黄河流域甘肃段水资源承载力与水资源安全评价

武兰珍，赵霞，成艺，井江楠，3，贾生海，孙栋元*

(1. 甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070； 2. 青海师范大学地理科学学院，青海 西宁810008； 3. 长安大学水利与环境学院，陕西 西安 710054)

水资源在人类社会发展过程中发挥着不可替代的重要作用[1].气候变化和人类活动双重影响下的水资源短缺、供需矛盾突出、水污染及生态环境恶化引起的水资源承载和安全问题已成为全球热点[2-3].2019年9月18日，习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上发表重要讲话，将黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略[4].但黄河流域水资源短缺，供需矛盾突出，水质污染严重.流域上中游北部背靠大漠，集中分布了巴丹吉林、腾格里、毛乌素、乌兰布和、库布齐五大沙漠(沙地) ，气候干旱，多年平均降水量不足200 mm，水资源匮乏，植被稀疏，生态环境脆弱.黄河流域甘肃段是黄河流域重要的水源涵养和补给区，肩负着黄河上游生态修复、水土保持和污染防治的重任.因此，黄河流域甘肃段水资源能否保证生态系统的正常运转、能否承载社会经济的可持续发展，是实现黄河流域高质量发展的关键所在.

科学评价水资源承载和水资源安全是提高流域水资源承载力，保障流域水安全的前提.水资源承载力通常可表述为支撑经济社会可持续发展并保证生态系统正常运转的水资源的最大能力或规模[5]；水资源安全从水资源质与量的供给和可持续利用角度出发要求区域水资源要满足社会经济的长远发展[6].水资源承载力是水资源安全的基本度量，保证区域水资源安全必须满足水资源可承载.研究方法上，指标体系评价法被广泛应用，评价指标大都涉及水资源自然禀赋、社会经济条件和生态环境3个层面.评价方法也大多集中在模糊综合评价法、投影寻踪法、主成分分析法、模糊集对分析法、TOPSIS模型等[7-11].但针对同一区域采用相同评价指标和分级标准对水资源承载力和水资源安全评价研究还稍显空白.

基于上述背景，文中借助组合赋权的水资源承载力TOPSIS模型和水资源安全综合评价指数，从水资源、社会经济、生态环境3个层面选取15个评价指标对黄河流域甘肃段4个二级流域分区2009—2018年的水资源承载力和水资源安全进行综合评价研究，分析时空分异特征，辨识主要影响因素.研究结果以期为未来黄河流域甘肃段乃至整个流域水资源综合开发利用及规划管理提供决策依据，助力区域高质量发展.

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

黄河在甘肃两进两出，干流总长734.7 km，多年平均径流量115.60亿m3，控制面积1.43×105km2，约占黄河流域总面积的18%.分为龙羊峡以上、龙羊-兰州、兰州-河口镇、龙门-三门峡4个二级区，包含湟水、黄河干流、洮河、渭河、北洛河及泾河6个水系.

黄河流域甘肃段是甘肃省社会经济发展的核心地带，2019年流域总人口为1 852.66万人，GDP总量为6 065.97亿元，均占全省70%左右.龙羊峡以上包括河源至玛曲、玛曲至龙羊峡区域，面积0.96×104km2，区域内人口稀少，GDP总量23.03亿元，经济发展较为落后，但却是黄河流域重要的水源涵养地和生态保护区；龙羊峡-兰州包括大通河享堂以上、湟水、大夏河、洮河、龙羊峡至兰州干流区，流域面积4.32×104km2，总人口461.01万人，GDP总量1 432.45亿元，是甘肃甘南临夏民族经济区；兰州-河口镇包括兰州到下河沿、清水河和苦水河，流域面积3.04×104km2，总人口492.81万人，GDP总量2 606.43亿元，是甘肃兰白经济发展核心区，流域内工农业发展迅速，水资源需求较高；龙门-三门峡包括北洛河状头以上、泾河张家山以上、渭河宝鸡峡以上、渭河宝鸡峡至咸阳区域，总面积5.94×104km2，人口892.88 万人，GDP总量为2 004.06亿元，分布着甘肃陇东能源基地、关中-天水经济区，区域内分布有马莲河、泾河、渭河等支流.因此，针对黄河流域甘肃段不同二级分区开展水资源承载力和水资源安全评价研究十分必要.

1.2 数据来源

数据主要来源于《统计年鉴》、《甘肃省水资源公报》、以及各县区《国民经济和社会发展统计公报》等经整理分析，得到所选指标的原始数据.

2 评价模型

2.1 指标体系构建

通过对黄河流域甘肃段水资源自然禀赋条件、经济社会用水、生态环境状况综合分析，结合国内外学者对水资源承载力和水资源安全相关研究成果，根据黄河流域甘肃段各指标数据的可获得性，构建由水资源、经济社会和生态环境3个准则层，15个指标组成的综合评价指标体系[10]，如表1所示，具体分级标准如表2所示.

