基于PSR模型的貴州省水資源安全診斷與影響因素分析

姚 望，周子琴，張鳳太

(1.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，重慶 400047；2.重慶理工大學(xué)管理學(xué)院，重慶 400054)

水資源作為基礎(chǔ)性自然資源和重要的生態(tài)環(huán)境要素，既影響著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展，也關(guān)系著一個(gè)國家或地區(qū)的生態(tài)環(huán)境安全[1-2]。中國西南部喀斯特地區(qū)因其特殊的“二元三維”儲(chǔ)水空間結(jié)構(gòu)，地表儲(chǔ)水能力弱，水分下滲嚴(yán)重，便于有效利用的地表水資源有限[3-4]。同時(shí)，隨著人口增長及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需水壓力陡增。加上大量工業(yè)廢水、生活污水的排放，水污染狀況較為突出，造成的諸如洪澇災(zāi)害、水環(huán)境污染、水環(huán)境功能受損、水資源短缺等水資源安全問題已嚴(yán)重制約了西南喀斯特地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[5-7]。

近年來，許多學(xué)者對(duì)水資源安全的評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)模型進(jìn)行了大量研究。層次分析法、熵權(quán)法、集對(duì)分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、水貧乏指數(shù)、支持向量機(jī)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、NBA-MEPP模型、邏輯斯蒂曲線模型等眾多方法、模型被應(yīng)用于水資源安全評(píng)價(jià)[8-15]。同時(shí)，這些模型在喀斯特地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)中的運(yùn)用也取得了一定進(jìn)展，如段琪彩等[16]結(jié)合云南省喀斯特地貌特征、人口經(jīng)濟(jì)分布和水循環(huán)時(shí)空分布的差異性等，分析出影響水資源安全的主要因素；鄒勝章等[17]提出西南喀斯特地區(qū)進(jìn)行水資源安全評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)涵蓋水質(zhì)、水量、水資源利用及水災(zāi)害防治等評(píng)價(jià)內(nèi)容；張鳳太等[18]構(gòu)建了基于DPSIRM概念模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并借助灰色-集對(duì)模型對(duì)貴州省水資源安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)。這些研究更清楚地了解喀斯特地區(qū)水資源安全狀況及其變化情況，但大多直接借鑒了通用水資源安全的評(píng)價(jià)方法和模型，仍存在著一些不足之處：①在指標(biāo)選取上不能體現(xiàn)喀斯特地區(qū)特殊水文地質(zhì)特征，不能突出其工程性缺水狀況；②確定指標(biāo)權(quán)重時(shí)受到專家理論水平及對(duì)研究區(qū)熟悉程度的影響，過于依賴專家經(jīng)驗(yàn)，忽略了指標(biāo)客觀信息。

Handmer等[19]將水資源定義為區(qū)域自然、經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)中面對(duì)水資源需求通過自身?xiàng)l件或者外部調(diào)節(jié)，保持水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性或功能性的能力，即水資源壓力、區(qū)域水資源狀態(tài)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)響應(yīng)。因此，本文依據(jù)PSR概念模型，從需水壓力、水資源狀態(tài)、人為響應(yīng)3個(gè)方面選取19個(gè)指標(biāo)構(gòu)建貴州省水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并采用變異系數(shù)法與層次分析法相結(jié)合的方法確定指標(biāo)權(quán)重，在參考主觀經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，又考慮了客觀因素。同時(shí)，采用多目標(biāo)模糊隸屬度函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化法和綜合指數(shù)法對(duì)貴州省2001—2015年水資源安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，以期為貴州省水資源優(yōu)化配置及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供決策參考。

