基于DPSIRM概念框架模型的岩溶区水资源安全评价

张凤太，王腊春，苏维词（1.贵州师范学院资源环境与灾害研究所，贵州 贵阳 550003；.南京大学地理与海洋学院，江苏 南京 10093；3.贵州省山地资源研究所，贵州 贵阳 550001）

基于DPSIRM概念框架模型的岩溶区水资源安全评价

张凤太1，2，王腊春2，苏维词3*（1.贵州师范学院资源环境与灾害研究所，贵州 贵阳 550003；2.南京大学地理与海洋学院，江苏 南京 210093；3.贵州省山地资源研究所，贵州 贵阳 550001）

针对目前水资源安全评价中存在的评价指标片面性、单个指标隶属信息遗漏及权重确定主观性问题，以岩溶典型区-贵州省为例，结合岩溶地区水资源的特点，构建基于驱动力-压力-状态-影响-响应-管理（DPSIRM）概念框架的岩溶区水资源安全 DPSIRM评价指标体系，借助灰色-集对模型对贵州省2005～2012年水资源安全进行定量评价，研究结果表明： 2005和2006年整个贵州省水资源安全处于临界安全状态，2007～2012年处于较安全状态，贵州省水资源安全呈现整体转好的态势.水资源的状态和水资源管理是目前影响贵州省水资源安全的重要因素；因此，在继续调整经济结构转变增长方式同时，提高水资源的利用效率，加大水资源基础设施建设的投入，加强水资源管理制度建设和提高水资源管理制度的落实情况，是贵州省水资源安全的根本保障；该评价模型和指标体系适用性较强，评价结果较为客观，为岩溶地区水资源安全评价提供了一个新视角和新方法.

岩溶区；DPSIRM概念框架；灰色-集对模型；水资源；安全

水资源既是基础性的自然资源，也是战略性的经济和社会资源，因此，水资源安全不仅是生态环境问题，也是关系到国家安全的经济问题、社会问题和政治问题［1］.水资源安全已成为水资源领域研究的热点.

近年来学术界对水资源安全的研究较多，取得了丰富的研究成果，研究内容主要集中在水资源安全的定义［2］、水资源安全的评价指标体系构建［3］、评价模型的设计与选择［4］、水资源安全阈值测度［5］、水资源安全与粮食安全的关系［6］、水资源安全与经济社会发展的关系［7］和水资源安全对策［8］等方面，研究对象主要集中在城市水资源安全［9-10］、流域（区域）水资源安全［11］、农业水资源安全［12］等方面，研究区域主要集中在中东部发达地区和水资源相对短缺的西北部干旱地区［13］.西部岩溶区作为一个独特的地理单元，由于其处于亚热带，降水丰富，在传统意义上属于水资源丰富地区，但是由于其特殊的地质地貌基础，岩溶裂隙发育，地下水与地表水转化迅速，相互耦合，地表水资源短缺，水资源安全面临巨大挑战.生态地位十分重要，目前还被大多数人所忽视，相关研究甚少.水资源安全评价研究方法主要体现在评价指标体系的构建、指标权重的确定和评价模型的设计与选择方面，研究方法对水资源安全评价结果的影响较大.目前水资源安全评价指标主要从水质、水量和生态［4］，压力-状态-响应［14］，驱动力-压力-状态-影响-响应［10，15］等角度来构建指标体系；权重确定和评价模型主要有模糊综合评价法［16］、层次分析法［14］、熵权法［17］、系统动力学法［18］、物元法［19］、水足迹法［20］、集对分析法［21］等，如曹琦等使用的“驱动力-压力-状态-影响-响应”概念框架（DPSIR），结合内陆河流域水资源供需调配、水质污染控制以及水资源安全管理理论，从系统动力学的角度出发，构建了流域水资源安全评价DPSIR框架［10］；韩玉等运用产品虚拟水研究方法计算了河北省的虚拟水消费和水足迹，对水资源安全进行评价［20］；孙月峰等针对水资源安全的复杂性、不确定性等特点，从复杂系统视角出发分析水资源安全的影响因素及其特征.并采用熵权法与主观赋权法确定综合权重，借助模糊综合评价模型对天津城市水资源安全进行评价［16］.吴开亚等基于加速遗传算法的模糊层次分析法筛选评价指标，构建了流域水资源安全评价指标体系及其评价等级标准，提出了用集对分析方法构造流域水资源安全评价样本符合评价等级标准的可变模糊集的相对隶属度的新方法，进而利用模糊综合评价方法建立了流域水资源安全定量评价模型［22］.这些研究无疑对当前水资源安全的研究起到了巨大的推动作用，但也存在不足：（1）指标选择片面，忽视了水资源安全演进变化全过程和内在机制，没有凸显水资源安全管理的重要性.（2）指标权重过度依赖于专家经验，受到专家理论水平和研究区熟悉程度的影响，主观性较强，忽视了指标客观信息［15］.（3）现有研究方法主要是首先人为划分出安全的等级取值范围，然后利用综合模型计算出评价对象的安全综合得分，最后根据综合得分归属安全等级，一方面人为主观性较强，另一方面完全忽略了单个指标与安全等级之间的关系，将单个指标的隶属信息遗漏［23-24］.

