基于PSR模型的贵州省水资源安全诊断与影响因素分析

姚 望，周子琴，张凤太

(1.重庆师范大学地理与旅游学院，重庆 400047；2.重庆理工大学管理学院，重庆 400054)

水资源作为基础性自然资源和重要的生态环境要素，既影响着社会经济的稳定发展，也关系着一个国家或地区的生态环境安全[1-2]。中国西南部喀斯特地区因其特殊的“二元三维”储水空间结构，地表储水能力弱，水分下渗严重，便于有效利用的地表水资源有限[3-4]。同时，随着人口增长及社会经济的发展，需水压力陡增。加上大量工业废水、生活污水的排放，水污染状况较为突出，造成的诸如洪涝灾害、水环境污染、水环境功能受损、水资源短缺等水资源安全问题已严重制约了西南喀斯特地区社会经济的可持续发展[5-7]。

近年来，许多学者对水资源安全的评价方法及评价模型进行了大量研究。层次分析法、熵权法、集对分析法、模糊综合评价法、水贫乏指数、支持向量机、人工神经网络模型、系统动力学模型、NBA-MEPP模型、逻辑斯蒂曲线模型等众多方法、模型被应用于水资源安全评价[8-15]。同时，这些模型在喀斯特地区水资源安全评价中的运用也取得了一定进展，如段琪彩等[16]结合云南省喀斯特地貌特征、人口经济分布和水循环时空分布的差异性等，分析出影响水资源安全的主要因素；邹胜章等[17]提出西南喀斯特地区进行水资源安全评价时，应涵盖水质、水量、水资源利用及水灾害防治等评价内容；张凤太等[18]构建了基于DPSIRM概念模型的评价指标体系，并借助灰色-集对模型对贵州省水资源安全进行了评价。这些研究更清楚地了解喀斯特地区水资源安全状况及其变化情况，但大多直接借鉴了通用水资源安全的评价方法和模型，仍存在着一些不足之处：①在指标选取上不能体现喀斯特地区特殊水文地质特征，不能突出其工程性缺水状况；②确定指标权重时受到专家理论水平及对研究区熟悉程度的影响，过于依赖专家经验，忽略了指标客观信息。

Handmer等[19]将水资源定义为区域自然、经济社会系统中面对水资源需求通过自身条件或者外部调节，保持水资源系统结构性或功能性的能力，即水资源压力、区域水资源状态、经济社会响应。因此，本文依据PSR概念模型，从需水压力、水资源状态、人为响应3个方面选取19个指标构建贵州省水资源安全评价指标体系，并采用变异系数法与层次分析法相结合的方法确定指标权重，在参考主观经验的基础上，又考虑了客观因素。同时，采用多目标模糊隶属度函数标准化法和综合指数法对贵州省2001—2015年水资源安全状况进行评价和分析，以期为贵州省水资源优化配置及社会经济发展提供决策参考。

1 水资源安全评价模型构建

PSR模型最初由Friend和Rapport[20]提出，后被推广应用于环境评价、人地关系的研究中，从因果关系方面阐释了人类社会发展需求造成的水资源压力作用于自然环境，自然环境承压后所保持的状态及人类依据该状态采取的能动响应，从而能够较好地反映水资源安全的结构组成及其维度之间的关系(图1)。喀斯特地区地表地下水转化迅速，地表储水能力弱，地表径流系数低，且地质状况复杂。随着贵州省人口增长、社会经济发展以及环境保护意识的提高，居民生活、工业生产、农业生产及生态用水需求逐步加大，水资源供求缺口逐渐增大，对贵州省水资源造成的压力逐年增大。同时随着用水量的增加，生活污水、工业废水的排放量亦呈上升趋势，迫使贵州省加强污水治理以改善水质，加强水资源开发利用技术、节水技术等提高水资源利用效率，兴建各项水利工程设施如修建水库、提水工程、引水工程、农田灌溉设施等以保障用水安全。同时加强生态环境治理如修复石漠化、提高森林覆盖率等提高地表储水能力，以保障水资源安全。