1 水資源安全評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

PSR模型最初由Friend和Rapport[20]提出，后被推廣應(yīng)用于環(huán)境評(píng)價(jià)、人地關(guān)系的研究中，從因果關(guān)系方面闡釋了人類社會(huì)發(fā)展需求造成的水資源壓力作用于自然環(huán)境，自然環(huán)境承壓后所保持的狀態(tài)及人類依據(jù)該狀態(tài)采取的能動(dòng)響應(yīng)，從而能夠較好地反映水資源安全的結(jié)構(gòu)組成及其維度之間的關(guān)系(圖1)?？λ固氐貐^(qū)地表地下水轉(zhuǎn)化迅速，地表儲(chǔ)水能力弱，地表徑流系數(shù)低，且地質(zhì)狀況復(fù)雜。隨著貴州省人口增長、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，居民生活、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)用水需求逐步加大，水資源供求缺口逐漸增大，對(duì)貴州省水資源造成的壓力逐年增大。同時(shí)隨著用水量的增加，生活污水、工業(yè)廢水的排放量亦呈上升趨勢，迫使貴州省加強(qiáng)污水治理以改善水質(zhì)，加強(qiáng)水資源開發(fā)利用技術(shù)、節(jié)水技術(shù)等提高水資源利用效率，興建各項(xiàng)水利工程設(shè)施如修建水庫、提水工程、引水工程、農(nóng)田灌溉設(shè)施等以保障用水安全。同時(shí)加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境治理如修復(fù)石漠化、提高森林覆蓋率等提高地表儲(chǔ)水能力，以保障水資源安全。

圖1 水資源安全評(píng)價(jià)模型框架

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

依據(jù)水資源安全內(nèi)涵，在遵循科學(xué)性、可操作性、代表性等原則基礎(chǔ)上，結(jié)合喀斯特地區(qū)水文、地質(zhì)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)特性，并參考國內(nèi)及喀斯特地區(qū)水資源安全相關(guān)文獻(xiàn)[3-4,8-20]，從需水壓力、水資源狀態(tài)、人為響應(yīng)3個(gè)方面選取19個(gè)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系(表1)。并根據(jù)指標(biāo)屬性分為負(fù)向性指標(biāo)和正向性指標(biāo)，對(duì)不同屬性指標(biāo)分別進(jìn)行賦權(quán)評(píng)價(jià)。

表1 喀斯特地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 指標(biāo)賦權(quán)

采用層次分析法確定指標(biāo)主觀權(quán)重，采用變異系數(shù)法確定指標(biāo)客觀權(quán)重，并利用拉格朗日系數(shù)求得綜合權(quán)重，既考慮主觀因素，又反映客觀信息(表1)。

(1)

式中Wj——綜合權(quán)重；W1j——層次分析法權(quán)重；W2j——變異系數(shù)法權(quán)重。

1.3 指標(biāo)分級(jí)

參考有關(guān)水資源安全等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)研究文獻(xiàn)，結(jié)合喀斯特地區(qū)用水壓力、水資源狀態(tài)、人為響應(yīng)等實(shí)際狀況，并依據(jù)專家意見對(duì)水資源安全標(biāo)準(zhǔn)做出適當(dāng)調(diào)整，將水資源安全等級(jí)劃分為極不安全、不安全、臨界安全、相對(duì)安全、安全5個(gè)等級(jí)，并確定各指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2)。其中，降水量取貴州省2001—2015年降水量的平均值為臨界安全閾值， 設(shè)

表2 水資源安全指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及閾值

定0～823 mm(貴州省年降水量平均值的75%)為極不安全狀態(tài)；823～987 mm(年平均值的90%)為不安全狀態(tài)；987～1 097 mm(年平均值的100%)為臨界安全狀態(tài)；1 097～1 206 mm(年平均值的110%)為較安全狀態(tài)；1 206～1 371 mm(年平均值的125%)為安全狀態(tài)。單位水體COD負(fù)荷和單位水體NH3-N負(fù)荷依據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》確定。

1.4 多目標(biāo)模糊隸屬度函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化法

當(dāng)前，對(duì)不同量綱指標(biāo)的屬性值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的方法主要有比例標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化、離差標(biāo)準(zhǔn)化等。然而，這些方法在計(jì)算時(shí)因?yàn)橹豢紤]了樣本數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)化后的值只能在樣本數(shù)據(jù)所在的范圍內(nèi)具有相對(duì)可比性。另外，若某一區(qū)域內(nèi)的某項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)很大時(shí)，其他區(qū)域該指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值都會(huì)趨近于0，不能體現(xiàn)其他區(qū)域在該指標(biāo)上的差異。因此，本文采用多目標(biāo)模糊隸屬度函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化方法[21]。

