基于水足跡理論和灰靶模型的漢江干流水資源可持續利用評價

李 雙 ，杜建括，邢海虹，王淑新，李 峰

(1.陜西理工大學歷史文化與旅游學院，陜西 漢中 723001；2. 陜西理工大學漢水文化研究中心，陜西 漢中 723001；3.成都理工大學地球科學學院，成都 610059)

水是生命之源，是21世紀全人類最為關注的重大資源問題之一。伴隨氣候變化、人口增長、經濟發展和消費模式改變，全球水資源需求量以每年1%的速度增長，區域水資源供需矛盾將更加尖銳。水資源可持續管理成為21世紀全球的關鍵環境挑戰之一[1]，引起水資源可持續利用評價的研究熱潮。

水資源可持續利用評價指標體系構建多采用層次結構法(如社會-經濟-環境復合系統法)[2]、PSR(壓力-狀態-響應)[3]、DPSIR(驅動力-壓力-狀態-影響-響應)[4]、聚類法[5]和數據包絡分析法[6]等方法，選用水資源供需、經濟等眾多統計指標，指標信息單一且不直接反映水資源可持續發展狀態。水足跡法是以虛擬水為基礎，不僅考慮了工業、生活、生態等用水量，還涵蓋了農畜產品和進出口貿易虛擬水，反映區域或個人在一定時間內消耗的內外水資源量，具有綜合反映水資源利用狀態的特點，近年來被學者們大量采用。如戚國強等[7]、余灝哲等[8]和熊鴻斌等[9]等學者將水足跡與統計指標相結合，評價了黑龍江省、山東省和安徽省水資源的可持續利用水平。

水資源可持續利用常用評價方法有模糊綜合評價法法[10]、神經網絡法法[11]、因子分析法法[12]、層次分析法法[13]和聚類分析法法[14]等等，但因評價指標多樣，指標標準模式難確定，一般不考慮區域比較研究[15]。灰靶理論是處理模式序列的灰色關聯分析理論，在指標標準模式難確定的情況下，通過原始數據標準值的設置，可增強評價區域內不同單元之間的可比性[16]，已有學者將灰靶理論應用于區域水資源可持續利用評價[9,17]。評價過程中，賦權方法直接影響著評價結果的可靠性。主觀賦權法(如綜合指數法、層次分析法等)采用專家打分等確定權重，具有主觀意識強等問題。客觀賦權法(如熵值法、因子分析法、主成分分析法等)基于實際數據，挖掘參數內在關系，能相對客觀確定指標權重。在客觀賦權法中，熵權法是解決具有不確定性的問題最好的工具[18]，可以提高指標體系權重量化的準確度，適用于水資源可持續利用這種不確定因素較多的問題評價。

漢江是長江最大的支流，流經地區多、影響范圍大，且承擔著調節區際水資源不足的重任。漢江干流沿線水資源的利用狀態，關乎流域區域經濟社會的發展，同時也關系到我國華北地區水資源的安全。目前雖已有學者對陜西省[19,20]、湖北省[21]和長江中游城市群[22,23]開展了水足跡及水資源利用狀況的研究，但以漢江干流為對象的研究還處于空白。因此本文在計算水足跡的基礎上，融合常規水資源評價指標，構建PSR模型評價體系，運用熵權—灰靶評價方法綜合分析漢江干流水資源可持續利用現狀。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

1.1.1 水足跡計算

本文采用自下而上的方法計算漢江干流水足跡。

(1)水足跡計算。水足跡計算公式如下：

WF=IWF+EWF

(1)

式中：WF為水足跡，億m3；IWF為內部水足跡，億m3；EWF為外部水足跡，億m3。

IWF=AWU+IWU+DWU+ENV-VWEdom

(2)

式中：AWU為農業虛擬水，億m3；IWU為工業用水量，億m3；DWU為生活用水量，億m3；ENV為生態環境用水量，億m3；VWEdom為出口虛擬水總量，億m3。

EWF=VWF-VWEre-export

(3)

