唐 霞，張志強(qiáng)，尉永平，熊永蘭，王勤花

（1.中國(guó)科學(xué)院 蘭州文獻(xiàn)情報(bào)中心，甘肅 蘭州730000；2.中國(guó)科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州730000；3.澳大利亞 墨爾本大學(xué) 澳中水資源研究中心，墨爾本3010）

隨著人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，全球水資源供需矛盾十分突出，水資源短缺已成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素之一。在一定的自然地理背景和時(shí)空尺度下，人類滿足自身需求以及維持整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)而對(duì)其賴以生存和發(fā)展的水資源和水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響和沖擊，簡(jiǎn)稱水資源壓力；水資源壓力的大小受到自然條件，人口規(guī)模，生活質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)總量，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，技術(shù)條件，污染程度等多重因素的影響［1］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)應(yīng)用Falkenmarke指數(shù)［2］評(píng)價(jià)了不同區(qū)域的水資源壓力現(xiàn)狀，并預(yù)測(cè)了未來(lái)水資源供應(yīng)安全［3－5］；也有很多學(xué)者［6－10］從水資源與人口、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等協(xié)調(diào)發(fā)展的角度出發(fā)，通過(guò)構(gòu)建水資源壓力指標(biāo)體系對(duì)全國(guó)各省級(jí)行政區(qū)以及部分城市的水資源壓力狀況進(jìn)行了探討。然而已有的區(qū)域水資源壓力的研究，多數(shù)是從人口和經(jīng)濟(jì)的角度分析區(qū)域水資源的承載能力，而對(duì)生態(tài)環(huán)境需水與水資源利用的動(dòng)態(tài)關(guān)系重視不足，不能客觀地反映水資源是否能夠維護(hù)生態(tài)環(huán)境安全的需求。另一方面，水資源壓力的研究尚不完善，依據(jù)現(xiàn)有的研究經(jīng)驗(yàn)選取的指標(biāo)體系或單一或缺乏可比性和通用性，因此需要開(kāi)展更加深入的研究。

黑河流域是我國(guó)西北地區(qū)第二大內(nèi)陸河流域，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年該流域人口約為197.3萬(wàn)人，耕地面積占3.21×105hm2。新中國(guó)成立以來(lái)，中游地區(qū)大規(guī)模的墾荒種糧，成為每年出口糧食達(dá)2.0～3.0×105t的商品糧基地［11］。中游過(guò)度用水已導(dǎo)致下游額濟(jì)納綠洲的生態(tài)環(huán)境急劇惡化，同時(shí)水事糾紛不斷發(fā)生、流域內(nèi)省際水事矛盾也日益突出。黑河流域水資源和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)危及全流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。本研究以黑河流域?yàn)槔瑥牧饔蛩Y源開(kāi)發(fā)利用條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與用水以及流域水環(huán)境壓力出發(fā)構(gòu)建水資源綜合壓力指數(shù)，通過(guò)定量分析水資源壓力狀況隨著時(shí)間變化的規(guī)律，為流域水資源可持續(xù)利用管理與規(guī)劃提供量化動(dòng)態(tài)指導(dǎo)。

1 水資源壓力分析理論

1.1 水資源評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系

水資源評(píng)價(jià)是對(duì)區(qū)域／流域水資源的數(shù)量、質(zhì)量、時(shí)空分布特征和開(kāi)發(fā)利用條件進(jìn)行全面分析和評(píng)估的過(guò)程，其稀缺性是推動(dòng)水資源評(píng)價(jià)發(fā)展的主要?jiǎng)恿Γ?2］。

