基于PSR模型的貴州省水資源安全診斷與影響因素分析

姚 望，周子琴，張鳳太

(1.重慶師范大學地理與旅游學院，重慶 400047；2.重慶理工大學管理學院，重慶 400054)

水資源作為基礎性自然資源和重要的生態環境要素，既影響著社會經濟的穩定發展，也關系著一個國家或地區的生態環境安全[1-2]。中國西南部喀斯特地區因其特殊的“二元三維”儲水空間結構，地表儲水能力弱，水分下滲嚴重，便于有效利用的地表水資源有限[3-4]。同時，隨著人口增長及社會經濟的發展，需水壓力陡增。加上大量工業廢水、生活污水的排放，水污染狀況較為突出，造成的諸如洪澇災害、水環境污染、水環境功能受損、水資源短缺等水資源安全問題已嚴重制約了西南喀斯特地區社會經濟的可持續發展[5-7]。

近年來，許多學者對水資源安全的評價方法及評價模型進行了大量研究。層次分析法、熵權法、集對分析法、模糊綜合評價法、水貧乏指數、支持向量機、人工神經網絡模型、系統動力學模型、NBA-MEPP模型、邏輯斯蒂曲線模型等眾多方法、模型被應用于水資源安全評價[8-15]。同時，這些模型在喀斯特地區水資源安全評價中的運用也取得了一定進展，如段琪彩等[16]結合云南省喀斯特地貌特征、人口經濟分布和水循環時空分布的差異性等，分析出影響水資源安全的主要因素；鄒勝章等[17]提出西南喀斯特地區進行水資源安全評價時，應涵蓋水質、水量、水資源利用及水災害防治等評價內容；張鳳太等[18]構建了基于DPSIRM概念模型的評價指標體系，并借助灰色-集對模型對貴州省水資源安全進行了評價。這些研究更清楚地了解喀斯特地區水資源安全狀況及其變化情況，但大多直接借鑒了通用水資源安全的評價方法和模型，仍存在著一些不足之處：①在指標選取上不能體現喀斯特地區特殊水文地質特征，不能突出其工程性缺水狀況；②確定指標權重時受到專家理論水平及對研究區熟悉程度的影響，過于依賴專家經驗，忽略了指標客觀信息。

Handmer等[19]將水資源定義為區域自然、經濟社會系統中面對水資源需求通過自身條件或者外部調節，保持水資源系統結構性或功能性的能力，即水資源壓力、區域水資源狀態、經濟社會響應。因此，本文依據PSR概念模型，從需水壓力、水資源狀態、人為響應3個方面選取19個指標構建貴州省水資源安全評價指標體系，并采用變異系數法與層次分析法相結合的方法確定指標權重，在參考主觀經驗的基礎上，又考慮了客觀因素。同時，采用多目標模糊隸屬度函數標準化法和綜合指數法對貴州省2001—2015年水資源安全狀況進行評價和分析，以期為貴州省水資源優化配置及社會經濟發展提供決策參考。

1 水資源安全評價模型構建

PSR模型最初由Friend和Rapport[20]提出，后被推廣應用于環境評價、人地關系的研究中，從因果關系方面闡釋了人類社會發展需求造成的水資源壓力作用于自然環境，自然環境承壓后所保持的狀態及人類依據該狀態采取的能動響應，從而能夠較好地反映水資源安全的結構組成及其維度之間的關系(圖1)?？λ固氐貐^地表地下水轉化迅速，地表儲水能力弱，地表徑流系數低，且地質狀況復雜。隨著貴州省人口增長、社會經濟發展以及環境保護意識的提高，居民生活、工業生產、農業生產及生態用水需求逐步加大，水資源供求缺口逐漸增大，對貴州省水資源造成的壓力逐年增大。同時隨著用水量的增加，生活污水、工業廢水的排放量亦呈上升趨勢，迫使貴州省加強污水治理以改善水質，加強水資源開發利用技術、節水技術等提高水資源利用效率，興建各項水利工程設施如修建水庫、提水工程、引水工程、農田灌溉設施等以保障用水安全。同時加強生態環境治理如修復石漠化、提高森林覆蓋率等提高地表儲水能力，以保障水資源安全。

