基于WPI模型的重慶市水資源安全分析

張　喆，何太蓉,b，舒瑞琴，劉　歡

(重慶師范大學(xué) a.地理與旅游學(xué)院；b.三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點實驗室，重慶　401331)

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基于WPI模型的重慶市水資源安全分析

張喆a，何太蓉a,b，舒瑞琴a，劉歡a

(重慶師范大學(xué) a.地理與旅游學(xué)院；b.三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點實驗室，重慶401331)

摘要：為綜合評價重慶市水資源安全情勢，分析多重背景下水資源安全影響因素，以WPI模型構(gòu)建水資源安全評價指標體系，該體系分為5個子系統(tǒng)：資源(R)、途徑(A)、效率(U)、能力(C)和環(huán)境(E)。采用加權(quán)函數(shù)法計算1997—2013年重慶市水資源安全綜合評價指數(shù)和5個子系統(tǒng)得分值，并利用因子分析法進行對比分析；建立水資源安全因素判定模型，對子系統(tǒng)進行優(yōu)等、中等、劣等因素劃分。結(jié)果表明：重慶市水資源安全值呈階梯式上升，趨勢系數(shù)為0.022 8 /a，水資源安全狀況趨于好轉(zhuǎn)，并且與因子分析對比結(jié)果基本一致；但各子系統(tǒng)時序變化差異較大，途徑和能力子系統(tǒng)分值逐年上升，資源和環(huán)境子系統(tǒng)分值比早年有所下降，該階段的效率子系統(tǒng)分值變化不大；因素評判結(jié)果顯示，途徑因素和能力因素隨著時間推移而不斷提高，從劣等因素變?yōu)閮?yōu)等因素，但資源和環(huán)境因素卻逐漸演變?yōu)橹貞c市水資源安全的劣等因素，效率因素降為中等因素。未來重慶市水資源安全存在一定風(fēng)險，需加強水資源管理和水環(huán)境改善，提高公民節(jié)水意識來加以防范。

關(guān)鍵詞：水資源安全；WPI模型；因素評判模型；因子分析法；重慶市

1研究背景

水資源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)性自然資源和戰(zhàn)略資源。水資源安全是指在保證人類物質(zhì)文化需求和社會經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展的前提下，能為該地區(qū)生產(chǎn)、生活和生態(tài)提供足夠安全水的一種狀態(tài)[1-2]。對于不同區(qū)域尺度上的水資源安全度量與評價是水文學(xué)與水資源科學(xué)研究的重點和熱點問題[3]。水資源安全評價模型是近年來國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注重點，其中水資源承載力評價模型最早用來衡量區(qū)域水資源安全[4]。很多學(xué)者用不同數(shù)學(xué)方法來構(gòu)建水資源安全評價模型。其中應(yīng)用較多的有多因子二級評判模型[5]、云模型[6]、復(fù)雜巨系統(tǒng)[7]和聯(lián)系數(shù)等[8]。邵薇薇等[9]通過引進英國生態(tài)與水文研究所Sullivan等[10]提出的WPI模型對華北和東北地區(qū)的主要流域進行評價。之后，WPI模型運用到我國北方、西北和華中地區(qū)不同流域或特定流域內(nèi)不同區(qū)縣水貧困空間差異評價[11-13]，研究對象多是水資源相對匱乏地區(qū)。但隨著南方地區(qū)人口規(guī)模和資源壓力的不斷增大，加上水污染問題突顯，有關(guān)南方各區(qū)域的水資源安全研究越來越引發(fā)關(guān)注。

重慶處于我國中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，是典型的西南山地城市，城市的用水狀況受到自然資源、社會經(jīng)濟和水利設(shè)施等各種因素的影響，因此，在多重背景下的重慶市水資源安全問題急待研究。對重慶區(qū)域而言，黃玉寶等[14]利用PSR模型對重慶市1997—2010年水安全綜合評價指數(shù)進行時間動態(tài)分析。舒瑞琴等[15]從供需、生態(tài)和社會經(jīng)濟3個方面對重慶市沙坪壩區(qū)水資源安全進行模糊綜合評價，強調(diào)未來沙坪壩區(qū)水資源安全存在風(fēng)險。本文嘗試利用WPI模型，從資源、途徑、效率、能力和環(huán)境5個方面綜合評價重慶市水資源安全情勢，分析影響水資源安全狀況的優(yōu)、中、劣因素，揭示重點治理對象，以期為未來重慶市水資源的綜合管理和可持續(xù)開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

