流域水资源安全利用评估模型及应用综述

Review on the Evaluation Model and Application of Basin Water Resources Security

摘要: 水资源安全评价是制定保障体系和决策的前提和依据。本文综述流域水资源安全评价模型及其应用，主要包括2个方面：水资源安全的理论研究及水资源安全评价模型及其应用。现有研究主要有3点不足：缺乏统一规范的评价模型(包括评价指标的统一和评价方法的统一)，缺乏长时间序列的研究，缺乏空间尺度研究。最后展望了流域水安全评估模型及其应用前景，以期推动开展流域水资源安全评价，为流域水资源可持续管理提供理论支撑。

Abstract: Water resources security evaluation is the prerequisite and basis for making water resources security system and decision-making. This study reviewed the water resources security evaluation model and its application, including two aspects: the theoretical study of water resources security and water resources safety evaluation model and its application. There are three shortcomings in the existing research: lack of unified normative evaluation model (including the unification of evaluation index and evaluation method), lack of long time series and lack of spatial scale. Finally, the water security evaluation and its application are discussed in order to promote the development of water resources security assessment and provide the theoretical support for the sustainable water resources management.

1. 引言

水资源是人类赖以生存和发展的基础，总量丰富，时空分布不均。水资源安全问题越来越引起人们的注意，尤其在全球化背景下，随着世界人口的快速增长、全球气候变化及社会经济的发展对水资源需求的增加 [1] [2]，水资源匮乏、水污染严重、洪涝灾害等水资源安全问题日益突出 [3]。流域水资源短缺直接影响着区域农作物的灌溉 [4] [5]，严重的会对人口流动产生重大影响，是地区间暴力冲突、国家之间战争的诱导因素 [6]；水资源污染直接危害人类身体健康，破坏生态系统；洪涝灾害造成人员伤亡，农作物绝收，经济损失巨大。面对严峻的水资源安全问题，相关学者发出了水资源战争即将爆发的警告 [7]。

流域是地球陆地表层生态系统最为发达的地域单元 [8]。水资源是流域生态系统发育的关键要素，生态系统的健康直接影响到流域内生物的多样性，流域水资源健康对支撑流域内经济社会的可持续发展、维系良好的生态环境并使之处于正常的健康发展状态有着重要意义 [9]。全球气候变化和人类活动“自然–人工”二元干扰下，造成流域内部分河流断流、湖泊萎缩，湿地面积减少、水土流失加剧，流域水环境呈恶化趋势 [10]，相比于城市水资源安全问题，流域水安全问题受社会、经济、农业、资源、环境等多系统影响，问题更加复杂。

基于此，本文从水资源安全的相关理论、水资源评估模型的指标选取、评价方法以及评价等级标准的确定等方面对区域水资源安全评估模型进行研究，阐述了当前研究中存在的不足，并对流域水资源安全评估研究进行了展望，以期为监控和优化管理流域水资源提供技术支持和理论支撑。

2. 水资源安全理论

“水资源安全”已被不同部门和组织广泛应用，但具体的含义不同，目前，还没有统一确定的定义 [11] [12] [13]。2000年荷兰海牙举行的第二届世界水资源论坛和部长会议上，“水资源安全”首次被提出，并被定义为“所有人能以承受的价格获取足够安全的水” [14] [15]；从水资源供需平衡角度，水资源安全是指“水资源能否满足人民生活、经济发展和生态保护的要求” [16]；从水资源承载力角度，水资源安全是指“水的存在方式及水事活动对人类社会的稳定与发展是无威胁的，或者威胁可以控制在可以承受的范围内” [17]；从地表水质和水量角度，水资源安全是指“随着人类生产的迅速发展而导致的水循环系统的破坏和水功能的衰退，引起一系列经济、社会和环境问题” [18]。

