基于DPSIR模型的城市水資源脆弱性評價
——以西安市為例

楊法暄, 鄭 樂, 錢 會， 柳鳳霞， 王海科

(1.長安大學 水利與環境學院， 陜西 西安 710064； 2.旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室， 陜西 西安 710064)

1 研究背景

水資源是人類賴以生存的基礎性自然資源，影響著人類生活的方方面面[1]。但是，隨著經濟社會的快速發展，人口數量急劇上升，加之水污染及水資源浪費等問題引起的水質型水資源短缺導致水資源的可持續發展面臨著巨大挑戰[2]。目前，水資源問題已經成為影響人類永續發展的重大問題之一[3]。進入21世紀以來，我國城鎮化水平日益提高，城市規模逐漸擴大，城市人口數量快速增加，城市對水資源的需求也隨之加大，很多城市出現了嚴重的水資源問題[4-6]。城市水資源脆弱性評價研究對于城市的社會健康發展、水資源管理以及生態治理具有實際指導意義[7-8]。

眾多學者針對水資源脆弱性問題進行了大量研究。鄒君等[9]、王鈺等[10]使用GIS技術對特定區域進行了水資源脆弱性研究。夏軍等[11]研究了氣候變化條件下的水資源脆弱性，并給出了適應性調控方案。胡蓓琳等[12]利用同異反層次法聯系數建立了流域水資源系統脆弱性評價的集對分析模型,并對巢湖流域水資源系統脆弱性進行了綜合評價。Chang等[13]、Sanchez-Torres等[14]、Perveen等[15]分別從不同角度對不同河流的水資源脆弱性進行了系統評價。上述學者主要以流域或某特定地形區域為研究對象，還有許多學者主要從事城市的水資源脆弱性研究工作。

朱怡娟[7]運用水資源脆弱性模糊綜合評價模型，對武漢市2003-2013年水資源系統的脆弱性所出現的動態變化進行了分析，針對武漢市提出了降低水資源脆弱性的對策。職璐爽等[8]在應用熵權法計算權重的基礎上利用線性加權求和法對廣東省水資源脆弱性進行了評價，并根據評價結果提出了建設智慧水務的建議。然而，以往研究多側重于從時間或者空間單方面維度對研究區域進行水資源脆弱性的評價，往往忽視時空的結合。

本文針對西安市水資源現狀，利用西安市統計資料，基于DPSIR指標選取模型篩選出11個評價指標，結合熵權法和模糊綜合評價法，分別從時間和空間維度上對西安市進行水資源脆弱性綜合評價。根據評價結果，提出相應的適應性對策。西安市水資源脆弱性評價研究，對西安市水資源高效管理、海綿城市建設、生態文明城市建設有著重要的現實意義和價值。

2 研究區概況

西安，作為絲綢之路經濟帶和亞歐大陸橋上的重要城市，在“一帶一路”建設中占據著橋頭堡和核心城市的地位[16]。西安市位于關中平原腹地，北瀕渭河，南依秦嶺，八水潤長安，地理坐標北緯33°39′～34°45′，東經107°40′～109°49′(見圖1)，東西長204 km,南北最大寬約116 km，面積10108 km2。西安市人均占有水資源量254.25 m3,相當于全國平均水平的12.1%，遠遠低于國際公認的人均年水資源量500 m3的絕對缺水線，是全國最缺水的地區之一。隨著國家中心城市、國際化大都市建設的開展，西安市對水資源的需求量將繼續增加，根據《西安市水中長期供求規劃》，預測2020年西安市需水量將達25.91×108m3而西安市多年平均水資源總量僅為23.47×108m3,今后供需矛盾將更加突出。

圖1 研究區域概況圖

3 數據與方法

3.1 數據來源

本文西安市各年度以及各區縣社會經濟效益與水資源開發利用情況數據來自2007-2017年《西安統計年鑒》《西安市水資源開發利用規劃》，水資源量以及各項水文數據來自2007-2017年《西安市水資源公報》。

