基于DPSIR模型的甘肅省2000-2018年水安全評價

張 洋, 李 鵬, 楊 志, 李占斌, 李才文

(1.西安國際港務區農業農村和水務局, 陜西 西安 710026; 2.西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室, 陜西 西安 710048; 3.旱區生態水文與災害防治國家林業局重點實驗室, 陜西 西安 710048;4.寧夏回族自治區水土保持監測總站, 寧夏 銀川 750002; 5.國家林業和草原局西北調查規劃設計院, 陜西 西安 710048)

水資源是人類社會發展不可或缺的戰略性資源，對于維護生活、生產、生態良好發展具有重要的意義[1]。近年來，由于用水量的激增以及不合理的開發利用導致水資源安全面臨嚴重的挑戰，同時伴隨著水環境污染以及水災害頻發，水安全問題變得更為嚴重[2]。水安全最早于20世紀70年代被提出，目標為使水資源管理朝著可持續方向發展，其重點是滿足社會和生態用水需求[3-4]。2019年習近平總書記提出黃河流域生態保護和高質量發展國家戰略，甘肅省是黃河流域重要的涵養區，必將扮演著舉足輕重的作用[5]。近20 a，甘肅省經濟在西部大開發中得到迅猛發展，與此同時，也面臨著水資源匱乏、生態環境破壞、各行各業爭水等一系列問題，導致水安全問題日趨突出[5]。因此，通過采用科學合理的水安全評價指標體系，明確水安全狀態的變化趨勢，確定現階段水安全狀況，找出影響水安全的制約因素，對于促進甘肅省在新的國家戰略中全面健康持續發展具有重要的現實意義。國內外學者[2-3,6]對于水安全的研究首先從其定義以及保護對策進行分析和探討。隨著學者對于水安全定義及其基礎理論研究的不斷深入，大量學者開始從水安全指標體系的構建對水安全進行定量評價，主要的評價角度包括水貧困指數法[7]、水壓力指數法[8]、PSR(壓力、狀態、響應)模型法[9-10]等。評價方法則包括層次分析法[11]、主成分分析法[8]、模糊綜合評價法[12-13]等。本研究從綜合評價指標體系的角度進行度量，采用最新的DPSIR模型，運用熵值法和單指標量化—多指標綜合—多準則綜合的方法對甘肅省水安全進行綜合評價，旨在為甘肅省在面對西部大開發新格局和“一帶一路”新機遇的政策下提供更多的理論依據。

1 構建基于DPSIR框架模型的甘肅省水安全評價指標體系

1.1 研究區概況

甘肅省位于中國西北部，屬于典型的溫帶大陸性氣候，降雨量自東往西由500 mm降至50 mm，相差極大，甘肅省水資源自產量為2.89×1010m3，人均水資源與全國相比約為全國人均的1/2，耕地平均水資源量僅為378 m3/hm2，與全國相比，約為全國平均水平的1/4。該省河川徑流年內分配不均，汛期(5—9月)水量集中，冬春季水量小，全省水資源開發利用程度在2018年達到31.6%。

1.2 指標體系的構建

本研究數據來源于《中國統計年鑒》《中國環境統計年鑒》以及《甘肅省水資源公報》。選取年份為2000,2005，2010，2015和2018年。

DPSIR模型最早由歐洲環境署(EEA)提出，在DSR(驅動力、狀態、響應)和PSR模型的基礎上納入新的指標進行擴展，同時具備兩者的特點[14]。DPSIR模型的優點在于能夠對社會環境與經濟之間的相關信息進行有效的捕捉，同時能夠較好的展現兩者的關系，從而對某一地區生態環境和資源變化進行客觀系統的評估。具體來說，DPSIR模型對應的邏輯結構如圖1所示。

圖1 DPSIR模型框架

本研究基于DPSIR模型，將甘肅省水安全評價體系分解為目標層、準則層、指標層3個層次，為了能夠準確描述甘肅省2000，2005，2010，2015和2018年水安全變化趨勢，選取了22個能夠反映甘肅省水安全問題的典型指標[15]。驅動力子系統主要指由社會因素和自然因素共同對區域水安全的作用；壓力子系統是由人類生活生產活動在驅動力的推動下對區域水安全的影響；狀態子系統是區域的生態、環境以及社會發展在驅動力和壓力作用下所處的環境；影響子系統是上述指標對社會發展以及生態環境的影響；響應子系統是對水安全狀態所采取的措施體現。指標的選取原則遵循科學性、系統性、靜動態結合以及可操作性的原則[16]。具體指標詳見表1。

