大保護背景下長江經濟帶和黃河流域水安全評價及障礙因素分析

田 澤，肖玲穎，任陽軍

(河海大學商學院，江蘇 南京 211100)

水安全是涉及國家長治久安的大事。隨著工業化、城鎮化的快速推進和全球氣候變化影響加劇，水生態系統也發生巨大的變化，水污染加劇、水環境惡化等問題逐漸暴露，我國面臨的水安全形勢將更趨嚴峻。長江經濟帶發展戰略是國家重大發展戰略，其范圍覆蓋江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川、云南、貴州和上海11省(市)，其作為當前我國水污染強度最突出的流域之一，如何繼續保持經濟發展活力，實現水體保護與經濟騰飛的雙重目標是亟待解決的關鍵科學問題[1]。

“大保護”國家戰略，蘊含著我國流域協同治理的全方位、全系統、全網覆蓋和可持續的深刻內涵，重點突出的即生態大保護，包括大氣保護和水資源保護等。2021年12月國家發展和改革委員會和水利部聯合印發《“十四五”水安全保障規劃》，要求全面提升水安全保障能力，統籌發展和安全。因此，從自然和社會雙重角度出發對長江經濟帶和黃河流域水安全進行綜合評價，分析區域水安全存在的主要問題，探尋推動區域水安全發展對策，對于實現兩大區域生態保護和高質量發展具有重要的理論意義和現實價值。

近年來，我國水安全問題受到學術界的廣泛關注。從研究內容上看，主要集中在水安全評價、水安全問題與保障研究、水生態文明建設等方面。例如：薛昱等[2]綜合考慮水資源、社會、經濟、生態等影響因素評價廣東省水安全狀況；張楚等[3]從宏觀層面探討了長江流域水安全基本問題,并對其進行了成因分析，發現其與工業化、城市化發展進程密切相關；蘇聰文等[4]從水安全、水生態、水環境、水節約、水監管和水文化6個維度綜合評價中國水生態文明發展水平。從研究視角上看，主要集中在區域水安全[5]、省域水安全[6]和城市水安全[7]的研究。從研究方法上看，目前，我國水資源安全的評價多以指標評估體系[8]的構建和綜合指數[9]的測算為主，模糊綜合評價法、層次分析法、熵權法、功效系數法和水貧窮指數等應用也較為廣泛。例如：劉秀麗等[10]基于改進的模糊綜合評價法對京津冀地區水環境安全進行了評價；高媛媛等[11]基于改進的層次分析法對泉州市各縣(區、市)2008年的水資源安全狀況進行評價與分析；梁緣毅等[12]結合層次分析法和熵權法對中國水資源安全風險進行評價；邵駿[13]等基于水貧乏指數對長江流域水資源安全進行綜合評價。此外，也有一些學者采用可拓云模型[2]、SPA-MC模型[14]對水安全進行評價。

綜上所述，學術界圍繞水安全的研究成果豐碩，但相關研究仍有待進一步補充和完善，尤其是現有研究多為某一區域或省市的研究分析，缺少各大區域之間的對比分析，對水安全空間差異問題關注尚不足。本文基于長江、黃河生態大保護戰略背景，利用DPSIR模型構建水安全評價指標體系，結合時空極差熵權法和突變理論對長江經濟帶和黃河流域水安全問題進行較為全面而系統的實證評價，運用Dagum基尼系數及其分解方法探究識別兩大區域水安全指數的空間差異及差異來源，進一步運用障礙診斷模型識別水安全的障礙因素，進而為兩大區域水資源可持續發展提供理論依據和參考。