图1 水资源安全评价模型框架

1.1 指标体系构建

依据水资源安全内涵，在遵循科学性、可操作性、代表性等原则基础上，结合喀斯特地区水文、地质、社会经济特性，并参考国内及喀斯特地区水资源安全相关文献[3-4,8-20]，从需水压力、水资源状态、人为响应3个方面选取19个指标构建评价体系(表1)。并根据指标属性分为负向性指标和正向性指标，对不同属性指标分别进行赋权评价。

表1 喀斯特地区水资源安全评价指标体系

1.2 指标赋权

采用层次分析法确定指标主观权重，采用变异系数法确定指标客观权重，并利用拉格朗日系数求得综合权重，既考虑主观因素，又反映客观信息(表1)。

(1)

式中Wj——综合权重；W1j——层次分析法权重；W2j——变异系数法权重。

1.3 指标分级

参考有关水资源安全等级标准的相关研究文献，结合喀斯特地区用水压力、水资源状态、人为响应等实际状况，并依据专家意见对水资源安全标准做出适当调整，将水资源安全等级划分为极不安全、不安全、临界安全、相对安全、安全5个等级，并确定各指标分级标准(表2)。其中，降水量取贵州省2001—2015年降水量的平均值为临界安全阈值， 设

表2 水资源安全指标分级标准及阈值

定0～823 mm(贵州省年降水量平均值的75%)为极不安全状态；823～987 mm(年平均值的90%)为不安全状态；987～1 097 mm(年平均值的100%)为临界安全状态；1 097～1 206 mm(年平均值的110%)为较安全状态；1 206～1 371 mm(年平均值的125%)为安全状态。单位水体COD负荷和单位水体NH3-N负荷依据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》确定。

1.4 多目标模糊隶属度函数标准化法

当前，对不同量纲指标的属性值进行标准化的方法主要有比例标准化、标准差标准化、离差标准化等。然而，这些方法在计算时因为只考虑了样本数据，标准化后的值只能在样本数据所在的范围内具有相对可比性。另外，若某一区域内的某项指标相对很大时，其他区域该指标的标准化值都会趋近于0，不能体现其他区域在该指标上的差异。因此，本文采用多目标模糊隶属度函数标准化方法[21]。

设指标集为w={w1,w2,…wj}，评语集为H={h1,h2,h3,h4,h5}，结合表2中水资源安全指数标准，设h1为极不安全，h2为不安全，h3为临界安全，h4为较安全，h5为安全。评语h1、h2、h3、h4、h5对应的水资源安全综合指数区间分别为[k1,k2]、[k2,k3]、[k3,k4]、[k4,k5]、[k5,k6]，其中k1=0，k2=0.2，k3=0.4，k4=0.6，k5=0.8，k6=1。对任一指标j，假设水资源安全综合指数阈值k1、k2、k3、k4、k5、k6对应指标的标准值分别为u1、u2、u3、u4、u5、u6。对正向指标，其隶属度公式为：

sλij=

(2)

对于负向指标，其隶属度公式为：

sλij=

(3)

式中sλij——第λ年i区域第j项指标的隶属度或标准化值；xλij——第λ年i区域第j项指标的实际值。

1.5 综合指数

根据各指标的标准化值和综合权重，利用加权法分别计算各准则层、目标层的综合指数。其中，目标层综合指数计算公式：

(4)

准则层综合指数计算公式：

(5)

2 实例分析

2.1 研究区概况

贵州省地处中国西南腹地，行政区总面积17.616 7万km2，境内地势西高东低，喀斯特地貌发育广泛，高原、山地、丘陵、盆地等地貌分布广泛，素有“八山一水一分田”之说。贵州省属于亚热带湿润季风气候，季节分明，雨量充沛，雨热同期，最冷月(1月)平均气温在3°C～6°C，最热月(7月)平均气温在22°C～25°C，年平均降水量为1 095 mm，降水多集中在6—9月。贵州省多为喀斯特地貌，地表储水能力较弱，且随着社会经济的发展和居民生活质量的提高，需水压力逐渐增加，加之大量工业废水和生活污水的排放，水资源安全问题越来越突出。

