黃河流域水資源安全評(píng)價(jià)及時(shí)空格局

張玉澤，王 爽

（1.濟(jì)南大學(xué) 商學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2.山東省標(biāo)準(zhǔn)化研究院，山東 濟(jì)南 250014）

1 引 言

2019年9月18日，習(xí)近平總書記在鄭州主持召開座談會(huì)，將黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略，提出“把水資源作為最大的剛性約束”?！八?、水少、水臟、水渾”是治黃歷史矛盾，新時(shí)期“水少”逐漸演化成主要矛盾［1］。2021年中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》指出，黃河流域最大的矛盾是水資源短缺，黃河流域水資源開發(fā)利用率高達(dá)80%，遠(yuǎn)超40%的生態(tài)警戒線。當(dāng)前黃河流域面臨的糧食安全、能源安全、生態(tài)安全及經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后等問題，都與水息息相關(guān)［2］。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，黃河流域水資源短缺的態(tài)勢(shì)將更加凸顯?？茖W(xué)評(píng)價(jià)黃河流域水資源承載力和水資源安全水平是保障流域用水安全、實(shí)現(xiàn)水資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的前提［3］。

近年來，學(xué)界關(guān)于水資源安全評(píng)價(jià)的研究較多，集中在水資源安全評(píng)價(jià)的內(nèi)涵、指標(biāo)體系構(gòu)建、評(píng)價(jià)方法與典型區(qū)域評(píng)價(jià)等方面［4－5］。水資源安全評(píng)價(jià)用于衡量一個(gè)國家或地區(qū)（流域）在現(xiàn)有或可預(yù)見的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件下，按照可持續(xù)發(fā)展原則，水資源能否滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要，其實(shí)質(zhì)在于評(píng)價(jià)水資源供給能否滿足合理的用水需求［3］。基于此內(nèi)涵，國內(nèi)學(xué)者建議綜合考慮水資源對(duì)區(qū)域人口、資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的支撐能力，從水量安全、水質(zhì)安全、水生態(tài)環(huán)境安全、與水有關(guān)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)安全等維度構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系［6－7］，評(píng)價(jià)方法主要有層次分析法［8－10］、模糊綜合評(píng)價(jià)法［11］、物元分析法［12］、投影尋蹤法［13］、水足跡法［14］、DPSIR模型［15－16］等。一些學(xué)者對(duì)黃河流域部分區(qū)域的水資源安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，如張修宇等［10－11］分別對(duì)河南省引黃受水區(qū)和黃河下游引黃灌區(qū)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，武蘭珍等［17］對(duì)黃河流域甘肅段進(jìn)行了評(píng)價(jià)，但少有學(xué)者對(duì)黃河流域整體的水資源安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，筆者選擇能夠反映指標(biāo)間因果關(guān)系的DPSIR（驅(qū)動(dòng)力－壓力－狀態(tài)－影響－響應(yīng)）模型，對(duì)黃河流域水資源安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為黃河流域水資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考。

2 研究方法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

水資源安全是“人－水耦合系統(tǒng)”的動(dòng)態(tài)演變過程，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系既要反映系統(tǒng)目前的狀態(tài)，又要反映其發(fā)展態(tài)勢(shì)，同時(shí)要體現(xiàn)各?。▍^(qū)）間、各子系統(tǒng)之間相互影響、互為因果的關(guān)系。DPSIR模型是在PSR（壓力－狀態(tài)－響應(yīng)）模型基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，是一種在環(huán)境系統(tǒng)評(píng)價(jià)中被廣泛使用的概念模型，該模型從系統(tǒng)的角度看待人與環(huán)境系統(tǒng)的相互作用，比較適用于流域水資源安全評(píng)價(jià)［18］。具體而言，驅(qū)動(dòng)力反映人類活動(dòng)（人口增長、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等）對(duì)水資源系統(tǒng)演化的原始驅(qū)動(dòng)力，表征經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源安全的保障能力；壓力伴隨驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生，主要反映人類活動(dòng)對(duì)水資源產(chǎn)生的壓力，即人口及經(jīng)濟(jì)社會(huì)各個(gè)部門發(fā)展對(duì)水資源需求量的增加造成的水資源系統(tǒng)變化（水體污染、水質(zhì)惡化、可利用水資源量減少等）；狀態(tài)反映水資源系統(tǒng)在壓力作用下所處的狀態(tài)，表征水資源的流量、存量以及水質(zhì)的變化；影響反映水資源開發(fā)利用過程及當(dāng)前狀態(tài)對(duì)人類社會(huì)的影響；響應(yīng)反映政府和社會(huì)針對(duì)水資源系統(tǒng)演化過程中出現(xiàn)的問題所采取的措施，體現(xiàn)為政策、法律及經(jīng)濟(jì)手段等。根據(jù)DPSIR模型，結(jié)合黃河流域發(fā)展?fàn)顩r及已有研究成果［15－16］，從水資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境等維度選擇了21項(xiàng)指標(biāo)，構(gòu)建黃河流域水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（見表1）。

