水匱乏指數(shù)及其在東北地區(qū)水安全評價中的應(yīng)用

姜 寧，付 強(qiáng)，孫穎娜

（1.節(jié)水農(nóng)業(yè)黑龍江省高校重點實驗室，哈爾濱 150030 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院，哈爾濱 150030；3.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080）

水是一種寶貴的稀缺資源，水安全問題不僅是資源和環(huán)境安全問題，更成為關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)、社會可持續(xù)發(fā)展和長治久安的重大戰(zhàn)略問題，已經(jīng)成為全球關(guān)注和研究的焦點[1]。

區(qū)域水安全的綜合評價研究處于起步階段，定量研究與分析較少[2-3]。水匱乏指數(shù)（Water poverty index,WPI）是英國自然環(huán)境研究委員會生態(tài)水文中心（Center for Ecology&Hydrology）為了檢測水行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r而提出的一種新的水管理評價技術(shù)[2]。WPI是綜合考慮一個區(qū)域水資源狀況、水資源獲取、水環(huán)境狀況及水資源利用能力和潛力的綜合指標(biāo)，已在不同的尺度進(jìn)行應(yīng)用，獲得較好效果[4-6]。

東北地區(qū)（包括黑龍江省、吉林省、遼寧省）耕地面積占全國的比重為16.6%，是我國重要的糧食生產(chǎn)基地[7]。年降水量在350～700 mm，具有大陸性和季風(fēng)型氣候特征。本文嘗試采用WPI對東北地區(qū)水安全狀況進(jìn)行評價，以期為區(qū)域水安全保障體系的構(gòu)建提供決策依據(jù)。

1 水匱乏指數(shù)

水安全的內(nèi)涵包括其自然屬性、社會屬性以及人文屬性，在進(jìn)行區(qū)域水安全評價時，不僅要考慮水資源現(xiàn)狀，同時還要綜合評價與之相關(guān)的多方因素。因此，水匱乏指數(shù)的構(gòu)成包括建立水安全保障體系的綜合信息。

1.1 水匱乏指數(shù)的組成結(jié)構(gòu)

英國生態(tài)與水文中心將WPI指數(shù)推廣應(yīng)用于147個國家（其中我國WPI為48～55.9）[2]。為了反映國家內(nèi)部不同區(qū)域的水資源狀況與水行業(yè)之間的差異，有必要將WPI指數(shù)應(yīng)用于一國不同區(qū)域。該指數(shù)可以適用于不同的尺度，而且對于一個地區(qū)或國家，構(gòu)成指數(shù)的每個指標(biāo)數(shù)據(jù)均較容易獲取。

水匱乏指數(shù)是由5個與水密切相關(guān)的關(guān)鍵組成部分集合而成的一個整體框架，這5個組成部分分別為：資源(Resource-R)、途徑(Access-A)、能力(Capacity-C)、 利 用 (Use-U)和 環(huán) 境 (Environment-E)。在表1中列出WPI關(guān)鍵組成部分的次級組成部分。

表1 水匱乏指數(shù)主要組成Table 1 Major composed elements of WPI

1.2 水匱乏指數(shù)的計算方法

WPI指數(shù)的計算方法有加權(quán)平均法、差異分析法及矩陣分析法[5]等，最為常用的是加權(quán)平均法：

式中，WPI為某一特定區(qū)域水匱乏指數(shù)數(shù)值；Xi為WPI結(jié)構(gòu)的第i個組成部分；ωi為各組成部分的權(quán)重。

每個Xi包含許多次級組成，因此需要采用同樣的方法計算單個Xi的數(shù)值?？紤]前述的5個組成部分，式（1）可以改寫為：

式（2）是資源（R）、途徑（A）、能力（C）、利用（U）和環(huán)境（E）5個組成部分的加權(quán)平均。每一個組成部分首先需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，從而使范圍為0～100，因此WPI的取值范圍也是0～100。最高數(shù)值100被認(rèn)為水資源利用最好情形，也就是最低的水匱乏（或者水資源匱乏可能性最?。畹蛿?shù)值0被認(rèn)為較差的一種情形。

在分指數(shù)的權(quán)值很難確定的情況下，為了保證評價的透明性，不妨采用等權(quán)，即各分指數(shù)的權(quán)值設(shè)為1，則有：

1.3 水安全指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)

參照國內(nèi)外的研究成果，考慮到目前的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，以國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展規(guī)劃值為依據(jù)，通過專家咨詢，研究具體指標(biāo)的臨界點來確定指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)。水安全程度按照5個級別劃分[3]：

①非常安全（WPI＞62）：水資源、水環(huán)境系統(tǒng)與社會、經(jīng)濟(jì)健康協(xié)調(diào)高效發(fā)展，滿意程度很高。

② 安全（56＜WPI＜62）：水資源、水環(huán)境系統(tǒng)與社會、經(jīng)濟(jì)健康協(xié)調(diào)發(fā)展，滿意程度較高。

③ 基本安全（48＜WPI＜56）：水資源、水環(huán)境系統(tǒng)與社會、經(jīng)濟(jì)能協(xié)調(diào)發(fā)展，滿意程度一般。

④ 不安全（35＜WPI＜48）：水資源、水環(huán)境系統(tǒng)不能與社會、經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，已威脅到社會、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

⑤極不安全（WPI＜35）：水資源、水環(huán)境系統(tǒng)全面惡化，嚴(yán)重阻礙社會、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