2.2 数据来源

研究数据主要来源于贵州省水利厅公布的《贵州省水资源公报》(2001—2015年)，贵州省环境保护局公布的《贵州省环境状况公报》(2001—2015年)，以及《贵州省统计年鉴》《国民经济和社会发展统计公报》等资料。另外，2001年石漠化率从贵州省2000年正式立项开展的全省石漠化遥感调查项目结果得到，2005、2011年石漠化率从贵州省《石漠化状况公报》中得到，其余年份石漠化率从贵州省政府工作报告中每年的石漠化治理状况得到。

2.3 结果分析

2.3.1水资源安全状况

将贵州省2001—2015年的各评价指标值、等级标准代入式(2)、(3)中，得到贵州省2001—2015年各评价指标的标准化值，将得到的标准化值以及各指标权重代入式(4)、(5)中，可得到贵州省2001—2015年的水资源安全综合指数以及各准则层的综合指数(图2)。由图2可知，贵州省水资源安全综合指数虽略有起伏，但在总体趋势上呈明显的上升状态，从2001年的0.48上升至2015年的0.78，由原先的临界安全状态上升至相对安全状态，并向安全状态转变。而需水压力指数基本呈直线式上升趋势，由2001年的0.40上升至2015年0.71，表明贵州省在水资源开发利用技术、节水技术方面有了明显提高。水资源状态指数受自然条件影响，起伏变化较大，多数年份处于临界安全状态和相对安全状态。人为响应指数增加最为明显，从2001年的0.40上升至2015年的0.82，由原先的临界安全状态提升至安全状态，表明贵州省近年来极为重视水资源安全状况，蓄水工程、提水工程、引水工程、农田灌溉设施等水利工程不断完善，极大地提高了供水能力。同时，在污水处理、增加植被覆盖提高储水能力等方面也有较大进步。

图2 2001—2015年贵州省水资源安全综合指数及准则层指数变化

2.3.2水资源安全影响因素分析

通过对贵州省2001—2015年水资源安全评价指标体系中各准则层指数以及各指标的历年变化情况进行分析，影响水资源安全的主要因子如下。

a) 需水压力。贵州省需水压力指数基本呈直线式上升，由2001年的临界安全状态向相对安全状态转变。由图3可知，贵州省人均生活用水量由2001年的39 m3/人增加到2015年的48 m3/人，虽有增幅，但亦提高了居民的生活质量。与此同时，贵州省水资源开发利用技术、节水技术不断提高，2001—2015年贵州省万元工业产值用水量、万元农业产值用水量下降明显，分别从459、1 586 m3下降至56、318 m3，极大地节约了工业、农业用水，保障了贵州省的用水安全。单位面积生态环境用水量亦从原先的215 m3/km2增加到420 m3/km2，极大地保障了生态环境的健康。

a)万元工业及农业产值用水量变化

b)单位面积生态环境及人均生活年用水量变化图3 需水压力层各指标变化

b) 水资源状态。贵州省水资源状态指数受自然因素的主要影响，起伏波动较大，总体上处于相对安全状态，亦有个别年份如2011年受西南地区大旱的影响，下降至临界安全状态。从图4可知，贵州省年降水量起伏变化，并无明显规律，但年平均降水量大致为1 097 mm，总体上处于临界安全状态；人均水资源量与当年降水量有较大相关性，起伏变化大致同步，多数年份处于相对安全状态；由于贵州省喀斯特地貌发育广泛，地表、地下水转化迅速，地表水漏渗严重，地下水比重较大，地下水比重多数年份处于临界安全状态，同时地表径流系数亦受此因素的重大影响，多为临界安全状态；单位水体COD负荷和单位水体NH3-N负荷在2001—2010年基本处于稳定状态，表明贵州省这些年虽受经济增长影响，工业废水、生活污水虽有所增加，但相应的污水处理措施有所加强、污水处理技术亦有提高，保护了水环境质量；而2011—2015年，单位水体COD负荷和单位水体NH3-N负荷均呈明显增加状态，后者更是由之前的相对安全状态下降至临界安全状态。一方面表明，随着社会经济的发展，农田施肥、工业生产等造成排污量较大，污水处理工程急需增强，另一方面也表明，污水处理技术已跟不上社会经济的发展，急需技术提高。

