葫蘆島市水資源短缺風險評價

(葫蘆島市南票區農業發展服務中心，遼寧 葫蘆島 125027)

結合文獻資料可將水資源短缺的內涵概括為：由于供水系統不完備、水生態環境惡化、水資源不合理開發以及人口規模擴大等因素影響，水資源系統在一定的時空條件下表現出的缺水現象。經濟社會的發展在一定程度上加大了各行業對水資源的消耗，加之水環境污染嚴重和水資源空間分布不均，使得水資源短缺問題已成為全世界面臨的重要難題[1]。

葫蘆島市是我國東北沿海地區旅游、工業、港口、貿易及經濟發展的重要城市，當前面臨著工程性、資源性與水質性缺水問題。調查顯示：該區域人均水資源量為728m3且遠遠低于國家公認水平，年均水源量約19.56億m3，屬于重度缺水區。由于城市水資源短缺，供水不足成為限制城市發展的關鍵因素，且隨著經濟的發展、人口的增長及城鎮化的推進，生產生活及各行業用水量急劇增大。流域下墊面條件的改變和上游地區用水量的增加，使得葫蘆島市產流量與入境水量不斷減少，水源短缺風險為葫蘆島市面臨的重要問題之一[2-6]。所以，構建系統、全面的評價體系，確定關鍵性影響因子的變化特征，綜合評價區域水資源供需關系是實施最嚴格水資源管理的重要條件，并可為促進區域協調可持續發展提供重要保障。

對于評價體系構建方法的研究國外還鮮有報道，且相關研究用于描述水系統特征的指標數相對較少。目前，Hashimoto等[7]提出的易損性、恢復性與可靠性指標為描述水系統風險的代表性指標，隨后風險率、穩定性等指標逐漸得到應用。我國于20世紀90年代末開始對各類水資源的評價研究，對全國水資源開采狀況水電規劃研究院進行了綜合的評價分析。隨后，賈紹鳳等[8]從水資源生態、經濟、社會、總體安全4個層面選擇22項因子，建立了水安全綜合評價體系；韓宇平等[9]基于層次框架體系從5個方面選擇22個與水安全相關的典型指標，在此基礎上評價優選了水資源持續利用方案；李九一等[10]選擇用水效率、水資源利用率、保障可靠性及供給保證率4項指標，綜合評價了京津唐地區的水資源短缺風險；張士峰等[11]結合水系統風險過程、系統屬性特征，從損害程度、承險因子、致險因子的角度選擇20項典型指標并構建評價體系，綜合評價了北京市水系統風險；高媛媛等[12]從經濟、社會、生態、自然4個子系統選擇9項參數，綜合分析了泉州市水系統安全水平。

截至目前，對于指標體系的研究國內學者還未形成普遍適用、系統完善的評價方法，雖然這些分類指標、綜合指標基本涉及了生態環境、經濟社會與自然系統的多個方面，但未考慮各指標間相互作用的復雜關系，且選擇的指標往往存在隨意性。同時，對于指標權重通常采用AHP法計算，該方法具有層次清晰、計算簡單等優點，但人為主觀因素可能對評價結果造成偏差。

因此，本文考慮采用PSR框架結構建立評價體系，對各因子權重考慮采用主成分法確定，綜合評價葫蘆島市1991—2016年的水資源短缺風險，結合各指標權重計算結果確定影響區域水資源短缺的關鍵因素。

1 構建PSR模型

1.1 建立評價指標體系

由OECD經濟合作組織提出的PSR壓力-狀態-響應框架體系，最早用于研究世界環境狀況，其基本理念是將政策制度、管理措施響應的自然環境和社會經濟，資源數量與環境質量狀態，自然環境受人類活動影響的壓力等方面作為一個整體系統研究，揭示協調穩定因素對人地系統的影響規律及其作用結果。在資源可持續利用、生態安全評價等方面，PSR模型得到了廣泛的應用。

