基于DPSIR模型的西北五省区水安全评价

蒋忙舟，杨 志，张晓明，李 鹏，许垚涛，赵 阳，任宗萍，王得军，文妙霞

(1. 中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043; 2. 宁夏回族自治区水土保持监测总站，宁夏 银川 750002; 3. 中国水利水电科学研究院，北京 100048; 4. 西安理工大学 西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048; 5. 旱区生态水文与灾害防治国家林草局重点实验室，陕西 西安 710048; 6. 国家林业和草原局西北调查规划设计院，陕西 西安 710048)

0 引 言

水是维持区域社会和经济可持续发展的重要资源，同时也是区域自然生态系统良性循环的重要资源。“水安全”一词最早起源于20世纪40年代，自2000年世界水论坛发表《21世纪水安全：海牙世界部长级会议宣言》以来，水安全备受人类关注。水资源安全研究主要包括：水安全测度、水资源管理、水安全评价。水安全系统包括水资源安全子系统、水环境安全子系统、水生态安全子系统以及其他子系统，系统之间相互制约、相互依赖。同时，水安全系统与社会经济系统密切相关，是社会经济系统可持续发展的基础。水安全系统的优劣往往会导致深层次的社会经济问题，如粮食安全、生态安全等。因此，作为水资源管理基础的水安全评价成为学者们研究的热点之一。

目前，水安全评价主要通过建立评价指标体系进行研究。从评价角度来看，研究主要集中在水资源供需平衡、区域水资源承载能力和区域水安全评价中的水足迹。从评价方法来看，大致可分为5种：①主成分分析法，往往由于主成分的含义较为模糊，使得水安全的分级标准难以确定，导致存在一定的主观性；②模糊评价法，在处理多层次问题上具有一定的优势，但易受到人为的干扰；③层次分析法，与模糊评价法有同样的缺陷；④系统动力学(SD)模型，能够较好地解决水安全系统中的复杂问题，但大多数研究集中在水安全单个子系统问题上；⑤目标规划模型、投影寻踪回归模型等。然而，为了准确评价区域水安全，往往需要从不同的维度构建水安全评价指标体系，满足水安全评价的需求，但评价指标体系子系统之间的耦合协调关系鲜有学者进行研究，同时针对评价结果具体受到哪些因子的制约也未进一步分析。

近年来，气候变化和快速的城市化导致用水量稳步增加并诱发严重的水危机。陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆地处中国西北干旱区，水资源短缺、生态环境脆弱、水资源过度开发和水环境污染等问题导致水安全隐患突出。因此，本文基于驱动力-压力-状态-影响-响应(DPSIR)模型从社会、经济、资源、生态4个方面建立西北五省区水安全评价指标体系，采用单指标量化-多指标综合-多准则综合法(SMI-P)分析水安全发展格局，并分析驱动力、压力、状态、影响、响应5个子系统间的耦合协调度，在此基础上构建障碍度模型，进一步对水安全度的障碍因子进行分析，以期为进一步改善西北五省区水资源管理提供参考。

1 数据来源与方法

1.1 数据来源

以西北五省区(陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆)为研究区，选择2005、2010、2015和2018年为研究年份。数据来源于《中国统计年鉴》、《中国环境统计年鉴》和相关省份、自治区统计年鉴。一部分数据直接来源于上述年鉴，部分数据通过查找得到基础数据后计算得到。

1.2 水安全评价指标体系

DPSIR模型在20世纪90年代由欧洲环境署(EEA)开发，作为描述、沟通和分析社会与环境之间复杂系统相互关系的政策组织工具。该模型假设了一个因果关系链，人类活动中的驱动因素(D)可以对环境产生压力(P)，从而导致状态的变化(S)，产生健康的社会-生态影响(I)，并激发对政策相应的响应(R)，同时R也会对D-P-S-I链产生影响。基于此，本文在DPSIR模型的基础上，将西北五省区水安全评价指标体系分解为目标层、子系统、指标层。在前人研究的基础上，基于科学性、代表性、合理性、数据可获取性的原则选取能够反映地区水安全问题的典型指标，从社会经济、自然资源、生态环境等能够反映西北五省区水安全现状的方面入手，构建水安全评价指标体系(表1)。

表1 西北五省区水安全综合评价指标体系Table 1 Comprehensive Evaluation Index System of Water Security in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