表1 甘肅省水安全綜合評價指標體系

2 材料與方法

2.1 熵值法

熵值是不確定的一種度量。利用熵值攜帶的信息分別對指標層和準則層進行權重的計算，為DPSIR模型綜合評價水安全提供依據[17]。

具體計算步驟為：

(1) 數據的無量綱化。通過對原始數據進行無量綱化來消除數據的量綱及數量級不一致對結果的影響。

標準化公式為：

(1)

(2)

采用坐標平移來消除標準化后的數值可能出現的正負值，具體方法為：

(3)

式中：Mij是坐標平移后的值;L是坐標平移值，L取整數且取值范圍為[0,5]。

(2) 指標比重Rij根據公式(4)計算：

(4)

(3) 第i項指標的熵值ei計算公式為：

(5)

(4) 第i項指標的差異性系數gi：

gi=1-ei

(6)

(5) 第i項指標的權重ω2i：

(7)

(6) 準則層的權重ω2k計算公式為：

(8)

式中：Gk為各準則層指標的變異系數之和。

2.2 單指標量化-多指標綜合-多準則綜合

2.2.1 單指標量化 采用分段線性隸屬度量化各指標的子安全度，大小為0～1。采用a，b，c，d，e來分別表示各個指標的最差值、較差值、及格值、較優值和最優值[18]。水安全評價特征值標準劃分主要遵循了以下原則：部分指標參考標準通過結合國際共識與中國國情，參考多年全國平均水平及國家和省級發展規劃劃定以及部分學者的研究成果[8,11,19]，結果詳見表2。正向指標的子安全度隨指標值的增大而增大，反向指標則相反。相關計算公式為：

表2 甘肅省水安全評價指標標準

(9)

(10)

式中：xk，ISDk分別為第k個指標的指標值和子安全度。

2.2.2 多指標綜合 利用熵值法確定指標權重大小，7個分類子系統的安全度計算為：

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

式中：WD,WP,WS,WI,WR分別為各準則層的安全度;wk為第k個指標權重;n1，n2，n3，n4，n5分別為各個的分類數量。

2.2.3 多準則綜合 在此基礎上，水安全度利用下式計算：

WSD=β1WD+β2WP+β3WS+β4WI+β5WR

(16)

式中：WSD為區域水安全度；β1，β2，β3，β4，β5分別為各準則層的權重。

基于評價得到的水安全結果，等間距將區域水安全程度分為6個水平[20]，結果詳見表3。

表3 區域水安全度(WSD)值水平劃分標準

3 結果與分析

3.1 指標權重

通過熵權法對甘肅省2000，2005，2010，2015和2018年22項指標進行處理，得到各指標權重及準則層權重結果詳見表4。在22項指標層中，驅動力3個指標中人口自然增長率權重占比0.587 0，表明各年中人口對甘肅省水安全的驅動力影響較大；壓力5個指標中農業用水率權重占比0.228 0，表明農業用水率是導致水安全壓力增大的重要影響因素；狀態的6個指標中水質監測斷面達標率的權重占比達到0.280 5，表明水質是影響甘肅省水安全狀態的重要因素；影響4個指標中城市化率和第三產業增加比重的權重較大，說明驅動力和壓力的變化對狀態產生了強大的影響，而這種影響直接表現在城市化率和第三產業增加值比重上；響應4個指標中權重占比相差不大。準則層中響應權重值最低，僅為0.09，一定程度上說明甘肅省整體水安全欠佳。狀態準則層的權重最大，達到了0.4，說明驅動力和壓力的變化產生了很大的狀態。上述結果表明水資源量對水安全優劣的決定性作用具有一定的上限，狀態準則層的指標對甘肅省水安全評價有著重要意義，甘肅省水安全通過提高用水效率、綠化面積和控制人口數量來促進水安全的提升。同時，響應指標層的權重較低，則反映出在研究時段內，盡管甘肅省對于水安全的重視程度不斷增強，但是效果還是不夠理想。

表4 甘肅省各指標權重及準則層權重結果

3.2 水安全總體評價結果

依據DPSIR模型對甘肅省2000，2005，2010，2015和2018年22個指標進行收集整理，通過標準化處理，利用熵值法計算水安全各項指標的權重和單指標量化—多指標綜合—多準則綜合的方法計算甘肅省水安全。根據表3對甘肅省水安全得分情況進行劃分，結果詳見表5。由表5可以看出，甘肅省水安全得分總體上呈現上升趨勢，2000—2010年水安全得分圍繞0.26～0.29波動，全時段處于不安全狀態；2015年水安全得分為0.35，水安全狀態由不安全上升至較不安全；2018年水安全得分為0.45，雖有所上升，但水安全測度值狀態依然為較不安全。由甘肅省水安全測度值雷達圖(圖2)可知，甘肅省水安全測度值得分在2018年得到很大的提升，接近基本安全狀態。可見，對于水資源的保護、環境治理、提高水資源利用效率等整治措施對于水安全狀態的提升有一定的積極作用，但同時由于經濟的快速發展、人口的過度增長、城鎮化的推進等社會用水因素對水安全狀態的仍然會帶來一定的負面影響，總的來說甘肅省水安全狀態具有很大的提升空間。

