葫蘆島市水資源短缺風(fēng)險評價

(葫蘆島市南票區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 葫蘆島 125027)

結(jié)合文獻(xiàn)資料可將水資源短缺的內(nèi)涵概括為：由于供水系統(tǒng)不完備、水生態(tài)環(huán)境惡化、水資源不合理開發(fā)以及人口規(guī)模擴(kuò)大等因素影響，水資源系統(tǒng)在一定的時空條件下表現(xiàn)出的缺水現(xiàn)象。經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展在一定程度上加大了各行業(yè)對水資源的消耗，加之水環(huán)境污染嚴(yán)重和水資源空間分布不均，使得水資源短缺問題已成為全世界面臨的重要難題[1]。

葫蘆島市是我國東北沿海地區(qū)旅游、工業(yè)、港口、貿(mào)易及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要城市，當(dāng)前面臨著工程性、資源性與水質(zhì)性缺水問題。調(diào)查顯示：該區(qū)域人均水資源量為728m3且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家公認(rèn)水平，年均水源量約19.56億m3，屬于重度缺水區(qū)。由于城市水資源短缺，供水不足成為限制城市發(fā)展的關(guān)鍵因素，且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增長及城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，生產(chǎn)生活及各行業(yè)用水量急劇增大。流域下墊面條件的改變和上游地區(qū)用水量的增加，使得葫蘆島市產(chǎn)流量與入境水量不斷減少，水源短缺風(fēng)險為葫蘆島市面臨的重要問題之一[2-6]。所以，構(gòu)建系統(tǒng)、全面的評價體系，確定關(guān)鍵性影響因子的變化特征，綜合評價區(qū)域水資源供需關(guān)系是實施最嚴(yán)格水資源管理的重要條件，并可為促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供重要保障。

對于評價體系構(gòu)建方法的研究國外還鮮有報道，且相關(guān)研究用于描述水系統(tǒng)特征的指標(biāo)數(shù)相對較少。目前，Hashimoto等[7]提出的易損性、恢復(fù)性與可靠性指標(biāo)為描述水系統(tǒng)風(fēng)險的代表性指標(biāo)，隨后風(fēng)險率、穩(wěn)定性等指標(biāo)逐漸得到應(yīng)用。我國于20世紀(jì)90年代末開始對各類水資源的評價研究，對全國水資源開采狀況水電規(guī)劃研究院進(jìn)行了綜合的評價分析。隨后，賈紹鳳等[8]從水資源生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會、總體安全4個層面選擇22項因子，建立了水安全綜合評價體系；韓宇平等[9]基于層次框架體系從5個方面選擇22個與水安全相關(guān)的典型指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上評價優(yōu)選了水資源持續(xù)利用方案；李九一等[10]選擇用水效率、水資源利用率、保障可靠性及供給保證率4項指標(biāo)，綜合評價了京津唐地區(qū)的水資源短缺風(fēng)險；張士峰等[11]結(jié)合水系統(tǒng)風(fēng)險過程、系統(tǒng)屬性特征，從損害程度、承險因子、致險因子的角度選擇20項典型指標(biāo)并構(gòu)建評價體系，綜合評價了北京市水系統(tǒng)風(fēng)險；高媛媛等[12]從經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)、自然4個子系統(tǒng)選擇9項參數(shù)，綜合分析了泉州市水系統(tǒng)安全水平。

截至目前，對于指標(biāo)體系的研究國內(nèi)學(xué)者還未形成普遍適用、系統(tǒng)完善的評價方法，雖然這些分類指標(biāo)、綜合指標(biāo)基本涉及了生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會與自然系統(tǒng)的多個方面，但未考慮各指標(biāo)間相互作用的復(fù)雜關(guān)系，且選擇的指標(biāo)往往存在隨意性。同時，對于指標(biāo)權(quán)重通常采用AHP法計算，該方法具有層次清晰、計算簡單等優(yōu)點(diǎn)，但人為主觀因素可能對評價結(jié)果造成偏差。

因此，本文考慮采用PSR框架結(jié)構(gòu)建立評價體系，對各因子權(quán)重考慮采用主成分法確定，綜合評價葫蘆島市1991—2016年的水資源短缺風(fēng)險，結(jié)合各指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果確定影響區(qū)域水資源短缺的關(guān)鍵因素。

1 構(gòu)建PSR模型

1.1 建立評價指標(biāo)體系

由OECD經(jīng)濟(jì)合作組織提出的PSR壓力-狀態(tài)-響應(yīng)框架體系，最早用于研究世界環(huán)境狀況，其基本理念是將政策制度、管理措施響應(yīng)的自然環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)，資源數(shù)量與環(huán)境質(zhì)量狀態(tài)，自然環(huán)境受人類活動影響的壓力等方面作為一個整體系統(tǒng)研究，揭示協(xié)調(diào)穩(wěn)定因素對人地系統(tǒng)的影響規(guī)律及其作用結(jié)果。在資源可持續(xù)利用、生態(tài)安全評價等方面，PSR模型得到了廣泛的應(yīng)用。