全球水伙伴关系(The Global Water Partnership)、世界经济论坛(The World Economic Forum)、联合国科教文组织(UNESCO)的水教育研究所(Institute for Water Education)和亚太水论坛(The Asia-Pacific Water Forum)等国际组织对水资源安全的发展起到促进和推动作用，水资源安全是其主要研究课题及峰会议题之一 [1] [19] [20] [21]，水教育研究所对水资源安全的定义是“水资源安全包含水系统的可持续利用和保护，防止与水相关的危害(如洪水和干旱)，水资源的可持续开发以及保护人类和环境的水功能和服务” [19] [22]。

综合考虑社会经济环境因素，水资源安全可以定义为“一个国家或区域在某一具体历史发展阶段，以可以预见的技术、经济和社会发展水平为依据，以可持续发展为原则，以维护生态环境良性循环为条件，水资源能够满足国民经济和社会可持续发展的需求，水资源的供需达到平衡” [23]，即人人都有获得安全用水的设施和经济条件，所获得的水要满足清洁健康、生活生产的需要及自然生态环境需求。

水资源安全包括自然性水资源安全和人为型水资源安全，涉及水资源短缺洪水灾害的水量问题和水体污染导致的水质问题，涵盖了资源、环境、生态、社会、政治、经济等方面。流域水资源的外延如图1所示，包括由水安全引发的经济社会安全和生态环境安全，以及子系统。

Figure1. Extension diagram of basin water resources security [24]

图1. 流域水资源安全外延关系图(引自参考文献 [24] )

3. 流域水资源安全评价模型

流域水安全是指流域水量、水质或他们的时空分布与人的合理需求之间的差异超过相应阈值时所产生的各种现象，由于系统复杂涉及到社会、经济、农业、资源和环境系统，如何科学合理的选取评价指标，构建最恰当的评价模型对最终评价结果的可信度有着重大的影响。

3.1. 流域水资源安全评价指标

流域水资源安全评价指标体系没有统一的标准，从不同角度出发，建立的水安全系统的层次结构将不同。

1) 基于水资源安全系统的形成机制

杨操静 [25] 从水资源安全、水生态环境安全、经济安全和社会安全4个角度建立评价指标体系，对渭河流域进行了水资源安全的评价；吴开亚等 [9] 将水资源安全划分为水资源安全、水环境安全、水灾害防治安全和社会经济安全4个子系统，对巢湖流域水资源安全进行了7年的评估，结果表明巢湖安全等级值均处于临界安全附近，有逐渐改善的趋势；刘昕 [24] 则在此基础上增加了饮水安全和管理安全子系统，使评价体系更加完善，并对关中地区水资源安全进行了评估；梁栩等从水资源、水环境、社会经济3个子系统内部互相影响与制约关系角度建立水资源安全系统，对海南岛南渡江水资源安全系统制约因素进行识别，并对影响机理及其演变进行分析 [26]。同样的，肖俊 [27]、孙月峰 [23]、胡昌军 [28] 等人也分别从生命安全、经济安全、生态环境安全、社会安全、管理安全5个子系统建立指标体系，分别对天津、江西和云南文山州的水资源安全进行了全面的评价，为区域水资源管理提供了参考。

2) 基于“驱动力–压力–状态–影响–响应”模型(DPSIR模型)

DPSIR模型是对PSR模型和DSR模型的改进，PSR模型 [29] [30] 和DPSIR模型 [31] 都被广泛的运用到水资源安全评价中，陆建忠等 [32] 根据PSR模型构建了综合指数指标体系，对鄱阳湖流域水资源安全进行了评价，结果表明在2000~2010年期间鄱阳湖流域水资源安全经历了由一般状态到良好状态，再到一般状态，最后发展为较差状态的过程；苏印等 [33] 根据DPSIR模型建立了喀斯特区域水资源安全的评价指标体系，对贵州水资源安全进行了评价；在此基础上，张凤太等 [34] 对DPSIR模型进行了改进，增加了管理模块(M)，构建了DPSIRM模型评价指标体系，也对贵州岩溶区水资源安全进行了评价，结果与水资源安全客观情况相吻合。

