘肅省長(zhǎng)江流域位于甘肅省南部， 102°34'～106°37'E，32°06'～34°32'N（圖1），涉及隴南市、天水市和甘南藏族自治州，流域面積約3.85萬(wàn)km2。流域水資源較甘肅省其他區(qū)域豐富，據(jù)《甘肅省水資源公報(bào)（2020）》統(tǒng)計(jì)，2020年甘肅省長(zhǎng)江流域平均降水量為 841.6 mm，水資源總量 184.68 億m3，其中自產(chǎn)地表水資源量 183.80 億m3，地下水資源量 47.07 億m3。

1.2 ? 數(shù)據(jù)來(lái)源

水生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2011-2020年《甘肅省統(tǒng)計(jì)年鑒》《甘肅省水資源公報(bào)》《甘肅省水土保持公報(bào)》《長(zhǎng)江流域及西南諸河水資源公報(bào)》等。

1.3 ? 研究方法

1.3.1 ? 指標(biāo)體系構(gòu)建及歸一化處理 ? 遵循指標(biāo)構(gòu)建的基本原則，在已有研究的基礎(chǔ)上（張洋等，2021；鄭樂(lè)樂(lè)等，2022），結(jié)合甘肅省長(zhǎng)江流域水資源的實(shí)際使用情況，運(yùn)用PSR（壓力-狀態(tài)-響應(yīng)）模型從生態(tài)、生活、生產(chǎn)不同的空間視角選取了24個(gè)指標(biāo)，具體指標(biāo)見(jiàn)表1。

為了便于后續(xù)計(jì)算，采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)選取指標(biāo)進(jìn)行量綱統(tǒng)一化：

正向指標(biāo)：

R[']ij [=Rij-minRijmaxRij-minRij] ①

負(fù)向指標(biāo)：

R[']ij [=maxRij-RijmaxRij-minRij] ②

式中：[Rij]是原始指標(biāo)數(shù)據(jù)，R[']ij是標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，其中[i=1，2，……n]，[j=1，2，……m。]

1.3.2 ? 指標(biāo)權(quán)重確定方法 ? 采用熵值法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，通過(guò)各指標(biāo)所占權(quán)重的大小來(lái)反映指標(biāo)的重要性（Tang et al，2020；謝華晶等，2021）。具體公式如下：

[Ej=-kj=1mFij×ln Fij] ③

[Fij=R'iji=0nR'ijFij=0，lnFij=0] ④

[ωj=1-Ejm-j=1mEj] ⑤

式中：[Ej]為信息熵：[k=1lnn];[ωj]為各指標(biāo)層所占權(quán)重;Fij為指標(biāo)比重。

1.3.3 ? 生態(tài)安全指數(shù)計(jì)算及評(píng)價(jià)等級(jí)劃分 ? 生態(tài)安全指數(shù)是指各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值與其權(quán)重的乘積之和（Li et al，2021；李若飏等，2022），具體公式如下：

[EI=j=1mR'ij×ωj] ⑥

生態(tài)安全指數(shù)可以反映水生態(tài)安全狀況，水生態(tài)安全等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)參照相關(guān)學(xué)者研究成果（左偉等，2002；崔文彥等，2020；蔣忙舟等，2022），甘肅省長(zhǎng)江流域水生態(tài)安全狀況等級(jí)劃分見(jiàn)表2。

1.3.4 ? 障礙度模型 ? 為進(jìn)一步探討影響水生態(tài)安全的主要障礙因子（Ou et al，2017；Zhu et al，2021），通過(guò)因子貢獻(xiàn)度、指標(biāo)偏差度計(jì)算障礙度值，具體公式如下：