灰色关联法，基于灰色理论，其原理是若干统计数列所构成的各条曲线几何形状越接近，即越相平行，则它们的变化趋势越接近，其关联度就越大［25］，具有数学模型的客观性，同时分辨系数体现一定的主观性，主客观结合，权重确定更趋合理.但目前灰色关联法确定权重在水资源安全研究领域涉及还较少.集对分析方法基于单个指标与评价等级的隶属关系，进而综合集成评价对象的安全等级，能很好反映水资源内部的演进变化全过程和内在机制.驱动力—压力—状态—影响—响应-管理（DPSIRM）模型综合考虑影响水资源安全的经济、社会、生态、环境等因素，完全刻画了水资源安全的演化内在机理，突出了自然环境、资源与人类的耦合关系，凸显了水资源安全管理的重要性.鉴于此，本文构建了基于驱动力—压力—状态—影响—响应-管理（DPSIRM）模型的岩溶区水资源安全评价指标体系，并构建灰色关联-集对分析模型对岩溶典型区-贵州水资源安全进行实证研究，对岩溶地区水资源安全定量化评价做出初步探索，为岩溶地区的水资源安全研究和生态环境建设提供方法借鉴和理论参考.

1　水资源安全DPSIRM框架

1970年，加拿大统计学家安东尼·弗雷德针对环境质量评价学科中生态系统的健康评价提出PSR，即压力-状态-响模型［10］.UNCSD于1995年将PSR改进为DSR（驱动力-状态-响应）框架，将人类活动的过程与形态纳入可持续发展指标体系［26］.1993年，在综合PSR模型和DSR模型的优点基础上，联合国（IJN）提出并发展了 DPSIR，即驱动力-压力-状态-影响-响应模型，用于表征资源或环境系统的概念与复杂因果关系结构.DPSIR 模型在环境评价与管理［27］、农业可持续发展［28］、水资源安全［26］、水土保持效益［29］、水资源可持续利用与承载力［30］、生态安全评价［31］等方面得到了广泛应用.杨俊等［32］基于DPSIR模型将管理引入到模型中，构建了用于评价人居环境安全的 DPSIRM，即驱动力-压力-状态-影响-响应-管理模型.随后张峰等［33］基于人地和谐发展视角，构建湖泊生态系统健康评价的 DPSIRM模型.但到目前为止将DPSIRM模型应用到水资源安全研究的文献鲜有报道.在水资源总量有限，且面临水资源污染的和气候干旱灾害频繁发生导致水资源短缺的情况下，水资源的有效管理是提高和影响区域水资源安全的重要手段，也是评价水资源安全不容忽视的重要因素，因此本文将DPSIRM概念框架进行改进，纳入到水资源安全评价当中，构成水资源安全的DPSIRM评价指标概念框架，即驱动力-压力-状态-影响-响应-管理模型.用于更准确表征水资源安全的复杂因果关系结构.

因此本文参照已有水资源安全DPSIR概念框架［10］，参考生态系统健康与人居环境评价的DPSIRM模型［32-33］，将DPSIRM模型引入到岩溶区水资源安全评价当中，岩溶区水资源安全DPSIRM模型以DPSIRM概念框架为基础，由驱动力子模型，压力子模型，状态子模型，影响子模型，响应子模型以及管理子模型6部分构成.如图1，区域人口、经济社会的发展作为驱动因素给岩溶区水资源安全带来巨大挑战和压力，引起岩溶区水资源需求的增加，同时带来污染物排放量的增加，造成水资源量和质的变化，水资源供需矛盾突出、水资源污染加剧，水资源安全面临胁迫，胁迫反馈到经济社会中，促使人类社会提高水资源利用技术、减少污染物排放，进而通过政策管理全面加强水资源安全的调控，实现水资源、经济社会的良性耦合.从而降低人类行为对水资源系统造成的压力，减少对水生系统和社会经济发展的影响和制约.