設(shè)指標(biāo)集為w={w1,w2,…wj}，評(píng)語集為H={h1,h2,h3,h4,h5}，結(jié)合表2中水資源安全指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)h1為極不安全，h2為不安全，h3為臨界安全，h4為較安全，h5為安全。評(píng)語h1、h2、h3、h4、h5對(duì)應(yīng)的水資源安全綜合指數(shù)區(qū)間分別為[k1,k2]、[k2,k3]、[k3,k4]、[k4,k5]、[k5,k6]，其中k1=0，k2=0.2，k3=0.4，k4=0.6，k5=0.8，k6=1。對(duì)任一指標(biāo)j，假設(shè)水資源安全綜合指數(shù)閾值k1、k2、k3、k4、k5、k6對(duì)應(yīng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值分別為u1、u2、u3、u4、u5、u6。對(duì)正向指標(biāo)，其隸屬度公式為：

sλij=

(2)

對(duì)于負(fù)向指標(biāo)，其隸屬度公式為：

sλij=

(3)

式中sλij——第λ年i區(qū)域第j項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度或標(biāo)準(zhǔn)化值；xλij——第λ年i區(qū)域第j項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)際值。

1.5 綜合指數(shù)

根據(jù)各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值和綜合權(quán)重，利用加權(quán)法分別計(jì)算各準(zhǔn)則層、目標(biāo)層的綜合指數(shù)。其中，目標(biāo)層綜合指數(shù)計(jì)算公式：

(4)

準(zhǔn)則層綜合指數(shù)計(jì)算公式：

(5)

2 實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)概況

貴州省地處中國西南腹地，行政區(qū)總面積17.616 7萬km2，境內(nèi)地勢西高東低，喀斯特地貌發(fā)育廣泛，高原、山地、丘陵、盆地等地貌分布廣泛，素有“八山一水一分田”之說。貴州省屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，季節(jié)分明，雨量充沛，雨熱同期，最冷月(1月)平均氣溫在3°C～6°C，最熱月(7月)平均氣溫在22°C～25°C，年平均降水量為1 095 mm，降水多集中在6—9月。貴州省多為喀斯特地貌，地表儲(chǔ)水能力較弱，且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民生活質(zhì)量的提高，需水壓力逐漸增加，加之大量工業(yè)廢水和生活污水的排放，水資源安全問題越來越突出。

2.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要來源于貴州省水利廳公布的《貴州省水資源公報(bào)》(2001—2015年)，貴州省環(huán)境保護(hù)局公布的《貴州省環(huán)境狀況公報(bào)》(2001—2015年)，以及《貴州省統(tǒng)計(jì)年鑒》《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》等資料。另外，2001年石漠化率從貴州省2000年正式立項(xiàng)開展的全省石漠化遙感調(diào)查項(xiàng)目結(jié)果得到，2005、2011年石漠化率從貴州省《石漠化狀況公報(bào)》中得到，其余年份石漠化率從貴州省政府工作報(bào)告中每年的石漠化治理狀況得到。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1水資源安全狀況

將貴州省2001—2015年的各評(píng)價(jià)指標(biāo)值、等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)代入式(2)、(3)中，得到貴州省2001—2015年各評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值，將得到的標(biāo)準(zhǔn)化值以及各指標(biāo)權(quán)重代入式(4)、(5)中，可得到貴州省2001—2015年的水資源安全綜合指數(shù)以及各準(zhǔn)則層的綜合指數(shù)(圖2)。由圖2可知，貴州省水資源安全綜合指數(shù)雖略有起伏，但在總體趨勢上呈明顯的上升狀態(tài)，從2001年的0.48上升至2015年的0.78，由原先的臨界安全狀態(tài)上升至相對(duì)安全狀態(tài)，并向安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變。而需水壓力指數(shù)基本呈直線式上升趨勢，由2001年的0.40上升至2015年0.71，表明貴州省在水資源開發(fā)利用技術(shù)、節(jié)水技術(shù)方面有了明顯提高。水資源狀態(tài)指數(shù)受自然條件影響，起伏變化較大，多數(shù)年份處于臨界安全狀態(tài)和相對(duì)安全狀態(tài)。人為響應(yīng)指數(shù)增加最為明顯，從2001年的0.40上升至2015年的0.82，由原先的臨界安全狀態(tài)提升至安全狀態(tài)，表明貴州省近年來極為重視水資源安全狀況，蓄水工程、提水工程、引水工程、農(nóng)田灌溉設(shè)施等水利工程不斷完善，極大地提高了供水能力。同時(shí)，在污水處理、增加植被覆蓋提高儲(chǔ)水能力等方面也有較大進(jìn)步。