針對水資源短缺風(fēng)險的內(nèi)涵PSR框架模型具有較強(qiáng)適用性和可行性，生態(tài)、生產(chǎn)和生活各方面用水由于自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人口增長的變化逐漸產(chǎn)生壓力，在水資源系統(tǒng)中用水短缺風(fēng)險主要體現(xiàn)在水質(zhì)惡化和水量短缺兩個方面。水資源管理者需要采取管理手段、工程技術(shù)措施等辦法緩解水資源危機(jī)，從提高污水處理能力和用水效率兩方面入手，降低用水短缺風(fēng)險程度。因此，水資源短缺各因素間的相互關(guān)系和影響作用可基于RPS框架模型評價體系反映，從而科學(xué)地提出有效的對策建議。

本文遵循簡便性、科學(xué)性、代表性與系統(tǒng)性原則，充分考慮葫蘆島市水資源現(xiàn)狀，依據(jù)PSR壓力-狀態(tài)-響應(yīng)框架體系選取與水資源系統(tǒng)密切相關(guān)的14個典型指標(biāo)。不同的指標(biāo)屬性對抑制或促進(jìn)水資源短缺風(fēng)險的作用不同，結(jié)合各指標(biāo)的具體內(nèi)涵將其分為正向、負(fù)向兩大類。水資源短缺風(fēng)險隨正向指標(biāo)值的增大而增大，隨負(fù)向指標(biāo)值的增大而減少，評價體系及各指標(biāo)具體內(nèi)涵見表1。

表1 水資源短缺風(fēng)險評價體系及其內(nèi)涵

1.2 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于各評價指標(biāo)的量綱不同無法直接用于水資源短缺風(fēng)險的計算，本文對各指標(biāo)的歸一化處理考慮采用標(biāo)準(zhǔn)差法進(jìn)行，其表達(dá)式如下：

(1)

對評價體系中的正向、負(fù)向指標(biāo)分別采用式(1)處理，由此可消除不同指標(biāo)在水資源短缺風(fēng)險評價時的不可通透性。

1.3 主成分法賦權(quán)

主成分法是一種利用少數(shù)綜合參數(shù)替代多個變量的計算法，這幾個綜合參數(shù)不僅能夠考慮各指標(biāo)之間的系統(tǒng)性、獨(dú)立性關(guān)系，而且可有效避免由于決策者主觀判斷造成重要指標(biāo)有效信息的丟失，對于多屬性、多因素復(fù)雜問題的評價計算具有較強(qiáng)的適用性。該方法是運(yùn)用降低維度的原理，采用少數(shù)幾個具有線性組合關(guān)系且相互獨(dú)立的主成分指標(biāo)代表實測的多個參數(shù)，從而具有能夠反映多個實測因素的典型特征。

本文以葫蘆島市1991—2016年序列為樣本，選擇水資源短缺風(fēng)險變量為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的各指標(biāo)值，從而構(gòu)建相關(guān)系數(shù)矩陣，然后利用SPSS16.0軟件處理相關(guān)數(shù)據(jù)并確定特征根和響應(yīng)方差貢獻(xiàn)率，提取主成分因子及其回歸系數(shù)。通過線性組合方式確定的主成分，基本能夠覆蓋大多數(shù)初始信息，因此可對各樣本的因子權(quán)重利用回歸系數(shù)確定，其計算方法為

(2)

式中：W′j為未標(biāo)準(zhǔn)化處理時指標(biāo)j的權(quán)重；αq j、gq分別代表主成分q對于指標(biāo)j中的主成分系數(shù)和主成分q對總體方差的貢獻(xiàn)率；m為確定的主成分個數(shù)。

當(dāng)若干主成分的累計貢獻(xiàn)率在85%以上時即可反映初始變量的信息，提取該主成分所對應(yīng)的個數(shù)，然后對各因子權(quán)重利用歸一化公式處理得到標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重Wj。

1.4 綜合風(fēng)險值計算

采用下述計算公式確定區(qū)域水資源短缺風(fēng)險在各年份的初始綜合得分，即

(3)

式中：Ai為年份i的區(qū)域水資源短缺風(fēng)險初始綜合得分；n為參評指標(biāo)數(shù)。

本文以百分制將初始得分作進(jìn)一步計算處理，從而更好地描述水資源短缺風(fēng)險在不同時間的差異狀況，計算式為

(4)

式中：Fi為第i個年份的水源短缺綜合風(fēng)險值；Amin、Amax分別為水源短缺初始綜合得分最小、最大值。

2 葫蘆島市水資源短缺風(fēng)險評價

2.1 主成分的選擇

選擇待評價樣本為葫蘆島市1991—2016年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)的處理利用SPSS軟件完成。對Bartletts球形檢驗和KMO檢驗采用PASW Sataistics18.0軟件計算，若滿足球形檢驗P值<0.5且KMO檢驗系數(shù)大于0.7，則認(rèn)為水資源短缺風(fēng)險各因子滿足主成分分析條件。本研究KMO計算值為0.751，P值檢驗Sig<0.5，可見在主成分分析時該因子值具有一定適用性與科學(xué)性。對葫蘆島市水資源短缺風(fēng)險的14項評價因子利用PASW軟件提取主成分，從而得到各評價樣本的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣及其特征值、方差貢獻(xiàn)率，具體值見表2。

