黄河流域水资源安全评价及时空格局

张玉泽，王 爽

（1.济南大学 商学院，山东 济南 250022；2.山东省标准化研究院，山东 济南 250014）

1 引 言

2019年9月18日，习近平总书记在郑州主持召开座谈会，将黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略，提出“把水资源作为最大的刚性约束”。“水多、水少、水脏、水浑”是治黄历史矛盾，新时期“水少”逐渐演化成主要矛盾［1］。2021年中共中央、国务院印发的《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》指出，黄河流域最大的矛盾是水资源短缺，黄河流域水资源开发利用率高达80%，远超40%的生态警戒线。当前黄河流域面临的粮食安全、能源安全、生态安全及经济发展滞后等问题，都与水息息相关［2］。随着经济社会的发展，黄河流域水资源短缺的态势将更加凸显。科学评价黄河流域水资源承载力和水资源安全水平是保障流域用水安全、实现水资源与经济社会协调发展的前提［3］。

近年来，学界关于水资源安全评价的研究较多，集中在水资源安全评价的内涵、指标体系构建、评价方法与典型区域评价等方面［4－5］。水资源安全评价用于衡量一个国家或地区（流域）在现有或可预见的经济、技术条件下，按照可持续发展原则，水资源能否满足国民经济和社会可持续发展的需要，其实质在于评价水资源供给能否满足合理的用水需求［3］。基于此内涵，国内学者建议综合考虑水资源对区域人口、资源、环境和经济协调发展的支撑能力，从水量安全、水质安全、水生态环境安全、与水有关的经济社会安全等维度构建综合评价指标体系［6－7］，评价方法主要有层次分析法［8－10］、模糊综合评价法［11］、物元分析法［12］、投影寻踪法［13］、水足迹法［14］、DPSIR模型［15－16］等。一些学者对黄河流域部分区域的水资源安全进行评价，如张修宇等［10－11］分别对河南省引黄受水区和黄河下游引黄灌区进行了评价，武兰珍等［17］对黄河流域甘肃段进行了评价，但少有学者对黄河流域整体的水资源安全进行评价。因此，笔者选择能够反映指标间因果关系的DPSIR（驱动力－压力－状态－影响－响应）模型，对黄河流域水资源安全进行评价，以期为黄河流域水资源与经济社会生态协调发展提供参考。

2 研究方法

2.1 评价指标体系构建

水资源安全是“人－水耦合系统”的动态演变过程，评价指标体系既要反映系统目前的状态，又要反映其发展态势，同时要体现各省（区）间、各子系统之间相互影响、互为因果的关系。DPSIR模型是在PSR（压力－状态－响应）模型基础上发展而来的，是一种在环境系统评价中被广泛使用的概念模型，该模型从系统的角度看待人与环境系统的相互作用，比较适用于流域水资源安全评价［18］。具体而言，驱动力反映人类活动（人口增长、经济社会发展等）对水资源系统演化的原始驱动力，表征经济社会发展对水资源安全的保障能力；压力伴随驱动力产生，主要反映人类活动对水资源产生的压力，即人口及经济社会各个部门发展对水资源需求量的增加造成的水资源系统变化（水体污染、水质恶化、可利用水资源量减少等）；状态反映水资源系统在压力作用下所处的状态，表征水资源的流量、存量以及水质的变化；影响反映水资源开发利用过程及当前状态对人类社会的影响；响应反映政府和社会针对水资源系统演化过程中出现的问题所采取的措施，体现为政策、法律及经济手段等。根据DPSIR模型，结合黄河流域发展状况及已有研究成果［15－16］，从水资源、经济社会发展和生态环境等维度选择了21项指标，构建黄河流域水资源安全评价指标体系（见表1）。

表1 黄河流域水资源安全评价指标体系

2.2 利用熵值法计算水资源安全评价值的步骤

（1）数据标准化处理。利用极差标准化方法对指标数据进行标准化处理：

式中：Xij为i地区的第j个指标值；X′ij为数据标准化后的指标值；Xjmin、Xjmax分别为第j个指标的最小值、最大值。

（2）计算指标信息熵值和信息效用值。第j项指标的信息熵值计算公式为

式中：ej为信息熵值，对于一个信息完全无序的系统，其有序度为0，信息熵值最大，ej＝1；K为常数，与系统的地区数m有关，当m个样本处于完全无序分布状态时，K＝1／lnm。

第j项指标的信息效用值计算公式为

（3）计算指标权重。第j项指标的权重计算公式为

（4）计算水资源安全评价值。i地区第j个指标的评价值计算公式为

第i个地区的水资源安全评价值计算公式为

2.3 水资源安全评价等级划分

上述运用熵值法得出的水资源安全评价值在0与1之间，评价值越接近1说明水资源安全状况越好，评价值越接近0说明水资源安全状况越差。为便于分析，在参考相关文献［19］的基础上，经过专家讨论，将水资源安全状态划分为Ⅰ级（不安全）、Ⅱ级（较不安全）、Ⅲ级（中等安全）、Ⅳ级（较安全）和Ⅴ级（安全）5个等级（见表2）。