圖2 2001—2015年貴州省水資源安全綜合指數(shù)及準(zhǔn)則層指數(shù)變化

2.3.2水資源安全影響因素分析

通過對(duì)貴州省2001—2015年水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各準(zhǔn)則層指數(shù)以及各指標(biāo)的歷年變化情況進(jìn)行分析，影響水資源安全的主要因子如下。

a) 需水壓力。貴州省需水壓力指數(shù)基本呈直線式上升，由2001年的臨界安全狀態(tài)向相對(duì)安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變。由圖3可知，貴州省人均生活用水量由2001年的39 m3/人增加到2015年的48 m3/人，雖有增幅，但亦提高了居民的生活質(zhì)量。與此同時(shí)，貴州省水資源開發(fā)利用技術(shù)、節(jié)水技術(shù)不斷提高，2001—2015年貴州省萬元工業(yè)產(chǎn)值用水量、萬元農(nóng)業(yè)產(chǎn)值用水量下降明顯，分別從459、1 586 m3下降至56、318 m3，極大地節(jié)約了工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水，保障了貴州省的用水安全。單位面積生態(tài)環(huán)境用水量亦從原先的215 m3/km2增加到420 m3/km2，極大地保障了生態(tài)環(huán)境的健康。

a)萬元工業(yè)及農(nóng)業(yè)產(chǎn)值用水量變化

b)單位面積生態(tài)環(huán)境及人均生活年用水量變化圖3 需水壓力層各指標(biāo)變化

b) 水資源狀態(tài)。貴州省水資源狀態(tài)指數(shù)受自然因素的主要影響，起伏波動(dòng)較大，總體上處于相對(duì)安全狀態(tài)，亦有個(gè)別年份如2011年受西南地區(qū)大旱的影響，下降至臨界安全狀態(tài)。從圖4可知，貴州省年降水量起伏變化，并無明顯規(guī)律，但年平均降水量大致為1 097 mm，總體上處于臨界安全狀態(tài)；人均水資源量與當(dāng)年降水量有較大相關(guān)性，起伏變化大致同步，多數(shù)年份處于相對(duì)安全狀態(tài)；由于貴州省喀斯特地貌發(fā)育廣泛，地表、地下水轉(zhuǎn)化迅速，地表水漏滲嚴(yán)重，地下水比重較大，地下水比重多數(shù)年份處于臨界安全狀態(tài)，同時(shí)地表徑流系數(shù)亦受此因素的重大影響，多為臨界安全狀態(tài)；單位水體COD負(fù)荷和單位水體NH3-N負(fù)荷在2001—2010年基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明貴州省這些年雖受經(jīng)濟(jì)增長影響，工業(yè)廢水、生活污水雖有所增加，但相應(yīng)的污水處理措施有所加強(qiáng)、污水處理技術(shù)亦有提高，保護(hù)了水環(huán)境質(zhì)量；而2011—2015年，單位水體COD負(fù)荷和單位水體NH3-N負(fù)荷均呈明顯增加狀態(tài)，后者更是由之前的相對(duì)安全狀態(tài)下降至臨界安全狀態(tài)。一方面表明，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)田施肥、工業(yè)生產(chǎn)等造成排污量較大，污水處理工程急需增強(qiáng)，另一方面也表明，污水處理技術(shù)已跟不上社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，急需技術(shù)提高。

