基于DPSIR模型的甘肅省2000-2018年水安全評價

張 洋, 李 鵬, 楊 志, 李占斌, 李才文

(1.西安國際港務(wù)區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村和水務(wù)局, 陜西 西安 710026; 2.西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室, 陜西 西安 710048; 3.旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國家林業(yè)局重點實驗室, 陜西 西安 710048;4.寧夏回族自治區(qū)水土保持監(jiān)測總站, 寧夏 銀川 750002; 5.國家林業(yè)和草原局西北調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院, 陜西 西安 710048)

水資源是人類社會發(fā)展不可或缺的戰(zhàn)略性資源，對于維護生活、生產(chǎn)、生態(tài)良好發(fā)展具有重要的意義[1]。近年來，由于用水量的激增以及不合理的開發(fā)利用導(dǎo)致水資源安全面臨嚴重的挑戰(zhàn)，同時伴隨著水環(huán)境污染以及水災(zāi)害頻發(fā)，水安全問題變得更為嚴重[2]。水安全最早于20世紀70年代被提出，目標為使水資源管理朝著可持續(xù)方向發(fā)展，其重點是滿足社會和生態(tài)用水需求[3-4]。2019年習近平總書記提出黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略，甘肅省是黃河流域重要的涵養(yǎng)區(qū)，必將扮演著舉足輕重的作用[5]。近20 a，甘肅省經(jīng)濟在西部大開發(fā)中得到迅猛發(fā)展，與此同時，也面臨著水資源匱乏、生態(tài)環(huán)境破壞、各行各業(yè)爭水等一系列問題，導(dǎo)致水安全問題日趨突出[5]。因此，通過采用科學合理的水安全評價指標體系，明確水安全狀態(tài)的變化趨勢，確定現(xiàn)階段水安全狀況，找出影響水安全的制約因素，對于促進甘肅省在新的國家戰(zhàn)略中全面健康持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。國內(nèi)外學者[2-3,6]對于水安全的研究首先從其定義以及保護對策進行分析和探討。隨著學者對于水安全定義及其基礎(chǔ)理論研究的不斷深入，大量學者開始從水安全指標體系的構(gòu)建對水安全進行定量評價，主要的評價角度包括水貧困指數(shù)法[7]、水壓力指數(shù)法[8]、PSR(壓力、狀態(tài)、響應(yīng))模型法[9-10]等。評價方法則包括層次分析法[11]、主成分分析法[8]、模糊綜合評價法[12-13]等。本研究從綜合評價指標體系的角度進行度量，采用最新的DPSIR模型，運用熵值法和單指標量化—多指標綜合—多準則綜合的方法對甘肅省水安全進行綜合評價，旨在為甘肅省在面對西部大開發(fā)新格局和“一帶一路”新機遇的政策下提供更多的理論依據(jù)。

1 構(gòu)建基于DPSIR框架模型的甘肅省水安全評價指標體系

1.1 研究區(qū)概況

甘肅省位于中國西北部，屬于典型的溫帶大陸性氣候，降雨量自東往西由500 mm降至50 mm，相差極大，甘肅省水資源自產(chǎn)量為2.89×1010m3，人均水資源與全國相比約為全國人均的1/2，耕地平均水資源量僅為378 m3/hm2，與全國相比，約為全國平均水平的1/4。該省河川徑流年內(nèi)分配不均，汛期(5—9月)水量集中，冬春季水量小，全省水資源開發(fā)利用程度在2018年達到31.6%。

1.2 指標體系的構(gòu)建

本研究數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》以及《甘肅省水資源公報》。選取年份為2000,2005，2010，2015和2018年。

DPSIR模型最早由歐洲環(huán)境署(EEA)提出，在DSR(驅(qū)動力、狀態(tài)、響應(yīng))和PSR模型的基礎(chǔ)上納入新的指標進行擴展，同時具備兩者的特點[14]。DPSIR模型的優(yōu)點在于能夠?qū)ι鐣h(huán)境與經(jīng)濟之間的相關(guān)信息進行有效的捕捉，同時能夠較好的展現(xiàn)兩者的關(guān)系，從而對某一地區(qū)生態(tài)環(huán)境和資源變化進行客觀系統(tǒng)的評估。具體來說，DPSIR模型對應(yīng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DPSIR模型框架

