西北干旱半干旱區(qū)水貧困測度及驅動因素分析

王太祥 王騰

摘要：通過構建水貧困評價指標體系，運用水匱乏指數（WPI）模型對西北干旱半干旱區(qū)2010—2014年水貧困狀況進行測度，并進一步運用LSE模型對水貧困的驅動因素進行分析。結果表明，2010—2014年西北干旱半干旱區(qū)水貧困程度加重，水貧困呈明顯的省、區(qū)分異特征，即甘肅省和寧夏回族自治區(qū)最為嚴重，其次是新疆維吾爾自治區(qū)，內蒙古自治區(qū)的水貧困程度相對最弱；西北干旱半干旱區(qū)的水貧困空間驅動類型為“資源-設施-能力-使用-環(huán)境”5因素聯合型，不同地區(qū)因水資源稟賦、設施建設等差異，水貧困驅動因素有所不同。

關鍵詞：層次分析法；熵權法；WPI模型；LSE模型；水貧困；驅動因素

中圖分類號： F323.213文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）10-0238-04

受氣候變暖、產業(yè)結構和經濟發(fā)展等因素影響，我國成為水資源供需矛盾最為突出的地區(qū)之一。如何采取有效措施緩解水資源短缺，促進西北干旱半干旱區(qū)經濟、社會、生態(tài)三者協調發(fā)展是當前亟待解決的一項重大課題。傳統(tǒng)上認為，解決水資源短缺問題應側重于技術和水利工程建設等手段，但這類解決方案往往忽視了制度變化、經濟激勵等其他非技術和工程手段的應用。水貧困理論將人們對水資源短缺問題的研究視角由水文工程領域擴展到經濟領域，為緩解水資源短缺問題提供了新的思路。早在1989年，瑞典水文學家Falkenmark提出以人均水資源量來衡量一個地區(qū)的缺水程度，并形成水文地質水壓力指數（HWSI）評價指標體系[1]，而這一指標體系的非全面性導致評價結果存在一定偏差。為克服HWSI評價方法的弊端，德國學者Ohisson進一步考慮了人類福利與社會發(fā)展間的關系，通過引入人文發(fā)展指數（HDI）指標形成了改進的SWSI體系[2]，但因缺乏與水資源開發(fā)、利用、管理有關的人類活動度量指標，SWSI體系也未能真實反映一國的水資源盈虧狀況。

水匱乏指數（WPI）模型[3]以多學科交叉的視角，綜合考慮水資源稟賦、水利工程、經濟發(fā)展及人類福利等因素[4]，為一國或地區(qū)內的水資源合理評價提供了一個標準化的框架[5]。目前，國內外學者運用WPI模型對水貧困問題進行了廣泛而深入的探討，分國家、流域和社區(qū)3個層次進行研究。在國家層次上，孫才志等將WPI與ESDA、LSE等模型[6-7]相結合，在定量評價中國水貧困狀況的基礎上，測度了水貧困的空間關聯格局，并劃分出水貧困的驅動類型。從流域尺度看，Manandhar等對尼泊爾河西部的卡利甘達基河流域的水貧困狀況及原因進行了系統(tǒng)闡述[8]；陳莉等在WPI指標框架下，結合流域水資源管理的實際情況，分別對石羊河流域、贛江流域的水貧困狀況進行了合理評價[9-10]。在社區(qū)尺度上，Sullivan 等將WPI應用到坦桑尼亞、斯里蘭卡及南非等12個城市或鄉(xiāng)村社區(qū)的水資源管理評價中，對不同社區(qū)的水貧困狀況進行了對比分析，明確了各社區(qū)在水資源管理中的優(yōu)、劣勢[3]。此外，有不少學者將水貧困研究進一步拓展到經濟貧困以及與城市化、工業(yè)化進程的耦合關系等研究領域[11-12]，為有效緩解區(qū)域水貧困、促進經濟社會的健康發(fā)展提供了理論依據。但是，基于特定視角對水貧困問題的探討仍存在一定的拓展空間，一是現有研究多集中于用某一年的截面數據來評價一個國家、地區(qū)或流域的水貧困程度，對基于時間序列數據分析水貧困動態(tài)變化的研究尚有不足；二是雖將特定區(qū)域的水貧困評價納入研究體系，但多針對具體的省（區(qū)）或流域，對區(qū)域特性相似的連片地區(qū)進行水貧困評價的文獻相對較少。基于此，本研究在構建西北干旱半干旱區(qū)水貧困評價指標體系的基礎上，綜合運用熵權法、層次分析法確定各指標的權重，測度2010—2014年西北干旱半干旱區(qū)的水貧困狀況，分析其演變規(guī)律，并借助LSE模型探究水貧困的驅動因素，以期為西北干旱半干旱區(qū)水資源的可持續(xù)利用與有效管理提供理論支撐。

