基于WPI模型的重庆市水资源安全分析

张　喆，何太蓉,b，舒瑞琴，刘　欢

(重庆师范大学 a.地理与旅游学院；b.三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室，重庆　401331)



基于WPI模型的重庆市水资源安全分析

张喆a，何太蓉a,b，舒瑞琴a，刘欢a

(重庆师范大学 a.地理与旅游学院；b.三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室，重庆401331)

摘要：为综合评价重庆市水资源安全情势，分析多重背景下水资源安全影响因素，以WPI模型构建水资源安全评价指标体系，该体系分为5个子系统：资源(R)、途径(A)、效率(U)、能力(C)和环境(E)。采用加权函数法计算1997—2013年重庆市水资源安全综合评价指数和5个子系统得分值，并利用因子分析法进行对比分析；建立水资源安全因素判定模型，对子系统进行优等、中等、劣等因素划分。结果表明：重庆市水资源安全值呈阶梯式上升，趋势系数为0.022 8 /a，水资源安全状况趋于好转，并且与因子分析对比结果基本一致；但各子系统时序变化差异较大，途径和能力子系统分值逐年上升，资源和环境子系统分值比早年有所下降，该阶段的效率子系统分值变化不大；因素评判结果显示，途径因素和能力因素随着时间推移而不断提高，从劣等因素变为优等因素，但资源和环境因素却逐渐演变为重庆市水资源安全的劣等因素，效率因素降为中等因素。未来重庆市水资源安全存在一定风险，需加强水资源管理和水环境改善，提高公民节水意识来加以防范。

关键词：水资源安全；WPI模型；因素评判模型；因子分析法；重庆市

1研究背景

水资源是人类生存和发展的基础性自然资源和战略资源。水资源安全是指在保证人类物质文化需求和社会经济稳步发展的前提下，能为该地区生产、生活和生态提供足够安全水的一种状态[1-2]。对于不同区域尺度上的水资源安全度量与评价是水文学与水资源科学研究的重点和热点问题[3]。水资源安全评价模型是近年来国内学者的关注重点，其中水资源承载力评价模型最早用来衡量区域水资源安全[4]。很多学者用不同数学方法来构建水资源安全评价模型。其中应用较多的有多因子二级评判模型[5]、云模型[6]、复杂巨系统[7]和联系数等[8]。邵薇薇等[9]通过引进英国生态与水文研究所Sullivan等[10]提出的WPI模型对华北和东北地区的主要流域进行评价。之后，WPI模型运用到我国北方、西北和华中地区不同流域或特定流域内不同区县水贫困空间差异评价[11-13]，研究对象多是水资源相对匮乏地区。但随着南方地区人口规模和资源压力的不断增大，加上水污染问题突显，有关南方各区域的水资源安全研究越来越引发关注。

重庆处于我国中亚热带湿润季风气候区，是典型的西南山地城市，城市的用水状况受到自然资源、社会经济和水利设施等各种因素的影响，因此，在多重背景下的重庆市水资源安全问题急待研究。对重庆区域而言，黄玉宝等[14]利用PSR模型对重庆市1997—2010年水安全综合评价指数进行时间动态分析。舒瑞琴等[15]从供需、生态和社会经济3个方面对重庆市沙坪坝区水资源安全进行模糊综合评价，强调未来沙坪坝区水资源安全存在风险。本文尝试利用WPI模型，从资源、途径、效率、能力和环境5个方面综合评价重庆市水资源安全情势，分析影响水资源安全状况的优、中、劣因素，揭示重点治理对象，以期为未来重庆市水资源的综合管理和可持续开发利用提供科学依据。

2研究区概况

重庆市位于中国西南部，是国家“一带一路”战略内陆地区重要支点和长江经济带的西部中心枢纽，地处四川盆地东部平行岭谷地带，地貌类型以山地、丘陵为主。重庆市东邻湖北、湖南省，西与四川省交界，南邻贵州省，北部与陕西省接壤，辖域面积为8.24×104km2。该区域属于亚热带湿润季风气候，多年平均气温约为18 ℃，多年平均降水量1 150 mm，降水年际变化大，且年内季节分配不均，夏秋多降雨。降水空间分布不均，呈现自西南向东北逐渐增加的格局。水文方面，重庆市处于长江上游，长江自西南向东北横贯全境，境内河网密布，有嘉陵江和乌江等支流汇入，形成向心不对称的网状水系。据2013年重庆市水资源公报，境内流域面积>1 000 km2的水系达42条，众多的河流为重庆市带来丰富的过境水资源。过境水系中，乌江水系全年水质为Ⅴ类，主要超标污染物为TP，长江、嘉陵江水系的评价河段全年水质分别为Ⅲ类和Ⅱ类；2013年重庆市采用全因子(不考虑总氮、粪大肠菌群)水质评价，达标水功能区53个，占重要水功能区总数的55.2%，主要超标项目有氨氮、高锰酸盐指数、总磷、五日生化需氧量。总体来说，重庆市水资源总量丰富，但人均值较低，2013年人均水资源量约为1 412 m3，低于全国平均水平2 100 m3。对水质情况而言，干流水质较好，而支流水质相对较差。

