黃河流域甘肅段水資源承載力與水資源安全評價(jià)

武蘭珍，趙霞，成藝，井江楠，3，賈生海，孫棟元*

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2. 青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，青海 西寧810008； 3. 長安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

水資源在人類社會(huì)發(fā)展過程中發(fā)揮著不可替代的重要作用[1].氣候變化和人類活動(dòng)雙重影響下的水資源短缺、供需矛盾突出、水污染及生態(tài)環(huán)境惡化引起的水資源承載和安全問題已成為全球熱點(diǎn)[2-3].2019年9月18日，習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上發(fā)表重要講話，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[4].但黃河流域水資源短缺，供需矛盾突出，水質(zhì)污染嚴(yán)重.流域上中游北部背靠大漠，集中分布了巴丹吉林、騰格里、毛烏素、烏蘭布和、庫布齊五大沙漠(沙地) ，氣候干旱，多年平均降水量不足200 mm，水資源匱乏，植被稀疏，生態(tài)環(huán)境脆弱.黃河流域甘肅段是黃河流域重要的水源涵養(yǎng)和補(bǔ)給區(qū)，肩負(fù)著黃河上游生態(tài)修復(fù)、水土保持和污染防治的重任.因此，黃河流域甘肅段水資源能否保證生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、能否承載社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵所在.

科學(xué)評價(jià)水資源承載和水資源安全是提高流域水資源承載力，保障流域水安全的前提.水資源承載力通常可表述為支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展并保證生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的水資源的最大能力或規(guī)模[5]；水資源安全從水資源質(zhì)與量的供給和可持續(xù)利用角度出發(fā)要求區(qū)域水資源要滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)的長遠(yuǎn)發(fā)展[6].水資源承載力是水資源安全的基本度量，保證區(qū)域水資源安全必須滿足水資源可承載.研究方法上，指標(biāo)體系評價(jià)法被廣泛應(yīng)用，評價(jià)指標(biāo)大都涉及水資源自然稟賦、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件和生態(tài)環(huán)境3個(gè)層面.評價(jià)方法也大多集中在模糊綜合評價(jià)法、投影尋蹤法、主成分分析法、模糊集對分析法、TOPSIS模型等[7-11].但針對同一區(qū)域采用相同評價(jià)指標(biāo)和分級標(biāo)準(zhǔn)對水資源承載力和水資源安全評價(jià)研究還稍顯空白.

基于上述背景，文中借助組合賦權(quán)的水資源承載力TOPSIS模型和水資源安全綜合評價(jià)指數(shù)，從水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境3個(gè)層面選取15個(gè)評價(jià)指標(biāo)對黃河流域甘肅段4個(gè)二級流域分區(qū)2009—2018年的水資源承載力和水資源安全進(jìn)行綜合評價(jià)研究，分析時(shí)空分異特征，辨識主要影響因素.研究結(jié)果以期為未來黃河流域甘肅段乃至整個(gè)流域水資源綜合開發(fā)利用及規(guī)劃管理提供決策依據(jù)，助力區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展.

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黃河在甘肅兩進(jìn)兩出，干流總長734.7 km，多年平均徑流量115.60億m3，控制面積1.43×105km2，約占黃河流域總面積的18%.分為龍羊峽以上、龍羊-蘭州、蘭州-河口鎮(zhèn)、龍門-三門峽4個(gè)二級區(qū)，包含湟水、黃河干流、洮河、渭河、北洛河及涇河6個(gè)水系.

黃河流域甘肅段是甘肅省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心地帶，2019年流域總?cè)丝跒? 852.66萬人，GDP總量為6 065.97億元，均占全省70%左右.龍羊峽以上包括河源至瑪曲、瑪曲至龍羊峽區(qū)域，面積0.96×104km2，區(qū)域內(nèi)人口稀少，GDP總量23.03億元，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為落后，但卻是黃河流域重要的水源涵養(yǎng)地和生態(tài)保護(hù)區(qū)；龍羊峽-蘭州包括大通河享堂以上、湟水、大夏河、洮河、龍羊峽至蘭州干流區(qū)，流域面積4.32×104km2，總?cè)丝?61.01萬人，GDP總量1 432.45億元，是甘肅甘南臨夏民族經(jīng)濟(jì)區(qū)；蘭州-河口鎮(zhèn)包括蘭州到下河沿、清水河和苦水河，流域面積3.04×104km2，總?cè)丝?92.81萬人，GDP總量2 606.43億元，是甘肅蘭白經(jīng)濟(jì)發(fā)展核心區(qū)，流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，水資源需求較高；龍門-三門峽包括北洛河狀頭以上、涇河張家山以上、渭河寶雞峽以上、渭河寶雞峽至咸陽區(qū)域，總面積5.94×104km2，人口892.88 萬人，GDP總量為2 004.06億元，分布著甘肅隴東能源基地、關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)，區(qū)域內(nèi)分布有馬蓮河、涇河、渭河等支流.因此，針對黃河流域甘肅段不同二級分區(qū)開展水資源承載力和水資源安全評價(jià)研究十分必要.

