黃河流域水資源安全評價及時空格局

張玉澤，王 爽

（1.濟南大學 商學院，山東 濟南 250022；2.山東省標準化研究院，山東 濟南 250014）

1 引 言

2019年9月18日，習近平總書記在鄭州主持召開座談會，將黃河流域生態保護和高質量發展上升為重大國家戰略，提出“把水資源作為最大的剛性約束”。“水多、水少、水臟、水渾”是治黃歷史矛盾，新時期“水少”逐漸演化成主要矛盾［1］。2021年中共中央、國務院印發的《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》指出，黃河流域最大的矛盾是水資源短缺，黃河流域水資源開發利用率高達80%，遠超40%的生態警戒線。當前黃河流域面臨的糧食安全、能源安全、生態安全及經濟發展滯后等問題，都與水息息相關［2］。隨著經濟社會的發展，黃河流域水資源短缺的態勢將更加凸顯。科學評價黃河流域水資源承載力和水資源安全水平是保障流域用水安全、實現水資源與經濟社會協調發展的前提［3］。

近年來，學界關于水資源安全評價的研究較多，集中在水資源安全評價的內涵、指標體系構建、評價方法與典型區域評價等方面［4－5］。水資源安全評價用于衡量一個國家或地區（流域）在現有或可預見的經濟、技術條件下，按照可持續發展原則，水資源能否滿足國民經濟和社會可持續發展的需要，其實質在于評價水資源供給能否滿足合理的用水需求［3］。基于此內涵，國內學者建議綜合考慮水資源對區域人口、資源、環境和經濟協調發展的支撐能力，從水量安全、水質安全、水生態環境安全、與水有關的經濟社會安全等維度構建綜合評價指標體系［6－7］，評價方法主要有層次分析法［8－10］、模糊綜合評價法［11］、物元分析法［12］、投影尋蹤法［13］、水足跡法［14］、DPSIR模型［15－16］等。一些學者對黃河流域部分區域的水資源安全進行評價，如張修宇等［10－11］分別對河南省引黃受水區和黃河下游引黃灌區進行了評價，武蘭珍等［17］對黃河流域甘肅段進行了評價，但少有學者對黃河流域整體的水資源安全進行評價。因此，筆者選擇能夠反映指標間因果關系的DPSIR（驅動力－壓力－狀態－影響－響應）模型，對黃河流域水資源安全進行評價，以期為黃河流域水資源與經濟社會生態協調發展提供參考。

2 研究方法

2.1 評價指標體系構建

水資源安全是“人－水耦合系統”的動態演變過程，評價指標體系既要反映系統目前的狀態，又要反映其發展態勢，同時要體現各省（區）間、各子系統之間相互影響、互為因果的關系。DPSIR模型是在PSR（壓力－狀態－響應）模型基礎上發展而來的，是一種在環境系統評價中被廣泛使用的概念模型，該模型從系統的角度看待人與環境系統的相互作用，比較適用于流域水資源安全評價［18］。具體而言，驅動力反映人類活動（人口增長、經濟社會發展等）對水資源系統演化的原始驅動力，表征經濟社會發展對水資源安全的保障能力；壓力伴隨驅動力產生，主要反映人類活動對水資源產生的壓力，即人口及經濟社會各個部門發展對水資源需求量的增加造成的水資源系統變化（水體污染、水質惡化、可利用水資源量減少等）；狀態反映水資源系統在壓力作用下所處的狀態，表征水資源的流量、存量以及水質的變化；影響反映水資源開發利用過程及當前狀態對人類社會的影響；響應反映政府和社會針對水資源系統演化過程中出現的問題所采取的措施，體現為政策、法律及經濟手段等。根據DPSIR模型，結合黃河流域發展狀況及已有研究成果［15－16］，從水資源、經濟社會發展和生態環境等維度選擇了21項指標，構建黃河流域水資源安全評價指標體系（見表1）。