表1　重庆市水资源安全指标体系与权重Table 1　Index system and index weights for water resource security of Chongqing

3数据来源与研究方法

3.1数据来源

本文所用数据主要来源于重庆市水利局发布的2000—2013年《重庆市水资源公报》和重庆市统计局发布的1998—2014年《重庆市统计年鉴》。因数据纵向年份为17 a，个别缺失数据依据相应降水量等数据并利用SPSS 17.0软件进行序列均值内插和线性趋势内插获得。

3.2评价指标体系和权重

WPI模型由5个子系统组成，即资源(R)、途径(A)、效率(U)、能力(C)和环境(E)。相对于PSR模型和社会-经济-环境指标体系，WPI模型内容更加全面，不仅反映区域水资源的自然状况，还体现水利设施、居民生活和社会经济状况对水资源供需的影响。笔者对比孙才志等[16]、肖新成等[17]和R. J. Zhang等[18]的相关研究，结合重庆市独特的地形和人文要素，根据科学性、独立性、代表性和系统性等指标选取原则，结合数据的可获得性选取了21个基础指标作为指标层，WPI模型的5个子系统作为准则层，水资源安全作为目标层。采用层次分析法(AHP)结合熵值法(EVM)确定各指标的综合权重和各准则层的综合权重[19],如表1所示。

3.3综合评价方法

本文水资源安全评价是资源、途径、效率、能力、环境5个准则层的非均衡综合评价。准则层计算采用加权函数法，如式(1)所示，得到的各子系统值，再将其代入式(2)中，进行下一步的加权求和。

(1)

(2)

式中:yij指第i个评价对象的第j个指标的标准化值;wi和wj分别为各子系统的综合权重和子系统下基础指标的综合权重;f(yi)和F(x)分别为各子系统得分值和水资源安全综合指数。

为了避免极值0和1的出现，利用改进的极差标准化法对原始数据进行归一化处理。方法如下：

正向指标

(3)

负向指标

(4)

式中:xij指第i个评价对象的第j个指标的原始值;xmax，xmin分别为第i个评价对象的最大值和最小值。

3.4水资源安全影响因素评判模型

为保障重庆市水资源安全水平，水资源安全影响因素分析十分必要。本文借鉴因素强度系数模型[1]，将因素强度系数定义为WPI模型各子系统计算得分值与水资源安全综合指数值的比值，记为Z。在考虑因素强度系数值的同时，还要考虑子系统的计算得分值，记为f。对1997—2013年各子系统得分值和水资源安全综合值进行分析，适当调整阈值，得到适合重庆市的优等、中等、劣等因素判定准则,如表2所示。

表2　水资源安全影响因素分类判定标准Table 2　Standard of rating the influencing factors of water resource security

4结果与分析

4.1重庆市水资源安全综合评价结果分析

根据以上公式计算得出重庆市1997—2013年水资源安全综合的指标和各子系统得分值，进而得出各评价指数变化趋势图，如图1。

图1　综合评价法所得重庆市水资源安全评价结果

从图1可以看出：重庆市水资源安全综合指数由1997年的0.25上升到2013年的0.67，整体呈阶梯式上升。其中1997—1998年、2001—2003年、2006—2007年和2009—2013年这4个时段水资源安全值增幅较大，1998—2001年、2003—2006年和2007—2009年这3个时段水资源安全值平缓下滑。1997—1998年水资源安全值从0.25突增到0.36，增幅44%。1998—2001年变化较为平缓，波动较小。2001—2003年增幅45.46%。2003—2006年再次平缓下降，下滑近15%，水资源安全值降到0.40。2006—2007年水资源安全值增幅27.23%。2007—2009年下滑幅度只有5.78%。2009年之后，水资源安全值再次大幅度上升，2013年相对于2009年增幅38.51%。总体来看，重庆市水资源安全值呈波动上升趋势，与黄玉宝等[14]的研究结论大体一致，但水资源安全趋势系数为0.022 8 /a，水资源安全波动更为剧烈。

