黃河三角洲水資源可持續(xù)利用評價與預測

韓美杜等

摘要

黃河三角洲地處黃河下游入?？冢媸芎ｊ懡换ビ绊?，淡水資源貧乏。評價和預測黃河三角洲水資源的可持續(xù)利用水平，對于進一步緩解區(qū)域水資源供需矛盾，促進當?shù)厣鷳B(tài)保護與經濟社會協(xié)調發(fā)展，具有重要的指導意義。本文以DPSIR模型為框架，選取21項指標構建水資源可持續(xù)利用評價指標體系，對研究區(qū)2000-2012年的水資源可持續(xù)利用水平進行了評價。從總體評價值來看，2000-2012年黃河三角洲水資源可持續(xù)利用的整體水平呈波動上升趨勢，其中2002年評價值最低，為0.107，2012年評價值最高，為0.801；從各因子來看，2002年驅動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應五個因子的評價值都較低，其中驅動力值和狀態(tài)值最低。2012年五大因子評價值出現(xiàn)較大幅度增加，其中影響和響應因子的評價值最高；從各因子的相關性來看，驅動力、壓力和狀態(tài)三個因子的值變化趨勢比較一致，說明表征這三個因子的指標有較強的正相關性；而影響和響應兩個因子的值變化趨勢接近，同樣說明表征這兩個因子的指標有較好的正相關性；從各因子穩(wěn)定性來看，驅動力值波動起伏較大，穩(wěn)定性最差，這主要與黃河利津站徑流量等驅動力因子的起伏變化大有關。文章還以2000-2012年水資源可持續(xù)利用水平值為原始數(shù)據(jù)，利用GM （1，1）模型預測了未來7年黃河三角洲水資源的可持續(xù)利用水平，經與灰色預測精度等級劃分標準對照發(fā)現(xiàn)，預測結果的相對誤差值分布在合格（<0.05）與勉強（<0.20）兩個等級之間，誤差在允許范圍內。預測結果表明，黃河三角洲2014-2020年水資源可持續(xù)利用潛力呈穩(wěn)定上升趨勢，2020年水資源可持續(xù)利用潛力值為2.812 41，較2014年1.515 55增加近1倍，未來水資源的可持續(xù)利用水平將持續(xù)提高。

關鍵詞黃河三角洲；水資源可持續(xù)利用；DPSIR模型；指標體系；灰色預測；信度分析

中圖分類號TV213.9文獻標識碼A文章編號1002-2104（2015）07-0154-07doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2015.07.021

水資源可持續(xù)利用是指既滿足人民生活、生產及經濟發(fā)展正常需求，同時維持生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，實現(xiàn)區(qū)域人口、資源、環(huán)境與經濟社會協(xié)調發(fā)展的一種水資源合理利用方式。國內外學者對水資源可持續(xù)利用的研究較多，1992年都柏林召開的國際水和環(huán)境大會，首次對水資源在環(huán)境與發(fā)展中的地位與作用進行闡述，并明確提出水資源系統(tǒng)及其可持續(xù)性研究問題[1]，引發(fā)了學者的廣泛關注。I. Juwana等[2]在回顧可持續(xù)發(fā)展進程的基礎上首次提出了水資源可持續(xù)性評估的六要素。Michiel A.Rijsberman等[3]提出，城市水資源的可持續(xù)利用評價體系應包括承載能力、比例、社會、生態(tài)4個基本方法。S. Kondratyev等[4]利用驅動力、狀態(tài)、響應等指標，對拉多加湖及其流域的水資源狀況進行了評估。目前，眾學者針對水資源可持續(xù)利用方面的研究主要集中在概念提供或定性分析上，定量評價的理論與方法尚在探討之中。目前用到的定量評價方法如密切值法[5]、模糊綜合評價法[6]、投影尋蹤評價模型[7]、人工神經網(wǎng)絡[8]、集對分析法[9]、物元模型等[10]，各有其適用條件和局限性，尚不完善。楚文海等[11]以西南巖溶地區(qū)生態(tài)脆弱帶為研究區(qū)域，運用頻率統(tǒng)計、主成分分析等方法選取24項指標構建指標體系，采用模糊綜合評判法對普定后寨流域進行分區(qū)域水資源可持續(xù)利用評價，并指出生態(tài)環(huán)境的脆弱性是制約上游水資源可持續(xù)利用的主要因素。楊廣等[12]立足于水資源系統(tǒng)自身，從經濟、社會和生態(tài)環(huán)境角度出發(fā)，基于熵值法和投影尋蹤理論相結合的評價模型，在對瑪納斯河流域水資源進行可持續(xù)利用評價的基礎上，提出了促進流域水資源可持續(xù)利用的針對性建議。李魏武等[13]采用層次分析法（AHP）確定各項指標權重，運用模糊綜合評判法和灰色關聯(lián)分析法評估了太湖流域的水資源可持續(xù)利用狀況。舒媛媛等[1]將四元聯(lián)系數(shù)引入水資源可持續(xù)利用評價體系，結合改進的模糊層次分析法建立模糊四元聯(lián)系數(shù)評價模型并應用于延安市水資源利用狀況評價過程，評價結果較理想。本文針對水資源系統(tǒng)作為一個生態(tài)-經濟-社會復合巨系統(tǒng)，各要素關系錯綜復雜的特點，基于DPSIR模型，構建水資源可持續(xù)利用評價指標體系，通過變異系數(shù)法確定各項指標權重，對黃河三角洲2000-2012年的水資源可持續(xù)利用程度進行評價。采用GM （1，1）模型預測黃河三角洲水資源未來的可持續(xù)利用潛力。本研究將為三角洲水資源的合理開發(fā)提供決策參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