1 指標選取與模型構建

1.1 指標選取

區域水安全內涵具有自然、社會經濟、生態環境、人文屬性，這決定了在對區域進行水安全評價時，不僅要考慮區域水資源現狀，還要綜合評價與之相關的多方面因素。因此，依據DPSIR模型，從水環境安全狀況出發，參考相關文獻[2,7,15-16]構建了能反映水環境安全狀況的驅動力子系統、壓力子系統、狀態子系統、影響子系統和響應子系統，選取了20個細分指標對兩大流域水安全進行評價(表1)。其中，“驅動力”是指造成水安全變化的潛在的原因，“壓力”是指人類活動對水安全的作用因子，“狀態”是指水安全在上述壓力下所處的狀況，“影響”是指水安全所處的狀態對居民生活、社會經濟等的影響，“響應”反映促進水安全進程中所采取的積極對策。

1.2 研究方法

1.2.1突變級數模型

突變級數法利用動態系統的拓撲理論來構造自然現象與社會活動中不連續變化現象的數學模型，以此描述連續性中斷的質變過程，是目前唯一研究由漸變引起突變系統理論[17]，目前在資源環境、績效考核等綜合評價方面已經得到了廣泛應用。初等突變理論有7個基本模型[18]，采用蝴蝶突變系統，由于每層指標數最好不超過4個，將DPSIR模型改進為CSIR模型，即將影響水安全的間接因素驅動力和直接因素壓力兩個模塊合并為原因，并根據評價指標個數采用蝴蝶突變系統，其勢函數和歸一化方程如下：

(1)

(2)

式中：x為突變系統中的一個狀態變量(指標)；f(x)為狀態變量x的勢函數;a、b、c、d為狀態變量的控制變量,其順序是依據變量的重要程度由大到小確定的。

表1 水安全評級指標體系

1.2.2時空極差熵權法

熵值法是一種客觀賦權相對精確的方法，但是傳統的熵權法無法充分反映指標在時間和空間雙重維度上的信息量。為了克服這種局限性，張友國，等[19]提出了時空極差熵權法，該方法能夠從時間和空間雙重維度上充分反映指標對評價對象的影響。因此，本文在構建突變級數模型時，采用時空極差熵權法對各指標進行賦權，以此確定控制變量的主次關系。模型包含n個指標，m個評價對象，t個時期，指標表示為Xi(i=1，2，…,n),Xi在t時期的取值為Xitf(f=1,2,…，m，f表示省份)。采用時空極差熵權法賦權具體計算步驟如下：

首先將Xitf標準化后為Yitf，正向指標和負向指標標準化公式分別為

(3)

(4)

式中Xmax,itf、Xmin,itf分別為Xitf的最大值和最小值。

各指標的信息熵Ei為

(5)

其中

如果Pitf=0，則定義Pitfln(Pitf)=0。

各指標的權重wi為

(6)

1.2.3基于突變級數法的障礙診斷模型

基于突變級數法的障礙診斷模型[20]以突變級數法和指標偏離度的思想為基礎，通過引入突變級數法計算各指標層指標偏離度的突變級數，從而確定各指標層和總體的障礙水平。其優點是量化計算時避免給出各指標的權重，克服了主觀賦權的局限性，并且依據突變級數歸一公式選擇不同的障礙指標作為障礙診斷依據，考慮了研究對象的動態性[17]。指標偏離度計算如下：

Eif=1-Iif

(7)

式中：Eif為第f省(區、市)第i項指標的偏離度；Iif為第f省(區、市)的第i個指標標準化得分。

利用歸一化公式進行障礙診斷。利用歸一化公式計算指標層指標偏離度的突變級數值，再將其標準化即為各子系統的障礙水平。

1.2.4Dagum基尼系數及其分解方法

采用Dagum基尼系數及其分解方法[21]考察長江經濟帶和黃河流域水安全指數的相對差異，參照子樣本分解分析法和長江、黃河干流分界點位置，將兩大區域按省級行政區單元分別劃分為上、中、下游3個地區，長江經濟帶上游地區包括重慶、四川、貴州和云南，中游地區包括江西、湖北和湖南，下游地區包括上海、江蘇、浙江和安徽；鑒于四川已納入長江經濟帶，參考已有研究[22]，黃河流域研究區包括8個省份，上游地區包括青海、甘肅、寧夏和內蒙古，中游地區包括山西和陜西，下游地區包括河南和山東。進一步將總體差異來源分解為區域內差異貢獻、區域間差異貢獻和超變密度貢獻，探究兩大區域水安全指數的差異來源。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