4.2重庆市水资源安全各子系统评价结果分析

图2是根据式(1)得出的WPI模型5个子系统在1997—2013年期间的变化趋势。

图2　重庆市水资源安全各子系统评价结果

由图2可以看出，途径子系统(A)和能力子系统(C)的得分基本上逐年上升，途径子系统(A)趋势系数为0.048 2 /a，低于能力子系统(C)的0.051 3 /a。资源子系统(R)和环境子系统(E)在研究期间波动变化，并且变化趋势相似，特别是在2006年和2009年的枯水年份，资源和环境子系统值同时降低。受降水年际变化大的影响，资源子系统(R)比环境子系统(E)变化幅度更大。环境子系统呈现明显的下降，趋势系数为-0.014 5/a。效率子系统(U)表示重庆市水资源使用效率，从1997—2013年，使用效率变化较为平缓，多数年份效率得分值在0.54左右徘徊，趋势系数只有0.002 4/a。

4.3重庆市水资源安全因子分析评价结果分析

利用因子分析中的主成分法[20]对重庆市1997—2013年水资源安全进行评价。首先得出前4个主成分因子的累计贡献率为95.348%，满足评价需求。之后采用方差最大旋转法得到4个主成分因子载荷矩阵，第2主因子中水利工程蓄水率、农田灌溉亩均用水量、人均GDP和农田有效灌溉面积的相关系数绝对值较大，归为一类，定义为水利灌溉因子；第3主因子中年人均废污水排放量、污径比归为水环境因子；产水系数和人均水资源量作为水资源量因子归为第4主因子；其余指标作为第1主因子，根据指标特点将其定义为社会经济因子。可以看出，4个主成分因子的划分与WPI模型5个子系统具有相似性。在SPSS17.0中根据因子得分矩阵和21个变量的标准化值求出4个主因子的得分，再以每个因子的贡献率作为系数，将主因子得分值代入式(5)，求出水资源安全值，结果如图3所示。

F=0.468 7×F1+0.222 08×F2+

0.145 84×F3+0.116 87×F4。

(5)

式中：F为水资源安全综合指数；F1,F2,F3和F4分别为社会经济、水利灌溉、水环境和水资源量得分值。

图3　因子分析法所得重庆市水资源安全评价结果

图3为因子分析法得出的结果，将其和基于WPI模型加权求和得出的结果(如图1)进行对比，图3中纵坐标代表由式(5)计算得到的水资源安全得分值，最高值为2011年的0.73，图3中趋势系数为0.102 7/a。2个图中的变化趋势大体一致，最低值都出现在1997年，水资源变化也近似呈阶梯式上升，可以印证基于WPI模型的评价结果合理有效。

4.4重庆市水资源安全影响因素分析

为深入分析重庆市自成为直辖市以来各年份水资源安全的影响因素，利用表2中的因素判定准则，分别判定出重庆市1997—2013年中每一年影响水资源安全的优等、中等和劣等因素，结果见表3。

从表3中可见，随着年份的推移，重庆市水资源安全影响因素不断变化。1997—1998年、2001—2002年、2003—2004年、2011—2012年这4个阶段因素评判呈现连续相同的特点，但每个阶段之间评判结果不同。1997—1998年连续2 a不存在中等因素，原因在于这2 a水资源安全综合值较低，资源、效率和环境状况良好，而途径和能力受经济水平限制，状况最差。2007年不存在优等因素，资源子系统为劣等因素，其他4个子系统为中等因素。

表3　重庆市水资源安全影响因素评判结果Table 3　Result of rating the factors of water resource security of Chongqing

WPI模型的5个子系统作为水资源安全影响因素随时间变化具有阶段性。从2001年开始，资源子系统(R)由优、中等因素突变为劣等因素，2010年之后为中等因素。原因可能是2001年之前，重庆市降水丰沛，水资源量充足，平均水利工程蓄水率达0.044；之后2001—2006年降水量少，平均产水系数只有0.53，水利设施完善进程跟不上人口膨胀速度，造成城市用水短缺，其中2001年和2006年的旱灾对重庆市水资源安全影响显著。2007年之后水资源开发利用不断完善，但人口压力造成人均水资源量依然处于低水平，水资源压力大。

途径子系统(A)和能力子系统(C)这2个因素变化规律近似，随着年份的增加从劣、中等因素逐渐转为优等因素，变化的拐点出现在2006年。说明重庆直辖和三峡水利工程的实施，国家大力扶持重庆全方位发展，城市经济、教育和环境投入比重不断提高，人均GDP由1997年的4 733元涨至2013年的42 795元。经济水平的提高带动自来水普及率和供水、排水管道等各种水利设施建设，先进的科学技术不断提升工业废水排放达标率并降低万元GDP用水量。2009年之后，即使在资源和环境处于不利的情况下，重庆市水资源安全值仍达0.55以上，其中用水途径和能力起到有效的驱动作用。