由表1可以看出，過(guò)去的20a里，相關(guān)研究者［13］相繼提出了定量評(píng)價(jià)水資源脆弱性、水資源壓力、水資源緊缺性的指標(biāo)，用于科學(xué)表征區(qū)域水資源的稀缺性。Falkenmark和Lundqvist［14］最早呼吁人們關(guān)注全球水資源短缺問(wèn)題，并提出“水資源壓力指數(shù)”（WSI）作為區(qū)分氣候和人類活動(dòng)導(dǎo)致水短缺的一種手段。Gleick［15］首次量化了生活基本日均需水量（BWR）為50L（不包括食物生產(chǎn)）。Raskin［16］將水資源可靠性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)支撐能力納入?yún)^(qū)域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)中。Sullivan［17］應(yīng)用矩陣方法計(jì)算“水資源貧困指數(shù)”（WPI），引入了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、社會(huì)福利、人類健康和經(jīng)濟(jì)福利等指標(biāo)。這些水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)（指數(shù)）因研究?jī)?nèi)容、評(píng)價(jià)空間尺度而異，其中水資源壓力指數(shù)能夠直觀、簡(jiǎn)單易行地定量評(píng)價(jià)流域水資源狀況與該區(qū)域人口經(jīng)濟(jì)環(huán)境狀況的關(guān)系是否協(xié)調(diào)而被更多研究所采納。

表1 國(guó)際上有關(guān)水資源狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 水資源壓力指標(biāo)的內(nèi)涵與研究進(jìn)展

目前，國(guó)際上廣泛接受的宏觀衡量水資源壓力的指標(biāo)有3個(gè)：一是區(qū)域人均水資源量［2］，二是水資源開(kāi)發(fā)利用程度［5］，三是水資源承載力［25］（表2）。1989年，瑞典水文學(xué)家Falkenmark［2］定義人均水資源量為水資源壓力指數(shù)（water stress index，WSI），以衡量區(qū)域水資源稀缺程度。1993年國(guó)際人口行動(dòng)組織［3］（PAI）確定的水資源緊缺評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)與Falkenmark指數(shù)相似。近年來(lái)部分國(guó)內(nèi)學(xué)者在水資源壓力的概念、內(nèi)涵、定量評(píng)估方法等方面做了有益的探索。賈紹風(fēng)等［5］基于水資源壓力指數(shù)概念建立了水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。韓宇平等［6］提出了“水資源綜合壓力指數(shù)”，著重從水資源需求角度考慮，包括水資源數(shù)量壓力、經(jīng)濟(jì)水資源壓力和水環(huán)境壓力。吳佩林［7］通過(guò)計(jì)算人口壓力指數(shù)、生態(tài)壓力指數(shù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展壓力指數(shù)和水資源緊缺指數(shù)，劃分出我國(guó)水資源緊缺的不同類型區(qū)。劉玉龍等［8］、朱法君等［9］及廖樂(lè)等［10］分析評(píng)價(jià)了不同城市的水資源利用壓力。然而，這些水資源壓力指數(shù)或指標(biāo)存在3個(gè)方面的問(wèn)題：（1）生態(tài)問(wèn)題考慮不足，水資源壓力評(píng)價(jià)過(guò)程中僅考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面的水資源量供應(yīng)指標(biāo)，未考慮生態(tài)環(huán)境需水方面的指標(biāo)；（2）缺乏長(zhǎng)時(shí)間系列的數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)的研究?jī)H采用個(gè)別年份資料評(píng)價(jià)中國(guó)各省區(qū)的水資源壓力［6－7］，不能給出各區(qū)域水資源壓力的動(dòng)態(tài)變化值曲線，從而難以定量預(yù)測(cè)未來(lái)水資源壓力的變化趨勢(shì)；（3）國(guó)內(nèi)流域水資源壓力評(píng)價(jià)的研究較少，之前研究者已構(gòu)建的指標(biāo)體系能否直接應(yīng)用于流域水資源壓力評(píng)價(jià)還有待探討。