a)降水量、人均水资源量及地下水比重变化

b) 单位水体COD、NH3-N负荷及径流系数变化图4 水资源状态层各指标变化

c) 人为响应。贵州省因其地质地貌、局部地区极度缺水的天然劣势，极为重视对水资源的保护与管理，人为响应指数由2001年的0.40增加至2015年的0.82，由原先的接近不安全状态提升至安全状态。由图5可知，贵州省大中型水库蓄水量从2001年的30.5亿m3增加到2015年的299.7亿m3，增加了接近10倍，极大地提高了贵州省供水能力，保障其水资源安全；引水、提水工程虽亦日趋完善，但其主要是针对干旱时期保障居民用水，而随着蓄水工程的完善，引水、提水工程供水率逐步减小，降低了对地下水的开采，在一定程度上亦保护了区域的生态环境；地表水开采率基本处于稳定状态，地下水开采率则因供水能力的逐渐提高呈下降状态，由2001年的3.37%下降至2015年的1.05%，处于安全状态；2001年贵州省生活污水处理率仅为3.30%，基本没有污水处理措施，而随着对环境保护意识的提高，污水处理技术逐步提高，污水处理措施逐步加强，到2015年污水处理率已达90%，由之前的极不安全提升至安全状态，万元GDP污染物减排率亦以每年约10%的速度逐年提高；贵州省对生态环境的重视以及相应的措施实施，森林覆盖率由2001年的30.83%增加到2015年的50.00%，石漠化率由2001年的18.8%减少至2015年的8.6%，极大地提高了地表储水能力，增加了居民可方便利用的水资源量，保障居民用水安全；农田灌溉设施满足率由2001年的36%提升至2015年的85%，不仅提高了水资源利用效率，另一方面也保障了农业用水安全，提高了粮食产量。

3 结论

采用多目标模糊隶属度函数标准化法和综合指数法，从需水压力、水资源状态、人为响应3个方面对贵州省2001—2015年水资源安全进行动态评价，得到以下结论。

a) 贵州省2001—2015 整体水资源安全从临界安全状态上升至相对安全状态，表明水资源安全在整体上处于改善趋势。而2011年因受西南地区大旱影响，贵州省水资源安全综合指数陡然下降，表明贵州省相应的水利基础设施建设仍存在不足之处，需进一步加强。

a)大中型水库蓄水量、地下水及地表水开采率

b) 提水、饮水工程供水率及农田灌溉设施满足率

c) 岩溶石漠化率及森林覆盖率

d) 生活污水处理率及万元GDP污染物减排率图5 人为响应层各指标变化

b) 从影响贵州省水资源安全的3大类组成要素来看，需水压力因万元工业产值用水量和万元农业产值用水量的显著下降，从2001年的临界安全状态转变为2015年的相对安全状态，表明贵州省水资源利用技术、节水技术在逐渐提高；水资源状态因受自然因素的主要影响，起伏变化较大，但单位水体NH3-N含量的增加，表明贵州省在污水处理方面仍需加强；人为响应变化较大，受各种水利工程设施的建设、退耕还林政策、污水处理等的显著影响，从2001年的临界安全状态逐步提升至2015年的安全状态。但在某些方面，如加强石漠化治理、提高森林覆盖率等仍有进一步的提升空间。

c) 从保障并提高水资源安全水平出发，未来应在现有水资源开发利用技术、节水技术的基础上，进一步加强水资源利用技术和优化配置实用技术的研发、推广，优化水利工程空间布局，同时加强生态环境的治理，提高地表的储水、蓄水能力，加强水资源管理，建立完善的制度保障体系，实施合理的管理措施，保障水资源安全。