3.2 DPSIR指標體系的構建

評價指標的選取在水資源脆弱性評價過程中是非常重要的一步。現有研究對水資源脆弱性評價指標沒有統一標準，但根據以往研究成果可以總結出指標選取時需要遵循的兩點原則：第一，要綜合考慮數據的易獲性和結果的可比性;第二，選擇的因素要具有主導性[17]。

本文從水資源脆弱性的概念與內涵出發，嚴格遵循上述兩個原則，結合西安市水資源現狀以及數據資料的獲取情況，基于DPSIR概念模型建立了西安市水資源脆弱性評價指標體系。DPSIR概念模型由聯合國于1993首次提出[18]，它從系統分析的角度看待人與自然之間的相互作用并將表征一個自然系統的多個評價指標分成5種類型，即驅動力(Driving forces)、壓力(Pressure)、狀態(State)、影響(Impact)和響應(Responses)。

西安市水資源脆弱性評價指標體系由5部分構成，共包含11項指標。評價體系中各項指標的含義見表1。

表1 水資源脆弱性評價指標

3.3 評價模型的建立

3.3.1 各評價指標權重的確定 在評價指標體系建立之后，需要選擇一種合適的方法確定各項評價指標的權重。目前，被廣泛應用的方法主要有層次分析法[19]、專家調查法、BP神經網絡技術[20]以及熵權法[21]等。

層次分析法和專家調查法屬于主觀賦權法，主要依靠評價者主觀意愿進行賦權，隨意性太強。而客觀賦權法可以很好地體現指標數據的原始信息，規避了評價者的主觀意愿，熵權法就屬于其中一種。本文采取了熵權法進行指標賦權。

熵權法是信息論中經常用到的一種計算指標權重方法。在信息論中，信息是系統有序程度的一種度量，熵代表了系統的無序程度。

當指標的信息熵越小時，指標數據的差異也就越大，表明該項指標對被評價對象的影響作用越大，則該項指標所占的權重就越大。反之，熵越大，指標數據越均衡，表明該項指標對被評價對象的影響作用越小，則該項指標的所占權重也就越小[22]。按照下列步驟進行賦權：

(1)指標數據的標準化。將表1中所列11個評價指標(X1-X11)按照對水資源脆弱性的影響分為正向指標和負向指標。正向指標是指對水資源脆弱性有降低作用的指標，即正向指標的數值越大，水資源脆弱性越低。反向指標是指對水資源脆弱性有升高作用的指標，即反向指標數值越大，水資源脆弱性越高，越不利于水資源的可持續發展。由此，上述11個指標中，有效灌溉面積占播種比、降水量、供水綜合生產能力、建成區綠地率、城市污水綜合處理率為正向指標，除此5種指標之外其余6種指標為負向指標。

對于正向指標，采用下式進行標準化：

(1)

對于負向指標，采用下式進行標準化：

(2)

式中：rij為第j個評價指標下的第i個評價對象標準化后的值；xij為原始數據中第j個評價指標下第i個評價對象的數值；xmax j為第j個評價值中的最大值；xmin j為第j個評價值中的最小值。

(2)構造決策陣

R=(rij)n×m

(3)

式中：n為評價對象數量；m為評價指標數量。

(3)確定指標熵的值

(4)

(4) 確定指標的權重

(5)

其中，0≤wj≤1； ∑wj=1。從而，得到指標權向量W,即:

W=(w1,w2,…,wm)

(6)

3.3.2 評價結果的計算 通過熵權法得到各項指標的權重之后，利用模糊數學綜合評價法[23]計算評價結果。下式表示了該法的基本原理：

B=W·RT

(7)

式中：B為輸出結果，即模糊綜合評價結果；W為輸入，為熵權法得到的指標權向量；R為模糊關系矩陣，由各單因素經過標準化處理之后組合而成一個n×m階矩陣。·為模糊合成算子，是將W與R進行合成的方法。具體過程如下式：

B=W·RT

=(b1,b2, …,bn)

(8)