图1　岩溶区水资源安全评价DPSIRM模型框架

2　研究方法

2.1灰色关联方法

2.1.1数据标准化 为消除由评价指标物理量量纲不同带来的影响，在评价之前需将样本矩阵中各指标无纲量化处理.本文采用线性插值法的标准化方法对原始数据进行无量纲处理.评价某地区m年的包括n个评价指标的水资源安全状况，则其原始指标数据矩阵为［25］：

一般情况下，安全评价的所有指标可划分为逆向指标和正向指标等.正向指标（效益型指标）是指数值越大越好的指标，其标准化方法：

负向指标（成本型指标）是指数值越小越好的指标，其标准化方法：

式中：xmax为该项指标最大值；xmin为该项指标的最小值.

2.1.2建模步骤 1）确定数列的最优向量，由于进行对原始数据进行了标准化处理且都转化为正向

指标，所以最优向量为［34］：

式中：v为取最大运算符.

2）利用灰色关联系数公式计算j个评价指标yj与最优向量G的关联系数δi（yj，G）：

式中：miniminj|yij-gi|和 maximaxj|yij-gi|分别为两级极小差和两级极大差；ρ为分辨系数，0＜ρ＜1，一般取ρ=0.5.

3）计算第j个评价指标yj的权重wj：

2.2集对分析法

构造集对 H（Xi，Bk）（k=1，2，3，4，5；i=1，2，…，n）得到k元联系度［35-36］，本研究k=5，即：

则式（7）变为：

参考王文圣等［36］研究，I1，I2，I3和 J值都取为1，而且样本有正向指标和反向指标之分，因此，本文按照正向指标和反向指标计算公式如下：

对于越小越优的指标，样本值 xi与该指标k级评价标准的联系度η（xi，Bk）如下［36］：

对于越大越优的指标，样本值 xi与该指标k级评价标准的联系度η（xi，Bk）如下：

根据文献［35］，采用置信度准则来确定样本的等级.即：

式中：λ为置信度，一般建议在［0.5，0.7］范围内取值.

3　贵州省水资源安全评价

3.1研究区概况

中国的岩溶分布主要在西南地区，包括贵州大部及广西、云南、四川、重庆、湖北、湖南等省的部分地区，面积达50多万km2，是全球二大岩溶集中连片区中面积最大、岩溶发育最强烈的地区.整个贵州省岩溶分布面积达13万km2，占国土面积的 73%，是西南地区岩溶分布最广的省份，也是西南岩溶山区的核心部分.贵州省处于长江流域和珠江流域的上游（中国两大主要的经济发达区），居于高原水塔的核心部位.2013年，贵州省地区生产总值达到 8006.79亿，人均GDP为22981.60元，位列全国所有省市最末位.贵州也是中国少数民族的主要聚居区，据第五次人口普查全省共有 49个民族，其中少数民族 48个，少数民族人口占全省总人口的37.85%.因此，水资源安全不仅关系到该地区的经济、社会和生态安全也关系到下游的长江流域和珠江流域.

3.2数据来源

研究数据主要来源于贵州省水利厅网站对外公布的《贵州省水资源公报》（2005-2012）［37］，贵州省环境保护局网站对外公布的《贵州省环境状况公报》（2005-2012）［38］以及《贵州省统计年鉴》（2006-2013）［39］等.部分数据采用专家打分和趋势预测获取.

3.3岩溶区水资源安全DPSIRM指标体系构建及标准制定

3.3.1岩溶区水资源安全的 DPSIRM 指标体系 DPSIRM模型框架为岩溶区水资源安全评价指标体系的确立奠定了理论基础，提供了新的研究视角.水资源的分布具有地域的特色，因此，在不同地域的水资源评价指标体系应有所区别.根据喀斯特地区的水资源特点和利用状况，参照已有的研究［24，26］，遵循指标的代表性、独立性、可量化和系统性等原则，建了基于DPSIRM概念模型的岩溶区水资源安全评价指标体系如表 1.其中水资源保护和管理制度的健全性、水资源保护和管理制度的落实性、防洪抗旱信息化程度指标属于主观性指标，采用专家打分的形式获取，专家打分采用10分制，如表2.

