中国主要流域水安全评价指数的应用研究

中国主要流域水安全评价指数的应用研究张翔1王晓妮1穆宏强2黄卡1胡贤群1(1．水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉大学430072；2．长江流域水资源保护局武汉430000)【摘要】本文针对水安全评价涉及到资源、环境、生态、社会、政治、经济等多方面因素,难于定量评价的难题，介绍了一种国外用于反映水行业发展的监测指数（水贫穷指数——WPI指数），并结合中国实际情况，在指数计算依据方面进行了改进，应用于中国长江、黄河、珠江、海河、淮河和松辽等六个流域。评价结果表明该指数基本能够清晰地说明一个流域存在的威胁水安全的因素，并给出合理的各流域水安全分级，研究结果能够为制定水安全预警机制提供依据。【关键词】水资源水安全评价水贫穷指数1前言水资源是保障社会经济可持续发展重要自然资源之一，水安全是关系到粮食安全、社会稳定和经济发展，以及生态系统健康与环境安全的重要问题。当前，对水安全的研究日益广泛和深入，但是如何进行有效的水安全管理尚没有成熟的研究成果，其中如何客观地评价流域水安全的状况是关键问题之一。水安全问题涉及到资源、环境、生态、社会、政治、经济等多方面因素，包含了定量与定性的成分，不少研究人员从不同的角度提出了评价方法。韩宇平和阮本清提出从水供需矛盾、生态环境、粮食安全、饮用水安全、控制灾害、水价值和水资源管理的角度构建水安全评价指标体系，并且引用多层次多目标决策和模糊优选理论，建立了区域水安全评价的模糊优选模型[1]；夏军、朱一中等提出根据水资源承载力评价水资源安全[2]；贾绍凤等提出了水资源安全评价的指标体系[3]；2002年英国生态与水文研究所(CenterforEcologyandHydrology——CEH)的研究人员Sullivan等研究提出了一种类似于消费物价指数（ConsumerPriceIndex——CPI）的水贫穷指数(WaterPovertyIndex——WPI)[4]，该指数从多学科交叉的角度，为国家或地区的水资源开发利用提供一个标准化的评价框架，重点评价水的匮乏对人类社会经济发展的影响程度。WPI指数具有计算简单、经济实用、易于理解等特点，一经提出即得到国际水资源界的重视，特别是在日本京都举行的第三届世界水论坛上，WPI指数受到了广泛的关注。当前，水安全研究包括了水资源短缺和洪水灾害的水量问题、水体污染导致的水质问题等多方面的问题。从广义的角度，及与水相关的环境变化和公共安全的内在联系的角度来看，水安全主要指：“水的存在方式（量与质、物理与化学特性等）及水事活动（政府行政管理、卫生、供水、减灾、环境保护等）对人类社会的稳定与发展是无威胁的，或者说存在某种程度的威胁，但是可以将其后果控制人们可以承受的范围之内[5]。”其内涵可以从以下三方面理解：中国水利学会第二首届青年科技论坛论文集552（1）对人类而言，当面临与水联系的某种灾害和危害威胁时，就会有不安全的感觉。水安全与人类息息相关，影响安全的威胁因素主要来自两方面，一是突发的或持续一段时间的使人民生活质量下降的事件（例如水旱灾害、水污染等）；二是明显地缩小政府决策选择范围的事件（例如水资源短缺对经济发展的制约等）；（2）影响水安全的威胁因素来自于资源、环境、生态、社会、政治、经济等众多的领域，某些因素具有随机变化的本质特征，有些因素则因为反映其变化规律的信息不全，具有明显的不确性，因此，水安全必然包含风险意义；（3）怎样才能保障水安全呢？我们能够获得绝对安全吗？必须认识到绝对的水安全是不可能的，提出水安全这个概念，就意味着必须考虑水安全事故。出现水安全事故，如果我们有充足的准备，能够及时处理事故，并能控制事故损失和对损失进行补偿，这样我们就确保了一定程度的水安全。尽管水安全的研究范围相当广泛，但与人们息息相关的是水资源供需的安全，因此本文着重于供水安全的评价研究。