1.3 研究方法

1.3.1 单指标量化-多指标综合-多准则综合法

(1)单指标量化。采用分段隶属度函数来度量各个指标的子安全度，数值介于0～1。

数值越大越优型指标的子安全度计算公式为

(1)

数值越小越优型指标的子安全度计算公式为

(2)

式中：、分别为第个指标的指标值和子安全度；、、、、代表第个指标的最差值、较差值、及格值、较优值和最优值，参考全国平均水平、省级发展规划、部分学者研究成果进行取值。

(2)多指标综合。采用熵值法确定各个指标和子系统权重。熵值法已被许多学者用于计算权重，此处不再赘述。5个子系统的安全度计算公式为

(3)

式中：为第个子系统的安全度；为利用熵值法计算所得的第个指标权重；为第个子系统指标数量；=1,2,3,4,5，分别表示驱动力、压力、状态、影响、响应子系统。

(3)多准则综合。最终目标层水安全计算公式为

=++++

(4)

式中：为区域水安全度；、、、、分别为熵值法计算所得的驱动力、压力、状态、影响、响应5个子系统的权重。

基于评价结果将西北五省区水安全等级划分为6个等级(表2)。

表2 西北五省区水安全等级划分Table 2 Classification of Water Security in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

1.3.2 耦合协调度

耦合协调度模型能够反映不同子系统之间相互作用影响及这种作用中良性耦合程度的大小。DPSIR模型中驱动力、压力、状态、影响、响应5个子系统之间相辅相成，可以采用耦合协调度模型定量测度这5个子系统之间协调发展水平。其计算公式为

(5)

(6)

式中：为驱动力、压力、状态、影响、响应5个子系统之间的耦合协调度；为水安全耦合协调度。

依据前人研究结果对西北五省区水安全5个子系统耦合协调度进行等级划分(表3)。

表3 西北五省区5个子系统耦合协调度等级划分Table 3 Classification of Coupling Coordination Degree of Five Subsystems in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

1.3.3 障碍度模型

在计算得到水安全结果并分析5个子系统之间的耦合协调度后，有必要进一步找到影响水安全的障碍因素。通过构建障碍度模型确定影响水安全的主要障碍因子。其计算公式为

(7)

(8)

2 结果分析与讨论

2.1 水安全评价

2.1.1 综合评价

利用熵值法计算出各指标权重后，结合单指标量化-多指标综合-多准则综合法求得西北五省区水安全度及其等级划分(表4)。总体来看，西北五省区水安全度呈现变好的趋势，但最大也仅处于基本安全状态，不同省区之间差异较大。陕西水安全在2005年和2010年处于较不安全状态，2015年和2018年上升至基本安全状态，水安全度由2005年的0.40增加至2018年的0.55，得益于陕西近年来在重大水源工程建设方面取得了突破性进展；甘肃水安全在2005年和2010年处于不安全状态，水安全度都为0.26，2015年和2018年处于较不安全状态，水安全度增加较大，由最初的0.26上升至0.45，但随着城镇化和工业化快速推进，甘肃水安全将面临新的考验；青海水安全状态变化趋势与陕西类似，由2005年的较不安全状态至2018年达到基本安全状态，水安全度由最初的0.47上升至0.52，作为中国重要生态安全屏障，平衡水安全与发展之间的关系将有利于水安全度的提升；新疆水安全状态在2005年、2010年、2015年和2018年一直处于较不安全状态，水安全度虽有上升，但幅度不大，主要因为农业用水占比较高(约90%)，节水灌溉体制不完善，同时其自身环境的脆弱性导致水资源短缺，水安全保障能力较弱；宁夏水安全度在西北五省区中最差，2005年、2010年和2015年连续处于不安全状态，2018年水安全状态虽然上升至较不安全状态，但其水安全度仅为0.33，水资源占有量少，生态环境质量本底弱，同时面临着发展的压力，导致其水安全度较低。

表4 西北五省区2005、2010、2015、2018年水安全综合评价结果Table 4 Comprehensive Assessment of Water Security in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang in 2005, 2010, 2015 and 2018