3) 基于水资源供需评价

凌红波等 [35] 根据中国水资源供需分析中的指标体系，选取了生态安全指数，水资源量指数，社会经济指数，供需状况指数4个方面，对新疆玛纳斯河流域进行了水资源安全评价，结果表明玛纳斯河流域水资源安全综合评价处于不安全水平，水资源利用率不高、水资源量少，制约了区域社会经济的发展。杨振华等 [36] 从水资源供需特征考虑，依据水资源安全内涵，构建了“需水压力(P)-工程性缺水(E)-承载状态(S)-生态基础(B)-人为相应(R)”(PESBR模型)评价指标体系，评价了岩溶地区水资源安全状况。

4) 基于系统动力学模型

水资源安全系统是水资源系统与社会、经济、生态系统相互联系，相互作用、相互交织构成的开放复合系统，选取评价指标和变量更加复杂。综合考虑了水资源、水环境、社会和经济四个子系统，构建系统动力学水资源安全评价模型，王勇 [37] 对天津水资源安全进行了评价，Cheng Li [38] 对苏州水资源承载力进行了评价，梁栩 [26] 对海南岛南渡江流域水资源安全系统进行了研究。

5) 基于水资源贫困指数

水资源贫困指数(Water Poverty Index, WPI)是Carolin Sullivan提出建立的一组综合性指标，定量评价国家或地区间相对缺水程度 [39] [40] [41]，由资源(R)、途径(A)、利用(U)、能力(C)和环境(E)5个分指数构成。武荣和李援农 [42] 基于水资源贫困指数建立了水资源安全评价指标体系，对松辽河、淮河、黄河、海河、西北诸河、长江、西南诸河、珠江、东南诸河等九大流域和分区的水资源安全进行了评价，结果表明黄河、海河、淮河和长江流域水资源贫困指数较小，开发潜力较小，其他流域和分区水资源贫困指数较大，有一定的开发潜力。

6) 基于风险构成成分

宋晨烨等 [43] 从致灾因子危险性，承灾体脆弱性，承灾体的防范能力3个方面，建立了评价指标体系对黄河流域水资源安全进行了评价，取得较好的成果。

3.2. 流域水资源安全评价方法

1) 层次分析法(AHP)

层次分析法，由美国运筹学家托马斯·塞蒂(T.L. Satty)在20世纪70年代中期正式提出，它是一种定性和定量相结合的、系统化、层次化的分析方法。高媛媛等采用e^0/5~e^8/5对指标的重要性进行比较，不采用传统的1~9作为指标重要性标度，改进后的层次分析法在标度精度及均匀度方面优于传统的AHP法 [15]。

2) 熵值法

熵值反映了信息的无序化程度，可以尽量消除各指标权重的人为干扰，使评价结果更符合客观实际。将熵值法和AHP法相结合 [23] [44]，被广泛的应用到水资源安全评价中。

3) 灰色关联法

流域水资源系统复杂，具有信息不完全的灰色系统，灰色关联分析理论适宜对灰色系统进行较为准确、动态性的系统分析。池静静 [30]、卞建民 [45] 和张凤太 [34] 等利用灰色关联法，分别对北京、松内平原西部区域以及贵州的水资源安全进行了评价。

4) 模糊数学法

模糊综合评判模型主要用来计算各个评价因素对其不同评价等级的隶属度。凌红波等将AHP法与模糊数学方法相结合，对玛纳斯河流域水资源安全进行了评价 [35]；Lu Shibao等基于模糊集(Vague sets)构建了模糊集的相似度量模型并结合AHP法和Delphi法，对城市水资源安全进行了评价 [46] [47]；戴明宏等在模糊数学的基础上结合熵权法，对广西水资源承载力进行了评价 [48]。

5) 集对分析法(SPA)

集对分析是赵克勤 [49] 提出的一种研究不确定系统的系统分析方法，从同、异、反三个方面研究事物之间的确定性与不确定性。苏印等利用集对分析法对喀斯特区域水资源安全进行了评价 [33]；张凤太等将集对分析和熵权法相结合，对表层岩溶带“二元”水资源安全进行了评价 [50]；金菊良等在集对分析的基础上结合用于加速遗传的模糊层次分析法，对巢湖流域水资源安全进行了评价 [51]；陈建忠等也基于集对分析法对鄱阳湖流域水资源安全进行了评价，取到较好的效果 [32]；贡力和余涛也用集对分析法对区域水安全进行了评价 [52]，集对分析法在区域水资源安全评价中具有较好的适用性。