其中

式中：G為總體基尼系數，可分解為區域內差異貢獻Gw、區域間差異貢獻Gnb和超變密度貢獻Gt，且G=Gw+Gnb+Gt；j、h為某特定地區的編號；sj、sh為相應區域內的省份個數；yju、yhr分別為j區域內第u個省份和h區域內第r個省份的水安全指數；Gjj為區域j的基尼系數；Gjh為區域j和區域h之間的基尼系數；Djh為區域j和h之間水安全指數的相互影響系數。

1.3 數據來源

以長江經濟帶和黃河流域水安全為研究對象，基于數據的可獲得性，選取2009—2019年兩大區域共19個省(區、市)為研究單元。數據資料主要來自2010—2020年的《中國統計年鑒》《中國工業統計年鑒》《中國環境統計年鑒》以及各省(自治區、直轄市)統計年鑒。此外，針對個別省份存在指標數據缺失的情況，采用平均增長率法補齊。

2 實證分析

2.1 長江經濟帶和黃河流域水安全評價指數及等級

2.1.1水安全評價指數

根據突變理論，構建突變級數模型，計算驅動力子系統、壓力子系統、狀態子系統、影響子系統和響應子系統指數時，各子指標遵從互補準則；水安全綜合評價指數計算則遵從非互補原則。具體計算步驟可參考文獻[18]。長江經濟帶和黃河流域19個省(區、市)水安全綜合指數計算結果見表2。

表2 2009—2019年長江經濟帶和黃河流域水安全綜合指數

從區域整體來看，研究期內長江經濟帶和黃河流域水安全綜合指數均值分別為0.885 8和0.827 0，長江經濟帶水安全綜合指數高于黃河流域，其水安全狀況相對較好，但兩大區域水安全綜合指數均呈上升趨勢；從增長速度來看，黃河流域增長速度明顯快于長江經濟帶，具體來看，2009年黃河流域和長江經濟帶水安全綜合指數均值分別為0.799 0和0.873 8，2019年分別增長至0.836 0和0.887 6，年均增長率分別為0.45%和0.16%，可以看出，近年來兩大區域水安全狀態均有所提升。

從省域層面來看，浙江、四川和湖北水安全綜合指數均值排名前三，其水安全綜合指數均值分別0.926 4、0.909 7和0.902 9，說明這3個地區水安全狀況相對較好；甘肅、青海和寧夏水安全綜合指數排名靠后，其水安全綜合指數均值分別0.813 4、0.796 2和0.747 2，說明水安全狀況相對較差。相較于黃河流域，長江經濟帶內部排名靠前的省份數量較多，進一步說明了長江經濟帶水安全狀況整體優于黃河流域。從演變趨勢上來看，樣本考察期內湖北、安徽、江蘇、河南和山東水安全綜合指數均有不同程度的下降，但總體下降幅度較小，其余省份的水安全綜合指數均有不同程度的提升，其中，寧夏、青海和貴州增長最快，2009年水安全綜合指數均值分別為0.603 8、0.737 2和0.828 9，2019年分別上升至0.781 0、0.832 7和0.888 4，其年均增長率分別為2.61%、1.23%和0.7%。