2研究區(qū)概況

重慶市位于中國西南部，是國家“一帶一路”戰(zhàn)略內(nèi)陸地區(qū)重要支點和長江經(jīng)濟帶的西部中心樞紐，地處四川盆地東部平行嶺谷地帶，地貌類型以山地、丘陵為主。重慶市東鄰湖北、湖南省，西與四川省交界，南鄰貴州省，北部與陜西省接壤，轄域面積為8.24×104km2。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫約為18 ℃，多年平均降水量1 150 mm，降水年際變化大，且年內(nèi)季節(jié)分配不均，夏秋多降雨。降水空間分布不均，呈現(xiàn)自西南向東北逐漸增加的格局。水文方面，重慶市處于長江上游，長江自西南向東北橫貫全境，境內(nèi)河網(wǎng)密布，有嘉陵江和烏江等支流匯入，形成向心不對稱的網(wǎng)狀水系。據(jù)2013年重慶市水資源公報，境內(nèi)流域面積>1 000 km2的水系達42條，眾多的河流為重慶市帶來豐富的過境水資源。過境水系中，烏江水系全年水質(zhì)為Ⅴ類，主要超標污染物為TP，長江、嘉陵江水系的評價河段全年水質(zhì)分別為Ⅲ類和Ⅱ類；2013年重慶市采用全因子(不考慮總氮、糞大腸菌群)水質(zhì)評價，達標水功能區(qū)53個，占重要水功能區(qū)總數(shù)的55.2%，主要超標項目有氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、五日生化需氧量。總體來說，重慶市水資源總量豐富，但人均值較低，2013年人均水資源量約為1 412 m3，低于全國平均水平2 100 m3。對水質(zhì)情況而言，干流水質(zhì)較好，而支流水質(zhì)相對較差。

表1　重慶市水資源安全指標體系與權(quán)重Table 1　Index system and index weights for water resource security of Chongqing

3數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)主要來源于重慶市水利局發(fā)布的2000—2013年《重慶市水資源公報》和重慶市統(tǒng)計局發(fā)布的1998—2014年《重慶市統(tǒng)計年鑒》。因數(shù)據(jù)縱向年份為17 a，個別缺失數(shù)據(jù)依據(jù)相應(yīng)降水量等數(shù)據(jù)并利用SPSS 17.0軟件進行序列均值內(nèi)插和線性趨勢內(nèi)插獲得。

3.2評價指標體系和權(quán)重

WPI模型由5個子系統(tǒng)組成，即資源(R)、途徑(A)、效率(U)、能力(C)和環(huán)境(E)。相對于PSR模型和社會-經(jīng)濟-環(huán)境指標體系，WPI模型內(nèi)容更加全面，不僅反映區(qū)域水資源的自然狀況，還體現(xiàn)水利設(shè)施、居民生活和社會經(jīng)濟狀況對水資源供需的影響。筆者對比孫才志等[16]、肖新成等[17]和R. J. Zhang等[18]的相關(guān)研究，結(jié)合重慶市獨特的地形和人文要素，根據(jù)科學(xué)性、獨立性、代表性和系統(tǒng)性等指標選取原則，結(jié)合數(shù)據(jù)的可獲得性選取了21個基礎(chǔ)指標作為指標層，WPI模型的5個子系統(tǒng)作為準則層，水資源安全作為目標層。采用層次分析法(AHP)結(jié)合熵值法(EVM)確定各指標的綜合權(quán)重和各準則層的綜合權(quán)重[19],如表1所示。

3.3綜合評價方法

本文水資源安全評價是資源、途徑、效率、能力、環(huán)境5個準則層的非均衡綜合評價。準則層計算采用加權(quán)函數(shù)法，如式(1)所示，得到的各子系統(tǒng)值，再將其代入式(2)中，進行下一步的加權(quán)求和。

(1)

(2)

式中:yij指第i個評價對象的第j個指標的標準化值;wi和wj分別為各子系統(tǒng)的綜合權(quán)重和子系統(tǒng)下基礎(chǔ)指標的綜合權(quán)重;f(yi)和F(x)分別為各子系統(tǒng)得分值和水資源安全綜合指數(shù)。

為了避免極值0和1的出現(xiàn)，利用改進的極差標準化法對原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理。方法如下：

正向指標

(3)

負向指標

(4)