式中：VWF為進口的虛擬水量，億m3；VWEre-export為從其他地區輸入本地區再出口的虛擬水量，億m3，但比例較小，一般忽略不計。

農業、進出口貿易虛擬水量的計算參考馬靜等[24]和孫才志等[25]的計算方法。

(2)人均水足跡。

WFpc=WF/TP

(4)

式中：WFpc為人均占有的水足跡，m3/人；WF為總水足跡，億m3；TP為人口數量，萬人。

(3)水足跡經濟效益。

WFE=GDP/WF

(5)

式中：WFE為水資源經濟效益，元/m3；GDP為國內生產總值，萬元；WF為總水足跡，億m3。

(4)水資源壓力指數。

WP=(IWF+VWEdom)/AW×100%

(6)

式中：WP為水資源壓力指數，%；IWF為內部水足跡，億m3；VWEdom為出口虛擬水總量，億m3；AW為可更新水資源量，億m3。

1.1.2 評價體系構建

PSR(Pressure-State-Response)模型，即壓力-狀態-響應模型，多用于人類活動影響下的環境質量評價與資源評估。就水資源可持續利用而言，壓力層反映人類活動通過何種方式阻礙了水資源利用的可持續性；狀態層則表征水資源利用現狀及趨勢；響應層表示人為采取某些有效措施來改善目前水資源利用的現狀，以保障水資源利用的可持續發展。本文基于PSR模型，在系統分析水環境影響要素的基礎上，融合水足跡指標和常規水資源可持續利用評價指標，參照已有研究成果[8,9,26]，甄選出21項使用頻率較高的指標構建綜合評價指標體系，見表1。

表1 水資源可持續利用綜合評價指標體系及權重

續表1 水資源可持續利用綜合評價指標體系及權重

1.1.3 熵權法定權重

熵權法是一種客觀賦權法，其基本原理是依據指標信息熵確定權重，即信息熵愈大，反映的信息愈少，對評價結果影響愈小，故熵權就愈小，反之，信息熵愈小，熵權愈大。本文參照文獻羅軍剛等[27]進行指標權重計算。

1.1.4 灰靶評價模型

灰靶評價過程具體如下：

(1)構建標準模式Y0。在構建標準模式時，對正向功效性指標，選最大值；對負向功效性指標，選最小值，即標準模式由各指標極值構成。構建的標準模式：

Y0(Xj)=Y0(X1),Y0(X2),…,Y0(Xj) (j=1，2，…，21)

(7)

式中：Y0為標準模式序列；Y0(Xj)為第j個指標的標準值。

(2)進行灰靶變換T并確定灰色關聯差異Δ。令T為灰靶變換，靶心y0=TY0=(1,1,1,…,1)，則漢中干流10市21項評價指標的灰靶變換公式為：

(8)

(i=1,2,…,10;j=1,2,…,21)

式中：y0為靶心；Y0(Xj)為評價指標的標準值。

灰色關聯差異矩陣：

Δij=|y0(Xj)-yi(Xj)|=|1-yi(Xj)|

(9)

(3)計算靶心系數。

(10)

式中：γ[y0(Xj),yi(Xj)]為漢中干流各市評價指標的靶心系數；Δij評價指標Xj的灰色關聯差異矩陣。

因本文Δ最小值為0，最大值為1，故靶心系數計算公式可簡化為：

(11)

(4)計算靶心度。

(12)

式中：γ[y0,yi]為漢中干流i市的靶心度；wj為第j個指標的權重。

1.2 數據來源

從《陜西省統計年鑒》、《陜西省水資源公報》、《湖北省統計年鑒》和《湖北省水資源公報》，以及政府環保、林業、水利等部門門戶網站，收集相關數據指標，主要包括農畜產品產量、國內生產總值、工農業產值、工業用水、生活和生態用水以及常規的水資源評價環境數據、社會經濟指標等。

