三生空間角度的甘肅長江流域水生態(tài)安全評價及障礙診斷

牛最榮 賈玲

摘要：探討水生態(tài)安全驅動機制，為水資源管理、配置等工作提供科學依據。以甘肅省長江流域為研究區(qū)域，從生態(tài)、生活、生產3個空間角度構建基于壓力-狀態(tài)-響應模型（簡稱PSR）的水生態(tài)安全評價指標體系，根據研究區(qū)2011-2020年水資源等資料，運用熵值法、綜合指數法評價水生態(tài)安全狀況等級，并用障礙度模型識別影響水生態(tài)安全的主要障礙因子。結果表明：甘肅省長江流域水生態(tài)安全指數呈基本安全-較不安全-基本安全變化，2020年為較安全狀態(tài)；2011-2020年，生態(tài)、生產空間是水生態(tài)安全狀態(tài)的主要限制空間，壓力和響應系統(tǒng)是水生態(tài)安全狀態(tài)影響的主要限制系統(tǒng)；影響水生態(tài)安全狀況的最大障礙因子隨著年份變化不斷發(fā)生變化，近2年來的主要驅動因素為生產空間和壓力系統(tǒng)。近10年研究區(qū)水生態(tài)安全形勢較好。研究結果可為長江上游相似流域水生態(tài)保護、區(qū)域高質量發(fā)展提供科學依據。

關鍵詞：三生空間；PSR模型；水生態(tài)安全；障礙因素；甘肅省長江流域

中圖分類號：X826 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ?文章編號：1674-3075（2023）02-0019-07

水生態(tài)安全作為評價水資源合理利用的重要內容之一，是決定區(qū)域經濟高質量發(fā)展的核心因素，也是實現人水和諧的關鍵措施（彭建等，2016）。水生態(tài)安全評價結果可為保護水資源、維持生態(tài)平衡提供重要依據（Yao et al，2020）。因此，在日益嚴峻的水資源短缺、洪澇災害頻發(fā)、生態(tài)環(huán)境惡化背景下（鄧銘江等，2020），水生態(tài)安全問題已成為學術界關注的熱點內容。近年來，隨著人類活動頻繁，長江流域面臨著水生態(tài)透支、水環(huán)境污染、水資源失衡等嚴峻的水生態(tài)安全問題（Song et al，2019；Gao et al，2020；李德旺等，2021），開展流域水生態(tài)安全評價工作迫在眉睫。而甘肅省作為國家西部重要生態(tài)屏障，構建良好的水生態(tài)安全體系對其區(qū)域全方位建設與長遠發(fā)展至關重要（Li et al，2019）。

如何構建一套科學全面的評價指標體系是水生態(tài)安全評價的關鍵環(huán)節(jié)（鄧捷銘和賈紹鳳，2022）。以往研究主要通過依據自然-社會-經濟復合系統(tǒng)（戴文淵等，2022）或者構建模型（萬生新和王悅泰，2019；左其亭等，2022）選取指標，但由于水生態(tài)安全研究屬于多學科交叉領域，具有指標體系構建復雜、評價過程模糊等特點（戴文淵等，2021）。盡管現有的指標篩選方式彌補了以往研究中“就水言水” 的缺陷，但總體而言，指標選取的視角仍舊單一。水資源作為人類賴以生存的重要基礎（Zhang & Vesselinov，2017；牛最榮等，2021），其所處的生態(tài)、生活、生產空間（簡稱“三生空間”）的平衡及協(xié)調性直接決定了水生態(tài)安全狀況的優(yōu)劣程度（劉鵬等，2017）。因此，以三生空間為研究空間尺度，構建水生態(tài)安全評價指標體系，可以較好地反映水生態(tài)安全在生態(tài)、生活、生產等用途上的發(fā)展規(guī)律（李若飏等，2022），同時水生態(tài)安全指數也能解釋不同用水方式間的主要矛盾，為水資源均衡利用提供參考。

識別水生態(tài)安全狀況變化的影響因素，探討水生態(tài)安全驅動機制，是水生態(tài)安全評價的最終目的。本文以甘肅境內長江流域為研究區(qū)域，構建基于“三生空間”視角與PSR模型結合的水生態(tài)安全評價指標體系，采用障礙度模型分析水生態(tài)安全的影響因素，以阻力最大的指標做為水生態(tài)安全變化的主要驅動因素。通過全面分析水生態(tài)安全影響因子，探討近 10年甘肅省長江流域水生態(tài)安全驅動機制，以期為甘肅省水資源管理、配置等工作提供科學依據，同時也為長江流域水生態(tài)保護相關工作提供參考建議。