圖1 水資源安全評價模型框架

1.1 指標體系構建

依據水資源安全內涵，在遵循科學性、可操作性、代表性等原則基礎上，結合喀斯特地區水文、地質、社會經濟特性，并參考國內及喀斯特地區水資源安全相關文獻[3-4,8-20]，從需水壓力、水資源狀態、人為響應3個方面選取19個指標構建評價體系(表1)。并根據指標屬性分為負向性指標和正向性指標，對不同屬性指標分別進行賦權評價。

表1 喀斯特地區水資源安全評價指標體系

1.2 指標賦權

采用層次分析法確定指標主觀權重，采用變異系數法確定指標客觀權重，并利用拉格朗日系數求得綜合權重，既考慮主觀因素，又反映客觀信息(表1)。

(1)

式中Wj——綜合權重；W1j——層次分析法權重；W2j——變異系數法權重。

1.3 指標分級

參考有關水資源安全等級標準的相關研究文獻，結合喀斯特地區用水壓力、水資源狀態、人為響應等實際狀況，并依據專家意見對水資源安全標準做出適當調整，將水資源安全等級劃分為極不安全、不安全、臨界安全、相對安全、安全5個等級，并確定各指標分級標準(表2)。其中，降水量取貴州省2001—2015年降水量的平均值為臨界安全閾值， 設

表2 水資源安全指標分級標準及閾值

定0～823 mm(貴州省年降水量平均值的75%)為極不安全狀態；823～987 mm(年平均值的90%)為不安全狀態；987～1 097 mm(年平均值的100%)為臨界安全狀態；1 097～1 206 mm(年平均值的110%)為較安全狀態；1 206～1 371 mm(年平均值的125%)為安全狀態。單位水體COD負荷和單位水體NH3-N負荷依據GB 3838—2002《地表水環境質量標準》確定。

1.4 多目標模糊隸屬度函數標準化法

當前，對不同量綱指標的屬性值進行標準化的方法主要有比例標準化、標準差標準化、離差標準化等。然而，這些方法在計算時因為只考慮了樣本數據，標準化后的值只能在樣本數據所在的范圍內具有相對可比性。另外，若某一區域內的某項指標相對很大時，其他區域該指標的標準化值都會趨近于0，不能體現其他區域在該指標上的差異。因此，本文采用多目標模糊隸屬度函數標準化方法[21]。

設指標集為w={w1,w2,…wj}，評語集為H={h1,h2,h3,h4,h5}，結合表2中水資源安全指數標準，設h1為極不安全，h2為不安全，h3為臨界安全，h4為較安全，h5為安全。評語h1、h2、h3、h4、h5對應的水資源安全綜合指數區間分別為[k1,k2]、[k2,k3]、[k3,k4]、[k4,k5]、[k5,k6]，其中k1=0，k2=0.2，k3=0.4，k4=0.6，k5=0.8，k6=1。對任一指標j，假設水資源安全綜合指數閾值k1、k2、k3、k4、k5、k6對應指標的標準值分別為u1、u2、u3、u4、u5、u6。對正向指標，其隸屬度公式為：

sλij=

(2)

對于負向指標，其隸屬度公式為：

sλij=

(3)

式中sλij——第λ年i區域第j項指標的隸屬度或標準化值；xλij——第λ年i區域第j項指標的實際值。

1.5 綜合指數

根據各指標的標準化值和綜合權重，利用加權法分別計算各準則層、目標層的綜合指數。其中，目標層綜合指數計算公式：

(4)

準則層綜合指數計算公式：

(5)

2 實例分析

2.1 研究區概況

貴州省地處中國西南腹地，行政區總面積17.616 7萬km2，境內地勢西高東低，喀斯特地貌發育廣泛，高原、山地、丘陵、盆地等地貌分布廣泛，素有“八山一水一分田”之說。貴州省屬于亞熱帶濕潤季風氣候，季節分明，雨量充沛，雨熱同期，最冷月(1月)平均氣溫在3°C～6°C，最熱月(7月)平均氣溫在22°C～25°C，年平均降水量為1 095 mm，降水多集中在6—9月。貴州省多為喀斯特地貌，地表儲水能力較弱，且隨著社會經濟的發展和居民生活質量的提高，需水壓力逐漸增加，加之大量工業廢水和生活污水的排放，水資源安全問題越來越突出。

