基于水足跡理論和灰靶模型的漢江干流水資源可持續(xù)利用評價

李 雙 ，杜建括，邢海虹，王淑新，李 峰

(1.陜西理工大學(xué)歷史文化與旅游學(xué)院，陜西 漢中 723001；2. 陜西理工大學(xué)漢水文化研究中心，陜西 漢中 723001；3.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059)

水是生命之源，是21世紀(jì)全人類最為關(guān)注的重大資源問題之一。伴隨氣候變化、人口增長、經(jīng)濟發(fā)展和消費模式改變，全球水資源需求量以每年1%的速度增長，區(qū)域水資源供需矛盾將更加尖銳。水資源可持續(xù)管理成為21世紀(jì)全球的關(guān)鍵環(huán)境挑戰(zhàn)之一[1]，引起水資源可持續(xù)利用評價的研究熱潮。

水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)體系構(gòu)建多采用層次結(jié)構(gòu)法(如社會-經(jīng)濟-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)法)[2]、PSR(壓力-狀態(tài)-響應(yīng))[3]、DPSIR(驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng))[4]、聚類法[5]和數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法[6]等方法，選用水資源供需、經(jīng)濟等眾多統(tǒng)計指標(biāo)，指標(biāo)信息單一且不直接反映水資源可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。水足跡法是以虛擬水為基礎(chǔ)，不僅考慮了工業(yè)、生活、生態(tài)等用水量，還涵蓋了農(nóng)畜產(chǎn)品和進出口貿(mào)易虛擬水，反映區(qū)域或個人在一定時間內(nèi)消耗的內(nèi)外水資源量，具有綜合反映水資源利用狀態(tài)的特點，近年來被學(xué)者們大量采用。如戚國強等[7]、余灝哲等[8]和熊鴻斌等[9]等學(xué)者將水足跡與統(tǒng)計指標(biāo)相結(jié)合，評價了黑龍江省、山東省和安徽省水資源的可持續(xù)利用水平。

水資源可持續(xù)利用常用評價方法有模糊綜合評價法法[10]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法法[11]、因子分析法法[12]、層次分析法法[13]和聚類分析法法[14]等等，但因評價指標(biāo)多樣，指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)模式難確定，一般不考慮區(qū)域比較研究[15]。灰靶理論是處理模式序列的灰色關(guān)聯(lián)分析理論，在指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)模式難確定的情況下，通過原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值的設(shè)置，可增強評價區(qū)域內(nèi)不同單元之間的可比性[16]，已有學(xué)者將灰靶理論應(yīng)用于區(qū)域水資源可持續(xù)利用評價[9,17]。評價過程中，賦權(quán)方法直接影響著評價結(jié)果的可靠性。主觀賦權(quán)法(如綜合指數(shù)法、層次分析法等)采用專家打分等確定權(quán)重，具有主觀意識強等問題。客觀賦權(quán)法(如熵值法、因子分析法、主成分分析法等)基于實際數(shù)據(jù)，挖掘參數(shù)內(nèi)在關(guān)系，能相對客觀確定指標(biāo)權(quán)重。在客觀賦權(quán)法中，熵權(quán)法是解決具有不確定性的問題最好的工具[18]，可以提高指標(biāo)體系權(quán)重量化的準(zhǔn)確度，適用于水資源可持續(xù)利用這種不確定因素較多的問題評價。

漢江是長江最大的支流，流經(jīng)地區(qū)多、影響范圍大，且承擔(dān)著調(diào)節(jié)區(qū)際水資源不足的重任。漢江干流沿線水資源的利用狀態(tài)，關(guān)乎流域區(qū)域經(jīng)濟社會的發(fā)展，同時也關(guān)系到我國華北地區(qū)水資源的安全。目前雖已有學(xué)者對陜西省[19,20]、湖北省[21]和長江中游城市群[22,23]開展了水足跡及水資源利用狀況的研究，但以漢江干流為對象的研究還處于空白。因此本文在計算水足跡的基礎(chǔ)上，融合常規(guī)水資源評價指標(biāo)，構(gòu)建PSR模型評價體系，運用熵權(quán)—灰靶評價方法綜合分析漢江干流水資源可持續(xù)利用現(xiàn)狀。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