式中:xij指第i個評價對象的第j個指標的原始值;xmax，xmin分別為第i個評價對象的最大值和最小值。

3.4水資源安全影響因素評判模型

為保障重慶市水資源安全水平，水資源安全影響因素分析十分必要。本文借鑒因素強度系數(shù)模型[1]，將因素強度系數(shù)定義為WPI模型各子系統(tǒng)計算得分值與水資源安全綜合指數(shù)值的比值，記為Z。在考慮因素強度系數(shù)值的同時，還要考慮子系統(tǒng)的計算得分值，記為f。對1997—2013年各子系統(tǒng)得分值和水資源安全綜合值進行分析，適當(dāng)調(diào)整閾值，得到適合重慶市的優(yōu)等、中等、劣等因素判定準則,如表2所示。

表2　水資源安全影響因素分類判定標準Table 2　Standard of rating the influencing factors of water resource security

4結(jié)果與分析

4.1重慶市水資源安全綜合評價結(jié)果分析

根據(jù)以上公式計算得出重慶市1997—2013年水資源安全綜合的指標和各子系統(tǒng)得分值，進而得出各評價指數(shù)變化趨勢圖，如圖1。

圖1　綜合評價法所得重慶市水資源安全評價結(jié)果

從圖1可以看出：重慶市水資源安全綜合指數(shù)由1997年的0.25上升到2013年的0.67，整體呈階梯式上升。其中1997—1998年、2001—2003年、2006—2007年和2009—2013年這4個時段水資源安全值增幅較大，1998—2001年、2003—2006年和2007—2009年這3個時段水資源安全值平緩下滑。1997—1998年水資源安全值從0.25突增到0.36，增幅44%。1998—2001年變化較為平緩，波動較小。2001—2003年增幅45.46%。2003—2006年再次平緩下降，下滑近15%，水資源安全值降到0.40。2006—2007年水資源安全值增幅27.23%。2007—2009年下滑幅度只有5.78%。2009年之后，水資源安全值再次大幅度上升，2013年相對于2009年增幅38.51%?？傮w來看，重慶市水資源安全值呈波動上升趨勢，與黃玉寶等[14]的研究結(jié)論大體一致，但水資源安全趨勢系數(shù)為0.022 8 /a，水資源安全波動更為劇烈。

4.2重慶市水資源安全各子系統(tǒng)評價結(jié)果分析

圖2是根據(jù)式(1)得出的WPI模型5個子系統(tǒng)在1997—2013年期間的變化趨勢。

圖2　重慶市水資源安全各子系統(tǒng)評價結(jié)果

由圖2可以看出，途徑子系統(tǒng)(A)和能力子系統(tǒng)(C)的得分基本上逐年上升，途徑子系統(tǒng)(A)趨勢系數(shù)為0.048 2 /a，低于能力子系統(tǒng)(C)的0.051 3 /a。資源子系統(tǒng)(R)和環(huán)境子系統(tǒng)(E)在研究期間波動變化，并且變化趨勢相似，特別是在2006年和2009年的枯水年份，資源和環(huán)境子系統(tǒng)值同時降低。受降水年際變化大的影響，資源子系統(tǒng)(R)比環(huán)境子系統(tǒng)(E)變化幅度更大。環(huán)境子系統(tǒng)呈現(xiàn)明顯的下降，趨勢系數(shù)為-0.014 5/a。效率子系統(tǒng)(U)表示重慶市水資源使用效率，從1997—2013年，使用效率變化較為平緩，多數(shù)年份效率得分值在0.54左右徘徊，趨勢系數(shù)只有0.002 4/a。

4.3重慶市水資源安全因子分析評價結(jié)果分析

利用因子分析中的主成分法[20]對重慶市1997—2013年水資源安全進行評價。首先得出前4個主成分因子的累計貢獻率為95.348%，滿足評價需求。之后采用方差最大旋轉(zhuǎn)法得到4個主成分因子載荷矩陣，第2主因子中水利工程蓄水率、農(nóng)田灌溉畝均用水量、人均GDP和農(nóng)田有效灌溉面積的相關(guān)系數(shù)絕對值較大，歸為一類，定義為水利灌溉因子；第3主因子中年人均廢污水排放量、污徑比歸為水環(huán)境因子；產(chǎn)水系數(shù)和人均水資源量作為水資源量因子歸為第4主因子；其余指標作為第1主因子，根據(jù)指標特點將其定義為社會經(jīng)濟因子?？梢钥闯?，4個主成分因子的劃分與WPI模型5個子系統(tǒng)具有相似性。在SPSS17.0中根據(jù)因子得分矩陣和21個變量的標準化值求出4個主因子的得分，再以每個因子的貢獻率作為系數(shù)，將主因子得分值代入式(5)，求出水資源安全值，結(jié)果如圖3所示。

