基于人水關系的京津冀城市群水資源安全格局評價

鮑 超,鄒建軍

1 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101 2 中國科學院區域可持續發展分析與模擬重點實驗室,北京 100101 3 中國科學院大學資源與環境學院,北京 100049

水資源是基礎性的自然資源和關鍵性的生態環境要素,不僅關系著經濟社會的穩定發展,也關系著一個國家和地區的生態環境安全[1- 3]。國內外學者對水資源安全的內涵進行了大量研究,雖然目前沒有統一的定義,但除了基于生態系統的水資源安全視角外,普遍認為水資源安全更多的表現為水資源的社會屬性,特別是與人和自然的關系,即包含了自然水循環與社會經濟系統水循環兩方面的健康運行狀態[2- 4]。許多學者從水資源安全的影響因素、評價體系、安全機理、預警及保障方面進行了深入研究[4- 6]。其中水資源安全評價是水資源安全研究的關鍵問題之一,具體就是篩選科學合理的水資源安全度量指標并構建綜合測度模型,來評價水資源安全保障程度。

近年來,許多學者采用各種單項指標、綜合指標、綜合評價模型對不同區域水資源安全進行評價。在單項評價指標中,常用的有區域人均水資源量和水資源開發利用程度[7- 8],而且對其安全閾值逐漸進行了修正和細化[9-10]。雖然單項指標簡明易用,但由于水資源安全是一個綜合的概念,僅用一兩個指標難以反映其全部內容,而且這兩個單項指標在部分地區反映的水資源安全狀況可能完全相反,因此有必要構建水資源安全評價的綜合指標。常用的綜合指標有水安全指數(Water Security Index)[11]、水貧乏指數(Water Poverty Index)[12-13]、水壓力綜合指數(Integrated Water Stress Index)[14]、水短缺指數(Water Scarcity or Shortage Index)[15]、水資源承載力指數(Water Resources Carrying Capacity Index)[16]等,雖然綜合考慮了社會、經濟、資源、環境等各方面內容,能夠較為全面地反映出不同區域的水資源狀況及水安全程度,但大部分指標體系比較復雜,數據可獲得性及評價結果的時空可比性較難保障。常用的綜合評價模型和方法有層次分析法、綜合指數法、集對分析法、物元模型法、邏輯斯蒂曲線法等[17-23]。這些評價模型和方法各有優缺點,總體上需要根據指標體系的特點和決策者的偏好進行選擇[24-25]。為此,本文提出了一種既能較為全面反映水資源安全狀況,又在不同時空尺度上均具有數據可獲得性、結果可比性的水資源安全評價方法,并以我國乃至全世界人類活動對水循環擾動強度最大地區之一的京津冀城市群為研究區域,對其水資源安全的時空格局進行了定量評價。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區域概況

京津冀城市群位于116°43′—119°50′ E,36°05′—42°40′ N之間,屬溫帶季風氣候、半濕潤地區和海河流域,年平均降水量為400—800 mm,在行政區劃上包括北京市、天津市以及河北省下轄的全部11個地級市。它是我國經濟最具活力、開放程度最高、創新能力最強、吸納人口最多的地區之一,也是水資源極為短缺和用水效率較高的地區之一[26]。據統計,2014年京津冀城市群土地總面積約21.68×104km2,占全國的2.26%;常住人口為1.12×108人,占全國的8.18%;地區生產總值為6.66×1012元,占全國的10.46%;人均GDP為5.95萬元,為全國平均水平的1.26倍;水資源總量為203.69×108m3,占全國的0.75%;人均水資源量為182 m3,僅為全國平均水平的9.14%;水資源總量折合地表徑流深為95 mm,為全國平均水平的33.57%;用水總量為250.03×108m3,占全國的4.10%;人均綜合用水量為224 m3,為全國平均水平的50%;萬元GDP用水量為38 m3,為全國平均水平的40%。長期以來,京津冀城市群水資源過度開發利用引起了一系列生態環境問題,如河道斷流、濕地萎縮、地下水位下降、水體嚴重污染、地下水漏斗成片、土地退化等,在強人類活動干擾及脆弱生態環境約束下,水資源已成為制約京津冀城市群經濟社會發展的關鍵要素[26- 27]。