從區域內部來看，就長江經濟帶而言，中游地區水安全綜合指數均值水平最高，為0.897 7，其次是上游地區，均值為0.888 6，下游地區水安全綜合指數均值最低，為0.874 2，表明長江經濟帶中游地區水安全狀況最好；從演變趨勢上來看，樣本考察期內長江經濟帶上、中、下游地區水安全綜合指數均呈上升趨勢，其中上游地區增長速度最快，其年均增長率為0.29%(圖1)。就黃河流域而言，中游地區水安全綜合指數均值水平最高，均值為0.865 3，其次是下游地區，均值為0.835 7，上游地區最低，均值為0.821 4，說明黃河流域中游地區水安全狀況優于下、上游地區；從演變趨勢來看，黃河上、中游地區水安全綜合指數均呈上升趨勢，但是下游地區呈現下降趨勢，其中，上游地區增長速度最快，年均增長率為1%(圖2)。

圖1 2009—2019年長江經濟帶水安全綜合指數變化趨勢

圖2 2009—2019年黃河流域水安全綜合指數變化趨勢

2.1.2水安全評價等級

由于突變級數計算結果會出現聚集現象，無法清晰直觀地評價各地區的水安全狀況，故采用分位數分級法進行水安全等級劃分，分別以40%、60%和80%分位的數值為分界點將水安全狀況劃分為安全、較安全、較不安全、不安全4個等級，劃分等級如下：H表示水安全綜合指數，若H∈[0，0.853 9)表示不安全；H∈[0.853 9，0.881 8)表示較不安全；H∈[0.881 8，0.899 2)表示較安全；H∈[0.899 2，1]表示安全。

從區域來看，長江經濟帶和黃河流域水安全綜合指數均值分別為0.885 8和0.827 0，其水安全狀況分別處于較安全和不安全狀態；從演變趨勢來看，2009年長江經濟帶和黃河流域水安全綜合指數分別為0.873 8和0.799 0，等級分別為較不安全和不安全，2019年長江經濟帶和黃河流域水安全綜合指數分別為0.887 6和0.836 0，等級分別為較安全和不安全，樣本考察期內長江經濟帶水安全狀況由較不安全轉為較安全，這表明長江經濟帶水安全情況得到有效改善。從省域層面來看，浙江、四川、湖北和湖南水安全等級為安全，安徽、江西、云南和陜西水安全等級為較安全，江蘇、重慶和貴州水安全等級為較不安全，其余8個省份水安全等級為不安全(表3)。

表3 水安全等級

2.2 水安全空間差異及其來源

本文運用MATLAB軟件，基于Dagum基尼系數及其分解方法，對長江經濟帶和黃河流域水安全綜合指數的總體差異、區域內差異、區域間差異及貢獻率進行測算，結果見表4和表5。

表4 水安全綜合指數基尼系數

表5 水安全指數空間差異來源貢獻 單位：%

2.2.1水安全綜合指數的差異分析

從總體基尼系數來看，長江經濟帶和黃河流域水安全綜合指數均值分別為0.016 7和0.026 8，這表明兩大流域交水安全綜合指數均存在空間非均衡性，但總體上黃河流域空間分布差異較大。從時間趨勢來看，研究期內長江經濟帶水安全綜合指數基尼系數呈現波動上升的趨勢，由2009年的0.016 7上升到2019年的0.018 4，說明長江經濟帶水安全綜合指數空間差異越來越顯著，而黃河流域水安全綜合指數基尼系數呈現波動下降的趨勢，由2009年的0.053 0下降到2019年的0.017 3，這說明這黃河流域水安全綜合指數由空間差異化逐漸向全域協同轉變。

從區域內基尼系數來看，在長江經濟帶中，下游地區水安全綜合指數區域內基尼系數均值最大，為0.022 8，中游地區次之，為0.010 6，上游地區最小，為0.004 9，說明長江經濟帶水安全綜合指數內部差異由下、中、上游地區依次遞減。在黃河流域中，下游地區區域內基尼系數均值為0.025 2，上游地區均值為0.013 5，中游地區均值最小為0.004 6，表明下游地區水安全綜合指數內部差異最大，而中游地區的空間協同性最強。從時間趨勢看，在長江經濟帶中，下游地區水安全綜合指數區域內基尼系數表現為波動下降態勢，其年均下降率為3.1%，而上游和中游地區的區域內基尼系數均出現波動上升的態勢，其年均增長率分別為4.8%和6%；而黃河流域僅上游地區表現出波動上升趨勢，其下游和中游地區表現出明顯下降趨勢，年均下降率分別為13.1%和4.5%。