2 結果與分析

2.1 水足跡時間變化特征與評價

據表2和圖1可知，近年來，漢江干流總水足跡及其構成中的農業、生活和生態水足跡均呈增加趨勢，增加率分別為24.28、23.73、2.12和0.07 億m3/a。農業水足跡占比最大，平均為87.78%；工業水足跡值居其次，平均占比9.06%，2010年來呈下降態勢，與近年來萬元工業增加值用水量減少相一致，表明漢江干流工業用水效率明顯提高；生活和生態水足跡較小，但呈現顯著升上趨勢，表明隨著經濟水平的發展、城市化水平的提高，人們生態環保意識不斷增強；出口虛擬水大于進口虛擬水，且二者所占比例均呈減小趨勢，表明水足跡貿易為貿易順差，不利于緩解水資源壓力。內部水足跡平均占比為99.35%，高于中國平均水平93.6%[28]，說明漢江干流水資源供給能力強，這是因為作為長江最大的支流，有較多二級支匯入漢江干流，且雨量充沛，使本區域有豐富而穩定的可用水資源。

表2 2008-2015年漢江干流水足跡構成億m3

年份內部水足跡農畜虛擬水工業用水生活用水生態用水出口虛擬水外部水足跡進口虛擬水總水足跡2008505.2455.2318.170.157.995.82576.612009538.0457.9418.290.246.083.72612.152010546.5473.3019.370.237.485.25637.212011595.6373.5521.320.287.455.29688.632012619.6073.3722.680.366.413.69713.282013639.4455.2627.830.457.183.58719.382014662.7051.3428.760.557.373.81739.792015657.7251.6632.370.647.963.66738.09平均595.6161.4623.600.367.244.35678.14

注：內部水足跡為農畜生產、工業生產、生活、生態用水之和減去出口虛擬水的差值。

圖1 2008-2015年漢江干流各項用水占總水足跡的百分比

與漢江干流總水足跡呈現緩慢增長趨勢不同，人均水足跡在2012年前增長明顯，之后變化較平穩(圖2)。人均水足跡平均為1 864.24 m3/人，低于中國2000-2014年的平均人均水足跡2 340 m3/人、陜西省的2 310 m3/人和湖北省的2 370 m3/人[29]，但高于全球人均水足跡1 240 m3/人[30]，北京的1 390 m3/人和天津的1 400 m3/人[29]，說明人均水足跡不僅與經濟發展水平有關，受人口數量的影響也較大。

圖2 2008-2015年漢江干流總水足跡與人均水足跡動態變化

漢江干流水足跡經濟效益逐年顯著增加，而水資源壓力指數整體呈現波動上升再下降的態勢，且除2010年外，其值均大于1(圖3)，前者表明漢江干流水資源利用效率在不斷提升，即消耗單位水足跡創造出更高的經濟價值；后者一定程度上表明漢江干流水資源利用已處于非可持續利用狀態。水資源壓力指數的這種變化，與區域水資源總量(R2=-0.901)、年降水量(R2=-0.875)呈顯著負相關，說明區域天然水資源的多寡和年際變化制約著水資源可持續利用水平。

圖3 2008-2015年漢江干流水足跡經濟效益與水資源壓力指數動態變化

2.2 水足跡空間變化特征與評價

漢江干流各市的水足跡構成特征存在著差異與共性(見表3)。差異主要表現為：地區間水足跡構成的絕對值差異明顯，這是因為生產、生活水足跡的高低與地區人口數量和經濟產值密切相關(見表4)。以干流平均值為界，農畜和工業水足跡方面，襄陽、荊門、孝感和武漢等市高于平均值，對應著較高的農業產值和國內生產總值；生活水足跡方面，襄陽、孝感和武漢三市高于平均值，對應著較大的人口規模；生態水足跡方面，漢中、安康和武漢等市高于平均值，這三市均屬于國家級或省級園林城市，生態建設投入較多；出口貿易僅武漢較高。共性主要表現為：水足跡構成均為農畜生產水足跡比重最大，其次為工業生產用水，而生態用水和進出口虛擬水占比較低(圖4)。