針對水資源短缺風險的內涵PSR框架模型具有較強適用性和可行性，生態、生產和生活各方面用水由于自然環境、經濟發展及人口增長的變化逐漸產生壓力，在水資源系統中用水短缺風險主要體現在水質惡化和水量短缺兩個方面。水資源管理者需要采取管理手段、工程技術措施等辦法緩解水資源危機，從提高污水處理能力和用水效率兩方面入手，降低用水短缺風險程度。因此，水資源短缺各因素間的相互關系和影響作用可基于RPS框架模型評價體系反映，從而科學地提出有效的對策建議。

本文遵循簡便性、科學性、代表性與系統性原則，充分考慮葫蘆島市水資源現狀，依據PSR壓力-狀態-響應框架體系選取與水資源系統密切相關的14個典型指標。不同的指標屬性對抑制或促進水資源短缺風險的作用不同，結合各指標的具體內涵將其分為正向、負向兩大類。水資源短缺風險隨正向指標值的增大而增大，隨負向指標值的增大而減少，評價體系及各指標具體內涵見表1。

表1 水資源短缺風險評價體系及其內涵

1.2 數據的標準化處理

由于各評價指標的量綱不同無法直接用于水資源短缺風險的計算，本文對各指標的歸一化處理考慮采用標準差法進行，其表達式如下：

(1)

對評價體系中的正向、負向指標分別采用式(1)處理，由此可消除不同指標在水資源短缺風險評價時的不可通透性。

1.3 主成分法賦權

主成分法是一種利用少數綜合參數替代多個變量的計算法，這幾個綜合參數不僅能夠考慮各指標之間的系統性、獨立性關系，而且可有效避免由于決策者主觀判斷造成重要指標有效信息的丟失，對于多屬性、多因素復雜問題的評價計算具有較強的適用性。該方法是運用降低維度的原理，采用少數幾個具有線性組合關系且相互獨立的主成分指標代表實測的多個參數，從而具有能夠反映多個實測因素的典型特征。

本文以葫蘆島市1991—2016年序列為樣本，選擇水資源短缺風險變量為標準化處理后的各指標值，從而構建相關系數矩陣，然后利用SPSS16.0軟件處理相關數據并確定特征根和響應方差貢獻率，提取主成分因子及其回歸系數。通過線性組合方式確定的主成分，基本能夠覆蓋大多數初始信息，因此可對各樣本的因子權重利用回歸系數確定，其計算方法為

(2)

式中：W′j為未標準化處理時指標j的權重；αq j、gq分別代表主成分q對于指標j中的主成分系數和主成分q對總體方差的貢獻率；m為確定的主成分個數。

當若干主成分的累計貢獻率在85%以上時即可反映初始變量的信息，提取該主成分所對應的個數，然后對各因子權重利用歸一化公式處理得到標準權重Wj。

1.4 綜合風險值計算

采用下述計算公式確定區域水資源短缺風險在各年份的初始綜合得分，即

(3)

式中：Ai為年份i的區域水資源短缺風險初始綜合得分；n為參評指標數。

本文以百分制將初始得分作進一步計算處理，從而更好地描述水資源短缺風險在不同時間的差異狀況，計算式為

(4)

式中：Fi為第i個年份的水源短缺綜合風險值；Amin、Amax分別為水源短缺初始綜合得分最小、最大值。

2 葫蘆島市水資源短缺風險評價

2.1 主成分的選擇

選擇待評價樣本為葫蘆島市1991—2016年的統計數據，相關數據的處理利用SPSS軟件完成。對Bartletts球形檢驗和KMO檢驗采用PASW Sataistics18.0軟件計算，若滿足球形檢驗P值<0.5且KMO檢驗系數大于0.7，則認為水資源短缺風險各因子滿足主成分分析條件。本研究KMO計算值為0.751，P值檢驗Sig<0.5，可見在主成分分析時該因子值具有一定適用性與科學性。對葫蘆島市水資源短缺風險的14項評價因子利用PASW軟件提取主成分，從而得到各評價樣本的標準化矩陣及其特征值、方差貢獻率，具體值見表2。