1.1.1 水足跡計算

本文采用自下而上的方法計算漢江干流水足跡。

(1)水足跡計算。水足跡計算公式如下：

WF=IWF+EWF

(1)

式中：WF為水足跡，億m3；IWF為內(nèi)部水足跡，億m3；EWF為外部水足跡，億m3。

IWF=AWU+IWU+DWU+ENV-VWEdom

(2)

式中：AWU為農(nóng)業(yè)虛擬水，億m3；IWU為工業(yè)用水量，億m3；DWU為生活用水量，億m3；ENV為生態(tài)環(huán)境用水量，億m3；VWEdom為出口虛擬水總量，億m3。

EWF=VWF-VWEre-export

(3)

式中：VWF為進口的虛擬水量，億m3；VWEre-export為從其他地區(qū)輸入本地區(qū)再出口的虛擬水量，億m3，但比例較小，一般忽略不計。

農(nóng)業(yè)、進出口貿(mào)易虛擬水量的計算參考馬靜等[24]和孫才志等[25]的計算方法。

(2)人均水足跡。

WFpc=WF/TP

(4)

式中：WFpc為人均占有的水足跡，m3/人；WF為總水足跡，億m3；TP為人口數(shù)量，萬人。

(3)水足跡經(jīng)濟效益。

WFE=GDP/WF

(5)

式中：WFE為水資源經(jīng)濟效益，元/m3；GDP為國內(nèi)生產(chǎn)總值，萬元；WF為總水足跡，億m3。

(4)水資源壓力指數(shù)。

WP=(IWF+VWEdom)/AW×100%

(6)

式中：WP為水資源壓力指數(shù)，%；IWF為內(nèi)部水足跡，億m3；VWEdom為出口虛擬水總量，億m3；AW為可更新水資源量，億m3。

1.1.2 評價體系構(gòu)建

PSR(Pressure-State-Response)模型，即壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型，多用于人類活動影響下的環(huán)境質(zhì)量評價與資源評估。就水資源可持續(xù)利用而言，壓力層反映人類活動通過何種方式阻礙了水資源利用的可持續(xù)性；狀態(tài)層則表征水資源利用現(xiàn)狀及趨勢；響應(yīng)層表示人為采取某些有效措施來改善目前水資源利用的現(xiàn)狀，以保障水資源利用的可持續(xù)發(fā)展。本文基于PSR模型，在系統(tǒng)分析水環(huán)境影響要素的基礎(chǔ)上，融合水足跡指標(biāo)和常規(guī)水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)，參照已有研究成果[8,9,26]，甄選出21項使用頻率較高的指標(biāo)構(gòu)建綜合評價指標(biāo)體系，見表1。

表1 水資源可持續(xù)利用綜合評價指標(biāo)體系及權(quán)重

續(xù)表1 水資源可持續(xù)利用綜合評價指標(biāo)體系及權(quán)重

1.1.3 熵權(quán)法定權(quán)重

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法，其基本原理是依據(jù)指標(biāo)信息熵確定權(quán)重，即信息熵愈大，反映的信息愈少，對評價結(jié)果影響愈小，故熵權(quán)就愈小，反之，信息熵愈小，熵權(quán)愈大。本文參照文獻羅軍剛等[27]進行指標(biāo)權(quán)重計算。

1.1.4 灰靶評價模型

灰靶評價過程具體如下：

(1)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)模式Y(jié)0。在構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)模式時，對正向功效性指標(biāo)，選最大值；對負(fù)向功效性指標(biāo)，選最小值，即標(biāo)準(zhǔn)模式由各指標(biāo)極值構(gòu)成。構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)模式：

Y0(Xj)=Y0(X1),Y0(X2),…,Y0(Xj) (j=1，2，…，21)

(7)