表2 黄河流域水资源安全状态等级划分

3 黄河流域水资源安全评价

3.1 研究区概况及数据来源

黄河自西向东流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东9个省（区），其中四川省绝大部分地区属于长江流域，仅阿坝藏族羌族自治州部分地区属于黄河流域，考虑行政区的完整性，选择青海、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东8个省（区）为研究区。水资源短缺是黄河流域的最大矛盾，上中游大部分地区位于400 mm年降水量等值线以西，气候干旱少雨，黄河流域多年平均降水量446 mm，仅为长江流域的40%；多年平均水资源总量647亿m3，不到长江的7%。黄河流域是我国重要的农业主产区和能源基地，流域内城市群规模不断扩大，农业用水、工业用水及生活用水量均较大，导致用水矛盾尖锐。

研究数据来源于上述8个省（区）的统计年鉴（2006—2020年）、《中国统计年鉴》（2006—2020年）、《中国环境统计年鉴》（2006—2020年）、《中国水利统计年鉴》（2006—2020年）、《中国水资源公报》（2005—2019年）、《黄河水资源公报》（2005—2019年）等，黄河流域的数据按照上述8个省（区）的相关数据累加求得。

3.2 黄河流域水资源安全变化趋势

总体来看，2005—2019年黄河流域水资源安全评价值呈现波动上升趋势（见表3）。2005—2012年黄河流域水资源安全评价值在0.2～0.4范围波动，为Ⅱ级，其中2006年评价值仅为0.275，说明该时段黄河流域水资源处于较不安全状态，水资源短缺，不能够满足国民经济和社会可持续发展的需要；2013年黄河流域水资源安全评价值为0.432，达到Ⅲ级，此后呈现明显上升趋势，2017年评价值为0.598，说明黄河流域水资源安全得到初步改善，水资源基本能够满足国民经济和社会可持续发展的需要；2018年评价值达到峰值0.694，2019年小幅度回落至0.687，仍为Ⅳ级，说明2018年和2019年黄河流域水资源能够满足国民经济和社会可持续发展的需要，达到了较为安全的状态。2005—2019年黄河流域水资源安全状态从Ⅱ级上升到Ⅳ级，改善明显，但仍未达到Ⅴ级，未来仍有提升空间。

表3 2005—2019年黄河流域水资源安全评价结果

结合DPSIR模型，从5个准则分析黄河流域水资源安全状况改善的原因。从表3可以看出，2005—2019年驱动力评价值小幅度上升，压力、影响评价值小幅度下降，状态、响应评价值上升趋势明显。具体而言，驱动力评价值由0.089波动上升到0.094，年均增长率仅为0.37%，说明人均GDP、第一产业比重、人口密度、城镇化率等指标对水资源安全提升的贡献很小，经济社会发展为水资源安全提供的保障不大；压力评价值由0.122波动下降到0.118，说明从单位产出用水量和居民人均用水量等指标来看，黄河流域经济发展、工农业生产和居民生活对水资源造成的压力增大，流域水体污染、水质恶化有所加重；状态评价值由0.008波动上升到0.249（年均增长率为28.41%），响应评价值由0.016波动上升到0.132（年均增长率为16.22%），这两个准则评价值增长较为明显，说明政府和社会针对水资源问题采取的措施较为有效，使水资源数量和质量得到改善，提升了水资源安全水平；影响评价值由0.105波动下降到0.095，说明从废水中COD排放量、废水中氨氮排放量、农田高效节水灌溉面积率和人均年供水量等指标看，水资源问题对经济社会发展产生不利影响，水资源安全状况有所下降。

综上所述，2005—2019年黄河流域水资源安全改善主要得益于状态和响应指标的提升；经济社会发展未能为水资源安全提供充分的保障，而是形成了压力，水资源一定程度上对经济社会发展构成了约束。可以说，当前对黄河流域水资源的治理已达到较高水平，未来较难有所突破，现有产业结构的用水效率很难大幅度提升，通过调整产业结构提升水资源安全是未来的努力方向。这与国内其他学者的研究结论较为一致，如张晓涛等［20］研究发现黄河流域工农业生产耗用水资源的同时贡献了相同比例的GDP，认为未来节水只能从产业结构调整和发展节水技术入手；王浩等［1］研究发现黄河流域水资源利用效率仅次于京津冀地区，认为通过深度节水缓解水资源供需矛盾的潜力不大。