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要來源于《統(tǒng)計(jì)年鑒》、《甘肅省水資源公報(bào)》、以及各縣區(qū)《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》等經(jīng)整理分析，得到所選指標(biāo)的原始數(shù)據(jù).

2 評價(jià)模型

2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

通過對黃河流域甘肅段水資源自然稟賦條件、經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水、生態(tài)環(huán)境狀況綜合分析，結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者對水資源承載力和水資源安全相關(guān)研究成果，根據(jù)黃河流域甘肅段各指標(biāo)數(shù)據(jù)的可獲得性，構(gòu)建由水資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境3個(gè)準(zhǔn)則層，15個(gè)指標(biāo)組成的綜合評價(jià)指標(biāo)體系[10]，如表1所示，具體分級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示.

表1 水資源安全與水資源承載力綜合評價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重

表2 評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)黃河流域甘肅段、整個(gè)黃河流域和全國水資源狀況，參考目前較為公認(rèn)的水資源承載力與水資源安全評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)及國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范[11]，對水資源承載力和水資源安全分級采用同一標(biāo)準(zhǔn)，將各評價(jià)指標(biāo)分為Ⅰ～Ⅴ共5個(gè)等級，水資源安全分別代表安全、較安全、臨界安全、不安全、嚴(yán)重不安全5個(gè)狀態(tài)等級；水資源承載力5個(gè)等級分別代表水資源的可承載、弱可承載、臨界承載、超載、嚴(yán)重超載5個(gè)承載狀態(tài).

2.2 權(quán)重的確定

2.2.1 主觀權(quán)重的確定

綜合評價(jià)過程中，需根據(jù)各指標(biāo)對評價(jià)結(jié)果貢獻(xiàn)的大小確定其權(quán)重.采用系統(tǒng)工程理論中的層次分析法 (AHP)確定主觀權(quán)重.其主要步驟如下：

1) 構(gòu)造判斷矩陣U=(uij)m×n.uij表示因素ui對uj的相對重要性數(shù)值(i，j=1，2，…，n)，取值范圍為1～9.

2) 計(jì)算重要性排序.根據(jù)判斷矩陣，由公式Uw=λmaxw求出U的最大特征根λmax對應(yīng)的特征向量w′.w′歸一化后的權(quán)向量w′=(w′1,w′2,…,w′n)為各評價(jià)指標(biāo)的重要性排序，即各指標(biāo)權(quán)重.

3) 一致性檢驗(yàn).以上得到的權(quán)重是否在允許范圍內(nèi)，需用檢驗(yàn)公式CR=CI/RI進(jìn)行一致性檢驗(yàn).當(dāng)CR<0.1或λmax=n，CI=0時(shí)，滿足一致性要求.否則，應(yīng)對判斷矩陣加以調(diào)整.

2.2.2 客觀權(quán)重的確定

熵權(quán)法基于信息論，利用各指標(biāo)信息的效用價(jià)值估算指標(biāo)權(quán)重，具有一定的客觀性.其主要步驟如下：

1) 建立數(shù)據(jù)矩陣A=(Xij)n×m，其中Xij為第i年第j個(gè)指標(biāo)的數(shù)值.

2) 指標(biāo)的歸一化處理.由于各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)量單位并不統(tǒng)一，因此在用它們計(jì)算綜指標(biāo)前要對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理.此外，為避免求熵值時(shí)對數(shù)的無意義，需進(jìn)行數(shù)據(jù)平移.

對正向指標(biāo)：

(1)

對負(fù)向指標(biāo)：

(2)

3) 計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值：

(3)

4) 計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重：

(4)

2.2.3 綜合權(quán)重的確定

綜合權(quán)重可對主客觀權(quán)重進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，對多指標(biāo)綜合評價(jià)問題，在主客觀權(quán)重確定的情況下應(yīng)確定其綜合權(quán)重.其最優(yōu)賦權(quán)法計(jì)算公式為

(5)

2.3 基于TOPSIS模型的水資源承載力評價(jià)

TOPSIS法能充分利用原始數(shù)據(jù)信息反映各方案之間的差距和實(shí)際情況，真實(shí)、直觀、可靠，且對樣本資料沒有特殊要求.具體計(jì)算步驟如下：

1) 將樣本數(shù)為n、指標(biāo)數(shù)為m的原始數(shù)據(jù)矩陣統(tǒng)一指標(biāo)類型(一般正向化處理)得到矩陣X=(xij)n×m.

