(葫蘆島市南票區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 葫蘆島 125027)

結(jié)合文獻(xiàn)資料可將水資源短缺的內(nèi)涵概括為：由于供水系統(tǒng)不完備、水生態(tài)環(huán)境惡化、水資源不合理開(kāi)發(fā)以及人口規(guī)模擴(kuò)大等因素影響，水資源系統(tǒng)在一定的時(shí)空條件下表現(xiàn)出的缺水現(xiàn)象。經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展在一定程度上加大了各行業(yè)對(duì)水資源的消耗，加之水環(huán)境污染嚴(yán)重和水資源空間分布不均，使得水資源短缺問(wèn)題已成為全世界面臨的重要難題[1]。

葫蘆島市是我國(guó)東北沿海地區(qū)旅游、工業(yè)、港口、貿(mào)易及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要城市，當(dāng)前面臨著工程性、資源性與水質(zhì)性缺水問(wèn)題。調(diào)查顯示：該區(qū)域人均水資源量為728m3且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家公認(rèn)水平，年均水源量約19.56億m3，屬于重度缺水區(qū)。由于城市水資源短缺，供水不足成為限制城市發(fā)展的關(guān)鍵因素，且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增長(zhǎng)及城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，生產(chǎn)生活及各行業(yè)用水量急劇增大。流域下墊面條件的改變和上游地區(qū)用水量的增加，使得葫蘆島市產(chǎn)流量與入境水量不斷減少，水源短缺風(fēng)險(xiǎn)為葫蘆島市面臨的重要問(wèn)題之一[2-6]。所以，構(gòu)建系統(tǒng)、全面的評(píng)價(jià)體系，確定關(guān)鍵性影響因子的變化特征，綜合評(píng)價(jià)區(qū)域水資源供需關(guān)系是實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理的重要條件，并可為促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供重要保障。

對(duì)于評(píng)價(jià)體系構(gòu)建方法的研究國(guó)外還鮮有報(bào)道，且相關(guān)研究用于描述水系統(tǒng)特征的指標(biāo)數(shù)相對(duì)較少。目前，Hashimoto等[7]提出的易損性、恢復(fù)性與可靠性指標(biāo)為描述水系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的代表性指標(biāo)，隨后風(fēng)險(xiǎn)率、穩(wěn)定性等指標(biāo)逐漸得到應(yīng)用。我國(guó)于20世紀(jì)90年代末開(kāi)始對(duì)各類(lèi)水資源的評(píng)價(jià)研究，對(duì)全國(guó)水資源開(kāi)采狀況水電規(guī)劃研究院進(jìn)行了綜合的評(píng)價(jià)分析。隨后，賈紹鳳等[8]從水資源生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、總體安全4個(gè)層面選擇22項(xiàng)因子，建立了水安全綜合評(píng)價(jià)體系；韓宇平等[9]基于層次框架體系從5個(gè)方面選擇22個(gè)與水安全相關(guān)的典型指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)優(yōu)選了水資源持續(xù)利用方案；李九一等[10]選擇用水效率、水資源利用率、保障可靠性及供給保證率4項(xiàng)指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)了京津唐地區(qū)的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)；張士峰等[11]結(jié)合水系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)過(guò)程、系統(tǒng)屬性特征，從損害程度、承險(xiǎn)因子、致險(xiǎn)因子的角度選擇20項(xiàng)典型指標(biāo)并構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，綜合評(píng)價(jià)了北京市水系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)；高媛媛等[12]從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)、自然4個(gè)子系統(tǒng)選擇9項(xiàng)參數(shù)，綜合分析了泉州市水系統(tǒng)安全水平。

截至目前，對(duì)于指標(biāo)體系的研究國(guó)內(nèi)學(xué)者還未形成普遍適用、系統(tǒng)完善的評(píng)價(jià)方法，雖然這些分類(lèi)指標(biāo)、綜合指標(biāo)基本涉及了生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)與自然系統(tǒng)的多個(gè)方面，但未考慮各指標(biāo)間相互作用的復(fù)雜關(guān)系，且選擇的指標(biāo)往往存在隨意性。同時(shí)，對(duì)于指標(biāo)權(quán)重通常采用AHP法計(jì)算，該方法具有層次清晰、計(jì)算簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但人為主觀因素可能對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成偏差。