2.1.2 子系统评价

对西北五省区水安全做出总体评价的基础上，进一步对驱动力、压力、状态、影响、响应5个子系统的安全度进行评价(图1～5)，并依据表2对其进行等级划分。对于驱动力子系统，除甘肃外，其他各省区驱动力子系统的安全度均有一定幅度的下降，至2018年只有陕西驱动力子系统的安全度处于基本安全水平，其他省区则位于基本安全水平以下；压力子系统的安全度只有陕西处于变好状态，2018年达到基本安全水平，其余各省区呈现波动下降，其中甘肃压力子系统的安全度最差，仅为0.26，处于不安全水平；状态子系统的安全度各省区都呈现增加趋势，其中青海状态子系统的安全度从2005年的基本安全(0.62)到2018年达到了较安全(0.74)，与此同时，宁夏状态子系统的安全度虽有所上升，但依旧处于不安全水平；影响子系统的安全度各省区较为接近，至2018年，除新疆位于基本安全水平外，其余各省区都处于较不安全水平；响应子系统的安全度各省区总体呈现上升趋势，其中陕西、甘肃和宁夏在2018年达到了基本安全水平，青海和新疆则位于较不安全水平。

图1 西北五省区驱动力子系统的安全度分布Fig.1 Distribution of Water Security of Driving Force Subsystem in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

2.2 水安全耦合协调度分析

利用式(5)、(6)计算得到西北五省区2005年、2010年、2015年、2018年水安全耦合协调度，并依据表3对其进行等级划分(表5)。总体来看，各省区水安全耦合协调度等级在逐年变好，这与西北五省区水安全度变化趋势相一致。从不同年份来看，2005年至2010年，甘肃水安全耦合协调度等级由濒临失调(0.49)上升为勉强协调(0.50)，新疆、青海、宁夏、陕西水安全耦合协调度等级在这5年未发生变化，分别处于勉强协调、初级协调、濒临失调、初级协调；2010年至2015年，甘肃和青海水安全耦合协调度等级未发生变化，分别处于勉强协调和初级协调，新疆水安全耦合协调度等级由勉强协调(0.58)上升为初级协调(0.62)，宁夏水安全耦合协调度等级由濒临失调(0.49)上升为勉强协调(0.54)，陕西水安全耦合协调度等级由初级协调(0.67)上升为中级协调(0.73)；2015年至2018年，水安全耦合协调度等级未发生变化的省区有新疆、青海、宁夏、陕西，甘肃水安全耦合协调度等级由勉强协调(0.59)上升为初级协调(0.67)。在整个研究时段(2005～2018年)内，西北五省区水安全耦合协调度等级都达到了勉强协调及以上，其中甘肃水安全耦合协调度等级变化最为明显，由最初的濒临失调(0.49)上升为初级协调(0.67)，陕西水安全耦合协调度水平最高，达到了中级协调(0.74)，新疆水安全耦合协调度等级由勉强协调(0.58)上升为初级协调(0.65)，宁夏水安全耦合协调度等级最低，仅为勉强协调(0.56)，青海水安全耦合协调度等级未发生转变，但其值由0.63上升至0.69，处于初级协调。

表5 西北五省区水安全耦合协调度演变结果Table 5 Evolutions of Water Security Coupling Coordination Degree in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

图2 西北五省区压力子系统的安全度分布Fig.2 Distribution of Water Security of Pressure Subsystem in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

图3 西北五省区状态子系统的安全度分布Fig.3 Distribution of Water Security of State Subsystem in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

图4 西北五省区影响子系统的安全度分布Fig.4 Distribution of Water Security of Impact Subsystem in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

图5 西北五省区响应子系统的安全度分布Fig.5 Distribution of Water Security of Response Subsystem in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

驱动力、压力、状态、影响、响应5个子系统之间相互依赖，任何一个子系统的不稳定都将制约整个水安全系统的协调发展。同时，子系统间耦合协调度的发展趋势与水安全度的发展趋势较为一致，当水安全度增加时，对应的子系统间耦合协调度也随之上升。至2018年，除宁夏水安全耦合协调度等级为勉强协调外，其余各省区都位于初级协调及以上；相应地，2018年宁夏水安全度也仅为0.33，主要受到驱动力子系统和状态子系统的安全度较差的影响。