表1 黃河流域水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 利用熵值法計(jì)算水資源安全評(píng)價(jià)值的步驟

（1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。利用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

式中：Xij為i地區(qū)的第j個(gè)指標(biāo)值；X′ij為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值；Xjmin、Xjmax分別為第j個(gè)指標(biāo)的最小值、最大值。

（2）計(jì)算指標(biāo)信息熵值和信息效用值。第j項(xiàng)指標(biāo)的信息熵值計(jì)算公式為

式中：ej為信息熵值，對(duì)于一個(gè)信息完全無序的系統(tǒng)，其有序度為0，信息熵值最大，ej＝1；K為常數(shù)，與系統(tǒng)的地區(qū)數(shù)m有關(guān)，當(dāng)m個(gè)樣本處于完全無序分布狀態(tài)時(shí)，K＝1／lnm。

第j項(xiàng)指標(biāo)的信息效用值計(jì)算公式為

（3）計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算公式為

（4）計(jì)算水資源安全評(píng)價(jià)值。i地區(qū)第j個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值計(jì)算公式為

第i個(gè)地區(qū)的水資源安全評(píng)價(jià)值計(jì)算公式為

2.3 水資源安全評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

上述運(yùn)用熵值法得出的水資源安全評(píng)價(jià)值在0與1之間，評(píng)價(jià)值越接近1說明水資源安全狀況越好，評(píng)價(jià)值越接近0說明水資源安全狀況越差。為便于分析，在參考相關(guān)文獻(xiàn)［19］的基礎(chǔ)上，經(jīng)過專家討論，將水資源安全狀態(tài)劃分為Ⅰ級(jí)（不安全）、Ⅱ級(jí)（較不安全）、Ⅲ級(jí)（中等安全）、Ⅳ級(jí)（較安全）和Ⅴ級(jí)（安全）5個(gè)等級(jí)（見表2）。

表2 黃河流域水資源安全狀態(tài)等級(jí)劃分

3 黃河流域水資源安全評(píng)價(jià)

3.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

黃河自西向東流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南、山東9個(gè)?。▍^(qū)），其中四川省絕大部分地區(qū)屬于長江流域，僅阿壩藏族羌族自治州部分地區(qū)屬于黃河流域，考慮行政區(qū)的完整性，選擇青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南、山東8個(gè)?。▍^(qū)）為研究區(qū)。水資源短缺是黃河流域的最大矛盾，上中游大部分地區(qū)位于400 mm年降水量等值線以西，氣候干旱少雨，黃河流域多年平均降水量446 mm，僅為長江流域的40%；多年平均水資源總量647億m3，不到長江的7%。黃河流域是我國重要的農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)和能源基地，流域內(nèi)城市群規(guī)模不斷擴(kuò)大，農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水及生活用水量均較大，導(dǎo)致用水矛盾尖銳。