环境子系统(E)在2005年之前是优等因素，之后变化为中等和劣等因素，威胁重庆市水资源安全。一方面，由于长期的人类活动，大量的工农业废水、生活污水、化肥农药等排入到江河水库，造成水质恶化；另一方面，2003年以来受三峡工程蓄水成库的影响，库区干流及众多支流的流速明显下降，《长江三峡工程生态与环境监测公报》指出，2013年坨口断面干流平均流速为0.26 m/s。河流流速降低不利于污染物的稀释扩散，从而影响水体的纳污能力。此外，湿地、河流、湖泊等生态系统遭到破坏，水生态功能减弱。2009年之后，水环境已变为水资源安全的劣等因素，威胁水资源安全。

效率子系统(U)代表城市和农村家庭用水和不同工农业部门用水效率，直辖以来，重庆市水资源使用效率从优等因素变为中等因素，2011年和2012年更是作为劣等因素。虽然农业现代化水平不断提高，工业废水处理技术越发成熟，但对水资源重复利用量依然较少，2013年重庆市城市建成区的污水处理回用只有3万m3，说明公民节水意识淡薄，水资源有效利用还有很大的提升空间。

5结论

(1) 重庆市自直辖以来，水资源安全值随年份阶梯式上升。重庆市水资源总体状况不断改善并趋于稳定，个别枯水年份水资源安全值较低，反映了当年水资源短缺问题。

(2) 子系统值变化趋势中除途径和能力子系统有一定提升，效率子系统基本稳定外，资源和环境子系统值均呈现不同程度的下降，可见重庆市未来水资源安全依然存在风险。其中水资源短缺和水环境恶化问题需得到政府和普通民众的重视，以免威胁未来重庆市水资源安全。

(3) 利用因子分析法将基础指标分为社会经济、水利灌溉、水环境和水资源量4个主因子，与WPI模型结果进行对比，计算得到水资源安全值变化趋势与WPI模型结果基本一致，说明WPI模型所得水资源安全值的结果合理可信。

(4) 重庆市不同阶段水资源安全影响因素有所不同。资源和环境子系统逐渐演变成为水资源安全的劣等因素，供水设施和用水能力成为保证重庆市水资源处于安全状态的优等因素。分析结果与重庆市近年来水文状况基本相符，现阶段需加强重庆市水资源管理和特别是水环境改善与保护，提高水资源的利用效率。

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(编辑:占学军)

收稿日期：2015-07-09; 修回日期：2015-08-28

基金项目：重庆市科委软科学计划项目(CSTC2011CX-rkxA0280)

作者简介：张喆(1991-)，男，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方向为环境演变与灾害管理, (电话)15340514810(电子信箱)dilizhangjiji2008@126.com。 通讯作者：何太蓉(1973-)，女，重庆丰都人，教授，博士，研究方向为自然资源与环境,(电话)15823571779(电子信箱)he_trong@263.net。

doi:10.11988/ckyyb.20150573

中图分类号：TV211.1

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)04-0001-05

Analysis of Water Resources Security inChongqing City Based on WPI Model

ZHANG Zhe1, HE Tai-rong1,2, SHU Rui-qin1, LIU Huan1

(1.School of Geography and Tourism, Chongqing Normal University, Chongqing401331, China;2.Key Laboratory of Surface Process and Environment Remote Sensing in the Three Gorges Reservoir Area,Chongqing Normal University, Chongqing401331, China)

Abstract:The aim of this research is to comprehensively assess the situation of water resource security in Chongqing city and analyze the influencing factors in multiple background. We built an assessment index system of water resources security based on WPI model. The system consists of five subsystems: resource (R), access (A), usage (U), capacity (C), and environment (E). We calculated the comprehensive security index of water resources and the five subsystems’ scores during 1997-2013 in Chongqing city using weighting function method, and conducted comparative analysis by using the method of factor analysis. Furthermore, we established factors rating model and classified the five subsystems into superior, medium and inferior. Results revealed that the water resources security index of Chongqing increased progressively during 1997-2013, and the coefficients of overall trend was 0.0228/a, indicating that the situation of water resources security improved and the assessment result was consistent with factor analysis. However, the five subsystems had a different variation tendency in time. Among the five subsystems, the scores of access subsystem and capacity subsystem were rising year by year. Compared with earlier years, the scores of resource subsystem and environment subsystem in late years declined. But the score of usage subsystem changed a little. The access factor and capacity factor evolved from inferior to superior while the resource factor and environment factor degraded into the inferior. The efficiency factor degraded into medium from superior. According to the above results, we conclude that the situation of water resources security in Chongqing city has risk possibility in the future. Therefore, the management of water resources should be strengthened and water environment should also be improved, and the water-saving awareness should be intensified.

Key words:water resources security; WPI model; factors rating model; factor analysis; Chongqing city

2016,33(04):1-5,15