2) 為消除各指標(biāo)間量綱影響，對矩陣X按式(6)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到量綱一化決策矩陣Z=(zij)n×m，即

(6)

3) 確定有限方案中的最優(yōu)及最劣方案.最優(yōu)方案為

max{z12,z22,…,zn2},…，max{z1m,z2m,…,znm})，

(7)

最劣方案為

min{z12,z22,…,zn2},…，min{z1m,z2m,…,znm}).

(8)

4) 定義評價(jià)對象與最優(yōu)及最劣方案間的距離.

與最優(yōu)方案的加權(quán)歐式距離為

(9)

與最劣方案的加權(quán)歐式距離為

(10)

5) 確定各評價(jià)對象與最優(yōu)方案的相對貼近程度，即貼近度Si，即

(11)

0≤Si≤1，以此作為評價(jià)優(yōu)劣的依據(jù)，且Si值越大越貼近最優(yōu)方案.

2.4 水資源安全綜合評價(jià)

采用水資源安全綜合評價(jià)指標(biāo)對黃河流域甘肅段水資源安全問題進(jìn)行評價(jià)研究，具體步驟如下：

1) 根據(jù)水資源安全評價(jià)指標(biāo)體系的正、逆兩類指標(biāo)，利用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化統(tǒng)一；

2) 權(quán)重的確定：采用上述綜合權(quán)重，見表3；

3) 按式(12)確定水資源安全綜合評價(jià)值，即

(12)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 權(quán)重計(jì)算結(jié)果

AHP法確定主觀權(quán)重，CR=0.069<0.100，通過一致性檢驗(yàn)；熵權(quán)法確定客觀權(quán)重，最終通過組合權(quán)重公式得到綜合權(quán)重.

3.2 貼近度Si與安全綜合評價(jià)值Ci計(jì)算結(jié)果

利用文中所述水資源承載力TOPSIS模型和水資源安全綜合評價(jià)方法，計(jì)算黃河流域甘肅段二級分區(qū)水資源承載力貼近度Si和水資源安全綜合評價(jià)值Ci，計(jì)算結(jié)果如表3所示.分別以4個(gè)分級臨界值的Si和Ci值劃分水資源承載力和水資源安全評價(jià)等級，使評價(jià)結(jié)果更加客觀合理，如表4，5所示.

表3 貼近度Si和安全綜合評價(jià)值Ci計(jì)算結(jié)果

表4 承載力評價(jià)結(jié)果

表5 水資源安全評價(jià)結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

2009—2018年黃河流域甘肅段4個(gè)二級分區(qū)水資源承載力和水資源安全變化趨勢如圖1所示.

圖1 2009—2018年黃河流域甘肅段各二級分區(qū)水資源承載力和水資源安全變化趨勢

2009—2018年，甘肅段4個(gè)二級分區(qū)Si值和Ci值分別由2009年[0.287，0.366]，[0.136，0.596]的跨度變化到2018年的[0.493，0.471]和[0.364，0.623]，整體跨度差異性在時(shí)間上均呈降低趨勢，也間接說明4個(gè)二級區(qū)在10 a間經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不平衡在逐漸縮小，這與甘肅省經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平實(shí)際情況較吻合.

龍羊峽以上區(qū)域2012年水資源安全綜合評價(jià)值Ci為0.670，處在安全狀態(tài)，其余年份均處在較安全狀態(tài)，總體呈降低趨勢.區(qū)域水質(zhì)污染(據(jù)2018年甘肅省水資源公報(bào)數(shù)據(jù)顯示區(qū)域內(nèi)首次出現(xiàn)了化學(xué)需氧量和氨氮等污染物的排放)、人口增加導(dǎo)致的用水增多以及2015—2018年區(qū)域內(nèi)廢污水的排放是區(qū)域水資源安全呈降低趨勢的主要原因.龍羊峽-蘭州、龍門-三門峽水資源安全狀態(tài)均處于臨界安全狀態(tài)，蘭州-河口鎮(zhèn)處于不安全狀態(tài)，但Ci值整體呈上升趨勢，水資源安全緩慢提升，其中蘭州-河口鎮(zhèn)區(qū)域提升速率最快；就水資源承載力而言，蘭州-河口鎮(zhèn)段水資源承載力貼近度Si由2009年的0.287上升到2011年的0.380，承載狀態(tài)由2009，2010年的超載狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕R界可承載狀態(tài)，其他3個(gè)二級分區(qū)均處于臨界承載狀態(tài)，貼近度Si整體呈上升趨勢，但提升速率緩慢，從本質(zhì)上并未改變承載狀態(tài).