因此，本文考慮采用PSR框架結(jié)構(gòu)建立評(píng)價(jià)體系，對(duì)各因子權(quán)重考慮采用主成分法確定，綜合評(píng)價(jià)葫蘆島市1991—2016年的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果確定影響區(qū)域水資源短缺的關(guān)鍵因素。

1 構(gòu)建PSR模型

1.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

由OECD經(jīng)濟(jì)合作組織提出的PSR壓力-狀態(tài)-響應(yīng)框架體系，最早用于研究世界環(huán)境狀況，其基本理念是將政策制度、管理措施響應(yīng)的自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)，資源數(shù)量與環(huán)境質(zhì)量狀態(tài)，自然環(huán)境受人類(lèi)活動(dòng)影響的壓力等方面作為一個(gè)整體系統(tǒng)研究，揭示協(xié)調(diào)穩(wěn)定因素對(duì)人地系統(tǒng)的影響規(guī)律及其作用結(jié)果。在資源可持續(xù)利用、生態(tài)安全評(píng)價(jià)等方面，PSR模型得到了廣泛的應(yīng)用。

針對(duì)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的內(nèi)涵PSR框架模型具有較強(qiáng)適用性和可行性，生態(tài)、生產(chǎn)和生活各方面用水由于自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人口增長(zhǎng)的變化逐漸產(chǎn)生壓力，在水資源系統(tǒng)中用水短缺風(fēng)險(xiǎn)主要體現(xiàn)在水質(zhì)惡化和水量短缺兩個(gè)方面。水資源管理者需要采取管理手段、工程技術(shù)措施等辦法緩解水資源危機(jī)，從提高污水處理能力和用水效率兩方面入手，降低用水短缺風(fēng)險(xiǎn)程度。因此，水資源短缺各因素間的相互關(guān)系和影響作用可基于RPS框架模型評(píng)價(jià)體系反映，從而科學(xué)地提出有效的對(duì)策建議。

本文遵循簡(jiǎn)便性、科學(xué)性、代表性與系統(tǒng)性原則，充分考慮葫蘆島市水資源現(xiàn)狀，依據(jù)PSR壓力-狀態(tài)-響應(yīng)框架體系選取與水資源系統(tǒng)密切相關(guān)的14個(gè)典型指標(biāo)。不同的指標(biāo)屬性對(duì)抑制或促進(jìn)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的作用不同，結(jié)合各指標(biāo)的具體內(nèi)涵將其分為正向、負(fù)向兩大類(lèi)。水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)隨正向指標(biāo)值的增大而增大，隨負(fù)向指標(biāo)值的增大而減少，評(píng)價(jià)體系及各指標(biāo)具體內(nèi)涵見(jiàn)表1。

表1 水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系及其內(nèi)涵

1.2 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱不同無(wú)法直接用于水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算，本文對(duì)各指標(biāo)的歸一化處理考慮采用標(biāo)準(zhǔn)差法進(jìn)行，其表達(dá)式如下：

(1)

對(duì)評(píng)價(jià)體系中的正向、負(fù)向指標(biāo)分別采用式(1)處理，由此可消除不同指標(biāo)在水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)的不可通透性。

1.3 主成分法賦權(quán)

主成分法是一種利用少數(shù)綜合參數(shù)替代多個(gè)變量的計(jì)算法，這幾個(gè)綜合參數(shù)不僅能夠考慮各指標(biāo)之間的系統(tǒng)性、獨(dú)立性關(guān)系，而且可有效避免由于決策者主觀判斷造成重要指標(biāo)有效信息的丟失，對(duì)于多屬性、多因素復(fù)雜問(wèn)題的評(píng)價(jià)計(jì)算具有較強(qiáng)的適用性。該方法是運(yùn)用降低維度的原理，采用少數(shù)幾個(gè)具有線性組合關(guān)系且相互獨(dú)立的主成分指標(biāo)代表實(shí)測(cè)的多個(gè)參數(shù)，從而具有能夠反映多個(gè)實(shí)測(cè)因素的典型特征。