1 ? 材料與方法

1.1 ? 研究區(qū)概況

甘肅省長江流域位于甘肅省南部， 102°34'～106°37'E，32°06'～34°32'N（圖1），涉及隴南市、天水市和甘南藏族自治州，流域面積約3.85萬km2。流域水資源較甘肅省其他區(qū)域豐富，據《甘肅省水資源公報（2020）》統(tǒng)計，2020年甘肅省長江流域平均降水量為 841.6 mm，水資源總量 184.68 億m3，其中自產地表水資源量 183.80 億m3，地下水資源量 47.07 億m3。

1.2 ? 數據來源

水生態(tài)安全評價指標的原始數據主要來源于2011-2020年《甘肅省統(tǒng)計年鑒》《甘肅省水資源公報》《甘肅省水土保持公報》《長江流域及西南諸河水資源公報》等。

1.3 ? 研究方法

1.3.1 ? 指標體系構建及歸一化處理 ? 遵循指標構建的基本原則，在已有研究的基礎上（張洋等，2021；鄭樂樂等，2022），結合甘肅省長江流域水資源的實際使用情況，運用PSR（壓力-狀態(tài)-響應）模型從生態(tài)、生活、生產不同的空間視角選取了24個指標，具體指標見表1。

為了便于后續(xù)計算，采用極差標準化方法對選取指標進行量綱統(tǒng)一化：

正向指標：

R[']ij [=Rij-minRijmaxRij-minRij] ①

負向指標：

R[']ij [=maxRij-RijmaxRij-minRij] ②

式中：[Rij]是原始指標數據，R[']ij是標準化后的數據，其中[i=1，2，……n]，[j=1，2，……m。]

1.3.2 ? 指標權重確定方法 ? 采用熵值法計算指標權重，通過各指標所占權重的大小來反映指標的重要性（Tang et al，2020；謝華晶等，2021）。具體公式如下：

[Ej=-kj=1mFij×ln Fij] ③

[Fij=R'iji=0nR'ijFij=0，lnFij=0] ④

[ωj=1-Ejm-j=1mEj] ⑤

式中：[Ej]為信息熵：[k=1lnn];[ωj]為各指標層所占權重;Fij為指標比重。

1.3.3 ? 生態(tài)安全指數計算及評價等級劃分 ? 生態(tài)安全指數是指各指標標準化后的值與其權重的乘積之和（Li et al，2021；李若飏等，2022），具體公式如下：

[EI=j=1mR'ij×ωj] ⑥

生態(tài)安全指數可以反映水生態(tài)安全狀況，水生態(tài)安全等級劃分標準參照相關學者研究成果（左偉等，2002；崔文彥等，2020；蔣忙舟等，2022），甘肅省長江流域水生態(tài)安全狀況等級劃分見表2。

1.3.4 ? 障礙度模型 ? 為進一步探討影響水生態(tài)安全的主要障礙因子（Ou et al，2017；Zhu et al，2021），通過因子貢獻度、指標偏差度計算障礙度值，具體公式如下：

[Iij=1-R'ij] ⑦

[Fj=ωj] ⑧

[Hij=Fj×Iiji=1n（Fj×Iij）] ⑨

[Hj=i=1nHij] ⑩

式中：[Hij]、[Hj]分別表示各指標層、準則層對水生態(tài)安全影響的障礙度值。

2 ? 結果與分析

2.1 ? 評價指標權重確定

圖2為熵值法計算的指標權重雷達圖，由圖2（a）可知，農田有效灌溉面積占耕地面積的比重（S31）、地表水源供水量（P12）、生活污水處理率（R22）、工業(yè)用水率（P31）、地下水開發(fā)程度（R12）所占權重分別為7.40%、6.07%、5.87%、5.85%、5.71%，累積權重為30.90%，是甘肅省長江流域水生態(tài)安全的主要影響指標；人均日生活用水量（P21）、生態(tài)環(huán)境耗水量（S13）、居民生活耗水率（R21）、工業(yè)廢水年排放量（P33）、城鎮(zhèn)生態(tài)用水量（R11）的累積指標權重僅達11.35%，是流域水生態(tài)安全的次要影響因子。

由圖2（b）可知，從三生空間視角來看，生態(tài)空間所占權重為36.37%，對流域水生態(tài)安全的影響程度最大；生產空間次之，權重為36.12%；最后是生活空間。從PSR系統(tǒng)視角來看，壓力、狀態(tài)、響應系統(tǒng)所占權重分別為35.45%、31.20%、33.36%，即壓力和響應系統(tǒng)是流域水生態(tài)安全的主要驅動系統(tǒng)。