1.2 指標體系與數據獲取

遵循科學性與可比性、綜合性與主導性、系統性與層次性、動態性與穩定性、針對性與可行性等相結合的原則,重點考慮水資源的自然屬性及社會屬性之間的交互影響,尤其是水資源對人類生態、生產、生活需求的保障程度以及人類對水資源利用的積極能動作用和適應性,從水資源本底條件、水資源開發利用程度、水資源開發利用效率3個方面選取9個指標構成水資源安全的綜合評價指標體系(表1)。其中,所有層級的指標都能體現水資源對人類活動的供需滿足程度以及人水關系協調或矛盾狀況。水資源本底條件越好、水資源開發利用程度越低、水資源開發利用效率越高,最終會使水資源安全程度越高。本文以京津冀城市群13個地級以上城市為研究單元,并將主要研究時段定為2000—2014年。所需的社會經濟數據主要來源于歷年《北京統計年鑒》、《天津統計年鑒》、《河北經濟年鑒》,而且為使經濟數據在時間序列上具有可比性,地區生產總值及分產業增加值均以2000年為基準換算為可比價格;所需的水資源和用水數據主要來源于歷年《北京市水資源公報》、《天津市水資源公報》、《河北省水資源公報》。

表1 水資源安全的綜合評價指標體系及權重

1.3 評價標準與閾值判斷

為了能夠對水資源安全綜合指數及準則層的綜合指數進行合理分級,以0.2為極差將各類綜合指數分為極不安全、不安全、臨界安全、較安全、非常安全5級(表2)。為了使評價結果在時間、空間尺度上均具有可比性并且更具有現實指導意義,通過參考國內外相關文獻[5, 7-9, 26, 28-29]、國內外發達國家和地區的發展經驗、全國平均水平,同時根據樣本數據分布特點及經驗值,最終確定了9個具體指標對應水資源安全綜合指數分級標準的閾值(表2)。

例如,某研究單元的具體指標人均水資源量在500—1000 m3之間,則其對應的準則層水資源本底條件綜合指數在0.2—0.4之間,其對應的目標層水資源安全綜合指數也在0.2—0.4之間,其對應的水資源安全類型為不安全。當然,由于該研究單元的其他指標如水資源總量折合地表徑流深不一定在40—70 mm之間,因而會提升或降低最終的水資源安全綜合指數。而該研究單元最終屬于哪一類型,需要構建數學模型進行綜合評價。其他具體指標的情況類似。

1.4 熵技術支持下的層次分析法

層次分析法是一種常用的定性與定量相結合的確定指標權重的方法[30]。其主要步驟是將要解析的復雜問題分解為若干層次,由專家和決策者對同一層次各指標兩兩比較重要程度構造判斷矩陣,利用各判斷矩陣的特征向量來確定該層指標對上層指標的貢獻度,最終得到基層指標對總目標而言的賦權結果[30]。采用層次分析法識別問題的系統性強,但在專家咨詢時容易產生循環而不滿足傳遞性原理,導致部分信息丟失,因此采用熵技術法對權重系數進行修正[31-32]。具體方法為:

表2 水資源安全指標的分級標準及閾值

*根據發達國家和地區經驗

首先,對判斷矩陣A按列做歸一化處理后得矩陣B=bijn×n

(1)

式中,A=aijn×n為根據同層次兩兩元素相對重要性構造的判斷矩陣。

其次,計算第j項指標的熵值ej,

(2)

計算第j項指標的冗余度gj,

gj=1-ej

(3)

計算第j項指標的信息權重vj,

(4)

則第j項指標的熵化權重rj為:

(5)

式中,pj為層次分析法得出的j項指標權重。

1.5 多目標模糊隸屬度函數標準化法

為了解決各具體指標量綱不同而難以加權綜合的問題,需要對各具體指標的屬性值進行標準化。常用的標準化方法有離差標準化(Max-min normalization)、標準差標準化(Z-score normalization)、比例標準化(Ratio normalization),且各有優劣[33]。在應用上述方法時,由于只考慮到樣本數據,使得標準化后的數值僅在樣本數據所在的時空范圍內具有相對可比性;而且當樣本數據中某項指標的差異較大時,標準化結果可能與定性認識相差較遠。例如,若對京津冀城市群歷年分地級行政單元人均水資源量進行離差標準化,則標準化值為0和1僅能說明在京津冀城市群該時段范圍內人均水資源量相對最低和最高,而不能說明其實際人均水資源量究竟是高是低。而且,當某一行政單元的人均水資源量相對很大時,其他行政單元的標準化值都會接近于0,而實際上其他行政單元的人均水資源量也存在明顯差異。為此,本文構建了多目標模糊隸屬度函數標準化方法。