2 應(yīng)用實例

以東北地區(qū)遼寧省、吉林省和黑龍江省三省為例，應(yīng)用WPI指數(shù)對東北地區(qū)水安全狀況進(jìn)行評價。

2.1 水匱乏指數(shù)次級組成指標(biāo)的確定

資源（R）的次級指標(biāo)：主要考慮地表水資源總量和地下水資源總量、年降雨量等指標(biāo)。水質(zhì)是影響水資源的重要因素，同時它也是環(huán)境因素的重要組成部分，為了避免重復(fù)計算，此處未考慮水質(zhì)指標(biāo)。途徑（A）的次級指標(biāo)：主要考慮自來水普及率、年供水總量、供水管道長度等指標(biāo)。能力（C）的次級指標(biāo)：主要考慮人均GDP、教育水平（包括15歲以上文盲%、普通高中畢業(yè)人數(shù)等）、城市人均收入水平、農(nóng)村人均收入水平和水利設(shè)施固定資產(chǎn)投入等指標(biāo)。利用（U）的次級指標(biāo)：主要考慮人均生活用水量、人均生產(chǎn)用水量、人均工業(yè)用水量等指標(biāo)。環(huán)境（E）的次級指標(biāo)：主要考慮水體水質(zhì)等級、每公頃化肥施用量、廢水排放達(dá)標(biāo)率、森林覆蓋率和水土流失治理面積等指標(biāo)。

2.2 東北地區(qū)水資源匱乏指數(shù)計算

為了消除各評價指標(biāo)量綱的影響,首先需要對樣本數(shù)據(jù)集{x(i,j)}進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[8]。為了盡可能保持各評價指標(biāo)值的變化信息,標(biāo)準(zhǔn)化處理公式可取為：

對于越大越優(yōu)型指標(biāo)：

對于越小越優(yōu)型指標(biāo)：

式中：r(i,j)—第j個指標(biāo)第i個樣本標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)，i=1～n，j=1～m；x(i,j)—第j個指標(biāo)第i個樣本的原始數(shù)據(jù)；—第j個指標(biāo)的最大值；為第j個指標(biāo)的最小值。

為了保證WPI的計算值在0～100之間，具體計算時標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)應(yīng)乘以100。然后按照前述方法計算WPI各組成要素數(shù)值，進(jìn)而計算得到WPI數(shù)值，計算結(jié)果見表2?？梢姈|北地區(qū)2009年水安全狀況排排序為：黑龍江?。具|寧省＞吉林省。

表2 2009年東北地區(qū)WPI及各組成要素值Table 2 WPI and the value of composed elements in northeast area

3 計算結(jié)果分析

從表2可以看出，黑龍江省WPI值最高，吉林省最低。遼寧省水匱乏指數(shù)（WPI）的計算結(jié)果與CHE給出的中國的WPI值范圍48～55.9非常接近，說明該地區(qū)水安全問題突出，水資源、水環(huán)境系統(tǒng)威脅到社會、經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展；黑龍江省水匱乏指數(shù)的計算結(jié)果在CEH給出的中國的WPI值范圍48～55.9，水安全處于基本安全狀態(tài)，水資源、水環(huán)境系統(tǒng)與社會、經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展?jié)M意程度一般；而吉林省WPI數(shù)值與中國的WPI范圍值相差很多，水安全問題十分突出。圖1清楚地顯示，黑龍江省水資源相對于遼寧省和吉林省十分豐富，但其能力值比較低，反映出該省人均收入水平、消費水平低、水利設(shè)施投入少，進(jìn)一步反映出該區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不發(fā)達(dá)?？傮w來說該區(qū)水資源處于基本安全狀態(tài)，需要加快社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、提高人口受教育程度以及減少化肥用量、增加水土流失治理面積等，使該區(qū)水資源過渡到安全狀態(tài)。遼寧省雖然水資源相對來說不豐富，但由于該區(qū)水利工程建設(shè)、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和教育與政策管理等方面較發(fā)達(dá)，使得該區(qū)的水資源安全狀態(tài)接近基本安全的下限。吉林省WPI值最低，低于CEH給出的中國WPI值范圍48～55.9，水安全狀況最差。該區(qū)需提高水資源開發(fā)利用程度、耕地灌溉率、控制化肥用量及水土流失治理面積，減少環(huán)境污染，修復(fù)生態(tài)環(huán)境，以建立水安全保障體系。

4 討論與結(jié)論

a.通過WPI指數(shù)對東北地區(qū)的水安全進(jìn)行綜合評價，分別從資源（R）、途徑（A）、利用（U）、能力（C）和環(huán)境（E）5個指標(biāo)入手，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，結(jié)果表明WPI指數(shù)能較好地為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和地區(qū)水安全協(xié)調(diào)提供理論指導(dǎo)。

b.英國生態(tài)與水文中心提出的水匱乏指數(shù)為水行業(yè)發(fā)展提供了標(biāo)準(zhǔn)化的評價框架，能夠客觀地說明區(qū)域存在的威脅水安全因素，評價結(jié)果合理。由于區(qū)域水安全問題的差異性，在對某一具體地區(qū)進(jìn)行安全評價時，可根據(jù)地區(qū)實際情況對水匱乏指數(shù)（WPI）次級主要組成進(jìn)行增加和調(diào)整，以得到更為客觀、更能反映地區(qū)水安全特征的評價結(jié)果。

c.WPI指數(shù)在東北地區(qū)的應(yīng)用證明該指數(shù)能夠清晰地反映威脅地區(qū)水安全因素的具體特征，通過對水安全狀況的分級，可以確定地區(qū)水安全的級別，為制定水安全預(yù)警機(jī)制提供依據(jù)。

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