1研究方法

1.1指標數據的無量綱化

鑒于獲取的原始數據存在量綱上的差異，須先對數據進行標準化處理。借鑒Heidecke等的研究成果[1]，本研究將指標數據的最大值乘以1.05、最小值除以1.05，以避免數據標準化過程中出現0和1邊界值的問題。正向指標處理公式：

[JZ]rij=[SX（]xij-min[DD（]j[DD）]（xij）/1.05max[DD（]j[DD）]（xij）×1.05-min[DD（]j[DD）]（xij）/1.05[SX）]；

負向指標處理公式：

[JZ]rij=[SX（]max[DD（]j[DD）]（xij）×1.05-xijmax[DD（]j[DD）]（xij）×1.05-min[DD（]j[DD）]（xij）/1.05[SX）]。

式中：xij為各指標獲取的原始數據；rij為各指標無量綱化處理后的數據。

1.2主客觀綜合賦權法

層次分析法（AHP）是一種定性與定量分析相結合的決策方法[13]，依據專家經驗準則和已有知識將各指標按重要程度排序，然后計算各指標的權重，主觀性較強；熵權法（EVM）作為一種典型的客觀賦權法，依據各指標的變異程度，利用信息熵確定權重[14]，避免了人為因素的干擾，但缺乏真實可靠性[15]。為更加合理地評價西北干旱半干旱區(qū)的水貧困狀況，本研究綜合2種方法的優(yōu)缺點，將層次分析法、熵權法相結合來確定各指標的權重，得到第i個指標的綜合權重[16]：

[JZ]Wij=[SX（]w1ijw2ij∑[DD（]nj=1[DD）]w1ijw2ij[SX）]。

式中：w1ij為層次分析法得到的指標權重；w2ij為熵權法得到的指標權重；Wij為主客觀綜合權重。

1.3WPI模型

WPI是包括資源系統(tǒng)、設施系統(tǒng)、能力系統(tǒng)、使用系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)5個子系統(tǒng)在內的1組綜合性評價指標，用以定量評價國家、流域、社區(qū)內的相對缺水程度。資源系統(tǒng)是指區(qū)域內可被利用的水資源量及水資源的可靠性；設施系統(tǒng)主要考慮人們對清潔水源的可獲得性及用水安全性，涵蓋用水普及率、灌溉普及率等指標；能力系統(tǒng)綜合考慮政府財政狀況、教育及健康等的水管理能力；使用系統(tǒng)主要體現農業(yè)、工業(yè)、生活等的用水效率；環(huán)境系統(tǒng)主要指水資源利用對生態(tài)環(huán)境的影響，包括反映水環(huán)境壓力、土地退化程度等指標。在5個子系統(tǒng)下，每個子系統(tǒng)又包含多個評價指標，從而形成相對完整的評價體系。WPI值計算公式：