設指標集為W=w1,w2,...,wj,評語集為H=h1,h2,h3,h4,h5,結合表2中水資源安全指數分級標準,令h1:極不安全,h2:不安全,h3:臨界安全,h4:較安全,h5:非常安全,評語h1、h2、h3、h4、h5所對應的水資源安全綜合指數區間分別為[k1,k2)、[k2,k3)、[k3,k4)、[k4,k5)、[k5,k6]。顯然,k1=0,k2=0.2,k3=0.4,k4=0.6,k5=0.8,k6=1。對于任意指標j,假設水資源安全綜合指數閾值k1、k2、k3、k4、k5、k6對應指標的標準值分別為u1、u2、u3、u4、u5、u6。

對于正向指標,其隸屬度公式為:

(6)

對于逆向指標,其隸屬度公式為:

(7)

式中,sλij為第λ年i研究區域第j項指標的標準化值或隸屬度,xλij為第λ年i研究區域第j項指標的實際值。

1.6 綜合指數集成

根據各具體指標的熵化權重和標準化值,利用加權法可分別計算準則層、目標層的綜合指數。限于篇幅,僅列出目標層的計算公式。

(8)

2 結果分析

2.1 京津冀城市群水資源安全的總體變化特征

(1)水資源安全綜合指數。由2000年的0.2324波動上升至2014年的0.3690,除2012年達0.4919外,始終介于0.2—0.4之間,總體屬于不安全水平(圖1)。其中,水資源開發利用程度(負向指標)和水資源開發利用效率(正向指標)表征的水資源安全狀況形成了較大的反差,二者在產生一定的互相抵消之后,最終綜合導致水資源本底條件與水資源安全綜合指數的變化趨勢基本類似。

圖1 2000—2014年京津冀城市群水資源安全指數各指標的時間變化Fig.1 Temporal variation of the specific indicators of water resources security index in the Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration in 2000—2014

(2)水資源本底條件。由2000年的0.2050波動上升至2014年的0.3196,除2001年和2002年稍低于0.2、2012年稍高于0.4外,其他年份都介于0.2—0.4之間,屬于不安全類型。其中,人均水資源量的標準化值在0.0462—0.1145之間,屬于極不安全類型;水資源總量折合地表徑流深的標準化值除2012年達到0.7735外,其他年份均在0.2622—0.5983之間,屬于不安全和臨界安全類型。具體來看,由于近年來水資源總量的提高,導致上述指標提升,從而使水資源本底條件略有改善。

(3)水資源開發利用程度。由2000年的1波動下降至2014年的0.8819,除2012年降至0.6660外,始終介于0.8—1之間,屬于極不安全類型。其中,水資源開發利用率由于多數年份超過100%甚至150%,其標準化值除2012年為0.6775外,其他年份均在0.8—1之間,屬于極不安全類型;地表水開采率除2012年外,其他年份均超過60%,多數年份均超過80%,其標準化值也多在0.8—1之間,屬于極不安全類型;地下水超采十分嚴重,除2012年外,淺層地下水均100%被開采,其標準化值均為1,屬于極不安全類型。具體來看,由于近年來水資源總量提高、用水總量被控制,導致水資源開發利用程度有所減小,但并未改變水資源嚴重超采的現實。

(4)水資源開發利用效率。由2000年的0.6176逐步上升至2014年的0.8293,由較安全過渡到非常安全類型。其中,萬元GDP用水量由0.2211逐步下降至0.0407(其對應的用水效率由0.7789上升至0.9593),逐步達到國際先進水平;萬元農業增加值用水量由0.5648逐步下降至0.2715(其對應的用水效率由0.4352上升至0.7285),由國際較低水平上升到較高水平;萬元工業增加值用水量由0.4277逐步下降至0.0608(其對應的用水效率由0.5723上升至0.9392),由國際較低水平上升到先進水平;人均生活用水量在0.4左右波動(其對應的用水效率在0.6左右波動),總體屬于中等水平。

2.2 京津冀城市群水資源安全的空間格局變化

(1)水資源本底條件。2000—2014年各城市絕大部分屬于不安全或極不安全類型,少數屬于臨界安全類型,個別出現較安全類型,并且水資源本底條件由北向南逐漸趨好(圖2)。從2000—2014年各城市水資源本底條件的多年平均值來看,在0—0.2之間的城市僅承德市1個,占7.69%,人均水資源量較少且水資源總量折合地表徑流深更小,為極不安全類型;在0.4—0.6之間的有北京市、唐山市、秦皇島市3個,占23.08%,為臨界安全類型;其他9個城市均在0.2—0.4之間,占69.23%,為不安全類型。