式中：Y0為標(biāo)準(zhǔn)模式序列；Y0(Xj)為第j個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值。

(2)進行灰靶變換T并確定灰色關(guān)聯(lián)差異Δ。令T為灰靶變換，靶心y0=TY0=(1,1,1,…,1)，則漢中干流10市21項評價指標(biāo)的灰靶變換公式為：

(8)

(i=1,2,…,10;j=1,2,…,21)

式中：y0為靶心；Y0(Xj)為評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值。

灰色關(guān)聯(lián)差異矩陣：

Δij=|y0(Xj)-yi(Xj)|=|1-yi(Xj)|

(9)

(3)計算靶心系數(shù)。

(10)

式中：γ[y0(Xj),yi(Xj)]為漢中干流各市評價指標(biāo)的靶心系數(shù)；Δij評價指標(biāo)Xj的灰色關(guān)聯(lián)差異矩陣。

因本文Δ最小值為0，最大值為1，故靶心系數(shù)計算公式可簡化為：

(11)

(4)計算靶心度。

(12)

式中：γ[y0,yi]為漢中干流i市的靶心度；wj為第j個指標(biāo)的權(quán)重。

1.2 數(shù)據(jù)來源

從《陜西省統(tǒng)計年鑒》、《陜西省水資源公報》、《湖北省統(tǒng)計年鑒》和《湖北省水資源公報》，以及政府環(huán)保、林業(yè)、水利等部門門戶網(wǎng)站，收集相關(guān)數(shù)據(jù)指標(biāo)，主要包括農(nóng)畜產(chǎn)品產(chǎn)量、國內(nèi)生產(chǎn)總值、工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、工業(yè)用水、生活和生態(tài)用水以及常規(guī)的水資源評價環(huán)境數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟指標(biāo)等。

2 結(jié)果與分析

2.1 水足跡時間變化特征與評價

據(jù)表2和圖1可知，近年來，漢江干流總水足跡及其構(gòu)成中的農(nóng)業(yè)、生活和生態(tài)水足跡均呈增加趨勢，增加率分別為24.28、23.73、2.12和0.07 億m3/a。農(nóng)業(yè)水足跡占比最大，平均為87.78%；工業(yè)水足跡值居其次，平均占比9.06%，2010年來呈下降態(tài)勢，與近年來萬元工業(yè)增加值用水量減少相一致，表明漢江干流工業(yè)用水效率明顯提高；生活和生態(tài)水足跡較小，但呈現(xiàn)顯著升上趨勢，表明隨著經(jīng)濟水平的發(fā)展、城市化水平的提高，人們生態(tài)環(huán)保意識不斷增強；出口虛擬水大于進口虛擬水，且二者所占比例均呈減小趨勢，表明水足跡貿(mào)易為貿(mào)易順差，不利于緩解水資源壓力。內(nèi)部水足跡平均占比為99.35%，高于中國平均水平93.6%[28]，說明漢江干流水資源供給能力強，這是因為作為長江最大的支流，有較多二級支匯入漢江干流，且雨量充沛，使本區(qū)域有豐富而穩(wěn)定的可用水資源。

表2 2008-2015年漢江干流水足跡構(gòu)成億m3

年份內(nèi)部水足跡農(nóng)畜虛擬水工業(yè)用水生活用水生態(tài)用水出口虛擬水外部水足跡進口虛擬水總水足跡2008505.2455.2318.170.157.995.82576.612009538.0457.9418.290.246.083.72612.152010546.5473.3019.370.237.485.25637.212011595.6373.5521.320.287.455.29688.632012619.6073.3722.680.366.413.69713.282013639.4455.2627.830.457.183.58719.382014662.7051.3428.760.557.373.81739.792015657.7251.6632.370.647.963.66738.09平均595.6161.4623.600.367.244.35678.14

注：內(nèi)部水足跡為農(nóng)畜生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水之和減去出口虛擬水的差值。