研究數(shù)據(jù)來源于上述8個(gè)?。▍^(qū)）的統(tǒng)計(jì)年鑒（2006—2020年）、《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》（2006—2020年）、《中國環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》（2006—2020年）、《中國水利統(tǒng)計(jì)年鑒》（2006—2020年）、《中國水資源公報(bào)》（2005—2019年）、《黃河水資源公報(bào)》（2005—2019年）等，黃河流域的數(shù)據(jù)按照上述8個(gè)?。▍^(qū)）的相關(guān)數(shù)據(jù)累加求得。

3.2 黃河流域水資源安全變化趨勢(shì)

總體來看，2005—2019年黃河流域水資源安全評(píng)價(jià)值呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)（見表3）。2005—2012年黃河流域水資源安全評(píng)價(jià)值在0.2～0.4范圍波動(dòng)，為Ⅱ級(jí)，其中2006年評(píng)價(jià)值僅為0.275，說明該時(shí)段黃河流域水資源處于較不安全狀態(tài)，水資源短缺，不能夠滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要；2013年黃河流域水資源安全評(píng)價(jià)值為0.432，達(dá)到Ⅲ級(jí)，此后呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，2017年評(píng)價(jià)值為0.598，說明黃河流域水資源安全得到初步改善，水資源基本能夠滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要；2018年評(píng)價(jià)值達(dá)到峰值0.694，2019年小幅度回落至0.687，仍為Ⅳ級(jí)，說明2018年和2019年黃河流域水資源能夠滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要，達(dá)到了較為安全的狀態(tài)。2005—2019年黃河流域水資源安全狀態(tài)從Ⅱ級(jí)上升到Ⅳ級(jí)，改善明顯，但仍未達(dá)到Ⅴ級(jí)，未來仍有提升空間。

表3 2005—2019年黃河流域水資源安全評(píng)價(jià)結(jié)果

結(jié)合DPSIR模型，從5個(gè)準(zhǔn)則分析黃河流域水資源安全狀況改善的原因。從表3可以看出，2005—2019年驅(qū)動(dòng)力評(píng)價(jià)值小幅度上升，壓力、影響評(píng)價(jià)值小幅度下降，狀態(tài)、響應(yīng)評(píng)價(jià)值上升趨勢(shì)明顯。具體而言，驅(qū)動(dòng)力評(píng)價(jià)值由0.089波動(dòng)上升到0.094，年均增長率僅為0.37%，說明人均GDP、第一產(chǎn)業(yè)比重、人口密度、城鎮(zhèn)化率等指標(biāo)對(duì)水資源安全提升的貢獻(xiàn)很小，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展為水資源安全提供的保障不大；壓力評(píng)價(jià)值由0.122波動(dòng)下降到0.118，說明從單位產(chǎn)出用水量和居民人均用水量等指標(biāo)來看，黃河流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活對(duì)水資源造成的壓力增大，流域水體污染、水質(zhì)惡化有所加重；狀態(tài)評(píng)價(jià)值由0.008波動(dòng)上升到0.249（年均增長率為28.41%），響應(yīng)評(píng)價(jià)值由0.016波動(dòng)上升到0.132（年均增長率為16.22%），這兩個(gè)準(zhǔn)則評(píng)價(jià)值增長較為明顯，說明政府和社會(huì)針對(duì)水資源問題采取的措施較為有效，使水資源數(shù)量和質(zhì)量得到改善，提升了水資源安全水平；影響評(píng)價(jià)值由0.105波動(dòng)下降到0.095，說明從廢水中COD排放量、廢水中氨氮排放量、農(nóng)田高效節(jié)水灌溉面積率和人均年供水量等指標(biāo)看，水資源問題對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生不利影響，水資源安全狀況有所下降。