本研究基于DPSIR模型，將甘肅省水安全評價體系分解為目標層、準則層、指標層3個層次，為了能夠準確描述甘肅省2000，2005，2010，2015和2018年水安全變化趨勢，選取了22個能夠反映甘肅省水安全問題的典型指標[15]。驅(qū)動力子系統(tǒng)主要指由社會因素和自然因素共同對區(qū)域水安全的作用；壓力子系統(tǒng)是由人類生活生產(chǎn)活動在驅(qū)動力的推動下對區(qū)域水安全的影響；狀態(tài)子系統(tǒng)是區(qū)域的生態(tài)、環(huán)境以及社會發(fā)展在驅(qū)動力和壓力作用下所處的環(huán)境；影響子系統(tǒng)是上述指標對社會發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境的影響；響應(yīng)子系統(tǒng)是對水安全狀態(tài)所采取的措施體現(xiàn)。指標的選取原則遵循科學性、系統(tǒng)性、靜動態(tài)結(jié)合以及可操作性的原則[16]。具體指標詳見表1。

表1 甘肅省水安全綜合評價指標體系

2 材料與方法

2.1 熵值法

熵值是不確定的一種度量。利用熵值攜帶的信息分別對指標層和準則層進行權(quán)重的計算，為DPSIR模型綜合評價水安全提供依據(jù)[17]。

具體計算步驟為：

(1) 數(shù)據(jù)的無量綱化。通過對原始數(shù)據(jù)進行無量綱化來消除數(shù)據(jù)的量綱及數(shù)量級不一致對結(jié)果的影響。

標準化公式為：

(1)

(2)

采用坐標平移來消除標準化后的數(shù)值可能出現(xiàn)的正負值，具體方法為：

(3)

式中：Mij是坐標平移后的值;L是坐標平移值，L取整數(shù)且取值范圍為[0,5]。

(2) 指標比重Rij根據(jù)公式(4)計算：

(4)

(3) 第i項指標的熵值ei計算公式為：

(5)

(4) 第i項指標的差異性系數(shù)gi：

gi=1-ei

(6)

(5) 第i項指標的權(quán)重ω2i：

(7)

(6) 準則層的權(quán)重ω2k計算公式為：

(8)

式中：Gk為各準則層指標的變異系數(shù)之和。

2.2 單指標量化-多指標綜合-多準則綜合

2.2.1 單指標量化 采用分段線性隸屬度量化各指標的子安全度，大小為0～1。采用a，b，c，d，e來分別表示各個指標的最差值、較差值、及格值、較優(yōu)值和最優(yōu)值[18]。水安全評價特征值標準劃分主要遵循了以下原則：部分指標參考標準通過結(jié)合國際共識與中國國情，參考多年全國平均水平及國家和省級發(fā)展規(guī)劃劃定以及部分學者的研究成果[8,11,19]，結(jié)果詳見表2。正向指標的子安全度隨指標值的增大而增大，反向指標則相反。相關(guān)計算公式為：

表2 甘肅省水安全評價指標標準

(9)

(10)

式中：xk，ISDk分別為第k個指標的指標值和子安全度。

2.2.2 多指標綜合 利用熵值法確定指標權(quán)重大小，7個分類子系統(tǒng)的安全度計算為：

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

式中：WD,WP,WS,WI,WR分別為各準則層的安全度;wk為第k個指標權(quán)重;n1，n2，n3，n4，n5分別為各個的分類數(shù)量。

2.2.3 多準則綜合 在此基礎(chǔ)上，水安全度利用下式計算：

WSD=β1WD+β2WP+β3WS+β4WI+β5WR

(16)