表1 黃河流域水資源安全評價指標體系

2.2 利用熵值法計算水資源安全評價值的步驟

（1）數據標準化處理。利用極差標準化方法對指標數據進行標準化處理：

式中：Xij為i地區的第j個指標值；X′ij為數據標準化后的指標值；Xjmin、Xjmax分別為第j個指標的最小值、最大值。

（2）計算指標信息熵值和信息效用值。第j項指標的信息熵值計算公式為

式中：ej為信息熵值，對于一個信息完全無序的系統，其有序度為0，信息熵值最大，ej＝1；K為常數，與系統的地區數m有關，當m個樣本處于完全無序分布狀態時，K＝1／lnm。

第j項指標的信息效用值計算公式為

（3）計算指標權重。第j項指標的權重計算公式為

（4）計算水資源安全評價值。i地區第j個指標的評價值計算公式為

第i個地區的水資源安全評價值計算公式為

2.3 水資源安全評價等級劃分

上述運用熵值法得出的水資源安全評價值在0與1之間，評價值越接近1說明水資源安全狀況越好，評價值越接近0說明水資源安全狀況越差。為便于分析，在參考相關文獻［19］的基礎上，經過專家討論，將水資源安全狀態劃分為Ⅰ級（不安全）、Ⅱ級（較不安全）、Ⅲ級（中等安全）、Ⅳ級（較安全）和Ⅴ級（安全）5個等級（見表2）。

表2 黃河流域水資源安全狀態等級劃分

3 黃河流域水資源安全評價

3.1 研究區概況及數據來源

黃河自西向東流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陜西、河南、山東9個省（區），其中四川省絕大部分地區屬于長江流域，僅阿壩藏族羌族自治州部分地區屬于黃河流域，考慮行政區的完整性，選擇青海、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陜西、河南、山東8個省（區）為研究區。水資源短缺是黃河流域的最大矛盾，上中游大部分地區位于400 mm年降水量等值線以西，氣候干旱少雨，黃河流域多年平均降水量446 mm，僅為長江流域的40%；多年平均水資源總量647億m3，不到長江的7%。黃河流域是我國重要的農業主產區和能源基地，流域內城市群規模不斷擴大，農業用水、工業用水及生活用水量均較大，導致用水矛盾尖銳。

研究數據來源于上述8個省（區）的統計年鑒（2006—2020年）、《中國統計年鑒》（2006—2020年）、《中國環境統計年鑒》（2006—2020年）、《中國水利統計年鑒》（2006—2020年）、《中國水資源公報》（2005—2019年）、《黃河水資源公報》（2005—2019年）等，黃河流域的數據按照上述8個省（區）的相關數據累加求得。

3.2 黃河流域水資源安全變化趨勢

總體來看，2005—2019年黃河流域水資源安全評價值呈現波動上升趨勢（見表3）。2005—2012年黃河流域水資源安全評價值在0.2～0.4范圍波動，為Ⅱ級，其中2006年評價值僅為0.275，說明該時段黃河流域水資源處于較不安全狀態，水資源短缺，不能夠滿足國民經濟和社會可持續發展的需要；2013年黃河流域水資源安全評價值為0.432，達到Ⅲ級，此后呈現明顯上升趨勢，2017年評價值為0.598，說明黃河流域水資源安全得到初步改善，水資源基本能夠滿足國民經濟和社會可持續發展的需要；2018年評價值達到峰值0.694，2019年小幅度回落至0.687，仍為Ⅳ級，說明2018年和2019年黃河流域水資源能夠滿足國民經濟和社會可持續發展的需要，達到了較為安全的狀態。2005—2019年黃河流域水資源安全狀態從Ⅱ級上升到Ⅳ級，改善明顯，但仍未達到Ⅴ級，未來仍有提升空間。