[Iij=1-R'ij] ⑦

[Fj=ωj] ⑧

[Hij=Fj×Iiji=1n（Fj×Iij）] ⑨

[Hj=i=1nHij] ⑩

式中：[Hij]、[Hj]分別表示各指標(biāo)層、準(zhǔn)則層對(duì)水生態(tài)安全影響的障礙度值。

2 ? 結(jié)果與分析

2.1 ? 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

圖2為熵值法計(jì)算的指標(biāo)權(quán)重雷達(dá)圖，由圖2（a）可知，農(nóng)田有效灌溉面積占耕地面積的比重（S31）、地表水源供水量（P12）、生活污水處理率（R22）、工業(yè)用水率（P31）、地下水開(kāi)發(fā)程度（R12）所占權(quán)重分別為7.40%、6.07%、5.87%、5.85%、5.71%，累積權(quán)重為30.90%，是甘肅省長(zhǎng)江流域水生態(tài)安全的主要影響指標(biāo)；人均日生活用水量（P21）、生態(tài)環(huán)境耗水量（S13）、居民生活耗水率（R21）、工業(yè)廢水年排放量（P33）、城鎮(zhèn)生態(tài)用水量（R11）的累積指標(biāo)權(quán)重僅達(dá)11.35%，是流域水生態(tài)安全的次要影響因子。

由圖2（b）可知，從三生空間視角來(lái)看，生態(tài)空間所占權(quán)重為36.37%，對(duì)流域水生態(tài)安全的影響程度最大；生產(chǎn)空間次之，權(quán)重為36.12%；最后是生活空間。從PSR系統(tǒng)視角來(lái)看，壓力、狀態(tài)、響應(yīng)系統(tǒng)所占權(quán)重分別為35.45%、31.20%、33.36%，即壓力和響應(yīng)系統(tǒng)是流域水生態(tài)安全的主要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

2.2 ? 水生態(tài)安全綜合指數(shù)變化趨勢(shì)分析及結(jié)果評(píng)價(jià)

根據(jù)2011-2020年甘肅省長(zhǎng)江流域水生態(tài)安全綜合指數(shù)的變化趨勢(shì)（圖3）可知，近10 a，甘肅省長(zhǎng)江流域水生態(tài)安全狀態(tài)呈基本安全-較不安全-基本安全波動(dòng)變化，其中2020年綜合指數(shù)最高，為0.6123，水生態(tài)安全狀況較安全，這與生態(tài)空間綜合指數(shù)上升有關(guān)；2014年綜合指數(shù)最低，為0.3341，水生態(tài)安全狀況較不安全，主要是由于生活空間相關(guān)指標(biāo)綜合指數(shù)較低造成。

采用障礙度模型進(jìn)一步分析甘肅省長(zhǎng)江流域水生態(tài)安全變化的驅(qū)動(dòng)因子，如圖4可知，農(nóng)田有效灌溉面積占耕地面積的比重（S31）、人均日生活用水量（P21）、節(jié)水灌溉率（R33）對(duì)水生態(tài)安全的影響逐年加強(qiáng)，農(nóng)業(yè)用水比例（P32）、人均GDP（R31）、單位GDP用水量（S32）對(duì)水生態(tài)安全的影響正在逐年減弱，表明貫徹節(jié)水理念、大力推廣節(jié)水灌溉新技術(shù)是維護(hù)甘肅省長(zhǎng)江流域水生態(tài)安全的重要工作方向。近10 a，隨著甘肅省長(zhǎng)江流域水生態(tài)安全指標(biāo)大小的變化，最大障礙因子也隨之發(fā)生變化，如：2011年最大障礙因子是人均GDP（R31）、2020年最大障礙因子為農(nóng)田有效灌溉面積占耕地面積的比重（S31）。

2.3 ? 三生空間下水生態(tài)安全指數(shù)及障礙因子分析

圖5為三生空間下綜合指數(shù)所占比重及其變化趨勢(shì)。生態(tài)空間自2015年之后綜合指數(shù)呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明隨著綠色發(fā)展理念的提出，水生態(tài)相關(guān)活動(dòng)明顯增多，相應(yīng)所需的水資源量不斷增加，對(duì)水生態(tài)安全的影響程度明顯上升。生活空間綜合指數(shù)在2014年出現(xiàn)最低值，生產(chǎn)空間綜合指數(shù)呈“W”型變化，分別在2013年、2018年出現(xiàn)最低值。