式中：WSD為區(qū)域水安全度；β1，β2，β3，β4，β5分別為各準則層的權(quán)重。

基于評價得到的水安全結(jié)果，等間距將區(qū)域水安全程度分為6個水平[20]，結(jié)果詳見表3。

表3 區(qū)域水安全度(WSD)值水平劃分標準

3 結(jié)果與分析

3.1 指標權(quán)重

通過熵權(quán)法對甘肅省2000，2005，2010，2015和2018年22項指標進行處理，得到各指標權(quán)重及準則層權(quán)重結(jié)果詳見表4。在22項指標層中，驅(qū)動力3個指標中人口自然增長率權(quán)重占比0.587 0，表明各年中人口對甘肅省水安全的驅(qū)動力影響較大；壓力5個指標中農(nóng)業(yè)用水率權(quán)重占比0.228 0，表明農(nóng)業(yè)用水率是導(dǎo)致水安全壓力增大的重要影響因素；狀態(tài)的6個指標中水質(zhì)監(jiān)測斷面達標率的權(quán)重占比達到0.280 5，表明水質(zhì)是影響甘肅省水安全狀態(tài)的重要因素；影響4個指標中城市化率和第三產(chǎn)業(yè)增加比重的權(quán)重較大，說明驅(qū)動力和壓力的變化對狀態(tài)產(chǎn)生了強大的影響，而這種影響直接表現(xiàn)在城市化率和第三產(chǎn)業(yè)增加值比重上；響應(yīng)4個指標中權(quán)重占比相差不大。準則層中響應(yīng)權(quán)重值最低，僅為0.09，一定程度上說明甘肅省整體水安全欠佳。狀態(tài)準則層的權(quán)重最大，達到了0.4，說明驅(qū)動力和壓力的變化產(chǎn)生了很大的狀態(tài)。上述結(jié)果表明水資源量對水安全優(yōu)劣的決定性作用具有一定的上限，狀態(tài)準則層的指標對甘肅省水安全評價有著重要意義，甘肅省水安全通過提高用水效率、綠化面積和控制人口數(shù)量來促進水安全的提升。同時，響應(yīng)指標層的權(quán)重較低，則反映出在研究時段內(nèi)，盡管甘肅省對于水安全的重視程度不斷增強，但是效果還是不夠理想。

表4 甘肅省各指標權(quán)重及準則層權(quán)重結(jié)果

3.2 水安全總體評價結(jié)果

依據(jù)DPSIR模型對甘肅省2000，2005，2010，2015和2018年22個指標進行收集整理，通過標準化處理，利用熵值法計算水安全各項指標的權(quán)重和單指標量化—多指標綜合—多準則綜合的方法計算甘肅省水安全。根據(jù)表3對甘肅省水安全得分情況進行劃分，結(jié)果詳見表5。由表5可以看出，甘肅省水安全得分總體上呈現(xiàn)上升趨勢，2000—2010年水安全得分圍繞0.26～0.29波動，全時段處于不安全狀態(tài)；2015年水安全得分為0.35，水安全狀態(tài)由不安全上升至較不安全；2018年水安全得分為0.45，雖有所上升，但水安全測度值狀態(tài)依然為較不安全。由甘肅省水安全測度值雷達圖(圖2)可知，甘肅省水安全測度值得分在2018年得到很大的提升，接近基本安全狀態(tài)。可見，對于水資源的保護、環(huán)境治理、提高水資源利用效率等整治措施對于水安全狀態(tài)的提升有一定的積極作用，但同時由于經(jīng)濟的快速發(fā)展、人口的過度增長、城鎮(zhèn)化的推進等社會用水因素對水安全狀態(tài)的仍然會帶來一定的負面影響，總的來說甘肅省水安全狀態(tài)具有很大的提升空間。

表5 甘肅省水安全度值總體評價結(jié)果

圖2 甘肅省水安全測度值總體評價結(jié)果

3.3 水安全DPSIR指數(shù)評價分析

依據(jù)上述甘肅省水安全評價結(jié)果，針對5個準則層分別進行動態(tài)趨勢分析，結(jié)果詳見表6。可以依據(jù)分析結(jié)果找出影響甘肅水安全狀況的主要因素，從而找出問題及風險的癥結(jié)所在，為后續(xù)制定對策提供依據(jù)。