表1 水资源安全与水资源承载力综合评价指标体系及权重

表2 评价指标分级标准

根据黄河流域甘肃段、整个黄河流域和全国水资源状况，参考目前较为公认的水资源承载力与水资源安全评价指标分级标准及国内外相关规范[11]，对水资源承载力和水资源安全分级采用同一标准，将各评价指标分为Ⅰ～Ⅴ共5个等级，水资源安全分别代表安全、较安全、临界安全、不安全、严重不安全5个状态等级；水资源承载力5个等级分别代表水资源的可承载、弱可承载、临界承载、超载、严重超载5个承载状态.

2.2 权重的确定

2.2.1 主观权重的确定

综合评价过程中，需根据各指标对评价结果贡献的大小确定其权重.采用系统工程理论中的层次分析法 (AHP)确定主观权重.其主要步骤如下：

1) 构造判断矩阵U=(uij)m×n.uij表示因素ui对uj的相对重要性数值(i，j=1，2，…，n)，取值范围为1～9.

2) 计算重要性排序.根据判断矩阵，由公式Uw=λmaxw求出U的最大特征根λmax对应的特征向量w′.w′归一化后的权向量w′=(w′1,w′2,…,w′n)为各评价指标的重要性排序，即各指标权重.

3) 一致性检验.以上得到的权重是否在允许范围内，需用检验公式CR=CI/RI进行一致性检验.当CR<0.1或λmax=n，CI=0时，满足一致性要求.否则，应对判断矩阵加以调整.

2.2.2 客观权重的确定

熵权法基于信息论，利用各指标信息的效用价值估算指标权重，具有一定的客观性.其主要步骤如下：

1) 建立数据矩阵A=(Xij)n×m，其中Xij为第i年第j个指标的数值.

2) 指标的归一化处理.由于各项指标的计量单位并不统一，因此在用它们计算综指标前要对其进行标准化处理.此外，为避免求熵值时对数的无意义，需进行数据平移.

对正向指标：

(1)

对负向指标：

(2)

3) 计算第j项指标的熵值：

(3)

4) 计算各项指标的权重：

(4)

2.2.3 综合权重的确定

综合权重可对主客观权重进行协调优化，对多指标综合评价问题，在主客观权重确定的情况下应确定其综合权重.其最优赋权法计算公式为

(5)

2.3 基于TOPSIS模型的水资源承载力评价

TOPSIS法能充分利用原始数据信息反映各方案之间的差距和实际情况，真实、直观、可靠，且对样本资料没有特殊要求.具体计算步骤如下：

1) 将样本数为n、指标数为m的原始数据矩阵统一指标类型(一般正向化处理)得到矩阵X=(xij)n×m.

2) 为消除各指标间量纲影响，对矩阵X按式(6)进行标准化处理，得到量纲一化决策矩阵Z=(zij)n×m，即

(6)

3) 确定有限方案中的最优及最劣方案.最优方案为

max{z12,z22,…,zn2},…，max{z1m,z2m,…,znm})，

(7)

最劣方案为

min{z12,z22,…,zn2},…，min{z1m,z2m,…,znm}).

(8)

4) 定义评价对象与最优及最劣方案间的距离.

与最优方案的加权欧式距离为

(9)

与最劣方案的加权欧式距离为

(10)

5) 确定各评价对象与最优方案的相对贴近程度，即贴近度Si，即

(11)

0≤Si≤1，以此作为评价优劣的依据，且Si值越大越贴近最优方案.

2.4 水资源安全综合评价

采用水资源安全综合评价指标对黄河流域甘肃段水资源安全问题进行评价研究，具体步骤如下：

1) 根据水资源安全评价指标体系的正、逆两类指标，利用极差标准化方法对评价指标进行量化统一；

2) 权重的确定：采用上述综合权重，见表3；

3) 按式(12)确定水资源安全综合评价值，即

(12)

3 结果分析与讨论

3.1 权重计算结果

AHP法确定主观权重，CR=0.069<0.100，通过一致性检验；熵权法确定客观权重，最终通过组合权重公式得到综合权重.

3.2 贴近度Si与安全综合评价值Ci计算结果

利用文中所述水资源承载力TOPSIS模型和水资源安全综合评价方法，计算黄河流域甘肃段二级分区水资源承载力贴近度Si和水资源安全综合评价值Ci，计算结果如表3所示.分别以4个分级临界值的Si和Ci值划分水资源承载力和水资源安全评价等级，使评价结果更加客观合理，如表4，5所示.

表3 贴近度Si和安全综合评价值Ci计算结果

表4 承载力评价结果

表5 水资源安全评价结果

3.3 结果分析

2009—2018年黄河流域甘肃段4个二级分区水资源承载力和水资源安全变化趋势如图1所示.