本文以葫蘆島市1991—2016年序列為樣本，選擇水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)變量為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的各指標(biāo)值，從而構(gòu)建相關(guān)系數(shù)矩陣，然后利用SPSS16.0軟件處理相關(guān)數(shù)據(jù)并確定特征根和響應(yīng)方差貢獻(xiàn)率，提取主成分因子及其回歸系數(shù)。通過(guò)線性組合方式確定的主成分，基本能夠覆蓋大多數(shù)初始信息，因此可對(duì)各樣本的因子權(quán)重利用回歸系數(shù)確定，其計(jì)算方法為

(2)

式中：W′j為未標(biāo)準(zhǔn)化處理時(shí)指標(biāo)j的權(quán)重；αq j、gq分別代表主成分q對(duì)于指標(biāo)j中的主成分系數(shù)和主成分q對(duì)總體方差的貢獻(xiàn)率；m為確定的主成分個(gè)數(shù)。

當(dāng)若干主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率在85%以上時(shí)即可反映初始變量的信息，提取該主成分所對(duì)應(yīng)的個(gè)數(shù)，然后對(duì)各因子權(quán)重利用歸一化公式處理得到標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重Wj。

1.4 綜合風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算

采用下述計(jì)算公式確定區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)在各年份的初始綜合得分，即

(3)

式中：Ai為年份i的區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)初始綜合得分；n為參評(píng)指標(biāo)數(shù)。

本文以百分制將初始得分作進(jìn)一步計(jì)算處理，從而更好地描述水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)在不同時(shí)間的差異狀況，計(jì)算式為

(4)

式中：Fi為第i個(gè)年份的水源短缺綜合風(fēng)險(xiǎn)值；Amin、Amax分別為水源短缺初始綜合得分最小、最大值。

2 葫蘆島市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.1 主成分的選擇

選擇待評(píng)價(jià)樣本為葫蘆島市1991—2016年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)的處理利用SPSS軟件完成。對(duì)Bartletts球形檢驗(yàn)和KMO檢驗(yàn)采用PASW Sataistics18.0軟件計(jì)算，若滿(mǎn)足球形檢驗(yàn)P值<0.5且KMO檢驗(yàn)系數(shù)大于0.7，則認(rèn)為水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)各因子滿(mǎn)足主成分分析條件。本研究KMO計(jì)算值為0.751，P值檢驗(yàn)Sig<0.5，可見(jiàn)在主成分分析時(shí)該因子值具有一定適用性與科學(xué)性。對(duì)葫蘆島市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的14項(xiàng)評(píng)價(jià)因子利用PASW軟件提取主成分，從而得到各評(píng)價(jià)樣本的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣及其特征值、方差貢獻(xiàn)率，具體值見(jiàn)表2。

2.2 權(quán)重計(jì)算

主成分的確定基于特征值大于1的原則選擇前3個(gè)特征根，方差累計(jì)貢獻(xiàn)率為86.555%，可見(jiàn)這3個(gè)主成分能夠較全面地反映區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的有效信息?？紤]到主成分所包含的信息還無(wú)法通過(guò)因子提取結(jié)果直觀地反映，可利用各主成分之間的相關(guān)系數(shù)及其所對(duì)應(yīng)的變量構(gòu)成荷載矩陣，通過(guò)計(jì)算提取相應(yīng)的回歸系數(shù)，然后用相關(guān)公式確定各因子權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 特征值及累計(jì)方差貢獻(xiàn)率計(jì)算值