3.3.3 水資源脆弱性評價標準 目前，在水資源脆弱性評價體系中還沒有一套統一的評價標準，前人大都采取研究現狀與相關領域專家經驗相結合的方法制訂適用于所研究特定區域的評價標準[7]。本文在參考國際缺水標準的前提下，研究西安市水資源規劃相關文件及水資源現狀，結合相關專家經驗提出了一套適用于西安市水資源脆弱性評價的等級標準。將評價等級劃分為4級，即“不脆弱”、“輕度脆弱”、“中度脆弱”、“嚴重脆弱”4個等級，如表2所示。

表2 西安市水資源脆弱性評價標準

4 西安市水資源脆弱性評價

利用西安市近年來相關經濟效益與水資源動態數據對其進行水資源脆弱性評價，分別得到西安市時間和空間維度上的水資源脆弱性評價結果。

4.1 西安市時間維度上的水資源脆弱性評價

4.1.1 時間維度上的各指標權重的計算 基于西安市2007-2017年相關水資源及水文數據資料，采用公式(1)和(2)進行指標數據標準化，得到如下標準化矩陣R(n×m):

基于標準化矩陣進行熵值和權重的計算，計算結果如表3。由表3可得指標權向量W即:

W=(0.0878,0.0370,0.1569,0.0407,0.0787,0.0623,0.1177,0.1470,0.1133,0.0992,0.0593)

4.1.2 時間維度上的水資源脆弱性綜合評價結果 利用模糊數學算法公式(8)將標準化矩陣R與指標權向量W進行合成，得到西安市2007-2017年度時間維度上的模糊綜合評價結果向量B，計算式與結果如下:

B=W·RT=(0.0878,0.0370,0.1569,0.0407,0.0787,0.0623,0.1177,0.1470,0.1133,0.0992,0.0593)·

=(0.5993 0.4960 0.5995 0.4502 0.5457 0.3588 0.2928 0.4220 0.3888 0.4346 0.5192)

由上述計算可得西安市2007-2017水資源脆弱性模糊綜合評價得分，將此計算結果依據水資源脆弱性評價標準(表2)進行分級得到西安市2007-2017水資源脆弱性綜合評價結果(見表4)。

表3 西安市水資源脆弱性評價指標權重計算

表4 西安市時間維度上的水資源脆弱性模糊綜合評價結果

4.1.3 時間維度上的評價結果分析 結合西安市水資源現狀，基于DPSIR概念模型選取了11項評價指標，利用熵權法對各項指標的權重值進行了計算，得到了各項指標的熵值和權重值(見表3)，由表3作指標權重柱狀圖(見圖2)。由圖2可知，城鎮化率(X3)、居民生活用水占供水比(X8)、降水量(X7)、供水綜合生產能力(X9)4項指標所占權重最高，依次為0.1569、0.1470、0.1177、0.1133。由此可以說明，2007-2017年間，城鎮化進程的加快是導致西安市水資源系統產生脆弱性的最重要因素；居民生活用水占供水比表征居民日常生活對水的需求量，這是影響水資源系統脆弱性的重要因素；反映降水資源豐沛程度的降水量這一因素也是影響西安市時間維度上水資源脆弱性大小的關鍵因素。

圖2 西安市時間維度上的水資源脆弱性評價指標所占權重

運用模糊數學綜合評價方法，利用基于熵權法求出的權向量W和標準化矩陣R，結合分級標準(表2)得到了西安市2007-2017年時間維度上的水資源脆弱性綜合結果(見圖3)。由圖3可得：2007、2009、2011、2017年的綜合評價得分分別為0.5993、0.5995、0.5457、0.5192，脆弱性等級均為中度脆弱；2008、2010、2012、2014、2015、2016年的綜合評價結果分別為0.4960、0.4502、0.3588、0.4220、0.3888、0.4346，其脆弱性等級為輕度脆弱；2013年得分最優，為0.2928，為不脆弱等級。