表3 漢江干流10市多年平均水足跡構成億m3

地區內部水足跡農畜虛擬水工業用水生活用水生態用水出口虛擬水外部水足跡進口虛擬水水足跡漢中市41.141.031.060.090.070.0243.27安康市28.800.611.010.040.020.0030.44十堰市33.663.622.220.030.240.0339.31襄陽市130.6415.073.910.030.940.20148.91荊門市97.886.461.920.010.620.21105.87潛江市20.992.600.640.000.300.0223.94天門市27.601.650.850.010.010.0030.10仙桃市37.472.820.830.010.460.1240.79孝感市87.879.253.030.020.860.2399.54武漢市89.5618.368.130.133.723.51115.97平均59.566.152.360.040.720.4467.81

注：內部水足跡為農畜生產、工業生產、生活、生態用水之和減去出口虛擬水的差值。

表4 生產、生活水足跡與經濟、人口要素的Pearson相關分析

注：**為0.01水平(雙側)上顯著相關；*為0.05水平(雙側)上顯著相關。

圖4 漢江干流10市各項水足跡構成多年平均百分比

漢江干流水足跡和人均水足跡地區差異顯著(見圖5)，與均值相比，水足跡較大的依次是襄陽、武漢、荊門和孝感市，較小的依次為潛江、天門、安康和十堰市；而人均水足跡較大的依次是荊門、仙桃、襄陽和潛江市，較小的依次為十堰、安康、漢中和武漢市，這是因為水足跡主要與經濟發展水平和產業結構有關，而除經濟要素外，人口數量對人均水足跡的影響也較大。

圖5 漢江干流10市總水足跡與人均水足跡動態變化

水足跡經濟效益和水資源壓力指數的空間分布較極端(見圖6)，具體表現為武漢市水足跡經濟效益最高，達62.72 元/m3，其余各市均與平均值18.68 元/m3相差不大，介于9～22.72 元/m3，揭示漢江干流經濟發展水平不均衡，經濟水平較高的武漢市水資源利用效率最高，其余各市水資源利用率仍有較大提升空間；僅漢中、安康和十堰市的水資源壓力指數較小，且明顯小于1，其余各市均超過平均值2.282，說明漢江中上游的漢中、安康和十堰市水資源豐富，水足跡在可用水資源承載范圍內，仍具有開發利用空間，而其余各市水資源壓力指數大于1，水資源利用處于超負荷狀態，水資源供需矛盾突出。

圖6 漢江干流10市水足跡經濟效益與水資源壓力指數動態變化

2.3 水資源可持續利用的評價

2.3.1 灰靶評價過程

參照羅軍剛等[17]改進的熵權法計算21項評價指標的權重，結果如表1所示。根據公式(7)～(12)得到目標層的靶心度，壓力層、狀態層和響應層等3個準則層的靶心度也可依據上述過程計算得到。具體結果見表5。

表5 漢江干流10市水資源可持續利用評價結果

注：γ(A)為目標層綜合評價靶心度；γ(P)、γ(S)、γ(R)分別為壓力層、狀態層和響應層等3個準則層的靶心度。

2.3.2 灰靶評價結果

因綜合指標更能全面反映區域水資源利用可持續性的總體狀況，因而本文根據目標層靶心度γ(A)的取值范圍，結合張俊鳳等[31]和熊鴻斌等[9]的分區標準等分取整原則進行評價等級標準劃分。依據表5中γ(A)的取值范圍將漢江干流水資源利用可持續利用水平分為4個等級，評價等級標準如表6所示。