WPI指数主要涉及国家或地区水资源的可用度、可及性、人们取用水的能力和与水资源相关的环境质量，并纳入了社会经济因子，本文详细介绍了该指数的计算方法，并在综合考虑环境、生态、社会、政治、经济等多方面因素的基础上，结合我国实际情况，对WPI指数进行改进，应用于我国长江、黄河、珠江、海河、淮河和松辽等六大流域的水安全评价。2WPI指数的计算方法确定WPI指数主要有三种方法，即加权平均法、差异分析方法和矩阵分析法。2.1加权平均法加权平均法是由资源（Resource—R）、途径（Access—A）、利用（Use—U）、能力（Capacity—C）和环境(Environment—E)五个分指数的加权平均来确定WPI指数。根据我国实际，本文对五个分指数的计算方法进行了改进，具体计算指标见表1。表1改进的WPI指数计算依据WPI分指数数据源资源（R）年径流总量、地表水与地下水资源量、年平均降雨量等。途径（A）年蓄水总量、年供水量、水资源利用率等。利用（U）农田实灌亩均用水量、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、城市人均生活用水量、农村人均生活用水量等。能力（C）人均用水量、家庭消费水平、人均GDP、教育程度、水行业的投资情况等。环境（E）符合和优于Ⅲ类水的河长占总评价河长的比率、废污水排放量、水土流失面积等。一般情况下，水贫穷指数的数学表达形式为：Nx,iii1iNx,ii1XWPI（1）式中：为第i个分指数权重；X为分指数的取值；N为分指数的数目。对于上述资源（R）、553七、管理政策及其他资源和途径能力和利用途径（A）、利用(U)、能力(C)、环境(E)五个分指数，WPI指数采用式（2）计算：raCueracueRACUEWPI（2）分指数及WPI指数的取值范围为[0，100]，分数越高，说明状况越好。2.2差异分析方法WPI指数的差异计算方法是考虑水资源的供应和利用偏离预设标准的评价。预设标准由四个指标构成：生态系统安全、社区安全与健康、人类健康和经济福利。首先通过定量和定性分析，确定每一个指标在水安全状况优良时应达到的标准值，然后，根据实际水安全状况，计算当前各指标的实际值，最后将各指标的实际值与预设标准值进行比较，根据两者的差异大小来判定水安全状况的好坏（见表2）。显然，实际值越小于预设标准值，即表2中△eh、△hh、△cw和△ew越大，说明实际水资源管理在保障社会经济安全方面远没有达到目标值，表明水安全状况越差。这种方法分析的WPI并不是单一值，而是由四个值组成，每一个值都可以依据数据或当地的参数用定量或定性的方式来表示。2.3矩阵分析法为了使WPI指数简单和容易理解，将资源（R）、途径（A）、利用（U）、能力（C）和环境（E）五个分指数进行组合，构成一个二维矩阵（如图1所示）。横坐标表示水资源量和取水途径，纵坐标为能力和利用状况，横坐标与纵坐标取值的高低综合表示了水安全状况的好坏，图1给出了部分国家的评价结果。表2WPI指数的差异计算方法指标计算生态系统安全人类健康社区安全与健康经济福利预设的标准依据生物多样性、废物处理、资源损耗和可利用水资源来估算记为：EH依据婴儿死亡率、某种疾病的发生率和寿命来估算记为：HH依据犯罪率、婚姻破裂、教育程度和政治参与性来估算记为：CW依据人均收入、收入分配、再投资率及失业率等来估算记为：EW实际经验值记为：AEH记为：AHH记为：ACW记为：AEW水贫穷差异△eh=EH-AEH△hh=HH-AHH△cw=CW-ACW△ew=EW-AEW*沙特阿拉伯*南非低高*美国*新加坡*新西兰*泰国高*也门*纳米比亚*摩洛哥*玻利维亚*哥伦比亚*印度尼西亚*圭亚那*尼日利亚低图1用矩阵方法表示WPI（据Sullivan，2002）中国水利学会第二首届青年科技论坛论文集5543WPI指数在我国主要流域的应用上面介绍的计算和表示WPI指数的三种方法各由所优点，笔者在实际应用中发现，加权平均法具有更好的可操作性，经过对五个分指数计算依据的改进（见表1），更能反映中国的实际情况，因此，笔者采用加权平均法来计算WPI指数，主要数据均采用各流域水资源公报发布的数据，限于篇幅，具体数据在此不一一列出。