表3 2005—2019年黃河流域水資源安全評價結果

結合DPSIR模型，從5個準則分析黃河流域水資源安全狀況改善的原因。從表3可以看出，2005—2019年驅動力評價值小幅度上升，壓力、影響評價值小幅度下降，狀態、響應評價值上升趨勢明顯。具體而言，驅動力評價值由0.089波動上升到0.094，年均增長率僅為0.37%，說明人均GDP、第一產業比重、人口密度、城鎮化率等指標對水資源安全提升的貢獻很小，經濟社會發展為水資源安全提供的保障不大；壓力評價值由0.122波動下降到0.118，說明從單位產出用水量和居民人均用水量等指標來看，黃河流域經濟發展、工農業生產和居民生活對水資源造成的壓力增大，流域水體污染、水質惡化有所加重；狀態評價值由0.008波動上升到0.249（年均增長率為28.41%），響應評價值由0.016波動上升到0.132（年均增長率為16.22%），這兩個準則評價值增長較為明顯，說明政府和社會針對水資源問題采取的措施較為有效，使水資源數量和質量得到改善，提升了水資源安全水平；影響評價值由0.105波動下降到0.095，說明從廢水中COD排放量、廢水中氨氮排放量、農田高效節水灌溉面積率和人均年供水量等指標看，水資源問題對經濟社會發展產生不利影響，水資源安全狀況有所下降。

綜上所述，2005—2019年黃河流域水資源安全改善主要得益于狀態和響應指標的提升；經濟社會發展未能為水資源安全提供充分的保障，而是形成了壓力，水資源一定程度上對經濟社會發展構成了約束。可以說，當前對黃河流域水資源的治理已達到較高水平，未來較難有所突破，現有產業結構的用水效率很難大幅度提升，通過調整產業結構提升水資源安全是未來的努力方向。這與國內其他學者的研究結論較為一致，如張曉濤等［20］研究發現黃河流域工農業生產耗用水資源的同時貢獻了相同比例的GDP，認為未來節水只能從產業結構調整和發展節水技術入手；王浩等［1］研究發現黃河流域水資源利用效率僅次于京津冀地區，認為通過深度節水緩解水資源供需矛盾的潛力不大。

3.3 黃河流域水資源安全空間格局分析

由表4可知，2005—2019年黃河流域水資源安全狀況呈好轉趨勢，省（區）間差異減小。2005年黃河流域上、中、下游水資源安全狀況差距較大，青海為Ⅳ級，內蒙古、陜西和山東為Ⅲ級，甘肅、山西和河南為Ⅱ級（較不安全），寧夏僅處于Ⅰ級。2012年寧夏水資源安全狀況有所改善，達到Ⅱ級，其他省（區）評價值小幅度增加，水資源安全等級未發生改變。2019年流域水資源安全狀況繼續好轉，青海仍為Ⅳ級（水資源安全評價值達到0.713），寧夏為Ⅱ級（較不安全），其他省（區）均為Ⅲ級。2005—2019年各省（區）對水資源保護力度加大，但水資源開發利用大都采用以需定供模式。經濟較發達地區水資源開發利用程度較高，驅動力和響應指標評價值較高，壓力、狀態和影響各指標評價值較低；經濟欠發達地區情況相反，導致經濟發達地區和欠發達地區的評價值差距逐漸縮小。雖然2005—2019年黃河流域水資源安全狀況有所好轉，但整體形勢仍不容樂觀，2019年絕大部分省（區）為Ⅲ級及以下等級，流域水資源沒有達到“較安全”或者“安全”的狀態。究其原因，一是黃河流域水資源稟賦先天不足、水資源與產業結構不匹配；二是流域水資源規劃管理長期遵循以需定供的模式，強調保障供水、滿足生產用水需求，導致水資源過度開發。

表4 典型年各省（區）水資源安全評價結果

具體到各省（區）來看，青海省水資源安全狀態相對理想，2005—2019年青海省水資源安全評價值從0.607增至0.713，為Ⅳ級（較安全），水資源能夠滿足國民經濟和社會可持續發展的需要，達到良好狀態。青海省水資源稟賦較好、人口密度小，人均水資源量遠大于其他省（區），雖然人均GDP、第一產業比重、單位產出用水量等指標評價值小于其他省（區），但其水資源安全評價值仍高于其他省（區）。