圖1 2008-2015年漢江干流各項用水占總水足跡的百分比

與漢江干流總水足跡呈現(xiàn)緩慢增長趨勢不同，人均水足跡在2012年前增長明顯，之后變化較平穩(wěn)(圖2)。人均水足跡平均為1 864.24 m3/人，低于中國2000-2014年的平均人均水足跡2 340 m3/人、陜西省的2 310 m3/人和湖北省的2 370 m3/人[29]，但高于全球人均水足跡1 240 m3/人[30]，北京的1 390 m3/人和天津的1 400 m3/人[29]，說明人均水足跡不僅與經(jīng)濟發(fā)展水平有關(guān)，受人口數(shù)量的影響也較大。

圖2 2008-2015年漢江干流總水足跡與人均水足跡動態(tài)變化

漢江干流水足跡經(jīng)濟效益逐年顯著增加，而水資源壓力指數(shù)整體呈現(xiàn)波動上升再下降的態(tài)勢，且除2010年外，其值均大于1(圖3)，前者表明漢江干流水資源利用效率在不斷提升，即消耗單位水足跡創(chuàng)造出更高的經(jīng)濟價值；后者一定程度上表明漢江干流水資源利用已處于非可持續(xù)利用狀態(tài)。水資源壓力指數(shù)的這種變化，與區(qū)域水資源總量(R2=-0.901)、年降水量(R2=-0.875)呈顯著負(fù)相關(guān)，說明區(qū)域天然水資源的多寡和年際變化制約著水資源可持續(xù)利用水平。

圖3 2008-2015年漢江干流水足跡經(jīng)濟效益與水資源壓力指數(shù)動態(tài)變化

2.2 水足跡空間變化特征與評價

漢江干流各市的水足跡構(gòu)成特征存在著差異與共性(見表3)。差異主要表現(xiàn)為：地區(qū)間水足跡構(gòu)成的絕對值差異明顯，這是因為生產(chǎn)、生活水足跡的高低與地區(qū)人口數(shù)量和經(jīng)濟產(chǎn)值密切相關(guān)(見表4)。以干流平均值為界，農(nóng)畜和工業(yè)水足跡方面，襄陽、荊門、孝感和武漢等市高于平均值，對應(yīng)著較高的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值和國內(nèi)生產(chǎn)總值；生活水足跡方面，襄陽、孝感和武漢三市高于平均值，對應(yīng)著較大的人口規(guī)模；生態(tài)水足跡方面，漢中、安康和武漢等市高于平均值，這三市均屬于國家級或省級園林城市，生態(tài)建設(shè)投入較多；出口貿(mào)易僅武漢較高。共性主要表現(xiàn)為：水足跡構(gòu)成均為農(nóng)畜生產(chǎn)水足跡比重最大，其次為工業(yè)生產(chǎn)用水，而生態(tài)用水和進出口虛擬水占比較低(圖4)。

表3 漢江干流10市多年平均水足跡構(gòu)成億m3

地區(qū)內(nèi)部水足跡農(nóng)畜虛擬水工業(yè)用水生活用水生態(tài)用水出口虛擬水外部水足跡進口虛擬水水足跡漢中市41.141.031.060.090.070.0243.27安康市28.800.611.010.040.020.0030.44十堰市33.663.622.220.030.240.0339.31襄陽市130.6415.073.910.030.940.20148.91荊門市97.886.461.920.010.620.21105.87潛江市20.992.600.640.000.300.0223.94天門市27.601.650.850.010.010.0030.10仙桃市37.472.820.830.010.460.1240.79孝感市87.879.253.030.020.860.2399.54武漢市89.5618.368.130.133.723.51115.97平均59.566.152.360.040.720.4467.81

注：內(nèi)部水足跡為農(nóng)畜生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水之和減去出口虛擬水的差值。

表4 生產(chǎn)、生活水足跡與經(jīng)濟、人口要素的Pearson相關(guān)分析

注：**為0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*為0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