依據(jù)成陸時間，黃河三角洲可分為古代、近代和現(xiàn)代三角洲。其中，近代三角洲是1855年黃河在銅瓦廂決口奪大清河流路于利津入渤海后形成的以寧海為頂點，西起套兒河口，南抵支脈河口的扇形地區(qū)，該區(qū)域位于118°07′-119°23′E，36°55′-38°16′N之間，面積約為5 450 km2。從行政區(qū)域來看，近代三角洲主體約93%的面積在東營市境內，7%的面積在濱州市境內。本文確定的研究區(qū)域是東營市境內的近代三角洲地區(qū)。

本文所采取的各指標數(shù)據(jù)主要來源于2001-2013年的山東省統(tǒng)計年鑒、山東省水資源公報、東營市統(tǒng)計年鑒、東營市水資源公報、《黃河三角洲高效生態(tài)經濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，中國知網(wǎng)、萬方、讀秀等數(shù)據(jù)庫中與黃河三角洲相關的文獻，以及黃河三角洲實地調查數(shù)據(jù)。

1.2DPSIR概念模型法

DPSIR概念模型是歐洲環(huán)境局（EEA）結合PSR（壓力—狀態(tài)—響應）和DSR（驅動力—狀態(tài)—響應）概念模型的優(yōu)點而建立的廣泛應用于環(huán)境系統(tǒng)的評價指標體系概念模型，它將表征自然系統(tǒng)的評價指標分為驅動力（Driving forces） 、壓力（ Pressure） 、狀態(tài)（State） 、影響（Impact） 和響應（Responses） 五種類型，每種類型中根據(jù)研究需要又分為若干指標。該模型從系統(tǒng)論角度分析人與環(huán)境的相互作用，既揭示了經濟、社會和人類活動對環(huán)境的影響，又揭示了人類活動及其最終導致的環(huán)境狀態(tài)對社會的反饋作用；既體現(xiàn)了DPSIR五種指標間的靜態(tài)關系，又體現(xiàn)了其間的動態(tài)機制。本文依據(jù)DPSIR模型的要求，以區(qū)域性、層次性、動態(tài)性、可操作性等為評價指標選取的原則，構建了水資源可持續(xù)利用評價的指標體系。具體步驟為：首先分析黃河三角洲水資源的特點和影響因素，初步羅列出研究區(qū)水資源系統(tǒng)的驅動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應的各項指標，之后通過查閱大量相關文獻，統(tǒng)計各指標在以往相關文獻中的使用頻率，經綜合考慮后選定21項指標構建了本次評價的指標體系。該指標體系分為三個層次，第一層是目標層，即黃河三角洲水資源可持續(xù)利用水平；第二層是準則層，包括驅動力（Driving forces） 、壓力（ Pressure） 、狀態(tài)（State）、影響（Impact） 及響應（Responses）五個影響因子；第三層是指標層，包括5個影響因子中的21項指標（詳見表2）。

1.2.1克倫巴赫Alpha系數(shù)法

信度分析即可靠性分析，用以評價指標體系作為測量工具的可靠性或穩(wěn)定性程度，一般用信度系數(shù)來表征，信度系數(shù)越大，指標可信度越高。為保證所選指標可靠性，本文采用克倫巴赫Alpha信度系數(shù)法對所構建的指標體系進行信度分析。克倫巴赫α信度系數(shù)公式如下：

α=k（cov/var）1+（k-1）（cov/var）（1）

本文采用De Vellis （1991） 的分類結果，即0.60-0.65（最好不要）；0.65-0.70（最小可接受值）；0.70-0.80（相當好）；0.80-0.90（非常好），其中0.65，0.70，0.80這三個指標包含在其前面的信度數(shù)據(jù)組內。