圖2 2000—2014年京津冀城市群分城市水資源本底條件的時空變化Fig.2 Spatiotemporal variation of natural endowment of water resources by prefecture in the Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration in 2000—2014

(2)水資源開發利用程度。2000—2014年各城市絕大部分屬于極不安全類型,少數屬于不安全類型,個別出現臨界安全和較安全類型,總體上水資源超采嚴重,南部地區更甚(圖3)。從2000—2014年各城市水資源開發利用程度的多年平均值來看,在0.4—0.6之間的有張家口市、承德市2個,占15.38%,為臨界安全類型;在0.6—0.8之間的城市僅有秦皇島市1個,占7.69%,為不安全類型;其他10個城市均在0.8—1之間,占76.92%,為極不安全類型。

(3)水資源開發利用效率。2000—2014年各城市絕大部分屬于較安全或非常安全類型,少數屬于臨界安全類型,個別出現不安全類型,并且水資源開發利用效率由北向南逐漸趨好(圖4)。從2000—2014年各城市水資源開發利用效率的多年平均值來看,在0.4—0.6之間的城市僅有保定市1個,占7.69%,為臨界安全類型;在0.8—1之間的有承德市、廊坊市、秦皇島市3個,占23.08%,為非常安全類型;其他9個城市均在0.6—0.8之間,占69.23%,為較安全類型。

(4)水資源安全綜合指數。2000—2014年各城市絕大部分屬于不安全或臨界安全類型,少數屬于極不安全類型,個別出現較安全類型,并且水資源安全狀況總體上由北向南逐漸趨好(圖5)。從2000—2014年各城市水資源安全指數的多年平均值來看,僅有秦皇島市和張家口市在0.4—0.6之間,占15.38%,為臨界安全類型;其他11個城市均在0.2—0.4之間,占84.62%,為不安全類型。

圖5 2000—2014年京津冀城市群分城市水資源安全指數的時空變化Fig.5 Spatiotemporal variation of water resources security index by prefecture in the Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration in 2000—2014

3 結論與討論

基于體現水資源對人類生態、生產、生活的供需滿足程度以及人水關系協調或矛盾狀況的視角,構建了水資源安全的綜合評價指標體系與評價標準,采用熵技術支持下的層次分析法和多目標模糊隸屬度函數,對2000—2014年京津冀城市群水資源安全的時空變化特征進行了評價。研究得出以下主要結論:

(1)整個京津冀城市群的水資源本底條件絕大多數年份均屬于不安全類型,水資源開發利用程度屬于極不安全類型,水資源開發利用效率由較安全過渡到非常安全類型,最終綜合導致水資源安全指數絕大多數年份在0.2—0.4之間,總體屬于不安全類型。同時,由于水資源略有增加、用水受到總量控制、用水效率也逐步提高,京津冀城市群雖然人口和經濟增長較快,但水資源總體向臨界安全類型轉變。

(2)京津冀城市群各城市的水資源本底條件北差南好,水資源開發利用程度北低南高,水資源開發利用效率北高南低,三者在空間上的關系出現錯位,最終導致水資源安全指數在時空尺度上表現出一定的差異,總體表現為南低北高且隨著時間的推移普遍提高的格局。這與人類逐水而居并導致水資源富集地區人水關系緊張的局面基本類似。同時,通過人類的主動性和適應性調整,發展到一定階段后也可以逐步緩解人水之間的矛盾。但是,由于整體受水資源的限制,京津冀城市群各城市水資源安全指數及次級指標在時空尺度上雖有差異,但地域一致性特點也較突出,如69.23%的城市水資源本底條件為不安全類型,76.92%的城市水資源開發利用程度為極不安全類型,69.23%的城市水資源開發利用效率為較安全類型,84.62%的城市為水資源不安全綜合類型。

此外,本文雖提出了一種既能較為全面反映水資源安全狀況,又在不同時空尺度上均具有數據可獲得性、結果可比性的水資源安全評價方法,但仍有一些不足之處:由于國內外對水資源安全沒有統一認識及數據資料限制,在指標體系的設計和評價標準的判斷上還有待完善,如水資源安全僅考慮了供水數量安全,未考慮供水質量安全;未對京津冀城市群水資源安全格局的變化機理、城市間的互動功能、應對策略進行詳細剖析。