對(duì)三生空間系統(tǒng)下水生態(tài)安全進(jìn)行障礙因子分析（圖6），2011、2012、2015和2016年，生態(tài)空間是水生態(tài)安全的主要障礙因子，2014年生態(tài)和生產(chǎn)空間障礙度值持平，剩余年份生產(chǎn)空間障礙度值最大，是水生態(tài)安全的主要限制因素。自2017年以來(lái)，甘肅省長(zhǎng)江流域水生態(tài)安全的主要障礙因素為生產(chǎn)空間，表明隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在今后的水資源開(kāi)發(fā)利用中，仍需開(kāi)展水資源優(yōu)化配置研究，合理分配農(nóng)業(yè)、工業(yè)等生產(chǎn)用水，大力提倡節(jié)水措施。

2.4 ? PSR系統(tǒng)下水生態(tài)安全指數(shù)變化及障礙因子分析

從壓力-狀態(tài)-響應(yīng)系統(tǒng)分析，由圖7可知，三大系統(tǒng)綜合指數(shù)整體呈下降-上升的波動(dòng)變化趨勢(shì)，壓力系統(tǒng)綜合指數(shù)2011-2014年呈下降趨勢(shì)，2014-2020年呈波動(dòng)上升變化，主要是因?yàn)楣I(yè)用水率（P31）、地表水源供水量（P12）的逐年增加；狀態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)2011-2015年呈下降趨勢(shì)，2015年之后呈上升趨勢(shì)，主要與人均水資源占有量（S22）、地下水資源量（S11）、地表水資源量（S12）的變化趨勢(shì)有關(guān)；響應(yīng)系統(tǒng)綜合指數(shù)2次低值， 2013年出現(xiàn)最低值主要是因?yàn)楣?jié)水灌溉率（R33）下降、缺水程度增加。2018年出現(xiàn)低值主要是因?yàn)榈叵滤_(kāi)發(fā)程度（R12）降低。由圖7（b）可知，2016年之前，壓力系統(tǒng)占水生態(tài)安全綜合指數(shù)比重最大，之后與狀態(tài)、響應(yīng)系統(tǒng)所占比重差距不斷縮小，整體來(lái)看，三大系統(tǒng)綜合指數(shù)占比逐漸趨向均等化。

根據(jù)PSR系統(tǒng)分析水生態(tài)安全障礙因子（圖8），2011、2012、2013、2014和2018年響應(yīng)系統(tǒng)的障礙度最大，其中，人均GDP（R31）、地下水開(kāi)發(fā)利用程度（R12）和生活污水處理率（R22）是水生態(tài)安全的主要障礙因子；2015年和2016年?duì)顟B(tài)系統(tǒng)障礙度值最大，地表水資源量（S12）為這兩年水生態(tài)安全主要的影響因素，2017、2019和2020年是壓力系統(tǒng)，工業(yè)用水率（P31）和人口密度（P22）是水生態(tài)安全的主要障礙因子。

3 ? 討論

3.1 ? 指標(biāo)體系的合理性

甘肅省長(zhǎng)江流域自2014年以后水生態(tài)安全水平也呈逐年上升趨勢(shì)，這一結(jié)果與其他河流（左其亭等，2021；戴文淵等，2022）的情況較為符合。

合理選取與量化評(píng)價(jià)指標(biāo)是構(gòu)建科學(xué)評(píng)價(jià)體系的重要前提。本文考慮到生態(tài)、生活和生產(chǎn)空間的功能性和適宜性，以及水對(duì)于不同空間的重要性，評(píng)價(jià)體系中包括工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)、人居環(huán)境保障指標(biāo)和生態(tài)調(diào)節(jié)供給指標(biāo)。但是，研究區(qū)域生態(tài)脆弱、地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，土地資源受復(fù)雜多樣的生態(tài)、生活和生產(chǎn)空間的制約，加之經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃、生態(tài)政策約束，選取指標(biāo)類型在一定程度上還有考慮不足之處，因此，今后仍需進(jìn)一步深入開(kāi)展指標(biāo)選取視角等方面的研究。