表3 荷載矩陣和各因子回歸系數(shù)矩陣

由表3可知，第三產(chǎn)業(yè)比重、污水處理能力、污水管網(wǎng)長(zhǎng)度、地下水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、城市綠化覆蓋率和居民生活用水等因子關(guān)于第一主成分的絕對(duì)值負(fù)荷數(shù)較大；水資源利用率、地下水位下降深度等因子關(guān)于第二主成分的絕對(duì)值負(fù)荷數(shù)較大；萬(wàn)元GDP用水下降率關(guān)于第三主成分的負(fù)荷數(shù)較大。第一、二、三主成分負(fù)荷數(shù)分別反映了水資源用水集約狀況、利用程度及其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出水平。

2.3 綜合風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

根據(jù)回歸系數(shù)和主成分方差貢獻(xiàn)率計(jì)算結(jié)果，確定研究期間的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)初始綜合得分，然后進(jìn)行百分制處理得到最終的綜合風(fēng)險(xiǎn)值。水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)程度隨綜合風(fēng)險(xiǎn)值的增大而提高，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 1991—2016年葫蘆島市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.4 結(jié)果分析

在屬性為正向指標(biāo)中水資源利用率的權(quán)重最大，為0.112，可見(jiàn)對(duì)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)該指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度最高?？傮w而言，葫蘆島市水資源系統(tǒng)已經(jīng)得到了充分的開(kāi)發(fā)利用。1991—2016年葫蘆島市年均水資源總量17.88億m3，總供水量約26.75億m3，用水率達(dá)149.6%。1992年水資源利用率最低，為82%，該年份降水量為778mm，屬于豐水年，水資源量和供水量相對(duì)較大；而2004年的水資源利用率最高，為286%，該年份降水量?jī)H有405mm，屬于極端枯水年，水資源量和總供水量相對(duì)較少。值得一提的是，水資源總量一般不包括再生水利用和過(guò)境水資源量，而僅僅是對(duì)本地水源的統(tǒng)計(jì)值。因此，缺水地區(qū)的水資源總量通常低于當(dāng)?shù)氐目偣┧?。然而，近年?lái)葫蘆島市水資源利用率始終處于較高水平，有必要加強(qiáng)對(duì)水資源的管理。根據(jù)用水高度緊張地區(qū)其水資源利用率大于40%的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，葫蘆島市基本達(dá)到了高度緊張的用水狀態(tài)，存在較高的水源短缺風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果，2004年的水資源短缺綜合風(fēng)險(xiǎn)值最高，該年份的降水量較低，水資源人均占有量?jī)H為286m3，地下水位相對(duì)于上一年下降了2.26m，達(dá)到歷史低值。之后，在2013年綜合風(fēng)險(xiǎn)值有所降低但仍處于較高水平。結(jié)合葫蘆島市水資源綜合規(guī)劃，2025年該區(qū)域用水量需求達(dá)38億m3，就現(xiàn)狀供水條件而言仍存在較大的缺水量。目前雖然積極開(kāi)展了一系列的節(jié)水項(xiàng)目，建設(shè)了引調(diào)水工程，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著葫蘆島市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口的持續(xù)增加，水資源需求的持續(xù)增加和有效的水資源供給仍然是葫蘆島市面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。

3 結(jié) 論

本文基于PSR框架結(jié)構(gòu)和主成分分析法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，評(píng)價(jià)了葫蘆島市1991—2016年的水源短缺風(fēng)險(xiǎn)，并結(jié)合區(qū)域水資源狀況和權(quán)重計(jì)算結(jié)果識(shí)別了關(guān)鍵性影響因素。研究表明，葫蘆島市水資源短缺綜合風(fēng)險(xiǎn)值較高，2004—2013年間水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)最高，隨后水資源短缺得到緩和；水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)主要受污水處理能力和水資源利用率的影響，高度緊張的用水狀態(tài)是驅(qū)動(dòng)水源短缺的主要?jiǎng)恿?，引調(diào)水工程建設(shè)、節(jié)水技術(shù)的推廣以及污水處理能力的提升可在一定程度上消減短缺風(fēng)險(xiǎn)程度。然而，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看葫蘆島市仍面臨著嚴(yán)峻的水資源供給壓力。