表2 水資源壓力指標(biāo)的3種評(píng)價(jià)方法

2 黑河水資源壓力指標(biāo)體系

2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

為了對(duì)黑河流域的水資源壓力進(jìn)行全面地分析，現(xiàn)從流域水資源開(kāi)發(fā)利用程度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與用水以及流域水環(huán)境所面臨壓力的角度出發(fā)，選取6個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)黑河流域水資源綜合壓力的分項(xiàng)指標(biāo)（表3）。其中，人均水資源量、地均水資源占有量用來(lái)衡量區(qū)域發(fā)展的水資源條件。在經(jīng)濟(jì)方面，選取萬(wàn)元GDP用水量來(lái)反映區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)出的水資源利用效率；同時(shí)，為了量化農(nóng)業(yè)用水效率反映區(qū)域節(jié)水能力，選取單位糧食產(chǎn)量用水量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。在水環(huán)境壓力方面，由于資料所限，選取廢污水排放量和地下水水位的平均變幅來(lái)表示水資源系統(tǒng)所承受的壓力。

表3 黑河流域水資源壓力指標(biāo)體系

由于黑河流域地處干旱內(nèi)陸河流域，流域水資源系統(tǒng)循環(huán)和水資源利用具有十分鮮明的特征。黑河流域是西北地區(qū)的重要灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，水資源狀況直接決定灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r；干旱內(nèi)陸河流域的特點(diǎn)決定了水資源系統(tǒng)的自凈能力十分有限，廢污水的排放量直接造成對(duì)水資源系統(tǒng)的壓力；流域地下水位的變化狀況，直接反映出流域水資源的壓力狀況。因此，這6個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)就可以很好地評(píng)價(jià)流域水資源壓力狀況。

用上述6個(gè)指標(biāo)計(jì)算水資源壓力時(shí)，為了便于比較，所有指標(biāo)都以下述公式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，如果是正向指標(biāo)，即屬性值越大水資源壓力越小，則使用公式（1），如人均水資源量；若為逆向指標(biāo)，對(duì)于屬性值越大水資源壓力越大的指標(biāo)，則使用公式（2），比如萬(wàn)元GDP用水量、單位糧食產(chǎn)量用水量等。

式中：yij——各指標(biāo)的具體值；Eij——各指標(biāo)的量化值；yjmax，yjmin——指標(biāo)的最大、最小值；i——指標(biāo)序列；j——時(shí)間序列。

2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定及水資源綜合壓力指數(shù)的推求

權(quán)重賦值方法可分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩大類。主觀賦權(quán)法包括層次分析法、德?tīng)柗品ā⑴袛嗑仃嚪治龇ǖ?，主要依?jù)專家學(xué)者的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定權(quán)重因而客觀性較差；客觀賦權(quán)法是根據(jù)原始數(shù)據(jù)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算獲得權(quán)重，其客觀性較強(qiáng)，其中均方差法主要反映屬性值的離散程度，一致性較高［26－28］。本研究采用均方差法確定各指標(biāo)權(quán)重。假設(shè)各單項(xiàng)為xj，再算xj的權(quán)重：

式中：Eij——指標(biāo)xj均值；σ（xj）——指標(biāo)xj的均方差；ωj——指標(biāo)xj的權(quán)重。

有了指標(biāo)權(quán)重后再對(duì)各單項(xiàng)指數(shù)按公式（3）進(jìn)行計(jì)算得到水資源綜合壓力指數(shù)。

式中：S——區(qū)域水資源綜合壓力指數(shù)；ωj——各因素的權(quán)重分配；Eij——區(qū)域水資源分項(xiàng)壓力指標(biāo)的量化值。

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)果分析

根據(jù)上述流域水資源壓力計(jì)算方法，基于《甘肅省水資源公報(bào)（2000—2010年）》歷時(shí)11a的數(shù)據(jù)計(jì)算了黑河流域各項(xiàng)水資源壓力指數(shù)，然后計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)（表4），最終獲取了水資源綜合壓力指數(shù)（表5）。

表4 黑河流域水資源壓力指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算

表5 水資源綜合壓力指數(shù)分級(jí)