表5 甘肅省水安全度值總體評價結果

圖2 甘肅省水安全測度值總體評價結果

3.3 水安全DPSIR指數評價分析

依據上述甘肅省水安全評價結果，針對5個準則層分別進行動態趨勢分析，結果詳見表6。可以依據分析結果找出影響甘肅水安全狀況的主要因素，從而找出問題及風險的癥結所在，為后續制定對策提供依據。

表6 甘肅省水安全DPSIR評價結果

甘肅省水安全準則層評價結果表明，驅動力子系統在2000，2005，2010，2015和2018年都處于較不安全狀態。在2015年達到最差，2018年上升為0.45。GDP增長率、人口自然增長率和單位面積水資源量是影響驅動力子系統的主要因素。根據統計的原始數據發現GDP增長率雖有所下降，但人口自然增長率處于變好趨勢，同時單位面積水資源量在增大。總的來說，驅動力狀態雖然在變好，但依然處于較不安全狀態，需要引起重視。從圖3可以看出，壓力子系統在2010年處于最低值，為嚴重不安全，2010年之后雖有轉好趨勢，但依然處于不安全狀態。通過原始資料發現農業用水率和人均生活用水量高居不下是影響壓力子系統處于不安全的重要因素，同時2010年較高的生態用水率(由2000年的0.165%上升至2010年的11.2%)也是導致壓力子系統變差的主要因素之一。由驅動力子系統和壓力子系統導致的狀態子系統自2000—2018年總體上緩慢上升，但2010年狀態較差，主要原因在于2010年較高的水資源利用率(達到56.6%)和恩格爾系數(達到37.1%)。2018年狀態子系統得分為0.49，但依然處在較不安全的邊緣，變好的主要原因是由于人均GDP、恩格爾系數、水質以及森林植被覆蓋率在逐漸變好。影響子系統指上述3個子系統作用下所產生的結果，即自然資源、生態環境與社會經濟發展對人們生產、生活所造成的影響。影響子系統雖有上升但一直處于較不安全的狀態，主要取決于經濟發展使得人們對于綠化和環境的重視程度越來越高，以及用水普及率的增高，使得影響子系統偏好。響應子系統總體在變好，由2000年的嚴重不安全到2018年為基本安全，取決于甘肅在水利環保方面的投資力度加大，使得響應子系統在5個準則層中處于較好狀態。綜上，甘肅省水安全5個準則層總體上呈上升趨勢，但后勁不足，除了影響子系統外都處于較不安全的狀態，尤其是驅動力和壓力子系統。如果不重視驅動力和和壓力子系統對水安全所帶來的影響，后續不僅會導致響應子系統變差，更會導致甘肅省水安全總體健康值降低。

圖3 甘肅省2000-2018年水安全準則層評價結果

4 結論與建議

本研究基于DPSIR模型，綜合考慮了人口、社會經濟、自然資源和生態環境，建立以驅動力、壓力、狀態、影響、響應5個準則層和22個指標為基礎的甘肅省水安全測度值健康評價系統。通過運用熵值法計算各個指標權重，結合單指標量化—多指標綜合—多準則綜合的方法分析甘肅省水安全健康值的動態變化。結果表明甘肅省水安全健康值由2000年的不安全上升至2018年的較不安全，總體上雖呈上升趨勢，但幅度依然較小，處于基本安全線以下，情況不容樂觀。導致水安全健康值整體水平較低的主要原因是驅動力較弱，導致壓力較大，從而響應水平有限；狀態和影響雖然也處于較不安全，但逐年穩步上升，是推動甘肅省水安全健康值向更高水平發展的重要動力。

為改善甘肅省水安全狀況，可以從水資源、水環境和社會經濟方面3個方面入手。水資源方面通過修建相關工程措施來改善和調節水資源時空分布不均衡狀況，在提高防洪和水資源利用能力的同時提高各業供水保障能力，同時加強社會各行業節水宣傳，形成節水優先的良好社會風尚和理念，建立精心用水和管水的激勵機制。水環境方面應提高綠化建設水平，提高污水處理率和污廢水回收利用率，降低水治理的各種成本。社會經濟方面應該合理控制主城區人口，有序引導人口向節點城市匯聚，調整產業結構，提高產業用水效率，增加對水利環保事業的投資力度，建立健全取水和用水規章制度，從而提升甘肅省水安全水平。