表6 甘肅省水安全DPSIR評價結(jié)果

甘肅省水安全準則層評價結(jié)果表明，驅(qū)動力子系統(tǒng)在2000，2005，2010，2015和2018年都處于較不安全狀態(tài)。在2015年達到最差，2018年上升為0.45。GDP增長率、人口自然增長率和單位面積水資源量是影響驅(qū)動力子系統(tǒng)的主要因素。根據(jù)統(tǒng)計的原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)GDP增長率雖有所下降，但人口自然增長率處于變好趨勢，同時單位面積水資源量在增大?？偟膩碚f，驅(qū)動力狀態(tài)雖然在變好，但依然處于較不安全狀態(tài)，需要引起重視。從圖3可以看出，壓力子系統(tǒng)在2010年處于最低值，為嚴重不安全，2010年之后雖有轉(zhuǎn)好趨勢，但依然處于不安全狀態(tài)。通過原始資料發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水率和人均生活用水量高居不下是影響壓力子系統(tǒng)處于不安全的重要因素，同時2010年較高的生態(tài)用水率(由2000年的0.165%上升至2010年的11.2%)也是導(dǎo)致壓力子系統(tǒng)變差的主要因素之一。由驅(qū)動力子系統(tǒng)和壓力子系統(tǒng)導(dǎo)致的狀態(tài)子系統(tǒng)自2000—2018年總體上緩慢上升，但2010年狀態(tài)較差，主要原因在于2010年較高的水資源利用率(達到56.6%)和恩格爾系數(shù)(達到37.1%)。2018年狀態(tài)子系統(tǒng)得分為0.49，但依然處在較不安全的邊緣，變好的主要原因是由于人均GDP、恩格爾系數(shù)、水質(zhì)以及森林植被覆蓋率在逐漸變好。影響子系統(tǒng)指上述3個子系統(tǒng)作用下所產(chǎn)生的結(jié)果，即自然資源、生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟發(fā)展對人們生產(chǎn)、生活所造成的影響。影響子系統(tǒng)雖有上升但一直處于較不安全的狀態(tài)，主要取決于經(jīng)濟發(fā)展使得人們對于綠化和環(huán)境的重視程度越來越高，以及用水普及率的增高，使得影響子系統(tǒng)偏好。響應(yīng)子系統(tǒng)總體在變好，由2000年的嚴重不安全到2018年為基本安全，取決于甘肅在水利環(huán)保方面的投資力度加大，使得響應(yīng)子系統(tǒng)在5個準則層中處于較好狀態(tài)。綜上，甘肅省水安全5個準則層總體上呈上升趨勢，但后勁不足，除了影響子系統(tǒng)外都處于較不安全的狀態(tài)，尤其是驅(qū)動力和壓力子系統(tǒng)。如果不重視驅(qū)動力和和壓力子系統(tǒng)對水安全所帶來的影響，后續(xù)不僅會導(dǎo)致響應(yīng)子系統(tǒng)變差，更會導(dǎo)致甘肅省水安全總體健康值降低。

圖3 甘肅省2000-2018年水安全準則層評價結(jié)果

4 結(jié)論與建議

本研究基于DPSIR模型，綜合考慮了人口、社會經(jīng)濟、自然資源和生態(tài)環(huán)境，建立以驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)5個準則層和22個指標為基礎(chǔ)的甘肅省水安全測度值健康評價系統(tǒng)。通過運用熵值法計算各個指標權(quán)重，結(jié)合單指標量化—多指標綜合—多準則綜合的方法分析甘肅省水安全健康值的動態(tài)變化。結(jié)果表明甘肅省水安全健康值由2000年的不安全上升至2018年的較不安全，總體上雖呈上升趨勢，但幅度依然較小，處于基本安全線以下，情況不容樂觀。導(dǎo)致水安全健康值整體水平較低的主要原因是驅(qū)動力較弱，導(dǎo)致壓力較大，從而響應(yīng)水平有限；狀態(tài)和影響雖然也處于較不安全，但逐年穩(wěn)步上升，是推動甘肅省水安全健康值向更高水平發(fā)展的重要動力。

為改善甘肅省水安全狀況，可以從水資源、水環(huán)境和社會經(jīng)濟方面3個方面入手。水資源方面通過修建相關(guān)工程措施來改善和調(diào)節(jié)水資源時空分布不均衡狀況，在提高防洪和水資源利用能力的同時提高各業(yè)供水保障能力，同時加強社會各行業(yè)節(jié)水宣傳，形成節(jié)水優(yōu)先的良好社會風尚和理念，建立精心用水和管水的激勵機制。水環(huán)境方面應(yīng)提高綠化建設(shè)水平，提高污水處理率和污廢水回收利用率，降低水治理的各種成本。社會經(jīng)濟方面應(yīng)該合理控制主城區(qū)人口，有序引導(dǎo)人口向節(jié)點城市匯聚，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)業(yè)用水效率，增加對水利環(huán)保事業(yè)的投資力度，建立健全取水和用水規(guī)章制度，從而提升甘肅省水安全水平。