為了更直觀地進(jìn)行水資源壓力的評(píng)價(jià)，參照Rasi Nezami［29］在伊朗南部 Maharlou—Bakhtegan流域所做的研究，對(duì)水資源綜合壓力指數(shù)進(jìn)行定量化分級(jí)（表5）。從圖1可看出，黑河流域近11a的水資源綜合壓力指數(shù)均在0.2以上，水資源壓力均屬于高的等級(jí)。這說(shuō)明當(dāng)?shù)厝丝谂c經(jīng)濟(jì)發(fā)展嚴(yán)重?cái)D占了流域的生態(tài)需水，仍存在明顯的水資源短缺危機(jī)。劉爭(zhēng)勝［30］研究得出2000—2008年黑河地表水開(kāi)發(fā)率為90.9%，中游部分地區(qū)已嚴(yán)重超采地下水。袁偉［31］利用水資源承載壓力指數(shù)計(jì)算了2004年黑河流域水資源承載壓力度，研究得出黑河流域水資源承載能力屬于超負(fù)荷承載。總體而言，2000—2010年水資源綜合壓力指數(shù)呈下降態(tài)勢(shì)，從2000年的0.58逐步降到2010年的0.28。

圖1 黑河流域2000－2010年水資源綜合壓力指數(shù)動(dòng)態(tài)

3.2 結(jié)果討論

從總的趨勢(shì)來(lái)看，過(guò)去11a來(lái)黑河流域水資源綜合壓力指數(shù)呈顯著的下降趨勢(shì)，表明黑河流域的水資源綜合壓力有所減緩。同時(shí)，也有研究表明2004—2010年黑河流域總水資源生態(tài)足跡整體上呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)［32］。黑河流域水資源壓力的減緩，顯然與兩方面的因素密切相關(guān)：（1）2001年國(guó)務(wù)院批復(fù)《黑河流域近期治理規(guī)劃》，啟動(dòng)了近10a的黑河干流水量統(tǒng)一調(diào)度管理，有效改善了流域水資源配置、生態(tài)保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展；（2）2002年3月國(guó)家水利部批準(zhǔn)張掖地區(qū)開(kāi)展節(jié)水型社會(huì)建設(shè)試點(diǎn)工作，大力促進(jìn)了節(jié)水技術(shù)的推廣利用和流域水資源的優(yōu)化配置。主要包括：① 黑河中游地區(qū)優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，開(kāi)展灌區(qū)節(jié)水改造。張掖將糧、經(jīng)、飼種植結(jié)構(gòu)調(diào)整為70∶25∶5，在2003年全部取消6 667hm2高耗水的水稻的種植［33］。特別是2012年該市玉米制種、啤酒大麥、馬鈴薯、牧草、中草藥等低耗水作物的種植面積已達(dá)到1.33×105hm2，年節(jié)水可達(dá)1.60～2.40×108m3，有效緩解了水資源壓力［34］。其中，2000和2005年全流域的水資源總量相當(dāng)，均到達(dá)了2.50×109m3，但是與2000年相比，2005年水資源綜合壓力指數(shù)下降了38%。加之，自2000年以來(lái)黑河流域中游地區(qū)通過(guò)推廣噴滴灌、微灌、低壓管灌、渠道防滲等節(jié)水技術(shù)，不斷增加節(jié)水灌溉面積。2008年之后，張掖和酒泉地區(qū)的節(jié)水灌溉面積增加至約1.00×105hm2。② 工業(yè)節(jié)水措施逐步加強(qiáng)，初顯節(jié)水成效。隨著“工業(yè)強(qiáng)市”戰(zhàn)略的實(shí)施，張掖水務(wù)、環(huán)保和資源管理部門通過(guò)加強(qiáng)對(duì)企業(yè)用水量的嚴(yán)格考核和對(duì)水污染治理采取強(qiáng)制性措施；多渠道增加節(jié)水投入，引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，爭(zhēng)取水重復(fù)利用率達(dá)到65%。對(duì)重點(diǎn)行業(yè)（化工、建材、造紙、冶金等）的單位產(chǎn)品實(shí)行用水定額管理。在用水效率上，近11a來(lái)黑河流域各行政區(qū)單位產(chǎn)值用水量持續(xù)降低，用水效率逐年提高。2000—2010年，黑河流域萬(wàn)元GDP用水量減少了1 153.7m3。