2.2 權(quán)重計算

主成分的確定基于特征值大于1的原則選擇前3個特征根，方差累計貢獻(xiàn)率為86.555%，可見這3個主成分能夠較全面地反映區(qū)域水資源短缺風(fēng)險的有效信息?？紤]到主成分所包含的信息還無法通過因子提取結(jié)果直觀地反映，可利用各主成分之間的相關(guān)系數(shù)及其所對應(yīng)的變量構(gòu)成荷載矩陣，通過計算提取相應(yīng)的回歸系數(shù)，然后用相關(guān)公式確定各因子權(quán)重，計算結(jié)果見表3。

表2 特征值及累計方差貢獻(xiàn)率計算值

表3 荷載矩陣和各因子回歸系數(shù)矩陣

由表3可知，第三產(chǎn)業(yè)比重、污水處理能力、污水管網(wǎng)長度、地下水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、城市綠化覆蓋率和居民生活用水等因子關(guān)于第一主成分的絕對值負(fù)荷數(shù)較大；水資源利用率、地下水位下降深度等因子關(guān)于第二主成分的絕對值負(fù)荷數(shù)較大；萬元GDP用水下降率關(guān)于第三主成分的負(fù)荷數(shù)較大。第一、二、三主成分負(fù)荷數(shù)分別反映了水資源用水集約狀況、利用程度及其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出水平。

2.3 綜合風(fēng)險計算

根據(jù)回歸系數(shù)和主成分方差貢獻(xiàn)率計算結(jié)果，確定研究期間的水資源短缺風(fēng)險初始綜合得分，然后進(jìn)行百分制處理得到最終的綜合風(fēng)險值。水資源短缺風(fēng)險程度隨綜合風(fēng)險值的增大而提高，其計算結(jié)果見表4。

表4 1991—2016年葫蘆島市水資源短缺風(fēng)險評價

2.4 結(jié)果分析

在屬性為正向指標(biāo)中水資源利用率的權(quán)重最大，為0.112，可見對水資源短缺風(fēng)險該指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度最高。總體而言，葫蘆島市水資源系統(tǒng)已經(jīng)得到了充分的開發(fā)利用。1991—2016年葫蘆島市年均水資源總量17.88億m3，總供水量約26.75億m3，用水率達(dá)149.6%。1992年水資源利用率最低，為82%，該年份降水量為778mm，屬于豐水年，水資源量和供水量相對較大；而2004年的水資源利用率最高，為286%，該年份降水量僅有405mm，屬于極端枯水年，水資源量和總供水量相對較少。值得一提的是，水資源總量一般不包括再生水利用和過境水資源量，而僅僅是對本地水源的統(tǒng)計值。因此，缺水地區(qū)的水資源總量通常低于當(dāng)?shù)氐目偣┧?。然而，近年來葫蘆島市水資源利用率始終處于較高水平，有必要加強(qiáng)對水資源的管理。根據(jù)用水高度緊張地區(qū)其水資源利用率大于40%的分類標(biāo)準(zhǔn)，葫蘆島市基本達(dá)到了高度緊張的用水狀態(tài)，存在較高的水源短缺風(fēng)險。

根據(jù)表4計算結(jié)果，2004年的水資源短缺綜合風(fēng)險值最高，該年份的降水量較低，水資源人均占有量僅為286m3，地下水位相對于上一年下降了2.26m，達(dá)到歷史低值。之后，在2013年綜合風(fēng)險值有所降低但仍處于較高水平。結(jié)合葫蘆島市水資源綜合規(guī)劃，2025年該區(qū)域用水量需求達(dá)38億m3，就現(xiàn)狀供水條件而言仍存在較大的缺水量。目前雖然積極開展了一系列的節(jié)水項目，建設(shè)了引調(diào)水工程，但長遠(yuǎn)來看，隨著葫蘆島市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口的持續(xù)增加，水資源需求的持續(xù)增加和有效的水資源供給仍然是葫蘆島市面臨的嚴(yán)峻問題。

3 結(jié) 論

本文基于PSR框架結(jié)構(gòu)和主成分分析法計算各指標(biāo)權(quán)重，評價了葫蘆島市1991—2016年的水源短缺風(fēng)險，并結(jié)合區(qū)域水資源狀況和權(quán)重計算結(jié)果識別了關(guān)鍵性影響因素。研究表明，葫蘆島市水資源短缺綜合風(fēng)險值較高，2004—2013年間水資源短缺風(fēng)險最高，隨后水資源短缺得到緩和；水資源短缺風(fēng)險主要受污水處理能力和水資源利用率的影響，高度緊張的用水狀態(tài)是驅(qū)動水源短缺的主要動力，引調(diào)水工程建設(shè)、節(jié)水技術(shù)的推廣以及污水處理能力的提升可在一定程度上消減短缺風(fēng)險程度。然而，長遠(yuǎn)來看葫蘆島市仍面臨著嚴(yán)峻的水資源供給壓力。