圖3 西安市時間維度上的水資源脆弱性綜合評價結果圖

圖3反映了西安市2007-2017各年度水資源脆弱性綜合得分變化，從整體上呈現出水資源脆弱性的變化趨勢。由圖3可以看出，西安市水資源脆弱性2007-2017綜合評價得分整體上呈現先下降后升高的趨勢，2007-2013年間下降趨勢較為明顯，得分由2007年的0.5993顯著下降至2013年的0.2928，脆弱性由中度脆弱降低為不脆弱；2013-2017年間綜合評價得分出現上升趨勢，由0.2928上升至2017年的0.5192，脆弱性由不脆弱上升為中度脆弱，但總體上呈現下降趨勢。綜合各項評價指標以及西安市水資源相關政策進行分析如下，自2007年以來，西安市萬元工業產值污水排放量不斷減少，由2007年的15.67 m3下降至2017年的10.21 m3；供水綜合生產能力持續提高，由180.7 m3/d提高至206.5 m3/d，這主要是由于近年來西安市供水水源地供水充沛，水質優良，其中最主要的供水來自黑河水源地，由秦嶺流出，地下水埋深大，其水質達標率常年為100%，是西安市最良好的供水保障；城市污水綜合治理能力也不斷提升，污水處理廠個數由2007年底的4座增加至2017年底的37座,城市污水綜合處理率由61.52%顯著上升至93.10%。因此，西安市水資源脆弱性總體上呈下降趨勢主要是由于城市綜合供水以及污水處理能力的提高，引起西安市供水水質提高、水量增大，水生態持續改善，水資源系統抵抗外部負面影響的能力不斷上升。但自2014年以來，西安市水資源脆弱性呈現明顯上升趨勢，這與近年來西安市經濟水平的快速發展，人口的大量增加有密切關系。西安市常住人口城鎮化率由2007年的66.10%上升至2017年的73.42%，常住城鎮人口數由2014年的626.44萬人顯著增加至2017年的706.06萬人，尤其是自2017年實行人才引進政策以來，常住人口數自648.54萬人增加至706.06萬人，增加了8.9%，導致人口密度持續增加，水資源需求量不斷攀升。并且，隨著城市經濟水平的快速發展，人口的大量增加，城市生活污水以及工業廢水的排放量會大大增加，相應的水污染、水生態問題層出不窮，這些都是造成水資源脆弱性上升的重要因素。對此，西安市應加快水資源先進技術開發，加大水資源優化配置投入力度，構建集約節約的水資源利用體系促進水資源循環利用，防止水資源脆弱性進一步升高。

4.2 西安市空間維度上的水資源脆弱性評價

4.2.1 空間維度上的各指標權重的計算 按照西安市最新行政區劃，結合資料的易獲性以及水資源現狀，將西安市在空間維度上劃分為市區(包括新城區、碑林區、蓮湖區、灞橋區、未央區、雁塔區、閻良區、臨潼區、長安區以及高陵區)、藍田縣、周至縣、鄠邑區4大區域，即基于4個區域2011-2017年的各項數據，以此4個區域為研究對象分別基于熵權法求出各年度的各項指標所占的權重(見表5)。

表5 西安市空間維度上的水資源脆弱性評價指標所占權重

4.2.2 空間維度上的水資源脆弱性綜合評價結果 利用表5中各年度的指標權重Wi分別與本年度的標準化矩陣Ri按公式(8)進行計算得到本年度空間維度上的各分區的模糊綜合評價得分，2011-2017各年度的空間維度上的模糊評價得分如表6所示。

表6 西安市空間維度上的水資源脆弱性評價得分

4.2.3 空間維度上的評價結果分析 空間維度上的西安市水資源脆弱性評價利用年度各項資料數據，基于DPSIR模型選取11個評價指標，利用熵權法求取各個指標所占權重，最后采用模糊數學評價方法對各分區進行綜合評價評分。通過觀察各年度空間維度上的指標權重(表5)。不難發現，空間維度上的指標權重與時間維度上的相比各指標所占權重的大小差異更加明顯。以2017年為例，與時間維度上的權重占比不同，供水綜合生產能力(X9)和城市污水綜合處理率(X11)是影響上述4個區域水資源脆弱性的最重要的兩個因素，其余指標權重分布更加均勻，集中在0.06左右。從各項指標的年際變化角度來看，城市污水綜合處理率(X11)在西安市空間維度上的水資源脆弱性評價中所占比重自2011年起明顯增大,這說明城市污水綜合處理能力在對西安市空間維度上的水資源脆弱性的影響中扮演著日益重要的角色。