表1　水资源安全指标及含义Table 1 Water safety indexes and meaning

续表1

表2　主观性指标打分依据、标准Table 2 Grading basis and standards of the subjective indicators

3.3.2指标评价等级 水资源安全指标的等级标准具有地区差异性，在考虑到岩溶地区生态环境脆弱性基础上，参照已有水资源安全标准的相关文献［4，40］，结合有关水污染安全指标临界值以及地方政府颁布的标准和规划目标，并根据专家意见将安全标准做出适当调整（部分标准降低5%～50%），把水资源安全评价安全等级划分为安全、较安全、较不安全、不安全、极不安全 5个等级，具体的指标分级标准见表3.

3.4水资源安全评价

首先依据式（1）～式（6），计算水资源安全评级指标的权重（表1）.以2005年数据为例介绍各参数意义和运算过程，将2005年的各项指标按照正向指标和负向指标的认定，带入式（9）、（10），计算出2005年各个指标的联系度，如表4，然后将各指标联系度带入式（7）、（8），将各指标联系度与权重结合，得出 2005年各等级的联系度，如表 5.取λ=0.5，对于 2005年，h2=f1+f2=0.394＜λ， h3=f1+ f2+f3=0.596＞λ，由置信度准则可以判断2005年贵州省水资源安全为第三等级，即临界安全，同理，可以计算出 2006～2012年贵州省水资源安全等级以及各年水资源驱动力安全，压力安全，状态安全，影响安全，响应安全以及管理安全等级，见表5、6.

表4　2005年各指标联系度Table 4 The connection degree of each index in 2005

从表5总体来看，2005和2006年整个贵州省水资源安全处于临界安全状态，2007～2012年处于较安全状态，可以看出贵州省水资源安全在近8年整体较好.表明在2003年贵州省提出生态立省战略后，经过2004～2006三年的调整和实施，贵州省的水资源更趋安全.

表6　水资源DPSIRM安全等级及hk值（2005～2012）Table 6 The standards and hkof water DPSIRM safety （2005～2012）

从表 6看出，贵州省水资源驱动力安全从2005和2006年分别是临界安全，2007、2008年分别为较安全，2009～2012年分别为安全等级，总体驱动力安全状况良好，并呈现逐渐转好的态势，这与当前贵州省经济社会发展相对落后，对水资源及生态环境的驱动影响相对较小相符合；从压力安全来看，2005年属于临界安全，2006～2011年属于较安全，2012年属于安全，表明在贵州随着2003年生态立省战略的实施，通过降低人口数量、提高人口素质，逐步减轻对生态环境的承载压力.发展生态农业、有机农业，在保护自然环境基础上实现农业可持续发展和农民增收.工业结构调整上按照循环经济理念，走新型工业化道路.强调保护的前提下，大力发展生态旅游业，促进第三产业的大发展.实现了经济结构调整和经济增长方式的转变，逐渐减少了对生态环境和水资源的压力，生态效益开始显现；从状态安全来看，2005至2008以及2011年属于不安全，2009、2010及 2012年分别为临界安全，可以看出贵州省水资源状态安全不容乐观.贵州地处长江，珠江两大流域的分水岭，70%以上属长江流域，73%的土地面积均属碳酸盐岩层，岩溶地貌发育，岩层透水性强，土层厚度一般在1.0m左右，但山脊、陡坡和岩石裸露地区的土层较薄，耕地土层厚度仅0.3～0.5m［41］.因此，地表水贮存条件差，水土流失严重，水分涵养能力低，抵御干旱能力弱.受贵州省经济条件的限制，水资源开发和利用的前期工作经费短缺，相应的基础工作薄弱，贵州省许多中小河流的专业规划均未进行规划，缺乏灌溉条件.因此，形成了降雨量大“水多”，工农业取水难，耕地灌溉率低，工程蓄水量小“水少”的现状［42］，水资源状态安全仍然面临巨大挑战.从影响安全来看，2005和2006年分别为较安全，2007、2009 和2012年分别为安全，2008、2010和2011年分别为临界安全，表明岩溶地区水资源安全随着经济社会的发展产生了影响胁迫，水资源影响安全呈下降趋势；从响应安全来看，2005年为不安全、2006～2010年分别为临界安全，2011和2012年分别为较安全，表明针对贵州省的水资源安全状况，已经引起地方政府和人民的重视，采取响应措施应对水资源安全面临的威胁，并产生了一定的积极效果；从管理安全来看，2005年为极不安全，2006为不安全，2006～2011年分别为临界安全，2012年为较安全，可以看出在生态立省，全省生态文明战略的实施大背景下，水资源管理制度不断完善，水资源管理安全逐步改善的过程.