3.2 ? 水生態(tài)安全的主要障礙因素

水生態(tài)安全各指標(biāo)障礙度的大小代表其對(duì)水生態(tài)安全狀態(tài)的影響阻力大?。ㄈ螢t瀟和牛成英，2021）。本研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)2011年最大障礙因子是人均GDP（R31）、2020年最大障礙因子為農(nóng)田有效灌溉面積占耕地面積的比重（S31）。主要原因是受地形限制，研究區(qū)域耕地資源有限，且滑坡、泥石流、洪水等自然災(zāi)害頻發(fā)，農(nóng)田和灌溉工程均易受到損毀。

從三生空間角度分析，研究區(qū)域自2015年以來(lái)，生態(tài)空間下水生態(tài)安全綜合指數(shù)呈上升趨勢(shì)，2017年后研究區(qū)域水生態(tài)安全的主要障礙因素轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)空間。這是由于主要河流實(shí)施最嚴(yán)格的水資源管理制度，全面推行河湖長(zhǎng)制，強(qiáng)化水污染治理、實(shí)施水生態(tài)修復(fù)等措施，有力保障了流域生態(tài)安全，水生態(tài)持續(xù)向好。從壓力-狀態(tài)-響應(yīng)系統(tǒng)分析，2011-2014年響應(yīng)系統(tǒng)的障礙度值最大，這是因?yàn)樵缦壬鷳B(tài)保護(hù)重視程度不夠等造成。隨著水資源保護(hù)力度的加大，水生態(tài)環(huán)境保持良性發(fā)展，水生態(tài)安全障礙因素也隨之發(fā)生變化。近年來(lái)，壓力系統(tǒng)成為水生態(tài)安全變化的主要限制系統(tǒng)，工業(yè)用水率（P31）和人口密度（P22）是水生態(tài)安全的主要障礙因子，說(shuō)明隨著生產(chǎn)生活用水量增加，環(huán)境生態(tài)用水量相對(duì)減少。因此，實(shí)施節(jié)約用水、提高水重復(fù)利用率，降低工業(yè)萬(wàn)元增加值用水量，是當(dāng)前緩解水生態(tài)安全用水壓力的主要途徑。

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（責(zé)任編輯 ? 鄭金秀）

Water Ecological Security Evaluation and Diagnosis of Obstacles

in the Yangtze River Basin of Gansu Province from

the Perspective of Ecology-Life-Production Space

NIU Zui‐rong， JIA Ling

（College of Water Resources and Hydropower Engineering， Gansu Agricultural University，

Lanzhou ? 730070， P.R. China）

Abstract：Taking the Yangtze River basin in Gansu Province as the study area， we evaluated the status of water ecological security in the area and explored the driving factors affecting water ecological security from 2011 to 2020. The aim of the study was to provide scientific evidence for water resource management and allocation in Gansu Province. Based on water resource data for the study area （2011-2020）， we developed a water ecological security evaluation system based on the pressure-state-response （PSR） model， including 24 indicators of ecology-life-production. The entropy method and comprehensive index method were then used to evaluate water ecological security， and the obstacle degree model to identify the primary obstacles affecting water ecological security. During the period from 2011 to 2020， the water ecological security status of the Yangtze River basin in Gansu Province changed from basic security， to less secure， and back to basic security. The highest comprehensive index value was 0.6123 in 2020 and the lowest value was 0.3341 in 2014. From the ?perspective of ecology-life-production， ecology， and production were more influential on the state of water ecological security from 2011 to 2020， with weight proportions of ?36.37%， ?36.12% and 27.51% for ecology， production， and life， respectively. From the ?perspective of pressure-state-response， the pressure and response systems were the primary drivers of water ecological security， with weight proportions of ?35.45%， 31.20% and ?33.36% for pressure， state， and response， respectively. The obstacle factors affecting the water ecological security changed by year， and the primary driving factors in the two most recent years were production space and the pressure system. In general， the water ecological security situation in the study area was good for the last 10 years. These results provide a scientific basis for water ecological protection and attaining regional high-quality in similar basins of the upper Yangtze River.

Key words：ecological-life-production space; pressure-state-response ?model; water ecological security; obstacle factors; Yangtze River basin of Gansu Province