節(jié)水型社會(huì)建設(shè)試點(diǎn)對(duì)于緩解黑河分水后張掖市的水資源緊張起到了一定的積極作用。但是從全流域的用水情況來(lái)看，黑河流域用水結(jié)構(gòu)仍然不合理（圖2）。農(nóng)業(yè)用水排第一，近11a來(lái)農(nóng)業(yè)用水比例略有些減少，但多年平均用水量高達(dá)84.7%；生態(tài)用水居于末位僅為0.8%。張軍［32］等利用生態(tài)足跡法進(jìn)行研究，結(jié)果表明2004—2010年平均農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占總生態(tài)足跡的92.37%，生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡僅占1.17%［32］。農(nóng)業(yè)灌溉用水大量擠占了生態(tài)用水，是黑河下游生態(tài)環(huán)境惡化的根源之一［35］。雖近幾年略有增加，但是黑河流域留給生態(tài)用水的比例還是較低，這些水量對(duì)于中下游生態(tài)恢復(fù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，應(yīng)該從更長(zhǎng)遠(yuǎn)角度綜合考慮生態(tài)安全，嚴(yán)格控制農(nóng)業(yè)用水需求，將農(nóng)業(yè)擠占的水量歸還給流域生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的目標(biāo)。

圖2 黑河流域用水結(jié)構(gòu)比例

自2000年國(guó)家實(shí)施黑河水資源統(tǒng)一調(diào)度以來(lái)，共采取了20次“全線閉口，集中下泄”措施，有效增加了進(jìn)入下游河段的水量。尤其是2001年中游地區(qū)在遭遇60年一遇的特大干旱的情況下，仍然使黑河水到達(dá)額濟(jì)納旗首府達(dá)萊湖，當(dāng)時(shí)全流域的水資源總量?jī)H為1.42×109m3，可利用的水量驟減，此時(shí)水資源綜合壓力指數(shù)達(dá)到11a來(lái)的最大值0.75。在保證順利完成省際分水任務(wù)的前提下，也加劇了黑河中游地區(qū)的用水壓力。同時(shí)，可見(jiàn)極端天氣事件等對(duì)年度評(píng)價(jià)指標(biāo)有較大影響，今后的研究應(yīng)考慮這些噪音的影響。本研究也未考慮流域水資源分布不均的特點(diǎn)，將來(lái)在評(píng)價(jià)過(guò)程中應(yīng)考慮流域內(nèi)部的空間變異性，以確定水資源壓力“峰值”地區(qū)。最后本研究提出的水資源壓力評(píng)價(jià)指標(biāo)如能與水文生態(tài)模型進(jìn)行集成，就可定量分析不同情景條件下通過(guò)調(diào)控關(guān)鍵因子將水資源的壓力分項(xiàng)指標(biāo)以及綜合壓力指數(shù)調(diào)整到期望的狀態(tài)，指導(dǎo)流域管理調(diào)控的方向和措施。

4 結(jié)論

針對(duì)目前采用的評(píng)價(jià)指數(shù)不能夠全面客觀地反映水資源壓力狀況，以及所構(gòu)建的指標(biāo)體系在應(yīng)用過(guò)程中存在“重區(qū)域輕流域”、“重經(jīng)濟(jì)輕生態(tài)”的問(wèn)題，選取了6個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)2000—2010年黑河流域水資源綜合壓力指數(shù)進(jìn)行了定量分析。結(jié)果表明，黑河流域的水資源壓力較高；但通過(guò)流域治理、節(jié)水、調(diào)水等一系列措施，水資源綜合壓力指數(shù)逐年下降，整體情況向好轉(zhuǎn)變。所以，今后仍應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)，促進(jìn)水資源高效利用，壓縮農(nóng)業(yè)用水量，優(yōu)化調(diào)整用水結(jié)構(gòu)。另外，今后亟需加強(qiáng)干旱半干旱地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列的水資源壓力狀況評(píng)價(jià)，建立長(zhǎng)時(shí)間序列的相應(yīng)的指標(biāo)數(shù)據(jù)集，為生態(tài)用水科學(xué)評(píng)價(jià)提供可靠的數(shù)據(jù)資料。

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