2.3 水安全障碍因子分析

仅仅通过5个子系统间的协调与否无法判断制约水安全度的主导因素，因此，有必要进一步采用障碍度模型得到制约西北五省区水安全度的障碍因子。表6列出了西北五省区水安全度指标层排名前五的各障碍因子。总体来看，不同省区水安全度的制约因素各不相同，同一省区不同年份障碍因子也不相同，本文仅对2018年指标层因子的障碍度进行分析。2018年，影响陕西水安全度的障碍因子主要有GDP增长率、第三产业增长比重、城市化率、人口自然增长率、水资源利用率，各因子的障碍度相差不大，累计障碍度达61.6%；影响甘肃水安全度的障碍因子为第三产业增长比重、城市化率、GDP增长率、农业用水率、生态补水率，其中第三产业增长比重、城市化率、GDP增长率的障碍度较大，三者累计障碍度达79.6%；影响青海水安全度的障碍因子有GDP增长率、城市化率、第三产业增长比重、农业用水率、用水普及率，累计障碍度为94%，但主要因素为GDP增长率、城市化率、第三产业增长比重，三者累计障碍度为77.5%；影响宁夏水安全度的障碍因子主要有第三产业增长比重、城市化率、GDP增长率、工业固废综合利用率、生态补水率，障碍度分别为36%、21.1%、21%、8.4%、5.2%。综合来看，2018年，陕西、甘肃、宁夏、青海水安全度主要受到GDP增长率、第三产业增长比重、城市化率3个指标的影响。左其亭等研究认为区域社会经济发展受到水资源条件的制约，区域GDP增长率在一定程度上能够反映该区水资源支撑能力的强弱。第三产业对水资源消耗具有较小的压力，还具有保护水资源的作用，因此，第三产业比重是经济和水生态效益的双重体现。同时，过快的城市化会导致水资源压力倍增，协调好水资源与城市化之间的关系有利于达到“双赢”的目的。2018年，影响新疆水安全度的障碍因子有水资源利用率、单位面积水资源量、城市化率、第三产业增长比重、人均水资源量，障碍度分别为14.9%、13.1%、12.9%、11.3%、11.2%，累计障碍度为63.4%。新疆人均水资源量约为全国平均的2倍，但单位面积水资源量低，同时较高的水资源开发利用率制约了水安全度向好发展。

表6 西北五省区水安全度指标层障碍因子Table 6 Barrier Factors of Index Layer for Water Security in Shaanxi, Gansu, Ningxia, Qinghai and Xinjiang

3 结 语

(1)总体来看，西北五省区水安全度呈现变好的趋势。至2018年，陕西和青海水安全处于基本安全水平，甘肃、宁夏、新疆水安全处于较不安全水平。

(2)水安全子系统的耦合协调度与水安全变化相一致。2018年，陕西水安全子系统处于中级协调，甘肃、青海、新疆水安全子系统处于初级协调，宁夏水安全子系统处于勉强协调。

(3)GDP增长率、第三产业增长比重、城市化率是影响陕西、甘肃、宁夏、青海水安全度现状的主要障碍因子，新疆水安全度主要受水资源利用率、单位面积水资源量、城市化率的影响。

总之，西北五省区作为中国重要的能源基地，在新形势下应该充分利用其丰富的绿色能源，调整能源消费结构，发展绿色经济，同时应该选择耗水少、耗电低、技术高的新型产业实现经济快速发展，开发利用西北丰富的土地资源，发展高标准、高品质生态农业，理性对待城市化，合理控制主城区人口，有序引导人口向节点城市汇聚，这是西北地区未来发展的科学选择。与此同时，针对水资源问题，有必要实施相关工程措施通过远距离调水来缓解和改善西北地区水资源匮乏和分布不均的问题。

西安地质调查中心是自然资源部中国地质调查局直属的公益一类事业单位，主要承担西北地区地质调查、科技创新、科学普及和相关综合研究工作。我曾与西安地质调查中心很多专家在陕北榆林荒漠化区综合地质调查与评价以及秦岭、宁东矿产资源集中开采区地质环境调查等项目展开了深度合作。在交流过程中，对该中心工作的业务领域、工作特点以及工作成就有更深入的了解，对该中心坚持“支撑国家、服务社会、科技创新、绿色发展、保障资源、保护生态”的管理方针和积极践行“责任、创新、合作、奉献、清廉”新时代地质文化有了更加深刻的认识，对自己的科研工作也起到了极大的帮助和促进作用。值此西安地质调查中心组建六十周年之际，衷心祝愿西安地质调查中心事业进步，人才辈出！在基础调查、科学研究、服务社会等方面取得更大的成就，早日建成世界一流新型大区地质调查机构！