圖4 漢江干流10市各項水足跡構(gòu)成多年平均百分比

漢江干流水足跡和人均水足跡地區(qū)差異顯著(見圖5)，與均值相比，水足跡較大的依次是襄陽、武漢、荊門和孝感市，較小的依次為潛江、天門、安康和十堰市；而人均水足跡較大的依次是荊門、仙桃、襄陽和潛江市，較小的依次為十堰、安康、漢中和武漢市，這是因為水足跡主要與經(jīng)濟發(fā)展水平和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有關(guān)，而除經(jīng)濟要素外，人口數(shù)量對人均水足跡的影響也較大。

圖5 漢江干流10市總水足跡與人均水足跡動態(tài)變化

水足跡經(jīng)濟效益和水資源壓力指數(shù)的空間分布較極端(見圖6)，具體表現(xiàn)為武漢市水足跡經(jīng)濟效益最高，達62.72 元/m3，其余各市均與平均值18.68 元/m3相差不大，介于9～22.72 元/m3，揭示漢江干流經(jīng)濟發(fā)展水平不均衡，經(jīng)濟水平較高的武漢市水資源利用效率最高，其余各市水資源利用率仍有較大提升空間；僅漢中、安康和十堰市的水資源壓力指數(shù)較小，且明顯小于1，其余各市均超過平均值2.282，說明漢江中上游的漢中、安康和十堰市水資源豐富，水足跡在可用水資源承載范圍內(nèi)，仍具有開發(fā)利用空間，而其余各市水資源壓力指數(shù)大于1，水資源利用處于超負(fù)荷狀態(tài)，水資源供需矛盾突出。

圖6 漢江干流10市水足跡經(jīng)濟效益與水資源壓力指數(shù)動態(tài)變化

2.3 水資源可持續(xù)利用的評價

2.3.1 灰靶評價過程

參照羅軍剛等[17]改進的熵權(quán)法計算21項評價指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果如表1所示。根據(jù)公式(7)～(12)得到目標(biāo)層的靶心度，壓力層、狀態(tài)層和響應(yīng)層等3個準(zhǔn)則層的靶心度也可依據(jù)上述過程計算得到。具體結(jié)果見表5。

表5 漢江干流10市水資源可持續(xù)利用評價結(jié)果

注：γ(A)為目標(biāo)層綜合評價靶心度；γ(P)、γ(S)、γ(R)分別為壓力層、狀態(tài)層和響應(yīng)層等3個準(zhǔn)則層的靶心度。

2.3.2 灰靶評價結(jié)果

因綜合指標(biāo)更能全面反映區(qū)域水資源利用可持續(xù)性的總體狀況，因而本文根據(jù)目標(biāo)層靶心度γ(A)的取值范圍，結(jié)合張俊鳳等[31]和熊鴻斌等[9]的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)等分取整原則進行評價等級標(biāo)準(zhǔn)劃分。依據(jù)表5中γ(A)的取值范圍將漢江干流水資源利用可持續(xù)利用水平分為4個等級，評價等級標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。

表6 漢江干流水資源可持續(xù)利用評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)表5和表6，利用Arcgis10.5空間分析軟件，評價漢江干流水資源目標(biāo)層與準(zhǔn)則層可持續(xù)利用水平的空間差異，見圖7。

2015年漢江干流水資源目標(biāo)層和各準(zhǔn)則層可持續(xù)利用水平均表現(xiàn)為上游優(yōu)于中、下游，準(zhǔn)則層靶心度等級由高到低依次為響應(yīng)層>狀態(tài)層>壓力層[圖7(a)和圖7(d)]。水資源可持續(xù)利用水平多集中在中、差水平，這與圖6漢江干流各市水資源利用壓力指數(shù)分析結(jié)果相一致，說明水資源可持續(xù)利用面臨巨大壓力和挑戰(zhàn)。漢江干流水資源可持續(xù)利用水平與水資源空間分布、人口和社會經(jīng)濟發(fā)展水平等因素密切相關(guān)。具體分析如下：