1.2.2變異系數(shù)法

變異系數(shù)法（Coefficient of variation method）是直接利用各項指標的變異系數(shù)，通過計算得到指標權重的一種客觀賦權的方法。由于量綱不同，各項指標間不宜進行直接比較，需用各項指標的變異系數(shù)來衡量各項指標取值的差異程度以消除量綱的影響。各項指標的變異系數(shù)及其對應權重公式如下：

Vi=δixi（2）

Wi=Vi∑ni=1Vi（3）

其中：Vi是第i項指標的變異系數(shù)；δi是第i項指標的標準差；xi是第i項指標的平均數(shù)。Wi是第i項指標的權重。

1.2.3加權平均法

根據(jù)已建立的水資源可持續(xù)利用評價指標體系，采用加權平均法對2000-2012年黃河三角洲水資源可持續(xù)利用水平進行綜合評價。公式如下：

y=∑mi=1wi·xi（4）

其中：y是評價對象的綜合評價值；xi是評價指標；wi是評價指標xi的權重，其中0≤xi≤1，∑wi=1，w=（w1，w2，…，wm）是歸一化后的權重向量。

依照加權平均法的基本思路，本文的綜合評價過程如下：

（1）計算指標層隸屬于各因子的評價指標的評價值：

以驅動力因子為例，則有隸屬于驅動力因子的第i個評價指標的評價值f（yDi）為：

f（yDi）=wDi·xDi，k（5）

其中：f（yDi）是驅動力因子的第i個指標的評價值；xDi，k是隸屬于驅動力因子的第i個指標在第k年的原始數(shù)據(jù)經無量綱化處理后得到的數(shù)值；wDi是隸屬于驅動力因子的第i個指標的綜合權重值，其中0≤wDi≤1，∑wDi=1。

同理求得隸屬于壓力因子、狀態(tài)因子、影響因子和響應因子的第i個指標的評價值f（yPi），f（ySi），f（yIi），f（yRi）。

（2）計算準則層-即五個影響因子的評價值：

f（D）=∑f（yDi）（6）

f（P）=∑f（yPi）（7）

f（S）=∑f（ySi）（8）

f（I）=∑f（yIi）（9）

f（R）=∑f（yRi）（10）

（3）計算目標層-即水資源可持續(xù)利用水平綜合評價值：

f（Object）=f（D）·wD+f（P）·wP+f（S）·wS+f（I）·wI+f（R）·wR（11）

1.3灰色預測法

本文以黃河三角洲2000-2012年的水資源可持續(xù)利用水平值為原始數(shù)據(jù)，采用灰色理論中的GM （1，1）模型，對其2014-2020年的可持續(xù)利用水平進行預測。

灰色預測就是通過對原始數(shù)據(jù)進行生成處理來尋找系統(tǒng)變動的規(guī)律，然后建立灰色模型以對系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢做出的定量預測。其步驟如下：

對原始數(shù)列作一次累加生成處理，即1-AGO：

原始數(shù)據(jù)：X（0）={x（0）（1），x（0）（2），…x（0）（N）}（12）

一次累加：X（1）={x（1）（1），x（1）（2），…x（1）（N）}（13）

其中x（1）（t）=∑tk=1x（0）（k）；

（1）構造累加數(shù)據(jù)矩陣B和常數(shù)項向量Y：

B=-12（x（1）（1）+x（1）（2））1

-12（x（1）（2）+x（1）（3））1

-12（x（1）（N-1）+x（1）（N））1（14）

Y=[x（0）1（2），x（0）1（3），…，x（0）1（N）]T（15）

（2） 求解參數(shù)：

α=α

μ=（BTB）（-1）BTY（16）

（3） 將參數(shù)帶入方程：

x（1）（k+1）=x（0）（1）-μαe-αt+μα（17）

（4）預測值：

x（0）（k）=x（1）（k）-x（1）（k-1）（18）

（5）計算殘差值和相對誤差值并檢驗：

ε（0）（t）=x（0）（t）-xΛ（0）（t）（19）

q（t）=（ε（0）（t）/x（0）（t））×100%（20）

其中：ε（0）（t）是殘差值；q（t）是相對誤差值；xΛ（0）（t）是模型計算值。

預測公式的精度標準見表1。

1.4數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行統(tǒng)計分析和作圖，采用DPS進行灰色預測。

2結果與分析

2.1黃河三角洲水資源可持續(xù)利用水平綜合評價

2.1.1信度分析

利用SPSS對21項指標13年數(shù)據(jù)進行信度分析，結果顯示：未進行標準化處理的21項指標數(shù)據(jù)其Cronbach，s Alpha值為0.194，經標準化處理后為0.855，說明標準化處理后的數(shù)據(jù)可信度較高。由分析結果可知，21項指標數(shù)據(jù)通過了檢驗，各項指標間平均得分的相等性成立。由此說明，構建的黃河三角洲水資源可持續(xù)利用評價指標體系，指標經標準化處理后可信度較高，指標間平均得分的相等性較好，能夠客觀評價水資源可持續(xù)利用水平。