在确定资源（R）分指数时，主要考虑流域的水资源总量、年径流总量、地表水与地下水资源量、年平均降雨量等指标；途径（A）分指数主要考虑流域取用水的可及性，采用年蓄水总量、年供水量、水资源利用率等指标；利用（U）分指数主要考虑水资源开发利用程度，采用农田实灌亩均用水量、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、城市人均生活用水量、农村人均生活用水量等指标，根据流域的水资源综合开发利用评价来确定；在确定能力（C）分指数时，主要考虑了人均用水量、家庭消费水平、人均GDP、受教育程度、水行业的投资情况等指标；环境（E）分指数的确定主要依据水质检测和生态环境质量评价结果，采用符合和优于Ⅲ类水的河长占总评价河长的比率、废污水排放量、水土流失面积等指标。需要强调的是，在采用符合和优于Ⅲ类水的河长占总评价河长的比率、废污水排放量、水土流失面积等流域内各项数据的基础上，充分考虑全国各大流域以及全国的平均情况，并与之比较，对准确确定各流域的各项分指数非常有帮助，这样各分指数能够反映流域在全国范围内的相对水平高低。分指数确定后，应用式（2）计算WPI值，表3给出了长江、黄河、珠江、海河、淮河和松辽等六个流域的WPI值及各分指数的值，图2根据CEH的WPI分级标准，给出了各流域水安全分级情况。从表3和图2可以看出，长江流域较丰富的水资源量、较好的水质和相对较高的社会经济发达程度，使其WPI值在各流域中最大。但是由于水资源开发利用程度和节水效率等指标（体现在途径A、利用U和能力C分指数上）尚有待进一步提高，因此，总体水安全态势处于中等水平；黄河和海河流域是水资源十分短缺的流域，但水资源开发利用程度和境外调水保障程度较高（体现在途径A、利用U和能力C分指数上），珠江流域的水资源较丰富，但与长江流域相似，在水资源开发利用程度和节水效率等方面比较低，因此，这三个流域的水安全态势处于弱安全的警戒水平；松辽流域、淮河流域的水资源在量上不丰富，水污染相对较严重，所以WPI值较低，流域水安全处于不安全的水平，急需从水资源保护方面采取措施，提高水安全程度。表3中国主要流域WPI值及各分指数值流域资源（R）途径（A）利用（U）能力（C）环境（E）WPI值海河156585691549.8松辽24.441.652.848.128.239.0黄河13.889.263.345.735.649.5淮河17.140.473.656.121.941.8长江904048.848.76057.5珠江8027.437.346.35048.2555七、管理政策及其他图2中国主要流域WPI指数示意图4结论本文介绍一种国外用于反映水行业发展的监测指数（水贫穷指数——WPI指数），并详细介绍了该指数的三种计算和表示方法，即加权平均法、差异计算方法和矩阵表示法。通过研究发现，加权平均法具有更好的可操作性，本文根据我国的实际情况，对加权平均法的五个分指数的计算依据进行了改进，使其更能够全面地反映我国主要流域的水资源安全管理水平。将改进的加权平均法应用于长江、黄河、珠江、海河、淮河和松辽等六个流域的水安全评价中，计算结果分析表明，各流域的WPI指数基本反映了流域综合水资源管理的状况。此外，该指数基本能够清晰地说明一个流域存在的威胁水安全的因素，在反映流域或区域水资源管理水平和水安全态势方面是可行的，而且采用水安全分级的方法可以为制定水安全预警机制提供依据。WPI指数计算需要确定合适的变量和获取大量的数据，这就使WPI指数的计算还需要进一步研究，以期获得更准确的结论。参考文献1韩宇平，阮本清，区域水安全评价指标体系初步研究[J].环境科学学报，2003，23（2）：267-272.2夏军，朱一中，水资源安全的度量：水资源承载力的研究与挑战[J].自然资源学报，2002，17（3）：262-269.3贾绍凤，张军岩，张士峰，区域水资源压力指数与水资源安全评价指标体系[J].地理科学进展，2002，21（6