2.2 數據來源

研究數據主要來源于貴州省水利廳公布的《貴州省水資源公報》(2001—2015年)，貴州省環境保護局公布的《貴州省環境狀況公報》(2001—2015年)，以及《貴州省統計年鑒》《國民經濟和社會發展統計公報》等資料。另外，2001年石漠化率從貴州省2000年正式立項開展的全省石漠化遙感調查項目結果得到，2005、2011年石漠化率從貴州省《石漠化狀況公報》中得到，其余年份石漠化率從貴州省政府工作報告中每年的石漠化治理狀況得到。

2.3 結果分析

2.3.1水資源安全狀況

將貴州省2001—2015年的各評價指標值、等級標準代入式(2)、(3)中，得到貴州省2001—2015年各評價指標的標準化值，將得到的標準化值以及各指標權重代入式(4)、(5)中，可得到貴州省2001—2015年的水資源安全綜合指數以及各準則層的綜合指數(圖2)。由圖2可知，貴州省水資源安全綜合指數雖略有起伏，但在總體趨勢上呈明顯的上升狀態，從2001年的0.48上升至2015年的0.78，由原先的臨界安全狀態上升至相對安全狀態，并向安全狀態轉變。而需水壓力指數基本呈直線式上升趨勢，由2001年的0.40上升至2015年0.71，表明貴州省在水資源開發利用技術、節水技術方面有了明顯提高。水資源狀態指數受自然條件影響，起伏變化較大，多數年份處于臨界安全狀態和相對安全狀態。人為響應指數增加最為明顯，從2001年的0.40上升至2015年的0.82，由原先的臨界安全狀態提升至安全狀態，表明貴州省近年來極為重視水資源安全狀況，蓄水工程、提水工程、引水工程、農田灌溉設施等水利工程不斷完善，極大地提高了供水能力。同時，在污水處理、增加植被覆蓋提高儲水能力等方面也有較大進步。

圖2 2001—2015年貴州省水資源安全綜合指數及準則層指數變化

2.3.2水資源安全影響因素分析

通過對貴州省2001—2015年水資源安全評價指標體系中各準則層指數以及各指標的歷年變化情況進行分析，影響水資源安全的主要因子如下。

a) 需水壓力。貴州省需水壓力指數基本呈直線式上升，由2001年的臨界安全狀態向相對安全狀態轉變。由圖3可知，貴州省人均生活用水量由2001年的39 m3/人增加到2015年的48 m3/人，雖有增幅，但亦提高了居民的生活質量。與此同時，貴州省水資源開發利用技術、節水技術不斷提高，2001—2015年貴州省萬元工業產值用水量、萬元農業產值用水量下降明顯，分別從459、1 586 m3下降至56、318 m3，極大地節約了工業、農業用水，保障了貴州省的用水安全。單位面積生態環境用水量亦從原先的215 m3/km2增加到420 m3/km2，極大地保障了生態環境的健康。

a)萬元工業及農業產值用水量變化

b)單位面積生態環境及人均生活年用水量變化圖3 需水壓力層各指標變化

b) 水資源狀態。貴州省水資源狀態指數受自然因素的主要影響，起伏波動較大，總體上處于相對安全狀態，亦有個別年份如2011年受西南地區大旱的影響，下降至臨界安全狀態。從圖4可知，貴州省年降水量起伏變化，并無明顯規律，但年平均降水量大致為1 097 mm，總體上處于臨界安全狀態；人均水資源量與當年降水量有較大相關性，起伏變化大致同步，多數年份處于相對安全狀態；由于貴州省喀斯特地貌發育廣泛，地表、地下水轉化迅速，地表水漏滲嚴重，地下水比重較大，地下水比重多數年份處于臨界安全狀態，同時地表徑流系數亦受此因素的重大影響，多為臨界安全狀態；單位水體COD負荷和單位水體NH3-N負荷在2001—2010年基本處于穩定狀態，表明貴州省這些年雖受經濟增長影響，工業廢水、生活污水雖有所增加，但相應的污水處理措施有所加強、污水處理技術亦有提高，保護了水環境質量；而2011—2015年，單位水體COD負荷和單位水體NH3-N負荷均呈明顯增加狀態，后者更是由之前的相對安全狀態下降至臨界安全狀態。一方面表明，隨著社會經濟的發展，農田施肥、工業生產等造成排污量較大，污水處理工程急需增強，另一方面也表明，污水處理技術已跟不上社會經濟的發展，急需技術提高。