綜上所述，2005—2019年黃河流域水資源安全改善主要得益于狀態(tài)和響應(yīng)指標(biāo)的提升；經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展未能為水資源安全提供充分的保障，而是形成了壓力，水資源一定程度上對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展構(gòu)成了約束?？梢哉f，當(dāng)前對(duì)黃河流域水資源的治理已達(dá)到較高水平，未來較難有所突破，現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的用水效率很難大幅度提升，通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提升水資源安全是未來的努力方向。這與國內(nèi)其他學(xué)者的研究結(jié)論較為一致，如張曉濤等［20］研究發(fā)現(xiàn)黃河流域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗用水資源的同時(shí)貢獻(xiàn)了相同比例的GDP，認(rèn)為未來節(jié)水只能從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展節(jié)水技術(shù)入手；王浩等［1］研究發(fā)現(xiàn)黃河流域水資源利用效率僅次于京津冀地區(qū)，認(rèn)為通過深度節(jié)水緩解水資源供需矛盾的潛力不大。

3.3 黃河流域水資源安全空間格局分析

由表4可知，2005—2019年黃河流域水資源安全狀況呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，?。▍^(qū)）間差異減小。2005年黃河流域上、中、下游水資源安全狀況差距較大，青海為Ⅳ級(jí)，內(nèi)蒙古、陜西和山東為Ⅲ級(jí)，甘肅、山西和河南為Ⅱ級(jí)（較不安全），寧夏僅處于Ⅰ級(jí)。2012年寧夏水資源安全狀況有所改善，達(dá)到Ⅱ級(jí)，其他?。▍^(qū)）評(píng)價(jià)值小幅度增加，水資源安全等級(jí)未發(fā)生改變。2019年流域水資源安全狀況繼續(xù)好轉(zhuǎn)，青海仍為Ⅳ級(jí)（水資源安全評(píng)價(jià)值達(dá)到0.713），寧夏為Ⅱ級(jí)（較不安全），其他省（區(qū)）均為Ⅲ級(jí)。2005—2019年各省（區(qū)）對(duì)水資源保護(hù)力度加大，但水資源開發(fā)利用大都采用以需定供模式。經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)水資源開發(fā)利用程度較高，驅(qū)動(dòng)力和響應(yīng)指標(biāo)評(píng)價(jià)值較高，壓力、狀態(tài)和影響各指標(biāo)評(píng)價(jià)值較低；經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)情況相反，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和欠發(fā)達(dá)地區(qū)的評(píng)價(jià)值差距逐漸縮小。雖然2005—2019年黃河流域水資源安全狀況有所好轉(zhuǎn)，但整體形勢(shì)仍不容樂觀，2019年絕大部分?。▍^(qū)）為Ⅲ級(jí)及以下等級(jí)，流域水資源沒有達(dá)到“較安全”或者“安全”的狀態(tài)。究其原因，一是黃河流域水資源稟賦先天不足、水資源與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不匹配；二是流域水資源規(guī)劃管理長期遵循以需定供的模式，強(qiáng)調(diào)保障供水、滿足生產(chǎn)用水需求，導(dǎo)致水資源過度開發(fā)。

表4 典型年各?。▍^(qū)）水資源安全評(píng)價(jià)結(jié)果

具體到各?。▍^(qū)）來看，青海省水資源安全狀態(tài)相對(duì)理想，2005—2019年青海省水資源安全評(píng)價(jià)值從0.607增至0.713，為Ⅳ級(jí)（較安全），水資源能夠滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要，達(dá)到良好狀態(tài)。青海省水資源稟賦較好、人口密度小，人均水資源量遠(yuǎn)大于其他?。▍^(qū)），雖然人均GDP、第一產(chǎn)業(yè)比重、單位產(chǎn)出用水量等指標(biāo)評(píng)價(jià)值小于其他?。▍^(qū)），但其水資源安全評(píng)價(jià)值仍高于其他?。▍^(qū)）。

2005—2019年陜西、內(nèi)蒙古、山東三?。▍^(qū)）經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)、用水效率較高，水資源為Ⅲ級(jí)（中等安全）。陜西水資源相對(duì)豐富，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好，人均GDP、第一產(chǎn)業(yè)比重、單位產(chǎn)出用水量、人均水資源量等指標(biāo)具有優(yōu)勢(shì)，因而其驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)評(píng)價(jià)值較高。內(nèi)蒙古人口密度、人均水資源量指標(biāo)優(yōu)勢(shì)明顯，單位產(chǎn)出用水量和人均用水量等壓力指標(biāo)評(píng)價(jià)值較小。山東作為沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，水資源利用效率較高，驅(qū)動(dòng)力、壓力、影響和響應(yīng)各指標(biāo)均具有一定優(yōu)勢(shì)，水資源安全評(píng)價(jià)值由2005年的0.413增大到2019年的0.497。