表6 漢江干流水資源可持續利用評價等級劃分標準

依據表5和表6，利用Arcgis10.5空間分析軟件，評價漢江干流水資源目標層與準則層可持續利用水平的空間差異，見圖7。

2015年漢江干流水資源目標層和各準則層可持續利用水平均表現為上游優于中、下游，準則層靶心度等級由高到低依次為響應層>狀態層>壓力層[圖7(a)和圖7(d)]。水資源可持續利用水平多集中在中、差水平，這與圖6漢江干流各市水資源利用壓力指數分析結果相一致，說明水資源可持續利用面臨巨大壓力和挑戰。漢江干流水資源可持續利用水平與水資源空間分布、人口和社會經濟發展水平等因素密切相關。具體分析如下：

圖7 漢江干流水資源可持續利用綜合與分層評價等級

(1)水資源可持續利用水平與水資源總量密切相關。漢江干流各市水資源目標層、P層、S層和R層靶心度與其水資源總量高度一致，相關系數依次為R2=0.937、0.845、0.950和0.757，平均為0.872，表現為地區水資源量越多，其水資源可持續利用水平越高。2015年漢中和安康的水資源量最大，分別為109.57和99.58 億m3；其次為十堰和武漢，分別為64.94和62.03 億m3；其余各市的水資源量均低于45億m3，其中潛江最低，為14.16億m3。

(2)人口增長、社會經濟發展水平對水資源可持續利用帶來較大影響。漢中和安康市的人口增長率在漢江干流10市最低，分別為0.242%和0.232%，城市化水平和經濟發展水平較低，而水資源豐富，所以兩市的水資源可持續利用水平均屬于優或良等級。武漢市雖人口密度大、城市化水平高，但良好的經濟基礎、較高的經濟發展水平和水資源利用率，加之相對充足的水資源，故該市水資源利用壓力處于良好的態勢。其余7市人口自然增長率較高(如十堰市人口自然增長率高達1.39%)，人均水資源消耗量大，經濟水平不高，相對較低的農田灌溉利用系數，故這7市水資源各層可持續利用水平多集中在差等級。

(3)漢江干流10市響應層的靶心度等級多處于中等級別及以上[圖7(d)]，說明各城市通過積極加大環保水利財政投入、提高廢污水處理率、大力植樹造林綠化環境等的行動，在涵養水源、改善水生態環境等方面取得較顯著成績。

由目標層和準則層的等級評定結果(圖7)可看出，漢江干流中、下游除武漢外，各城市水資源可持續利用均處于較差等級，水資源利用具有很大的提升空間，并依據評價指標為各市后續水資源利用與保護工作提供了一定的改進方向(表7)。

3 結 語

本文融合水足跡計算結果和常規水資源評價指標，構建綜合評價指標體系，選用熵權灰靶模型作為評價方法，評價了漢江干流水資源可持續利用水平。基于對漢江干流水足跡時空變化及水資源可持續利用現狀的分析，得出以下主要結論：

(1)2008-2015年漢江干流總水足跡呈緩慢增長態勢，其構成中農畜生產用水占比居首，工業用水居次；因區域水資源內部水足跡占比達99.35%，區域水資源供給能力強；人均水足跡和水足跡經濟效益增加明顯，而水資源壓力指數呈波動上升再下降的趨勢。

表7 漢江干流水資源利用不可持續類型和改進方向

注：“·”為較差的水資源可持續利用層面，“√”為可選擇的改進方向。

(2)漢江干流各城市間人均水足跡和水足跡構成的絕對值差異明顯，但各組成占比相似；水足跡經濟效益和水資源壓力指數空間分布極端，前者僅武漢市較高，后者僅漢中、安康和十堰三市的小于1。

(3)2015年漢江干流各市綜合水資源可持續利用水平多集中在中、差等級，僅上游的漢中和安康市為優等級；就單個層面而言，響應層的可持續性最佳，壓力層的可持續性最差，說明在涵養水源、改善水生態環境等方面成效顯著，但人口增長、社會經濟發展使水資源可持續利用面臨巨大壓力。