a)降水量、人均水資源量及地下水比重變化

b) 單位水體COD、NH3-N負(fù)荷及徑流系數(shù)變化圖4 水資源狀態(tài)層各指標(biāo)變化

c) 人為響應(yīng)。貴州省因其地質(zhì)地貌、局部地區(qū)極度缺水的天然劣勢，極為重視對(duì)水資源的保護(hù)與管理，人為響應(yīng)指數(shù)由2001年的0.40增加至2015年的0.82，由原先的接近不安全狀態(tài)提升至安全狀態(tài)。由圖5可知，貴州省大中型水庫蓄水量從2001年的30.5億m3增加到2015年的299.7億m3，增加了接近10倍，極大地提高了貴州省供水能力，保障其水資源安全；引水、提水工程雖亦日趨完善，但其主要是針對(duì)干旱時(shí)期保障居民用水，而隨著蓄水工程的完善，引水、提水工程供水率逐步減小，降低了對(duì)地下水的開采，在一定程度上亦保護(hù)了區(qū)域的生態(tài)環(huán)境；地表水開采率基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，地下水開采率則因供水能力的逐漸提高呈下降狀態(tài)，由2001年的3.37%下降至2015年的1.05%，處于安全狀態(tài)；2001年貴州省生活污水處理率僅為3.30%，基本沒有污水處理措施，而隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，污水處理技術(shù)逐步提高，污水處理措施逐步加強(qiáng)，到2015年污水處理率已達(dá)90%，由之前的極不安全提升至安全狀態(tài)，萬元GDP污染物減排率亦以每年約10%的速度逐年提高；貴州省對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視以及相應(yīng)的措施實(shí)施，森林覆蓋率由2001年的30.83%增加到2015年的50.00%，石漠化率由2001年的18.8%減少至2015年的8.6%，極大地提高了地表儲(chǔ)水能力，增加了居民可方便利用的水資源量，保障居民用水安全；農(nóng)田灌溉設(shè)施滿足率由2001年的36%提升至2015年的85%，不僅提高了水資源利用效率，另一方面也保障了農(nóng)業(yè)用水安全，提高了糧食產(chǎn)量。

3 結(jié)論

采用多目標(biāo)模糊隸屬度函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化法和綜合指數(shù)法，從需水壓力、水資源狀態(tài)、人為響應(yīng)3個(gè)方面對(duì)貴州省2001—2015年水資源安全進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，得到以下結(jié)論。

a) 貴州省2001—2015 整體水資源安全從臨界安全狀態(tài)上升至相對(duì)安全狀態(tài)，表明水資源安全在整體上處于改善趨勢。而2011年因受西南地區(qū)大旱影響，貴州省水資源安全綜合指數(shù)陡然下降，表明貴州省相應(yīng)的水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)仍存在不足之處，需進(jìn)一步加強(qiáng)。

a)大中型水庫蓄水量、地下水及地表水開采率

b) 提水、飲水工程供水率及農(nóng)田灌溉設(shè)施滿足率

c) 巖溶石漠化率及森林覆蓋率

d) 生活污水處理率及萬元GDP污染物減排率圖5 人為響應(yīng)層各指標(biāo)變化

b) 從影響貴州省水資源安全的3大類組成要素來看，需水壓力因萬元工業(yè)產(chǎn)值用水量和萬元農(nóng)業(yè)產(chǎn)值用水量的顯著下降，從2001年的臨界安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?015年的相對(duì)安全狀態(tài)，表明貴州省水資源利用技術(shù)、節(jié)水技術(shù)在逐漸提高；水資源狀態(tài)因受自然因素的主要影響，起伏變化較大，但單位水體NH3-N含量的增加，表明貴州省在污水處理方面仍需加強(qiáng)；人為響應(yīng)變化較大，受各種水利工程設(shè)施的建設(shè)、退耕還林政策、污水處理等的顯著影響，從2001年的臨界安全狀態(tài)逐步提升至2015年的安全狀態(tài)。但在某些方面，如加強(qiáng)石漠化治理、提高森林覆蓋率等仍有進(jìn)一步的提升空間。

c) 從保障并提高水資源安全水平出發(fā)，未來應(yīng)在現(xiàn)有水資源開發(fā)利用技術(shù)、節(jié)水技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)水資源利用技術(shù)和優(yōu)化配置實(shí)用技術(shù)的研發(fā)、推廣，優(yōu)化水利工程空間布局，同時(shí)加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的治理，提高地表的儲(chǔ)水、蓄水能力，加強(qiáng)水資源管理，建立完善的制度保障體系，實(shí)施合理的管理措施，保障水資源安全。