a)降水量、人均水資源量及地下水比重變化

b) 單位水體COD、NH3-N負荷及徑流系數變化圖4 水資源狀態層各指標變化

c) 人為響應。貴州省因其地質地貌、局部地區極度缺水的天然劣勢，極為重視對水資源的保護與管理，人為響應指數由2001年的0.40增加至2015年的0.82，由原先的接近不安全狀態提升至安全狀態。由圖5可知，貴州省大中型水庫蓄水量從2001年的30.5億m3增加到2015年的299.7億m3，增加了接近10倍，極大地提高了貴州省供水能力，保障其水資源安全；引水、提水工程雖亦日趨完善，但其主要是針對干旱時期保障居民用水，而隨著蓄水工程的完善，引水、提水工程供水率逐步減小，降低了對地下水的開采，在一定程度上亦保護了區域的生態環境；地表水開采率基本處于穩定狀態，地下水開采率則因供水能力的逐漸提高呈下降狀態，由2001年的3.37%下降至2015年的1.05%，處于安全狀態；2001年貴州省生活污水處理率僅為3.30%，基本沒有污水處理措施，而隨著對環境保護意識的提高，污水處理技術逐步提高，污水處理措施逐步加強，到2015年污水處理率已達90%，由之前的極不安全提升至安全狀態，萬元GDP污染物減排率亦以每年約10%的速度逐年提高；貴州省對生態環境的重視以及相應的措施實施，森林覆蓋率由2001年的30.83%增加到2015年的50.00%，石漠化率由2001年的18.8%減少至2015年的8.6%，極大地提高了地表儲水能力，增加了居民可方便利用的水資源量，保障居民用水安全；農田灌溉設施滿足率由2001年的36%提升至2015年的85%，不僅提高了水資源利用效率，另一方面也保障了農業用水安全，提高了糧食產量。

3 結論

采用多目標模糊隸屬度函數標準化法和綜合指數法，從需水壓力、水資源狀態、人為響應3個方面對貴州省2001—2015年水資源安全進行動態評價，得到以下結論。

a) 貴州省2001—2015 整體水資源安全從臨界安全狀態上升至相對安全狀態，表明水資源安全在整體上處于改善趨勢。而2011年因受西南地區大旱影響，貴州省水資源安全綜合指數陡然下降，表明貴州省相應的水利基礎設施建設仍存在不足之處，需進一步加強。

a)大中型水庫蓄水量、地下水及地表水開采率

b) 提水、飲水工程供水率及農田灌溉設施滿足率

c) 巖溶石漠化率及森林覆蓋率

d) 生活污水處理率及萬元GDP污染物減排率圖5 人為響應層各指標變化

b) 從影響貴州省水資源安全的3大類組成要素來看，需水壓力因萬元工業產值用水量和萬元農業產值用水量的顯著下降，從2001年的臨界安全狀態轉變為2015年的相對安全狀態，表明貴州省水資源利用技術、節水技術在逐漸提高；水資源狀態因受自然因素的主要影響，起伏變化較大，但單位水體NH3-N含量的增加，表明貴州省在污水處理方面仍需加強；人為響應變化較大，受各種水利工程設施的建設、退耕還林政策、污水處理等的顯著影響，從2001年的臨界安全狀態逐步提升至2015年的安全狀態。但在某些方面，如加強石漠化治理、提高森林覆蓋率等仍有進一步的提升空間。

c) 從保障并提高水資源安全水平出發，未來應在現有水資源開發利用技術、節水技術的基礎上，進一步加強水資源利用技術和優化配置實用技術的研發、推廣，優化水利工程空間布局，同時加強生態環境的治理，提高地表的儲水、蓄水能力，加強水資源管理，建立完善的制度保障體系，實施合理的管理措施，保障水資源安全。