基于DPSIR模型的甘肃省2000-2018年水安全评价

张 洋, 李 鹏, 杨 志, 李占斌, 李才文

(1.西安国际港务区农业农村和水务局, 陕西 西安 710026; 2.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室, 陕西 西安 710048; 3.旱区生态水文与灾害防治国家林业局重点实验室, 陕西 西安 710048;4.宁夏回族自治区水土保持监测总站, 宁夏 银川 750002; 5.国家林业和草原局西北调查规划设计院, 陕西 西安 710048)

水资源是人类社会发展不可或缺的战略性资源，对于维护生活、生产、生态良好发展具有重要的意义[1]。近年来，由于用水量的激增以及不合理的开发利用导致水资源安全面临严重的挑战，同时伴随着水环境污染以及水灾害频发，水安全问题变得更为严重[2]。水安全最早于20世纪70年代被提出，目标为使水资源管理朝着可持续方向发展，其重点是满足社会和生态用水需求[3-4]。2019年习近平总书记提出黄河流域生态保护和高质量发展国家战略，甘肃省是黄河流域重要的涵养区，必将扮演着举足轻重的作用[5]。近20 a，甘肃省经济在西部大开发中得到迅猛发展，与此同时，也面临着水资源匮乏、生态环境破坏、各行各业争水等一系列问题，导致水安全问题日趋突出[5]。因此，通过采用科学合理的水安全评价指标体系，明确水安全状态的变化趋势，确定现阶段水安全状况，找出影响水安全的制约因素，对于促进甘肃省在新的国家战略中全面健康持续发展具有重要的现实意义。国内外学者[2-3,6]对于水安全的研究首先从其定义以及保护对策进行分析和探讨。随着学者对于水安全定义及其基础理论研究的不断深入，大量学者开始从水安全指标体系的构建对水安全进行定量评价，主要的评价角度包括水贫困指数法[7]、水压力指数法[8]、PSR(压力、状态、响应)模型法[9-10]等。评价方法则包括层次分析法[11]、主成分分析法[8]、模糊综合评价法[12-13]等。本研究从综合评价指标体系的角度进行度量，采用最新的DPSIR模型，运用熵值法和单指标量化—多指标综合—多准则综合的方法对甘肃省水安全进行综合评价，旨在为甘肃省在面对西部大开发新格局和“一带一路”新机遇的政策下提供更多的理论依据。

1 构建基于DPSIR框架模型的甘肃省水安全评价指标体系

1.1 研究区概况

甘肃省位于中国西北部，属于典型的温带大陆性气候，降雨量自东往西由500 mm降至50 mm，相差极大，甘肃省水资源自产量为2.89×1010m3，人均水资源与全国相比约为全国人均的1/2，耕地平均水资源量仅为378 m3/hm2，与全国相比，约为全国平均水平的1/4。该省河川径流年内分配不均，汛期(5—9月)水量集中，冬春季水量小，全省水资源开发利用程度在2018年达到31.6%。

1.2 指标体系的构建

本研究数据来源于《中国统计年鉴》《中国环境统计年鉴》以及《甘肃省水资源公报》。选取年份为2000,2005，2010，2015和2018年。

DPSIR模型最早由欧洲环境署(EEA)提出，在DSR(驱动力、状态、响应)和PSR模型的基础上纳入新的指标进行扩展，同时具备两者的特点[14]。DPSIR模型的优点在于能够对社会环境与经济之间的相关信息进行有效的捕捉，同时能够较好的展现两者的关系，从而对某一地区生态环境和资源变化进行客观系统的评估。具体来说，DPSIR模型对应的逻辑结构如图1所示。

图1 DPSIR模型框架

本研究基于DPSIR模型，将甘肃省水安全评价体系分解为目标层、准则层、指标层3个层次，为了能够准确描述甘肃省2000，2005，2010，2015和2018年水安全变化趋势，选取了22个能够反映甘肃省水安全问题的典型指标[15]。驱动力子系统主要指由社会因素和自然因素共同对区域水安全的作用；压力子系统是由人类生活生产活动在驱动力的推动下对区域水安全的影响；状态子系统是区域的生态、环境以及社会发展在驱动力和压力作用下所处的环境；影响子系统是上述指标对社会发展以及生态环境的影响；响应子系统是对水安全状态所采取的措施体现。指标的选取原则遵循科学性、系统性、静动态结合以及可操作性的原则[16]。具体指标详见表1。