综上所述，水资源的状态和水资源管理是目前影响贵州省水资源安全的重要因素.

4　结论

4.1本研究基于DPSIRM概念框架，应用灰色-集对模型对贵州水资源安全进行评价研究，定量与定性指标相结合，对每个评级指标都赋予了等级判定，进而进行了分项和总体评价，计算得出的结果与水资源安全客观情况相吻合，证明了该评价方法具有一定的应用价值.该方法凸显了水资源管理的重要性、克服了主观赋权的片面性，充分考虑了每个指标的等级信息，避免了有效信息的遗失，一定程度上丰富和发展了水资源安全评价方法.

4.2案例研究表明，2005和2006年整个贵州省水资源安全处于临界安全状态，2007～2012年处于较安全状态，贵州省水资源安全呈现整体转好的态势.水资源的状态和水资源管理是目前影响贵州省水资源安全的重要因素.因此，今后在继续调整经济结构同时，继续提高水资源的利用技术，加强水资源的管理，继续加大在农村饮水工程、灌区节水灌溉工程、病险水库整治、水土保持等方面的投入，充分运用行政和市场“两只手”，紧紧抓好以水权为核心的制度建设和统一管理，充分调动市场开发利用水资源，构建具有相互配套的制度保障体系和管理措施，从根本上保障贵州省的水资源安全.

4.3本文讨论了贵州省的水资源安全状况，岩溶地区的水资源安全与下游长江流域和珠江流域的生态关联效应需要下一步深入研究.另外，采用近8年的数据来分析水资源的安全变化，时间尺度相对较小，不能够很好地反映水资源的动态变化和影响因素之间的关系，应该进一步完善.

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ZHANG Fen-tai1，2， WANG La-chun2， SU Wei-ci3*（1.Institute of Environment， Resources and Disaster， Guizhou Normal College，Guiyang 550018， China；2.School of Geographic and Oceanographic Sciences， Nanjing University， Nanjing 210093，China；3.Institute of Mountain Resource， Guizhou Academy of Sciences， Guiyang 550001， China）.

China Environmental Science， 2015，35（11）：3511～3520

Aiming at the problems existing in the safety evaluation of water resources， such as partial evaluation indexes，the omission of single index membership information and subjectivity problem of determining weight， In a typical karst area-Guizhou province as an example， combining with the characteristics of water resources in karst region， based on conceptual framework of driving force-pressure-state-impact-response-management （DPSIRM） to build evaluation index system of water resources security， with the help of grey-set pair model to make quantitative evaluation of Water security of Guizhou province in 2005～2005， The results show that： the water security in Guizhou in 2005 and 2006 in the criticality safety state， 2007～2012 in a safe state， water security in Guizhou to present the overall good posture. the state of water resources and water resources management ware the important factors affecting the safety of water resources. Continued to adjust the economic structure and transformation of the mode of growth at the same time， improve the utilization efficiency of water resources， increase investment in infrastructure construction of water resources，strengthening the construction of water resources management system and improve the implementation of water resources management system， these were the fundamental guarantee of the water security in Guizhou； The applicability of the evaluation model and index system was stronger， the evaluation results more objective， provided a new perspective and a new method for the safety assessment of water resources in karst region.

karst area；DPSIRM conceptual framework；grey-set pair model；water resources；security

X820

A

1000-6923（2015）11-3511-10

2015-04-28

国家十二五科技支撑计划项目（2014BAB03B01）；贵州省科技重大专项（黔科合重大专项字（20126015））；贵州师范学院环境科学特色重点学科/自然地理重点学科专项基金

* 责任作者， 研究员， suweici@sina.com

张凤太（1979-），男，山东沂南人，副教授，博士研究生，主要研究方向为水文水资源与区域可持续发展等.发表论文60余篇.