2.2 ? 水生態(tài)安全綜合指數變化趨勢分析及結果評價

根據2011-2020年甘肅省長江流域水生態(tài)安全綜合指數的變化趨勢（圖3）可知，近10 a，甘肅省長江流域水生態(tài)安全狀態(tài)呈基本安全-較不安全-基本安全波動變化，其中2020年綜合指數最高，為0.6123，水生態(tài)安全狀況較安全，這與生態(tài)空間綜合指數上升有關；2014年綜合指數最低，為0.3341，水生態(tài)安全狀況較不安全，主要是由于生活空間相關指標綜合指數較低造成。

采用障礙度模型進一步分析甘肅省長江流域水生態(tài)安全變化的驅動因子，如圖4可知，農田有效灌溉面積占耕地面積的比重（S31）、人均日生活用水量（P21）、節(jié)水灌溉率（R33）對水生態(tài)安全的影響逐年加強，農業(yè)用水比例（P32）、人均GDP（R31）、單位GDP用水量（S32）對水生態(tài)安全的影響正在逐年減弱，表明貫徹節(jié)水理念、大力推廣節(jié)水灌溉新技術是維護甘肅省長江流域水生態(tài)安全的重要工作方向。近10 a，隨著甘肅省長江流域水生態(tài)安全指標大小的變化，最大障礙因子也隨之發(fā)生變化，如：2011年最大障礙因子是人均GDP（R31）、2020年最大障礙因子為農田有效灌溉面積占耕地面積的比重（S31）。

2.3 ? 三生空間下水生態(tài)安全指數及障礙因子分析

圖5為三生空間下綜合指數所占比重及其變化趨勢。生態(tài)空間自2015年之后綜合指數呈上升趨勢，說明隨著綠色發(fā)展理念的提出，水生態(tài)相關活動明顯增多，相應所需的水資源量不斷增加，對水生態(tài)安全的影響程度明顯上升。生活空間綜合指數在2014年出現最低值，生產空間綜合指數呈“W”型變化，分別在2013年、2018年出現最低值。

對三生空間系統(tǒng)下水生態(tài)安全進行障礙因子分析（圖6），2011、2012、2015和2016年，生態(tài)空間是水生態(tài)安全的主要障礙因子，2014年生態(tài)和生產空間障礙度值持平，剩余年份生產空間障礙度值最大，是水生態(tài)安全的主要限制因素。自2017年以來，甘肅省長江流域水生態(tài)安全的主要障礙因素為生產空間，表明隨著社會經濟的快速發(fā)展，在今后的水資源開發(fā)利用中，仍需開展水資源優(yōu)化配置研究，合理分配農業(yè)、工業(yè)等生產用水，大力提倡節(jié)水措施。

2.4 ? PSR系統(tǒng)下水生態(tài)安全指數變化及障礙因子分析

從壓力-狀態(tài)-響應系統(tǒng)分析，由圖7可知，三大系統(tǒng)綜合指數整體呈下降-上升的波動變化趨勢，壓力系統(tǒng)綜合指數2011-2014年呈下降趨勢，2014-2020年呈波動上升變化，主要是因為工業(yè)用水率（P31）、地表水源供水量（P12）的逐年增加；狀態(tài)系統(tǒng)綜合指數2011-2015年呈下降趨勢，2015年之后呈上升趨勢，主要與人均水資源占有量（S22）、地下水資源量（S11）、地表水資源量（S12）的變化趨勢有關；響應系統(tǒng)綜合指數2次低值， 2013年出現最低值主要是因為節(jié)水灌溉率（R33）下降、缺水程度增加。2018年出現低值主要是因為地下水開發(fā)程度（R12）降低。由圖7（b）可知，2016年之前，壓力系統(tǒng)占水生態(tài)安全綜合指數比重最大，之后與狀態(tài)、響應系統(tǒng)所占比重差距不斷縮小，整體來看，三大系統(tǒng)綜合指數占比逐漸趨向均等化。

根據PSR系統(tǒng)分析水生態(tài)安全障礙因子（圖8），2011、2012、2013、2014和2018年響應系統(tǒng)的障礙度最大，其中，人均GDP（R31）、地下水開發(fā)利用程度（R12）和生活污水處理率（R22）是水生態(tài)安全的主要障礙因子；2015年和2016年狀態(tài)系統(tǒng)障礙度值最大，地表水資源量（S12）為這兩年水生態(tài)安全主要的影響因素，2017、2019和2020年是壓力系統(tǒng)，工業(yè)用水率（P31）和人口密度（P22）是水生態(tài)安全的主要障礙因子。