表1 甘肃省水安全综合评价指标体系

2 材料与方法

2.1 熵值法

熵值是不确定的一种度量。利用熵值携带的信息分别对指标层和准则层进行权重的计算，为DPSIR模型综合评价水安全提供依据[17]。

具体计算步骤为：

(1) 数据的无量纲化。通过对原始数据进行无量纲化来消除数据的量纲及数量级不一致对结果的影响。

标准化公式为：

(1)

(2)

采用坐标平移来消除标准化后的数值可能出现的正负值，具体方法为：

(3)

式中：Mij是坐标平移后的值;L是坐标平移值，L取整数且取值范围为[0,5]。

(2) 指标比重Rij根据公式(4)计算：

(4)

(3) 第i项指标的熵值ei计算公式为：

(5)

(4) 第i项指标的差异性系数gi：

gi=1-ei

(6)

(5) 第i项指标的权重ω2i：

(7)

(6) 准则层的权重ω2k计算公式为：

(8)

式中：Gk为各准则层指标的变异系数之和。

2.2 单指标量化-多指标综合-多准则综合

2.2.1 单指标量化 采用分段线性隶属度量化各指标的子安全度，大小为0～1。采用a，b，c，d，e来分别表示各个指标的最差值、较差值、及格值、较优值和最优值[18]。水安全评价特征值标准划分主要遵循了以下原则：部分指标参考标准通过结合国际共识与中国国情，参考多年全国平均水平及国家和省级发展规划划定以及部分学者的研究成果[8,11,19]，结果详见表2。正向指标的子安全度随指标值的增大而增大，反向指标则相反。相关计算公式为：

表2 甘肃省水安全评价指标标准

(9)

(10)

式中：xk，ISDk分别为第k个指标的指标值和子安全度。

2.2.2 多指标综合 利用熵值法确定指标权重大小，7个分类子系统的安全度计算为：

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

式中：WD,WP,WS,WI,WR分别为各准则层的安全度;wk为第k个指标权重;n1，n2，n3，n4，n5分别为各个的分类数量。

2.2.3 多准则综合 在此基础上，水安全度利用下式计算：

WSD=β1WD+β2WP+β3WS+β4WI+β5WR

(16)

式中：WSD为区域水安全度；β1，β2，β3，β4，β5分别为各准则层的权重。

基于评价得到的水安全结果，等间距将区域水安全程度分为6个水平[20]，结果详见表3。

表3 区域水安全度(WSD)值水平划分标准

3 结果与分析

3.1 指标权重

通过熵权法对甘肃省2000，2005，2010，2015和2018年22项指标进行处理，得到各指标权重及准则层权重结果详见表4。在22项指标层中，驱动力3个指标中人口自然增长率权重占比0.587 0，表明各年中人口对甘肃省水安全的驱动力影响较大；压力5个指标中农业用水率权重占比0.228 0，表明农业用水率是导致水安全压力增大的重要影响因素；状态的6个指标中水质监测断面达标率的权重占比达到0.280 5，表明水质是影响甘肃省水安全状态的重要因素；影响4个指标中城市化率和第三产业增加比重的权重较大，说明驱动力和压力的变化对状态产生了强大的影响，而这种影响直接表现在城市化率和第三产业增加值比重上；响应4个指标中权重占比相差不大。准则层中响应权重值最低，仅为0.09，一定程度上说明甘肃省整体水安全欠佳。状态准则层的权重最大，达到了0.4，说明驱动力和压力的变化产生了很大的状态。上述结果表明水资源量对水安全优劣的决定性作用具有一定的上限，状态准则层的指标对甘肃省水安全评价有着重要意义，甘肃省水安全通过提高用水效率、绿化面积和控制人口数量来促进水安全的提升。同时，响应指标层的权重较低，则反映出在研究时段内，尽管甘肃省对于水安全的重视程度不断增强，但是效果还是不够理想。

表4 甘肃省各指标权重及准则层权重结果

3.2 水安全总体评价结果

依据DPSIR模型对甘肃省2000，2005，2010，2015和2018年22个指标进行收集整理，通过标准化处理，利用熵值法计算水安全各项指标的权重和单指标量化—多指标综合—多准则综合的方法计算甘肃省水安全。根据表3对甘肃省水安全得分情况进行划分，结果详见表5。由表5可以看出，甘肃省水安全得分总体上呈现上升趋势，2000—2010年水安全得分围绕0.26～0.29波动，全时段处于不安全状态；2015年水安全得分为0.35，水安全状态由不安全上升至较不安全；2018年水安全得分为0.45，虽有所上升，但水安全测度值状态依然为较不安全。由甘肃省水安全测度值雷达图(图2)可知，甘肃省水安全测度值得分在2018年得到很大的提升，接近基本安全状态。可见，对于水资源的保护、环境治理、提高水资源利用效率等整治措施对于水安全状态的提升有一定的积极作用，但同时由于经济的快速发展、人口的过度增长、城镇化的推进等社会用水因素对水安全状态的仍然会带来一定的负面影响，总的来说甘肃省水安全状态具有很大的提升空间。