2005—2019年河南、山西、甘肅三省水資源安全由Ⅱ級(jí)（較不安全）改善為Ⅲ級(jí)（中等安全），2019年三省水資源安全評(píng)價(jià)值分別為0.450、0.412、0.403，水資源基本能夠滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要，說明2005—2019年三省水資源安全得到較大改善，但仍有較大進(jìn)步空間。

2005—2019年寧夏水資源安全評(píng)價(jià)值由0.196增長到0.351，從Ⅰ級(jí)（不安全）演變?yōu)棰蚣?jí)（較不安全），說明寧夏水資源短缺，不能滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要。寧夏位于黃河中上游，受氣候條件、地形地貌等因素限制，降水量少、人均水資源量不足、經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、單位產(chǎn)出用水量和人均用水量大、水土流失和草場(chǎng)退化嚴(yán)重，是黃河流域水資源治理的重點(diǎn)地區(qū)。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

2005—2019年黃河流域水資源安全評(píng)價(jià)值呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，2019年評(píng)價(jià)值為0.687，達(dá)到Ⅳ級(jí)（較安全）。流域水資源安全狀況改善主要得益于狀態(tài)和響應(yīng)指標(biāo)的提升，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展未能為水資源安全提供充分的保障，而是形成了壓力，水資源一定程度上對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展構(gòu)成了約束。從空間分布來看，流域水資源安全?。▍^(qū)）間差異性減小，但整體形勢(shì)仍不容樂觀，2019年絕大部分?。▍^(qū)）為Ⅲ級(jí)及以下等級(jí)。究其原因，一是流域水資源稟賦先天不足，水資源與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不匹配；二是流域水資源規(guī)劃管理長期遵循以需定供模式，強(qiáng)調(diào)保障生產(chǎn)用水需求，導(dǎo)致水資源過度開發(fā)。具體分析各?。▍^(qū)）的水資源安全狀況，青海省水資源稟賦較好，水資源安全等級(jí)穩(wěn)定保持在Ⅳ級(jí)（較安全）；陜西、內(nèi)蒙古、山東三?。▍^(qū)）用水效率較高，水資源安全等級(jí)穩(wěn)定保持在Ⅲ級(jí)（中等安全）；河南、甘肅、山西三省受氣候條件、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等因素限制，水資源安全等級(jí)由Ⅱ級(jí)（較不安全）改善為Ⅲ級(jí)，仍有較大發(fā)展空間；寧夏水資源安全等級(jí)從Ⅰ級(jí)（不安全）演變?yōu)棰蚣?jí)，水資源短缺，不能滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要，是黃河流域水資源治理的重點(diǎn)地區(qū)。

4.2 建 議

為了提高黃河流域水資源安全水平，減小水資源對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的制約，需轉(zhuǎn)變以需定供的用水思路，按照“把水資源作為最大的剛性約束，以水而定、量水而行”的原則，努力提升流域水資源安全水平，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展。一是根據(jù)流域可開發(fā)的水資源量調(diào)整發(fā)展規(guī)模和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，優(yōu)先生活用水，控制生產(chǎn)用水，重點(diǎn)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)節(jié)水，限制低用水效率產(chǎn)業(yè)發(fā)展，適度促進(jìn)高用水效率產(chǎn)業(yè)發(fā)展；二是根據(jù)各?。▍^(qū)）水資源安全狀況和水資源對(duì)各產(chǎn)業(yè)的約束大小調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)從供水條件較差、水資源約束較大的地區(qū)向約束較小的地區(qū)轉(zhuǎn)移；三是繼續(xù)推進(jìn)南水北調(diào)工程建設(shè)，綜合考慮流域其他資源和要素進(jìn)行水資源調(diào)配。