3 ? 討論

3.1 ? 指標體系的合理性

甘肅省長江流域自2014年以后水生態(tài)安全水平也呈逐年上升趨勢，這一結果與其他河流（左其亭等，2021；戴文淵等，2022）的情況較為符合。

合理選取與量化評價指標是構建科學評價體系的重要前提。本文考慮到生態(tài)、生活和生產空間的功能性和適宜性，以及水對于不同空間的重要性，評價體系中包括工農業(yè)生產指標、人居環(huán)境保障指標和生態(tài)調節(jié)供給指標。但是，研究區(qū)域生態(tài)脆弱、地質災害多發(fā)，土地資源受復雜多樣的生態(tài)、生活和生產空間的制約，加之經濟發(fā)展規(guī)劃、生態(tài)政策約束，選取指標類型在一定程度上還有考慮不足之處，因此，今后仍需進一步深入開展指標選取視角等方面的研究。

3.2 ? 水生態(tài)安全的主要障礙因素

水生態(tài)安全各指標障礙度的大小代表其對水生態(tài)安全狀態(tài)的影響阻力大小（任瀟瀟和牛成英，2021）。本研究發(fā)現，研究區(qū)2011年最大障礙因子是人均GDP（R31）、2020年最大障礙因子為農田有效灌溉面積占耕地面積的比重（S31）。主要原因是受地形限制，研究區(qū)域耕地資源有限，且滑坡、泥石流、洪水等自然災害頻發(fā)，農田和灌溉工程均易受到損毀。

從三生空間角度分析，研究區(qū)域自2015年以來，生態(tài)空間下水生態(tài)安全綜合指數呈上升趨勢，2017年后研究區(qū)域水生態(tài)安全的主要障礙因素轉變?yōu)樯a空間。這是由于主要河流實施最嚴格的水資源管理制度，全面推行河湖長制，強化水污染治理、實施水生態(tài)修復等措施，有力保障了流域生態(tài)安全，水生態(tài)持續(xù)向好。從壓力-狀態(tài)-響應系統(tǒng)分析，2011-2014年響應系統(tǒng)的障礙度值最大，這是因為早先生態(tài)保護重視程度不夠等造成。隨著水資源保護力度的加大，水生態(tài)環(huán)境保持良性發(fā)展，水生態(tài)安全障礙因素也隨之發(fā)生變化。近年來，壓力系統(tǒng)成為水生態(tài)安全變化的主要限制系統(tǒng)，工業(yè)用水率（P31）和人口密度（P22）是水生態(tài)安全的主要障礙因子，說明隨著生產生活用水量增加，環(huán)境生態(tài)用水量相對減少。因此，實施節(jié)約用水、提高水重復利用率，降低工業(yè)萬元增加值用水量，是當前緩解水生態(tài)安全用水壓力的主要途徑。

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（責任編輯 ? 鄭金秀）

Water Ecological Security Evaluation and Diagnosis of Obstacles

in the Yangtze River Basin of Gansu Province from

the Perspective of Ecology-Life-Production Space

NIU Zui‐rong， JIA Ling

（College of Water Resources and Hydropower Engineering， Gansu Agricultural University，

Lanzhou ? 730070， P.R. China）

Abstract：Taking the Yangtze River basin in Gansu Province as the study area， we evaluated the status of water ecological security in the area and explored the driving factors affecting water ecological security from 2011 to 2020. The aim of the study was to provide scientific evidence for water resource management and allocation in Gansu Province. Based on water resource data for the study area （2011-2020）， we developed a water ecological security evaluation system based on the pressure-state-response （PSR） model， including 24 indicators of ecology-life-production. The entropy method and comprehensive index method were then used to evaluate water ecological security， and the obstacle degree model to identify the primary obstacles affecting water ecological security. During the period from 2011 to 2020， the water ecological security status of the Yangtze River basin in Gansu Province changed from basic security， to less secure， and back to basic security. The highest comprehensive index value was 0.6123 in 2020 and the lowest value was 0.3341 in 2014. From the ?perspective of ecology-life-production， ecology， and production were more influential on the state of water ecological security from 2011 to 2020， with weight proportions of ?36.37%， ?36.12% and 27.51% for ecology， production， and life， respectively. From the ?perspective of pressure-state-response， the pressure and response systems were the primary drivers of water ecological security， with weight proportions of ?35.45%， 31.20% and ?33.36% for pressure， state， and response， respectively. The obstacle factors affecting the water ecological security changed by year， and the primary driving factors in the two most recent years were production space and the pressure system. In general， the water ecological security situation in the study area was good for the last 10 years. These results provide a scientific basis for water ecological protection and attaining regional high-quality in similar basins of the upper Yangtze River.

Key words：ecological-life-production space; pressure-state-response ?model; water ecological security; obstacle factors; Yangtze River basin of Gansu Province