2005—2019年陜西、內蒙古、山東三省（區）經濟相對發達、用水效率較高，水資源為Ⅲ級（中等安全）。陜西水資源相對豐富，經濟發展較好，人均GDP、第一產業比重、單位產出用水量、人均水資源量等指標具有優勢，因而其驅動力、壓力、狀態評價值較高。內蒙古人口密度、人均水資源量指標優勢明顯，單位產出用水量和人均用水量等壓力指標評價值較小。山東作為沿海經濟發達地區，水資源利用效率較高，驅動力、壓力、影響和響應各指標均具有一定優勢，水資源安全評價值由2005年的0.413增大到2019年的0.497。

2005—2019年河南、山西、甘肅三省水資源安全由Ⅱ級（較不安全）改善為Ⅲ級（中等安全），2019年三省水資源安全評價值分別為0.450、0.412、0.403，水資源基本能夠滿足國民經濟和社會可持續發展的需要，說明2005—2019年三省水資源安全得到較大改善，但仍有較大進步空間。

2005—2019年寧夏水資源安全評價值由0.196增長到0.351，從Ⅰ級（不安全）演變為Ⅱ級（較不安全），說明寧夏水資源短缺，不能滿足國民經濟和社會可持續發展的需要。寧夏位于黃河中上游，受氣候條件、地形地貌等因素限制，降水量少、人均水資源量不足、經濟相對落后、產業結構不合理、單位產出用水量和人均用水量大、水土流失和草場退化嚴重，是黃河流域水資源治理的重點地區。

4 結論與建議

4.1 結 論

2005—2019年黃河流域水資源安全評價值呈現波動上升趨勢，2019年評價值為0.687，達到Ⅳ級（較安全）。流域水資源安全狀況改善主要得益于狀態和響應指標的提升，經濟社會發展未能為水資源安全提供充分的保障，而是形成了壓力，水資源一定程度上對經濟社會發展構成了約束。從空間分布來看，流域水資源安全省（區）間差異性減小，但整體形勢仍不容樂觀，2019年絕大部分省（區）為Ⅲ級及以下等級。究其原因，一是流域水資源稟賦先天不足，水資源與產業結構不匹配；二是流域水資源規劃管理長期遵循以需定供模式，強調保障生產用水需求，導致水資源過度開發。具體分析各省（區）的水資源安全狀況，青海省水資源稟賦較好，水資源安全等級穩定保持在Ⅳ級（較安全）；陜西、內蒙古、山東三省（區）用水效率較高，水資源安全等級穩定保持在Ⅲ級（中等安全）；河南、甘肅、山西三省受氣候條件、產業結構等因素限制，水資源安全等級由Ⅱ級（較不安全）改善為Ⅲ級，仍有較大發展空間；寧夏水資源安全等級從Ⅰ級（不安全）演變為Ⅱ級，水資源短缺，不能滿足國民經濟和社會可持續發展的需要，是黃河流域水資源治理的重點地區。

4.2 建 議

為了提高黃河流域水資源安全水平，減小水資源對經濟社會發展的制約，需轉變以需定供的用水思路，按照“把水資源作為最大的剛性約束，以水而定、量水而行”的原則，努力提升流域水資源安全水平，實現水資源可持續發展。一是根據流域可開發的水資源量調整發展規模和產業結構，優先生活用水，控制生產用水，重點加強農業節水，限制低用水效率產業發展，適度促進高用水效率產業發展；二是根據各省（區）水資源安全狀況和水資源對各產業的約束大小調整產業結構，推動產業從供水條件較差、水資源約束較大的地區向約束較小的地區轉移；三是繼續推進南水北調工程建設，綜合考慮流域其他資源和要素進行水資源調配。