2.2 權重計算

主成分的確定基于特征值大于1的原則選擇前3個特征根，方差累計貢獻率為86.555%，可見這3個主成分能夠較全面地反映區域水資源短缺風險的有效信息。考慮到主成分所包含的信息還無法通過因子提取結果直觀地反映，可利用各主成分之間的相關系數及其所對應的變量構成荷載矩陣，通過計算提取相應的回歸系數，然后用相關公式確定各因子權重，計算結果見表3。

表2 特征值及累計方差貢獻率計算值

表3 荷載矩陣和各因子回歸系數矩陣

由表3可知，第三產業比重、污水處理能力、污水管網長度、地下水質達標率、城市綠化覆蓋率和居民生活用水等因子關于第一主成分的絕對值負荷數較大；水資源利用率、地下水位下降深度等因子關于第二主成分的絕對值負荷數較大；萬元GDP用水下降率關于第三主成分的負荷數較大。第一、二、三主成分負荷數分別反映了水資源用水集約狀況、利用程度及其經濟產出水平。

2.3 綜合風險計算

根據回歸系數和主成分方差貢獻率計算結果，確定研究期間的水資源短缺風險初始綜合得分，然后進行百分制處理得到最終的綜合風險值。水資源短缺風險程度隨綜合風險值的增大而提高，其計算結果見表4。

表4 1991—2016年葫蘆島市水資源短缺風險評價

2.4 結果分析

在屬性為正向指標中水資源利用率的權重最大，為0.112，可見對水資源短缺風險該指標的貢獻程度最高。總體而言，葫蘆島市水資源系統已經得到了充分的開發利用。1991—2016年葫蘆島市年均水資源總量17.88億m3，總供水量約26.75億m3，用水率達149.6%。1992年水資源利用率最低，為82%，該年份降水量為778mm，屬于豐水年，水資源量和供水量相對較大；而2004年的水資源利用率最高，為286%，該年份降水量僅有405mm，屬于極端枯水年，水資源量和總供水量相對較少。值得一提的是，水資源總量一般不包括再生水利用和過境水資源量，而僅僅是對本地水源的統計值。因此，缺水地區的水資源總量通常低于當地的總供水量。然而，近年來葫蘆島市水資源利用率始終處于較高水平，有必要加強對水資源的管理。根據用水高度緊張地區其水資源利用率大于40%的分類標準，葫蘆島市基本達到了高度緊張的用水狀態，存在較高的水源短缺風險。

根據表4計算結果，2004年的水資源短缺綜合風險值最高，該年份的降水量較低，水資源人均占有量僅為286m3，地下水位相對于上一年下降了2.26m，達到歷史低值。之后，在2013年綜合風險值有所降低但仍處于較高水平。結合葫蘆島市水資源綜合規劃，2025年該區域用水量需求達38億m3，就現狀供水條件而言仍存在較大的缺水量。目前雖然積極開展了一系列的節水項目，建設了引調水工程，但長遠來看，隨著葫蘆島市經濟發展和人口的持續增加，水資源需求的持續增加和有效的水資源供給仍然是葫蘆島市面臨的嚴峻問題。

3 結 論

本文基于PSR框架結構和主成分分析法計算各指標權重，評價了葫蘆島市1991—2016年的水源短缺風險，并結合區域水資源狀況和權重計算結果識別了關鍵性影響因素。研究表明，葫蘆島市水資源短缺綜合風險值較高，2004—2013年間水資源短缺風險最高，隨后水資源短缺得到緩和；水資源短缺風險主要受污水處理能力和水資源利用率的影響，高度緊張的用水狀態是驅動水源短缺的主要動力，引調水工程建設、節水技術的推廣以及污水處理能力的提升可在一定程度上消減短缺風險程度。然而，長遠來看葫蘆島市仍面臨著嚴峻的水資源供給壓力。