從區域間基尼系數來看，在長江經濟帶中，中下游、上下游、上中游區域間基尼系數均值依次遞減，分別為0.021 3、0.021 2和0.010 5，說明中下游區域間差異最為顯著，而上中游區域間差異相對較小。而黃河流域的上下游區域間基尼系數均值最大，中下游次之，上中游最小，其區域間基尼系數均值分別為0.039 8、0.030 7和0.014 9，可以看出，黃河流域上下游區域間差異最為顯著。從時間趨勢看，長江經濟帶上游與中游區域間基尼系數呈下降趨勢，而上下游、中下游區域間差異呈現波動上升的變化趨勢，說明區域間差異有擴大傾向；與長江經濟帶相反，黃河流域上下游、中下游區域間差異有縮小傾向，其上中游區域間基尼系數反而呈波動上升的趨勢。

2.2.2水安全綜合指數的差異來源

從貢獻率大小看，長江經濟帶水安全綜合指數的超變密度貢獻率均值為36.4%，區域間貢獻率均值為34.93%，高于區域內貢獻率均值28.68%，這表明超變密度貢獻是長江經濟帶水安全綜合指數空間差異的主要來源，其次是區域間差異；黃河流域區域間貢獻率均值高達67.14%，區域內貢獻率均值次之，為26.80%，超變密度貢獻率均值最低，為6.06%，這表明區域間差異是黃河流域水安全綜合指數空間差異的主要來源。

2.3 水安全障礙因素分析

為進一步探究兩大區域水安全的障礙因素，采用基于突變級數法的障礙診斷模型測算各子系統的障礙水平，計算結果見表6。

表6 水安全障礙水平

從各子系統來看，在驅動力系統中，其障礙水平排名前五的地區為寧夏、江西、青海、安徽和山東，說明這5個地區受到產業結構高級化水平較低、人均GDP不高等因素制約，除安徽外，其他四省在技術創新能力方面還有很大的提升空間；在壓力系統中，其障礙水平排名前5的地區為湖南、江蘇、湖北、四川和安徽，說明這些地區受到用水壓力和廢水排放壓力較大；在狀態系統中，其障礙水平排名前五的地區為寧夏、上海、甘肅、山東和江蘇，說明這些地區受到人均水資源量、水資源開發利用率、年降水量和森林植被覆蓋率阻礙較大；在影響系統中，排名前5的地區是甘肅、云南、河南、內蒙古和湖南，說明這些地區的建成區綠化覆蓋率、城市用水普及率和GDP增長率較低，仍有待進一步提升；在響應系統中，排名前五的地區是青海、甘肅、寧夏、江西和四川，說明這些地區在水安全治理方面投資力度不大、污水處理方面能力不強。

從各地區來看，水安全綜合指數均值最高的浙江主要是受到壓力系統的阻礙，其居民用水量和廢水排放量壓力較大導致了水安全存在一定風險；排名第2的四川主要是受到壓力系統和響應系統的影響，因此四川應當著力加大水環境治理，提高廢水處理能力；水安全綜合指數均值最低的寧夏主要是受到驅動力系統和狀態系統的阻礙較大，因此寧夏應當著力推動傳統產業轉型升級和戰略性新興產業發展，提升科技創新支撐能力；排名倒數第二的青海主要受到驅動力系統和響應系統的阻礙，因此青海不僅要著力推動技術創新、推進產業升級，還要加大水土流失綜合治理力度，提升水資源綜合利用水平；值得注意的是，位于我國東部地區經濟較為發達的江蘇和上海水安全綜合指數均值相對較低，可以發現，上海主要受到狀態系統的阻礙較大，其人均水資源量和森林植被覆蓋率均較低，而水資源開發利用率卻相對較大；江蘇主要受到壓力系統和狀態系統的雙重阻礙，其用水量和廢水排放量相對較大，而人均水資源量和森林植被覆蓋率均相對較小。