總體而言，黃河流域甘肅段水資源承載力和水資源安全狀態(tài)并不理想，對產(chǎn)生上述結(jié)果的原因進(jìn)一步分析可看出：龍羊峽以上水資源稟賦較為突出，產(chǎn)水系數(shù)0.52，2019年生態(tài)用水率僅為0.27%，人口從2008年的4.79萬人增加到2019年的5.97萬人，過度放牧等造成的甘南高原瑪曲區(qū)域土地沙漠化的出現(xiàn)等都是該區(qū)域水資源安全呈下降趨勢的原因.其余3個(gè)區(qū)域，沿黃分布著甘肅大中城市帶和小城鎮(zhèn)帶，人口密集，水資源供需矛盾突出，蘭州-河口鎮(zhèn)段，氣候干旱，降雨量少，產(chǎn)水系數(shù)僅為0.03，但區(qū)域農(nóng)業(yè)用水量的顯著減少(2009年為10.32億m3，2019年為8.90億m3)、生態(tài)用水量的明顯增加(2009年生態(tài)用水率為2.55%，2018年為4.53%)是該區(qū)域水資源承載力和水資源安全提升速率高于其他區(qū)域的主要原因.

對黃河流域甘肅段水資源承載力貼近度Si和水資源安全綜合評價(jià)值Ci進(jìn)行相關(guān)分析后得出：龍羊峽以上、龍羊峽-蘭州、蘭州-河口鎮(zhèn)、龍門-三門峽Ci和Si都呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.85，0.99，0.70和0.78.在同一評價(jià)指標(biāo)及分級標(biāo)準(zhǔn)下龍羊峽以上和龍羊峽-蘭州段水資源安全綜合評價(jià)值Ci在各年份均高于水資源承載力貼近度Si，蘭州-河口鎮(zhèn)水資源承載力貼近度Si在各年份均大于水資源安全綜合指標(biāo)Ci，而龍門-三門峽段水資源承載力貼近度Si各年份圍繞水資源安全綜合評價(jià)值Ci上下變化，很好的驗(yàn)證了水資源承載力是水資源安全的可靠度量，但并不是唯一度量.

4 結(jié) 論

1) 黃河流域甘肅段水資源承載力和水資源安全時(shí)空分異較明顯，時(shí)間維度上除龍羊峽以上區(qū)域水資源安全呈下降趨勢外，其余均呈上升趨勢，不同二級區(qū)域因社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、水資源開發(fā)利用程度和自然稟賦等提升速率存在差異；空間維度上，龍羊峽以上、龍羊峽-蘭州、蘭州-河口鎮(zhèn)、龍門-三門峽4個(gè)二級分區(qū)水資源安全狀態(tài)分別處在較安全狀態(tài)、臨界安全狀態(tài)、臨界安全狀態(tài)和不安全狀態(tài)，水資源安全綜合評價(jià)指數(shù)變化差異性較大，總體呈現(xiàn)由西向東的遞減趨勢；水資源承載力基本均處在臨界承載狀態(tài)，承載力貼近度變化差異最大是蘭州-河口鎮(zhèn)段，最小是龍羊峽以上區(qū)域.

2) 水資源承載力是水資源安全的基本度量，采用同一評價(jià)體系及分級標(biāo)準(zhǔn)對同一區(qū)域水資源承載力和水資源安全進(jìn)行綜合評價(jià)較好的驗(yàn)證了區(qū)域水資源承載力是水資源安全的可靠度量，但并不是唯一度量.區(qū)域水資源承載力的大小和水資源安全狀態(tài)隨水資源開發(fā)階段、目標(biāo)和條件不同而變化.

此外，文中仍有不足之處，一方面在指標(biāo)體系設(shè)計(jì)及選取時(shí)由于國內(nèi)外研究對評價(jià)指標(biāo)的選取沒有統(tǒng)一認(rèn)識，生態(tài)環(huán)境層面的指標(biāo)因數(shù)據(jù)的可獲得性及研究區(qū)水質(zhì)污染嚴(yán)重等實(shí)際情況，選取時(shí)較多的考慮了相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)；另一方面提出相同指標(biāo)及分級標(biāo)準(zhǔn)下的水資源承載力和水資源安全評價(jià)研究在方法選用、二者之間關(guān)系分析研究中還有待進(jìn)一步深入.