[JZ]WPIi=∑[DD（]mj=1[DD）]Wijrij；

[JZ]WPI=WRWPIR+WAWPIA+WCWPIC+WUWPIU+WEWPIE。

式中：WPIi為第i個子系統(tǒng)的水貧困得分；rij為各指標標準化后的數值；Wij為各指標的綜合權重；WR、WA、WC、WU、WE分別對應資源系統(tǒng)、設施系統(tǒng)、能力系統(tǒng)、使用系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)5個子系統(tǒng)的權重。

1.4LSE模型

LSE是美國地理學家Weaver提出的一種定量分析方法，其基本原理是將1組數據的方差先由大變小，再由小變大，并根據這一變化特性獲得1組數據的最小方差數，該數值即是理論分布與實際分布之間偏差最小的數，最能體現一個地區(qū)的實際情況[17]。方差計算表達式：

[JZ]S2=[SX（]1n[SX）]∑[DD（]ni=1[DD）]（ωi-ω[TX-*5]）。

式中：S2為方差；ωi為樣本數值；ω[TX-*5]為樣本均值；n為樣本數，個。

根據Weaver的方法，確定一個子系統(tǒng)的WPI值占多大的比例才是主要驅動因素。“單因素驅動型”只有1個子系統(tǒng)的WPI值占總WPI值的100%，其他子系統(tǒng)的WPI值均為0；“雙因素驅動型”是有2個子系統(tǒng)的WPI值各占總WPI值的50%，其余3個子系統(tǒng)的WPI均為0；依此類推，可獲得“3因素驅動型”“4因素驅動型”“5因素驅動型”的理論標準。但是，WPI值的構成并不完全符合上述理論標準中的任意1種。因此，本研究首先計算加權后子系統(tǒng)的WPI值占總系統(tǒng)WPI值的比重，獲得子系統(tǒng)水貧困對總系統(tǒng)的貢獻率，并按貢獻率大小依次排序；再將子系統(tǒng)的貢獻率（現實分布）與理論標準（理論分布）進行比較，利用方差公式依次求出驅動因素數量為由1～5個時的方差；最后，根據方差最小者就是距離理論分布標準最近的現實分布狀況這一理論，判定水貧困的驅動類型。

1.5數據來源

本研究所需原始數據來自2011—2015年《中國統(tǒng)計年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》、干旱半干旱區(qū)各省份統(tǒng)計年鑒、水資源狀況公報、環(huán)境狀況公報及國家統(tǒng)計局網站。個別省份的少數指標數據存在缺失，本研究依據相近年份的數據采取插值法予以填補。

[WTHZ]2WPI評價指標體系的構建及權重的確定

借鑒國內外水貧困相關理論與實踐經驗，結合西北干旱半干旱區(qū)實際情況，構建包括資源系統(tǒng)、設施系統(tǒng)、能力系統(tǒng)、使用系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)5個準則層、20個指標層在內的水貧困評價指標體系（表1）。

在指標權重的確定中，先對各指標進行無量綱化處理，為體現WPI值越高、水貧困程度越嚴重，本研究將數值越大、水貧困程度越高的指標進行正向處理，將數值越小、水貧困程度越高的指標進行負向處理。然后，運用層次分析法、熵權法分別確定各指標的權重，并獲得各指標的綜合權重，計算得出各準則層的權重（表1）。