3 結論與建議

3.1 結論

a.從水安全綜合指數看，就區域整體而言，兩大流域水安全綜合指數均呈上升趨勢，但長江經濟帶水安全狀況優于黃河流域。就流域內部而言，長江經濟帶中游地區水安全狀況最好，其次是上游地區，下游地區水安全狀況最差，上中下游地區水安全綜合指數均呈上升趨勢，水安全狀況均得到有效改善；而黃河流域中游地區水安全狀況最好，其次是下游地區，上游地區最差，其上、中游地區水安全狀況有所緩解，但是下游地區出現惡化趨勢，這可能與下游地區工業生產用水與居民生活用水壓力加劇相關。就省域層面來看，浙江、四川和湖北水安全狀況相對較好，甘肅、青海和寧夏水安全狀況相對較差。

b.從水安全等級來看，就區域層面而言，長江經濟帶水安全等級由“較不安全”轉向“較安全”，隨著社會經濟的發展，近些年環保意識的逐漸增強，環保投資力度加大，污水處理率提高，工業廢水排放管理加強，其水安全狀況逐漸轉好，而黃河流域水安全等級在考察期內均處于“不安全”狀態，其水安全狀況沒有明顯好轉，這與黃河流域人口增長、流域內河流水質惡化、工農業生產生活用水壓力增大等原因密切相關；就省域層面來看，浙江、四川、湖北和湖南水安全等級為安全，安徽、江西、云南和陜西水安全等級為較安全，江蘇、重慶和貴州水安全等級為較不安全，上海等其余8個省份水安全等級為不安全。

c.從空間差異來看，相較于黃河流域，整體上長江經濟帶水安全綜合指數地區分布更為協同，但長江經濟帶水安全綜合指數地區差異呈明顯擴大趨勢，而黃河流域呈明顯縮小趨勢；就地區差異來源及其貢獻而言，超變密度貢獻是長江經濟帶水安全綜合指數地區差異的主要來源，而區域間差異是黃河流域水安全綜合指數地區差異的主要來源。

d.兩大區域水安全問題各有短板，就長江經濟帶而言，其主要是受到壓力系統的阻礙，即隨著社會經濟的發展，城鎮化與工業化的持續推進，工業生產用水與居民生活用水壓力增大導致長江經濟帶水安全存在一定風險；就黃河流域而言，其主要是受到響應系統、狀態系統和影響系統的三重阻礙，即不僅水資源供需矛盾較大、水土流失嚴重、水資源環境承載能力弱、環境污染積重較深等問題較為突出，環境治理投資力度不足、技術創新能力相對較弱、用水低質低效等問題也尤為突出。

3.2 建議

a.長江經濟帶在中上游地區要深挖工業節水潛力，推進能源、化工、建材等高耗水產業節水增效，嚴控高耗水產業發展；在下游地區尤其是江浙滬一帶，建設區域再生水循環利用試點減緩用水壓力，以此推動全域水安全建設。

b.黃河流域上游地區重在保護河湖濕地水資源，中游地區要完善水土流失綜合治理，持續鞏固退耕還林還草、退牧還草成果，降低水土流失損失；下游地區要著力提升科技創新支撐能力，推廣新標準新技術新工藝，強化水資源剛性約束，推進全流域水資源節約集約利用；針對青海、甘肅和寧夏等水安全等級較低的地區，不僅要著力推動技術創新、促進產業轉型升級，進而提升水資源綜合利用水平，還要完善水土保持制度體制，加強水土流失防治，以此推進沿黃水安全建設。