图1 2009—2018年黄河流域甘肃段各二级分区水资源承载力和水资源安全变化趋势

2009—2018年，甘肃段4个二级分区Si值和Ci值分别由2009年[0.287，0.366]，[0.136，0.596]的跨度变化到2018年的[0.493，0.471]和[0.364，0.623]，整体跨度差异性在时间上均呈降低趋势，也间接说明4个二级区在10 a间经济发展的不平衡在逐渐缩小，这与甘肃省经济发展水平实际情况较吻合.

龙羊峡以上区域2012年水资源安全综合评价值Ci为0.670，处在安全状态，其余年份均处在较安全状态，总体呈降低趋势.区域水质污染(据2018年甘肃省水资源公报数据显示区域内首次出现了化学需氧量和氨氮等污染物的排放)、人口增加导致的用水增多以及2015—2018年区域内废污水的排放是区域水资源安全呈降低趋势的主要原因.龙羊峡-兰州、龙门-三门峡水资源安全状态均处于临界安全状态，兰州-河口镇处于不安全状态，但Ci值整体呈上升趋势，水资源安全缓慢提升，其中兰州-河口镇区域提升速率最快；就水资源承载力而言，兰州-河口镇段水资源承载力贴近度Si由2009年的0.287上升到2011年的0.380，承载状态由2009，2010年的超载状态转变为临界可承载状态，其他3个二级分区均处于临界承载状态，贴近度Si整体呈上升趋势，但提升速率缓慢，从本质上并未改变承载状态.

总体而言，黄河流域甘肃段水资源承载力和水资源安全状态并不理想，对产生上述结果的原因进一步分析可看出：龙羊峡以上水资源禀赋较为突出，产水系数0.52，2019年生态用水率仅为0.27%，人口从2008年的4.79万人增加到2019年的5.97万人，过度放牧等造成的甘南高原玛曲区域土地沙漠化的出现等都是该区域水资源安全呈下降趋势的原因.其余3个区域，沿黄分布着甘肃大中城市带和小城镇带，人口密集，水资源供需矛盾突出，兰州-河口镇段，气候干旱，降雨量少，产水系数仅为0.03，但区域农业用水量的显著减少(2009年为10.32亿m3，2019年为8.90亿m3)、生态用水量的明显增加(2009年生态用水率为2.55%，2018年为4.53%)是该区域水资源承载力和水资源安全提升速率高于其他区域的主要原因.

对黄河流域甘肃段水资源承载力贴近度Si和水资源安全综合评价值Ci进行相关分析后得出：龙羊峡以上、龙羊峡-兰州、兰州-河口镇、龙门-三门峡Ci和Si都呈显著相关，相关系数分别为0.85，0.99，0.70和0.78.在同一评价指标及分级标准下龙羊峡以上和龙羊峡-兰州段水资源安全综合评价值Ci在各年份均高于水资源承载力贴近度Si，兰州-河口镇水资源承载力贴近度Si在各年份均大于水资源安全综合指标Ci，而龙门-三门峡段水资源承载力贴近度Si各年份围绕水资源安全综合评价值Ci上下变化，很好的验证了水资源承载力是水资源安全的可靠度量，但并不是唯一度量.

4 结 论

1) 黄河流域甘肃段水资源承载力和水资源安全时空分异较明显，时间维度上除龙羊峡以上区域水资源安全呈下降趋势外，其余均呈上升趋势，不同二级区域因社会经济发展水平、水资源开发利用程度和自然禀赋等提升速率存在差异；空间维度上，龙羊峡以上、龙羊峡-兰州、兰州-河口镇、龙门-三门峡4个二级分区水资源安全状态分别处在较安全状态、临界安全状态、临界安全状态和不安全状态，水资源安全综合评价指数变化差异性较大，总体呈现由西向东的递减趋势；水资源承载力基本均处在临界承载状态，承载力贴近度变化差异最大是兰州-河口镇段，最小是龙羊峡以上区域.

2) 水资源承载力是水资源安全的基本度量，采用同一评价体系及分级标准对同一区域水资源承载力和水资源安全进行综合评价较好的验证了区域水资源承载力是水资源安全的可靠度量，但并不是唯一度量.区域水资源承载力的大小和水资源安全状态随水资源开发阶段、目标和条件不同而变化.

此外，文中仍有不足之处，一方面在指标体系设计及选取时由于国内外研究对评价指标的选取没有统一认识，生态环境层面的指标因数据的可获得性及研究区水质污染严重等实际情况，选取时较多的考虑了相关水质指标；另一方面提出相同指标及分级标准下的水资源承载力和水资源安全评价研究在方法选用、二者之间关系分析研究中还有待进一步深入.