3結果與分析

3.1西北干旱半干旱區(qū)水貧困時序變化及特征分析

由圖1可見，西北干旱半干旱區(qū)水貧困呈“S”形變動趨勢，2010—2011年，其WPI值由0.524上升至0.537，增加 2.481%，主要是使用系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)共同作用的結果；2013年，西北干旱半干旱區(qū)的水貧困得到大幅度改善，WPI值由2011年的0.537降至0.505，3年內年均降低1.986%，能力系統(tǒng)對水貧困改善的貢獻率相對最高，能力系統(tǒng)WPI值由 0.540 下降至0.464，下降了14.074%；2014年西北干旱半干旱區(qū)的WPI值再次上升至0.535，較2013年增加了5.941%，資源系統(tǒng)WPI值的明顯增加是干旱半干旱區(qū)WPI值反彈的主要原因；5個子系統(tǒng)中，資源系統(tǒng)的WPI值相對最高，說明水資源匱乏是導致區(qū)域水貧困的根本原因；在時序變化上，資源系統(tǒng)的WPI值2010—2013年為持續(xù)下降階段，2013—2014年為快速上升階段；設施系統(tǒng)、能力系統(tǒng)及環(huán)境系統(tǒng)的WPI值相差不大，其中設施子系統(tǒng)WPI值整體呈上升態(tài)勢，能力系統(tǒng)的WPI值波動幅度相對較大，變動軌跡與干旱半干旱區(qū)整體水平基本一致，環(huán)境系統(tǒng)的WPI值呈“快速上升—快速下降—緩慢上升”變動趨勢。

3.2西北各省（區(qū)）水貧困的時序變化特征

由圖2可見，2010—2014年，內蒙古自治區(qū)、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)的WPI值均呈上升態(tài)勢，水貧困程度加重，其中寧夏回族自治區(qū)WPI值為持續(xù)上升，新疆維吾爾自治區(qū)WPI值為波動上升，內蒙古自治區(qū)與甘肅省[CM（25]的WPI值變化軌跡基本一致，WPI值先緩慢上升，再緩慢

下降，后快速上升；青海省的水貧困狀況5年內得到緩解，WPI值由2010年的0.541下降至2014年的0.428，年均下降4.177%；從水貧困的空間分布狀況看，西北干旱半干旱區(qū)水貧困程度較為嚴重的是甘肅省、寧夏回族自治區(qū)，WPI值在0.580～0.640區(qū)間段內波動，其次是新疆維吾爾自治區(qū)，WPI值略低于甘肅省、寧夏回族自治區(qū)，內蒙古自治區(qū)的水資源貧困程度相對最輕，這與孫才志等基于國家尺度測算的水貧困得分排名[6]存在高度的一致性。

3.3西北干旱半干旱區(qū)水貧困驅動因素分析

借助LSE模型，對2014年我國西北干旱半干旱區(qū)的水貧困驅動因素進行定量分析。由表2可見，整體上看，干旱半干旱區(qū)的水貧困由資源、設施、能力、使用、環(huán)境5個因素共同作用導致，主要基于3個方面：一是西北干旱半干旱區(qū)降水量少、蒸發(fā)量大，水資源總量較少；二是該區(qū)域在我國經濟社會發(fā)展較為落后，盡管隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，中央和地方政府加大了對水利設施的投入力度，但因歷史欠賬較多，水利設施仍不完善，加上該地區(qū)農業(yè)粗放經營、農業(yè)用水占比高且效率低，導致使用系統(tǒng)成為區(qū)域水貧困的第2大驅動因子；三是西北干旱半干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，對水資源的依賴性較大，而前幾年大規(guī)模的水土資源開發(fā)，引發(fā)了水土流失加劇、耕地沙化、鹽漬化和水體污染等一系列環(huán)境災害，而環(huán)境問題又促進了西北干旱半干旱區(qū)水貧困的發(fā)生與發(fā)展。

從各省（區(qū)）看（表2），內蒙古自治區(qū)的水貧困以資源、設施、環(huán)境3因素驅動為主，其累積貢獻率高達92.077%；新疆自治區(qū)水貧困也是3因素驅動型，以資源、使用、環(huán)境驅動為主；甘肅省、寧夏回族自治區(qū)、青海省的水貧困驅動為4因素協同型，其中甘肅省水貧困驅動因素以資源、設施、能力、使用為主，而寧夏回族自治區(qū)水貧困驅動因素以資源、設施、使用、環(huán)境為主，青海省的水貧困驅動因素以設施、能力、使用、環(huán)境為主。