表5 甘肃省水安全度值总体评价结果

图2 甘肃省水安全测度值总体评价结果

3.3 水安全DPSIR指数评价分析

依据上述甘肃省水安全评价结果，针对5个准则层分别进行动态趋势分析，结果详见表6。可以依据分析结果找出影响甘肃水安全状况的主要因素，从而找出问题及风险的症结所在，为后续制定对策提供依据。

表6 甘肃省水安全DPSIR评价结果

甘肃省水安全准则层评价结果表明，驱动力子系统在2000，2005，2010，2015和2018年都处于较不安全状态。在2015年达到最差，2018年上升为0.45。GDP增长率、人口自然增长率和单位面积水资源量是影响驱动力子系统的主要因素。根据统计的原始数据发现GDP增长率虽有所下降，但人口自然增长率处于变好趋势，同时单位面积水资源量在增大。总的来说，驱动力状态虽然在变好，但依然处于较不安全状态，需要引起重视。从图3可以看出，压力子系统在2010年处于最低值，为严重不安全，2010年之后虽有转好趋势，但依然处于不安全状态。通过原始资料发现农业用水率和人均生活用水量高居不下是影响压力子系统处于不安全的重要因素，同时2010年较高的生态用水率(由2000年的0.165%上升至2010年的11.2%)也是导致压力子系统变差的主要因素之一。由驱动力子系统和压力子系统导致的状态子系统自2000—2018年总体上缓慢上升，但2010年状态较差，主要原因在于2010年较高的水资源利用率(达到56.6%)和恩格尔系数(达到37.1%)。2018年状态子系统得分为0.49，但依然处在较不安全的边缘，变好的主要原因是由于人均GDP、恩格尔系数、水质以及森林植被覆盖率在逐渐变好。影响子系统指上述3个子系统作用下所产生的结果，即自然资源、生态环境与社会经济发展对人们生产、生活所造成的影响。影响子系统虽有上升但一直处于较不安全的状态，主要取决于经济发展使得人们对于绿化和环境的重视程度越来越高，以及用水普及率的增高，使得影响子系统偏好。响应子系统总体在变好，由2000年的严重不安全到2018年为基本安全，取决于甘肃在水利环保方面的投资力度加大，使得响应子系统在5个准则层中处于较好状态。综上，甘肃省水安全5个准则层总体上呈上升趋势，但后劲不足，除了影响子系统外都处于较不安全的状态，尤其是驱动力和压力子系统。如果不重视驱动力和和压力子系统对水安全所带来的影响，后续不仅会导致响应子系统变差，更会导致甘肃省水安全总体健康值降低。

图3 甘肃省2000-2018年水安全准则层评价结果

4 结论与建议

本研究基于DPSIR模型，综合考虑了人口、社会经济、自然资源和生态环境，建立以驱动力、压力、状态、影响、响应5个准则层和22个指标为基础的甘肃省水安全测度值健康评价系统。通过运用熵值法计算各个指标权重，结合单指标量化—多指标综合—多准则综合的方法分析甘肃省水安全健康值的动态变化。结果表明甘肃省水安全健康值由2000年的不安全上升至2018年的较不安全，总体上虽呈上升趋势，但幅度依然较小，处于基本安全线以下，情况不容乐观。导致水安全健康值整体水平较低的主要原因是驱动力较弱，导致压力较大，从而响应水平有限；状态和影响虽然也处于较不安全，但逐年稳步上升，是推动甘肃省水安全健康值向更高水平发展的重要动力。

为改善甘肃省水安全状况，可以从水资源、水环境和社会经济方面3个方面入手。水资源方面通过修建相关工程措施来改善和调节水资源时空分布不均衡状况，在提高防洪和水资源利用能力的同时提高各业供水保障能力，同时加强社会各行业节水宣传，形成节水优先的良好社会风尚和理念，建立精心用水和管水的激励机制。水环境方面应提高绿化建设水平，提高污水处理率和污废水回收利用率，降低水治理的各种成本。社会经济方面应该合理控制主城区人口，有序引导人口向节点城市汇聚，调整产业结构，提高产业用水效率，增加对水利环保事业的投资力度，建立健全取水和用水规章制度，从而提升甘肃省水安全水平。