2.1.2指標權重

根據(jù)權重計算公式（3）可得到水資源可持續(xù)利用評價指標體系中各指標的權重（見表2）。

2.1.3綜合評價

為避免由于評價指標量綱及數(shù)量級不同，出現(xiàn)少數(shù)指標起主導作用，從而使評價結果脫離實際的情況，需對各項指標進行無量綱化處理，然后基于加權法對2000-2012年黃河三角洲水資源可持續(xù)利用水平及其變化趨勢進行評價，結果見表3。

由表3可知，2000-2012年黃河三角洲水資源可持續(xù)利用的整體水平呈波動上升趨勢，其中2002年最低為0.107，2012年最高為0.801。原因是2002年五個因子的評價值都較低，其中驅動力值和狀態(tài)值最小，狀態(tài)因子中的產水模數(shù)指標僅為1.2×104 m3/km2，表明當年水資源嚴重匱乏。2012年五大因子評價值出現(xiàn)較大幅度增加，其中影響和響應因子的評價值最高，主要是影響因子中的人均GDP，響應因子中的節(jié)水灌溉面積比率、建成區(qū)綠化率較高所致。2002，2006和2008年存在較明顯的波動下降，其中以驅動力、壓力和狀態(tài)因子最為顯著，這主要是由于干旱指數(shù)增加，人均水資源量和畝均水資源量減少，水資源開發(fā)利用程度增強所致。

五個因子中，驅動力、壓力和狀態(tài)三個因子的值變化趨勢比較一致，說明表征這三個因子的指標有較強的正相關性。而影響和響應兩個因子的值變化趨勢接近，同樣說明表征這兩個因子的指標有較好的正相關性。從各因子看，驅動力值波動起伏較大，穩(wěn)定性最差，其中人均水資源、畝均水資源和黃河利津站徑流量對水資源可持續(xù)利用貢獻較大，是影響驅動力值最重要的指標。

2.2黃河三角洲未來水資源可持續(xù)利用水平預測

以2000-2012年水資源可持續(xù)利用水平值為原始數(shù)據(jù)，利用GM （1，1）模型預測未來7年黃河三角洲水資源的可持續(xù)利用水平，得到α=-0.081 486，μ=0.238 981，歷年預測值、實際值、殘差值和相對誤差值見表4。

將表4數(shù)據(jù)與表1灰色預測精度等級劃分標準對照可知，預測結果的相對誤差值分布在合格（<0.05）與勉強（<0.20）兩個等級之間。對預測公式進行檢驗，得：方差比c=0.628 9，小誤差概率p=0.777 8，屬于勉強、合格之間。黃河三角洲2014-2020年水資源可持續(xù)利用潛力預測結果見表5。

由表5可知，黃河三角洲2014-2020年水資源可持續(xù)利用潛力呈穩(wěn)定上升趨勢，2020年水資源可持續(xù)利用潛力值為2.812 41，較2014年1.515 55增加近1倍，預測提高較快。

3結論和討論

本文以DPSIR概念模型為框架，在對黃河三角洲近13年水資源可持續(xù)利用水平進行綜合評價基礎上，借助GM（1，1）模型預測了2014-2020年水資源可持續(xù)利用潛力，得到以下主要結論：

（1）DPSIR模型從系統(tǒng)論的角度分析人和環(huán)境的相互作用，既能體現(xiàn)驅動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應五種指標

間的靜態(tài)關系，又能體現(xiàn)其間的動態(tài)機制，是評價水資源可持續(xù)利用水平的最好方法之一。

（2）信度分析表明，本文采用21項指標構建的黃河三角洲水資源持續(xù)利用評價指標體系，指標數(shù)據(jù)經標準化處理后可信度較高，能夠客觀評價水資源的可持續(xù)利用水平。

（3）整體而言，黃河三角洲2000-2012年水資源可持續(xù)利用水平呈上升趨勢，但有一定的波動性，2002、2006和2008年有小幅波動下降。從各因子的趨勢看，影響和響應因子上升趨勢明顯，其他因子波動變化明顯，主要是受降雨量、黃河來水量和人均水資源量等因素的波動影響所致。

（4）灰色預測結果表明，2014-2020年，黃河三角洲水資源可持續(xù)利用潛力呈穩(wěn)定上升趨勢，2020年可持續(xù)利用潛力值為2.812 41，較2014年的1.515 55上升近1倍。這說明只要平衡好水資源開發(fā)利用、經濟社會發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護之間的關系，就會實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。

（編輯：李琪）

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