6) 投影寻踪法(PP)

投影寻踪于1974年，由美国斯坦福大学大学的Friedman和Tukey提出，是处理和分析高维数据的一类新兴的统计方法，其基本思想是将高维数据投影到低维(1~3维)子空间上，寻找出反映原高维数据的结构或特征的投影，以达到研究和分析高维数据的目的。吴开亚将投影寻踪进行了改善，构建了基于变权重和信息熵的投影寻踪评价模型(CWE-PP)，对巢湖流域水资源安全进行了安全评价 [53]。

7) 引力指数法

李祚泳 [54] 提出并建立了一种新的水资源安全评价模型——引力指数公式，并分析了公式的稳定性和可靠性，通过实例对比检验了模型的合理性和实用性，基于指标规范值的水资源系统评价的引力指数公式具有物理意义明确和规范、统一、简洁和通用的特点。

8) 其他方法

其他评价方法包括多目标决策 [19]、系统动力学模型 [55] [56] [57] [58]、约束随机赋权法 [43]、支持向量机分类法(SVM) [59]、人工神经网络模型 [60]、双隐层BP神经网络模型 [28]、基于PSO优化的逻辑斯蒂曲线法 [29]、物元分析法 [61] [62]、云模型 [63]、ELECTRE III [64] 也被运用到水资源安全评价及水资源管理上，且取到较好的效果。

4. 流域水资源安全评价模型研究的不足

目前关于流域水资源安全评估模型比较多，不同的评价方法都在不同流域都有着很好的应用，且水资源安全评价的结果，对流域水资源的管理有着重要的指导作用，但研究上还有一些不足。

1) 缺乏统一的评价模型

无论是评价指标还是评价方法的确定上，都缺乏一个统一的标准，导致不同学者不同流域的评价结果不能进行比较，现有评价模型的适用性有限，众多模型研究与我国现有最严格水资源管理的三条红线、四项制度、江河(湖库)生态流量(水位)等应用产生脱节，许多前沿的研究未引入或如何引入或如何形成一套系统完整的新的理论方法支撑水资源安全有待进一步实践。

同时，随着全球气候的变化，降水和气温变化剧烈，影响着水资源及粮食生产的安全 [65] [66]，随着人口的增加，经济的发展，流域需水量巨大，如何应对这些变化，保证区域水资源的安全，亟需适应性更好的水资源安全评价模型。

在全球化背景下，构建统一的评价模型有利于比较不同流域的水资源安全状况，有针对性的制定相应的政策，实现流域水资源的可持续利用与科学管理。

2) 时间尺度研究不足

流域水资源安全评价模型所构建的评价指标体系，其历史数据获取受限，导致流域水资源安全评价模型的时间尺度研究不足，目前，流域水资源评价都是2000年以后的评价，缺乏2000年以前的研究。长时间序列的研究缺乏，使流域水资源安全规律性的现象呈现不出来，很难根据现有的评价结果预测未来的流域水资源安全的变化，以及深度挖掘隐藏在变化现象背后的影响机制。

3) 空间尺度研究不足

目前，流域水资源安全评价的结果缺乏空间化表达，应加强水资源三级区安全评价，使水资源评价的结果空间化到更小的区域，方便小尺度小区域的管理与维护，提高水资源管理精细化水平。

5. 流域水资源安全评价模型应用展望

维持流域水资源安全，实现水资源可持续利用，社会经济稳定发展，还需要面对很多挑战。实时准确的对流域水资源安全进行定量评价，对进一步提高流域水资源可持续发展利用水平、优化产业结构、缓解水资源供需矛盾具有重要意义。

随着科学技术的发展，不同学科的融合，未来一定会在流域水资源评价模型上取得突破，同时随着人们对环保意识的增强，政府对水资源管理的重视，在当前气候变化、人口快速增长、经济快速发展的背景下，可以实现流域水资源安全可持续利用。

参考文献