圖7 漢江干流水資源可持續(xù)利用綜合與分層評價等級

(1)水資源可持續(xù)利用水平與水資源總量密切相關(guān)。漢江干流各市水資源目標(biāo)層、P層、S層和R層靶心度與其水資源總量高度一致，相關(guān)系數(shù)依次為R2=0.937、0.845、0.950和0.757，平均為0.872，表現(xiàn)為地區(qū)水資源量越多，其水資源可持續(xù)利用水平越高。2015年漢中和安康的水資源量最大，分別為109.57和99.58 億m3；其次為十堰和武漢，分別為64.94和62.03 億m3；其余各市的水資源量均低于45億m3，其中潛江最低，為14.16億m3。

(2)人口增長、社會經(jīng)濟發(fā)展水平對水資源可持續(xù)利用帶來較大影響。漢中和安康市的人口增長率在漢江干流10市最低，分別為0.242%和0.232%，城市化水平和經(jīng)濟發(fā)展水平較低，而水資源豐富，所以兩市的水資源可持續(xù)利用水平均屬于優(yōu)或良等級。武漢市雖人口密度大、城市化水平高，但良好的經(jīng)濟基礎(chǔ)、較高的經(jīng)濟發(fā)展水平和水資源利用率，加之相對充足的水資源，故該市水資源利用壓力處于良好的態(tài)勢。其余7市人口自然增長率較高(如十堰市人口自然增長率高達1.39%)，人均水資源消耗量大，經(jīng)濟水平不高，相對較低的農(nóng)田灌溉利用系數(shù)，故這7市水資源各層可持續(xù)利用水平多集中在差等級。

(3)漢江干流10市響應(yīng)層的靶心度等級多處于中等級別及以上[圖7(d)]，說明各城市通過積極加大環(huán)保水利財政投入、提高廢污水處理率、大力植樹造林綠化環(huán)境等的行動，在涵養(yǎng)水源、改善水生態(tài)環(huán)境等方面取得較顯著成績。

由目標(biāo)層和準(zhǔn)則層的等級評定結(jié)果(圖7)可看出，漢江干流中、下游除武漢外，各城市水資源可持續(xù)利用均處于較差等級，水資源利用具有很大的提升空間，并依據(jù)評價指標(biāo)為各市后續(xù)水資源利用與保護工作提供了一定的改進方向(表7)。

3 結(jié) 語

本文融合水足跡計算結(jié)果和常規(guī)水資源評價指標(biāo)，構(gòu)建綜合評價指標(biāo)體系，選用熵權(quán)灰靶模型作為評價方法，評價了漢江干流水資源可持續(xù)利用水平。基于對漢江干流水足跡時空變化及水資源可持續(xù)利用現(xiàn)狀的分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)2008-2015年漢江干流總水足跡呈緩慢增長態(tài)勢，其構(gòu)成中農(nóng)畜生產(chǎn)用水占比居首，工業(yè)用水居次；因區(qū)域水資源內(nèi)部水足跡占比達99.35%，區(qū)域水資源供給能力強；人均水足跡和水足跡經(jīng)濟效益增加明顯，而水資源壓力指數(shù)呈波動上升再下降的趨勢。

表7 漢江干流水資源利用不可持續(xù)類型和改進方向

注：“·”為較差的水資源可持續(xù)利用層面，“√”為可選擇的改進方向。

(2)漢江干流各城市間人均水足跡和水足跡構(gòu)成的絕對值差異明顯，但各組成占比相似；水足跡經(jīng)濟效益和水資源壓力指數(shù)空間分布極端，前者僅武漢市較高，后者僅漢中、安康和十堰三市的小于1。

(3)2015年漢江干流各市綜合水資源可持續(xù)利用水平多集中在中、差等級，僅上游的漢中和安康市為優(yōu)等級；就單個層面而言，響應(yīng)層的可持續(xù)性最佳，壓力層的可持續(xù)性最差，說明在涵養(yǎng)水源、改善水生態(tài)環(huán)境等方面成效顯著，但人口增長、社會經(jīng)濟發(fā)展使水資源可持續(xù)利用面臨巨大壓力。