將表6的各年度空間維度上的水資源脆弱性評價得分與時間維度上的全市2011-2017的綜合評價得分進行比較，如圖4。

圖4 2011-2017西安市各區域水資源脆弱性評價得分曲線

根據圖4對各區域水資源脆弱性的年際變化進行分析，結果顯示市區和鄠邑區的水資源脆弱性綜合評價得分自2011年有明顯的降低趨勢，其中鄠邑區的綜合評價得分由2011年的0.5670降至2017年的0.4080，評價等級由中度脆弱下降到輕度脆弱，下降趨勢最為顯著。這說明市區和鄠邑區的水資源脆弱性近年來呈下降的趨勢，水資源可持續發展潛力大。藍田縣水資源脆弱性年際變化最為穩定，研究時段內維持在輕度脆弱水平；周至縣、鄠邑區、市區的水資源脆弱性2011-2013年均呈下降趨勢，2013-2017均呈上升趨勢，與時間維度上的變化趨勢一致。

以2017年為例對各區域水資源脆弱性評價結果進行分析。由評價結果可知，西安市各區域水資源脆弱性有明顯的差異。對2017年空間維度上的西安市水資源評價結果進行排名依次為：周至縣、藍田縣、鄠邑區、市區，處于輕度脆弱級別的周至縣是水資源脆弱性最低的地區，而處于中度脆弱的市區是脆弱性最高的地區。綜合各方面因素進行分析，發現市區與周邊區縣相比各方面存在著較大差異。例如市區2017年常住城鎮人口為580.29×104人，城鎮化率高達88.4%，人口密度遠遠大于其他區縣，因此水資源需求量遠超其他區縣；市區經濟發展水平高，是全市主要工業企業的駐地，生活污水及工業廢水排放量大，水環境問題嚴重，2017年萬元工業產值污水排放量高達10.79 m3，相比之下，鄠邑區的萬元工業產值污水排放量僅為3.11 m3；目前西安市市區配套供水管網存在不同程度的老化，水資源配置較低，這些均是造成市區水資源脆弱性高于其他地區的主要因素。對此，西安市各級地區政府應根據空間差異因地制宜, 協調經濟發展與水資源之間的關系，提高城市水資源利用率，降低水資源脆弱性。

綜合時間維度與空間維度上的水資源評價結果，西安市各區縣水資源脆弱性年際變化整體上一致，均呈現先下降后上升的趨勢，尤其是近兩年均呈現出上升趨勢，空間異質性明顯，各區縣水資源可持續發展潛力大，因此西安市應進一步優化水資源配置，提升水資源開發與利用的合理性，這是改善水資源系統脆弱性的關鍵，也是進一步推進大西安國家中心城市、國際大都市建設的持續生態驅動力。

5 結 論

(1)時間維度上的西安市水資源脆弱性評價結果顯示：西安市2007-2017水資源脆弱性整體上呈現先下降后上升的趨勢，2007-2013明顯下降，2013-2017升高，除2013年為不脆弱狀態外，其余年份均為輕度或中度脆弱。經濟社會快速發展和人口持續增多導致的水資源需求量的增大是西安市水資源脆弱性的最主要原因。

(2)2017年西安市水資源脆弱性按地區由高到底依次為：市區，鄠邑區、藍田縣、周至縣。市區與周邊地區之間評價結果存在明顯差異，市區水資源脆弱性明顯高于其他區縣，供水綜合生產能力和城市污水綜合處理率是影響西安市不同區縣水資源脆弱性差異的最重要的兩個因素，各級地區政府須根據空間差異因地制宜，盡快提出降低脆弱性的適應性政策。

(3)綜合時間維度與空間維度上的水資源評價結果，西安市水資源可持續發展潛力大，進一步優化水資源配置，提高水資源利用率，緩解供需矛盾是降低水資源脆弱性的關鍵，是未來實現“大西安生態發展夢想”的強大驅動力。