F=0.468 7×F1+0.222 08×F2+

0.145 84×F3+0.116 87×F4。

(5)

式中：F為水資源安全綜合指數(shù)；F1,F2,F3和F4分別為社會經(jīng)濟、水利灌溉、水環(huán)境和水資源量得分值。

圖3　因子分析法所得重慶市水資源安全評價結(jié)果

圖3為因子分析法得出的結(jié)果，將其和基于WPI模型加權(quán)求和得出的結(jié)果(如圖1)進行對比，圖3中縱坐標代表由式(5)計算得到的水資源安全得分值，最高值為2011年的0.73，圖3中趨勢系數(shù)為0.102 7/a。2個圖中的變化趨勢大體一致，最低值都出現(xiàn)在1997年，水資源變化也近似呈階梯式上升，可以印證基于WPI模型的評價結(jié)果合理有效。

4.4重慶市水資源安全影響因素分析

為深入分析重慶市自成為直轄市以來各年份水資源安全的影響因素，利用表2中的因素判定準則，分別判定出重慶市1997—2013年中每一年影響水資源安全的優(yōu)等、中等和劣等因素，結(jié)果見表3。

從表3中可見，隨著年份的推移，重慶市水資源安全影響因素不斷變化。1997—1998年、2001—2002年、2003—2004年、2011—2012年這4個階段因素評判呈現(xiàn)連續(xù)相同的特點，但每個階段之間評判結(jié)果不同。1997—1998年連續(xù)2 a不存在中等因素，原因在于這2 a水資源安全綜合值較低，資源、效率和環(huán)境狀況良好，而途徑和能力受經(jīng)濟水平限制，狀況最差。2007年不存在優(yōu)等因素，資源子系統(tǒng)為劣等因素，其他4個子系統(tǒng)為中等因素。

表3　重慶市水資源安全影響因素評判結(jié)果Table 3　Result of rating the factors of water resource security of Chongqing

WPI模型的5個子系統(tǒng)作為水資源安全影響因素隨時間變化具有階段性。從2001年開始，資源子系統(tǒng)(R)由優(yōu)、中等因素突變?yōu)榱拥纫蛩兀?010年之后為中等因素。原因可能是2001年之前，重慶市降水豐沛，水資源量充足，平均水利工程蓄水率達0.044；之后2001—2006年降水量少，平均產(chǎn)水系數(shù)只有0.53，水利設(shè)施完善進程跟不上人口膨脹速度，造成城市用水短缺，其中2001年和2006年的旱災(zāi)對重慶市水資源安全影響顯著。2007年之后水資源開發(fā)利用不斷完善，但人口壓力造成人均水資源量依然處于低水平，水資源壓力大。

途徑子系統(tǒng)(A)和能力子系統(tǒng)(C)這2個因素變化規(guī)律近似，隨著年份的增加從劣、中等因素逐漸轉(zhuǎn)為優(yōu)等因素，變化的拐點出現(xiàn)在2006年。說明重慶直轄和三峽水利工程的實施，國家大力扶持重慶全方位發(fā)展，城市經(jīng)濟、教育和環(huán)境投入比重不斷提高，人均GDP由1997年的4 733元漲至2013年的42 795元。經(jīng)濟水平的提高帶動自來水普及率和供水、排水管道等各種水利設(shè)施建設(shè)，先進的科學(xué)技術(shù)不斷提升工業(yè)廢水排放達標率并降低萬元GDP用水量。2009年之后，即使在資源和環(huán)境處于不利的情況下，重慶市水資源安全值仍達0.55以上，其中用水途徑和能力起到有效的驅(qū)動作用。

環(huán)境子系統(tǒng)(E)在2005年之前是優(yōu)等因素，之后變化為中等和劣等因素，威脅重慶市水資源安全。一方面，由于長期的人類活動，大量的工農(nóng)業(yè)廢水、生活污水、化肥農(nóng)藥等排入到江河水庫，造成水質(zhì)惡化；另一方面，2003年以來受三峽工程蓄水成庫的影響，庫區(qū)干流及眾多支流的流速明顯下降，《長江三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測公報》指出，2013年坨口斷面干流平均流速為0.26 m/s。河流流速降低不利于污染物的稀釋擴散，從而影響水體的納污能力。此外，濕地、河流、湖泊等生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，水生態(tài)功能減弱。2009年之后，水環(huán)境已變?yōu)樗Y源安全的劣等因素，威脅水資源安全。