3.3 黄河流域水资源安全空间格局分析

由表4可知，2005—2019年黄河流域水资源安全状况呈好转趋势，省（区）间差异减小。2005年黄河流域上、中、下游水资源安全状况差距较大，青海为Ⅳ级，内蒙古、陕西和山东为Ⅲ级，甘肃、山西和河南为Ⅱ级（较不安全），宁夏仅处于Ⅰ级。2012年宁夏水资源安全状况有所改善，达到Ⅱ级，其他省（区）评价值小幅度增加，水资源安全等级未发生改变。2019年流域水资源安全状况继续好转，青海仍为Ⅳ级（水资源安全评价值达到0.713），宁夏为Ⅱ级（较不安全），其他省（区）均为Ⅲ级。2005—2019年各省（区）对水资源保护力度加大，但水资源开发利用大都采用以需定供模式。经济较发达地区水资源开发利用程度较高，驱动力和响应指标评价值较高，压力、状态和影响各指标评价值较低；经济欠发达地区情况相反，导致经济发达地区和欠发达地区的评价值差距逐渐缩小。虽然2005—2019年黄河流域水资源安全状况有所好转，但整体形势仍不容乐观，2019年绝大部分省（区）为Ⅲ级及以下等级，流域水资源没有达到“较安全”或者“安全”的状态。究其原因，一是黄河流域水资源禀赋先天不足、水资源与产业结构不匹配；二是流域水资源规划管理长期遵循以需定供的模式，强调保障供水、满足生产用水需求，导致水资源过度开发。

表4 典型年各省（区）水资源安全评价结果

具体到各省（区）来看，青海省水资源安全状态相对理想，2005—2019年青海省水资源安全评价值从0.607增至0.713，为Ⅳ级（较安全），水资源能够满足国民经济和社会可持续发展的需要，达到良好状态。青海省水资源禀赋较好、人口密度小，人均水资源量远大于其他省（区），虽然人均GDP、第一产业比重、单位产出用水量等指标评价值小于其他省（区），但其水资源安全评价值仍高于其他省（区）。

2005—2019年陕西、内蒙古、山东三省（区）经济相对发达、用水效率较高，水资源为Ⅲ级（中等安全）。陕西水资源相对丰富，经济发展较好，人均GDP、第一产业比重、单位产出用水量、人均水资源量等指标具有优势，因而其驱动力、压力、状态评价值较高。内蒙古人口密度、人均水资源量指标优势明显，单位产出用水量和人均用水量等压力指标评价值较小。山东作为沿海经济发达地区，水资源利用效率较高，驱动力、压力、影响和响应各指标均具有一定优势，水资源安全评价值由2005年的0.413增大到2019年的0.497。

2005—2019年河南、山西、甘肃三省水资源安全由Ⅱ级（较不安全）改善为Ⅲ级（中等安全），2019年三省水资源安全评价值分别为0.450、0.412、0.403，水资源基本能够满足国民经济和社会可持续发展的需要，说明2005—2019年三省水资源安全得到较大改善，但仍有较大进步空间。

2005—2019年宁夏水资源安全评价值由0.196增长到0.351，从Ⅰ级（不安全）演变为Ⅱ级（较不安全），说明宁夏水资源短缺，不能满足国民经济和社会可持续发展的需要。宁夏位于黄河中上游，受气候条件、地形地貌等因素限制，降水量少、人均水资源量不足、经济相对落后、产业结构不合理、单位产出用水量和人均用水量大、水土流失和草场退化严重，是黄河流域水资源治理的重点地区。

4 结论与建议

4.1 结 论

2005—2019年黄河流域水资源安全评价值呈现波动上升趋势，2019年评价值为0.687，达到Ⅳ级（较安全）。流域水资源安全状况改善主要得益于状态和响应指标的提升，经济社会发展未能为水资源安全提供充分的保障，而是形成了压力，水资源一定程度上对经济社会发展构成了约束。从空间分布来看，流域水资源安全省（区）间差异性减小，但整体形势仍不容乐观，2019年绝大部分省（区）为Ⅲ级及以下等级。究其原因，一是流域水资源禀赋先天不足，水资源与产业结构不匹配；二是流域水资源规划管理长期遵循以需定供模式，强调保障生产用水需求，导致水资源过度开发。具体分析各省（区）的水资源安全状况，青海省水资源禀赋较好，水资源安全等级稳定保持在Ⅳ级（较安全）；陕西、内蒙古、山东三省（区）用水效率较高，水资源安全等级稳定保持在Ⅲ级（中等安全）；河南、甘肃、山西三省受气候条件、产业结构等因素限制，水资源安全等级由Ⅱ级（较不安全）改善为Ⅲ级，仍有较大发展空间；宁夏水资源安全等级从Ⅰ级（不安全）演变为Ⅱ级，水资源短缺，不能满足国民经济和社会可持续发展的需要，是黄河流域水资源治理的重点地区。

4.2 建 议

为了提高黄河流域水资源安全水平，减小水资源对经济社会发展的制约，需转变以需定供的用水思路，按照“把水资源作为最大的刚性约束，以水而定、量水而行”的原则，努力提升流域水资源安全水平，实现水资源可持续发展。一是根据流域可开发的水资源量调整发展规模和产业结构，优先生活用水，控制生产用水，重点加强农业节水，限制低用水效率产业发展，适度促进高用水效率产业发展；二是根据各省（区）水资源安全状况和水资源对各产业的约束大小调整产业结构，推动产业从供水条件较差、水资源约束较大的地区向约束较小的地区转移；三是继续推进南水北调工程建设，综合考虑流域其他资源和要素进行水资源调配。