4結論與討論

內蒙古自治區(qū)西部多個盟市的人均水資源量僅占世界水平的1/2，是水資源嚴重短缺的地區(qū)之一[18]，加上粗放式的經濟增長方式對生態(tài)環(huán)境形成的巨大壓力，土地沙化、水土流失等問題未得到根本性解決，地下水超采引發(fā)的河道斷流、草場退化趨勢仍在蔓延，嚴重影響該區(qū)域內水資源的可持續(xù)利用。新疆自治區(qū)作為農業(yè)大省，農業(yè)用水所占比重維持在90%以

因素聯合型R-A-C-U-E干旱半干旱區(qū)0.53536.00313.14311.96025.41113.484[BG）F]

[FL（2K2]上，且高耗能產業(yè)的發(fā)展導致工業(yè)需水量居高不下，而有限的治污投入資金，使污水未能得到有效處理，區(qū)域水質明顯下降，加上西部在承接東部產業(yè)轉移時因區(qū)域經濟發(fā)展的有限性，導致短期內新疆地區(qū)承接的產業(yè)仍以粗放型為主，這無形加劇了區(qū)域內的用水壓力，而有水則綠洲、無水則沙漠的區(qū)域發(fā)展特性，導致生態(tài)需水量占比較高，也對自治區(qū)的水資源構成嚴峻挑戰(zhàn)。甘肅省和寧夏回族自治區(qū)深居內陸，降水不足，水資源嚴重短缺，隨著經濟的不斷發(fā)展、人口規(guī)模不斷增加，對區(qū)域內的水資源造成巨大壓力，嚴重超出水資源的承載能力[19]，且2省作為引黃灌溉區(qū)，水利工程老化失修，未得到根本性改善，導致洪水頻發(fā)、干旱持續(xù)，排水設施建設須得以進一步提升[20]，而近年來，甘肅省堅持推進退耕還林工程，水土流失問題得到有效遏制，生態(tài)環(huán)境也得到明顯改善，因此環(huán)境系統(tǒng)未對甘肅省的水貧困產生明顯的驅動效應。相較于其他省（區(qū)），青海省湖泊星羅棋布，水資源充沛，資源壓力較小，青海省作為三江源核心區(qū)，近年來，國務院陸續(xù)啟動一期、二期三江源生態(tài)保護和建設工程，使該區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化趨勢得到有效控制，生態(tài)環(huán)境狀況得以局部改善，水利設施投入得到加強，水資源貧困程度有所緩解，但青海省屬于高海拔地區(qū)，地廣人稀，在設施建設、水資源管理、利用能力和生態(tài)環(huán)境保護等方面均具有較大的提升空間。

在已有水貧困測度研究的基礎上，結合西北干旱半干旱區(qū)水資源狀況，構建了5個子系統(tǒng)20個具體指標在內的水貧困評價指標體系，并運用WPI模型對2010—2014年西北干旱半干旱區(qū)的水貧困狀況進行評價，對2014年的水貧困驅動因素進行分析。結果表明，2010—2011年，西北干旱半干旱區(qū)的WPI值由0.524波動上升至0.537，水貧困程度加重，同年份內資源系統(tǒng)的WPI值得分相對最高，說明水資源的先天性匱乏是導致區(qū)域內水貧困的根本原因；2010—2014年，內蒙古自治區(qū)、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)的WPI值呈波動上升態(tài)勢，水貧困程度加劇，而青海省的WPI值有所下降，水貧困狀況趨于好轉；西北干旱半干旱區(qū)整體水貧困驅動因素為5因素聯合型，不同省（區(qū)）因資源稟賦、設施建設等差異，導致水貧困驅動因素也有所不同，其中內蒙古自治區(qū)、新疆維吾爾族自治區(qū)為3因素驅動型，甘肅省、寧夏回族自治區(qū)、青海省為4因素協同型。

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