效率子系統(tǒng)(U)代表城市和農(nóng)村家庭用水和不同工農(nóng)業(yè)部門用水效率，直轄以來，重慶市水資源使用效率從優(yōu)等因素變?yōu)橹械纫蛩兀?011年和2012年更是作為劣等因素。雖然農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平不斷提高，工業(yè)廢水處理技術(shù)越發(fā)成熟，但對水資源重復(fù)利用量依然較少，2013年重慶市城市建成區(qū)的污水處理回用只有3萬m3，說明公民節(jié)水意識淡薄，水資源有效利用還有很大的提升空間。

5結(jié)論

(1) 重慶市自直轄以來，水資源安全值隨年份階梯式上升。重慶市水資源總體狀況不斷改善并趨于穩(wěn)定，個別枯水年份水資源安全值較低，反映了當(dāng)年水資源短缺問題。

(2) 子系統(tǒng)值變化趨勢中除途徑和能力子系統(tǒng)有一定提升，效率子系統(tǒng)基本穩(wěn)定外，資源和環(huán)境子系統(tǒng)值均呈現(xiàn)不同程度的下降，可見重慶市未來水資源安全依然存在風(fēng)險。其中水資源短缺和水環(huán)境惡化問題需得到政府和普通民眾的重視，以免威脅未來重慶市水資源安全。

(3) 利用因子分析法將基礎(chǔ)指標分為社會經(jīng)濟、水利灌溉、水環(huán)境和水資源量4個主因子，與WPI模型結(jié)果進行對比，計算得到水資源安全值變化趨勢與WPI模型結(jié)果基本一致，說明WPI模型所得水資源安全值的結(jié)果合理可信。

(4) 重慶市不同階段水資源安全影響因素有所不同。資源和環(huán)境子系統(tǒng)逐漸演變成為水資源安全的劣等因素，供水設(shè)施和用水能力成為保證重慶市水資源處于安全狀態(tài)的優(yōu)等因素。分析結(jié)果與重慶市近年來水文狀況基本相符，現(xiàn)階段需加強重慶市水資源管理和特別是水環(huán)境改善與保護，提高水資源的利用效率。

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(編輯:占學(xué)軍)

收稿日期：2015-07-09; 修回日期：2015-08-28

基金項目：重慶市科委軟科學(xué)計劃項目(CSTC2011CX-rkxA0280)

作者簡介：張喆(1991-)，男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向為環(huán)境演變與災(zāi)害管理, (電話)15340514810(電子信箱)dilizhangjiji2008@126.com。 通訊作者：何太蓉(1973-)，女，重慶豐都人，教授，博士，研究方向為自然資源與環(huán)境,(電話)15823571779(電子信箱)he_trong@263.net。

doi:10.11988/ckyyb.20150573

中圖分類號：TV211.1

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)04-0001-05

Analysis of Water Resources Security inChongqing City Based on WPI Model

ZHANG Zhe1, HE Tai-rong1,2, SHU Rui-qin1, LIU Huan1

(1.School of Geography and Tourism, Chongqing Normal University, Chongqing401331, China;2.Key Laboratory of Surface Process and Environment Remote Sensing in the Three Gorges Reservoir Area,Chongqing Normal University, Chongqing401331, China)

Abstract:The aim of this research is to comprehensively assess the situation of water resource security in Chongqing city and analyze the influencing factors in multiple background. We built an assessment index system of water resources security based on WPI model. The system consists of five subsystems: resource (R), access (A), usage (U), capacity (C), and environment (E). We calculated the comprehensive security index of water resources and the five subsystems’ scores during 1997-2013 in Chongqing city using weighting function method, and conducted comparative analysis by using the method of factor analysis. Furthermore, we established factors rating model and classified the five subsystems into superior, medium and inferior. Results revealed that the water resources security index of Chongqing increased progressively during 1997-2013, and the coefficients of overall trend was 0.0228/a, indicating that the situation of water resources security improved and the assessment result was consistent with factor analysis. However, the five subsystems had a different variation tendency in time. Among the five subsystems, the scores of access subsystem and capacity subsystem were rising year by year. Compared with earlier years, the scores of resource subsystem and environment subsystem in late years declined. But the score of usage subsystem changed a little. The access factor and capacity factor evolved from inferior to superior while the resource factor and environment factor degraded into the inferior. The efficiency factor degraded into medium from superior. According to the above results, we conclude that the situation of water resources security in Chongqing city has risk possibility in the future. Therefore, the management of water resources should be strengthened and water environment should also be improved, and the water-saving awareness should be intensified.

Key words:water resources security; WPI model; factors rating model; factor analysis; Chongqing city

2016,33(04):1-5,15