综述：水资源安全评价

水资源是保障社会经济可持续发展重要的自然资源,水资源安全是关系到国家安全、经济安全、政治安全、粮食安全、社会安全、环境安全、生态安全等方面的重要问题,涉及资源、环境、生态、社会、政治、经济的等多方面的内容与因素。目前,国内外对水资源安全研究日益深入,但如何客观的评价水资源安全尚没有成熟的研究成果,不少研究人员从不同的角度提出了评价的方法与指标。

从国际上看,水资源安全问题很可能会成为2l世纪全球资源环境的首要问题,直接威胁人类的生存和发展。1972年联合国第一次人类环境会议发出“水将导致严重的社会危机”的呼吁以来,水资源问题不仅没有得到根本解决,而且愈来愈严重。为此,1992年Falkenmark和Widstrand提出人均水资源量度量区域水资源稀缺程度。他们根据干旱区中等发达国家的人均需水量确定了人均水资源的临界值,见表7-1。

表7-1　水资源紧缺指标

当人均水资源量低于1700m3时出现水资源紧缺,当人均水资源量低于1000m3时出现重度水资源短缺,当人均水资源量低于500m3时出现极度水资源短缺,以判别各国以及区域水资源紧缺与安全状况。

国际上把水资源开发利用程度定义为年取用的淡水资源量占可获得的(可更新)淡水资源总量的百分率。世界粮农组织、联合国教科文卫组织、联合国可持续发展委员会等很多机构都选用这一指标作为反映水资源稀缺程度的指标。指标的阈值或标准系根据经验确定:当水资源开发利用程度小于10%时为用水低度紧张；当水资源开发利用程度大于10%、小于20%时为用水中度紧张；当水资源开发利用程度大于20%、小于40%时为中高度紧张；当水资源开发利用程度大于40%时为高度水资源紧张,见表7-2,这一指标也可以作为判断水资源安全状况的一个参考指标。

表7-2　联合国衡量水资源紧张程度的指标

2002年,受联合国粮农组织、环境署、开发计划署、教科文组织和世界银行资助的“世界水委员会”成立了“21世纪水世界委员会”。其主要工作就是指导制定21世纪水资源、生命和环境的长期构想,站在人类未来的高度,满足未来对水的需求和保证可持续用水。为此,2002年英国生态与水文研究所(Center for Ecology and Hydrology—CEH)的研究人员Sullivan等研究提出了一种类似于消费物价指数 (Consumer Price Index—CPI)的水贫穷指数(Water Poverty Index—WPI)。WPI指数由资源 (Resource—R)、途径 (Access—A)、利用(Use—U)、能力(Capacity—C)和环境(Environment-E)5个分指数组成,WPI及5个分指数的取值范围为0～100,指数取值越大表示状况越好,5个分指数的具体内容见表7-3。

表7-3　WPI指标的数据要求

一般情况下,水贫困指数的数学表达形式为

式中 WPI——某地区的水贫困指数值；

wx,i——分指数的权重；

X——该地区分指数。

WPI 是各分指数的加权平均,即

这样可以保证WPI 的取值在0～100之间,在分指数的权值很难确定的情况下,为了保证评价的透明性,不妨采用等权,即各分指数的权值设为1,则有

为了计算某一地区的WPI 值,首先需要从有关机构和部门获得可靠的数据,并对大量数据进行处理,这些过程无疑是复杂和繁琐的,而且对于其中大量的定性描述,有必要征询专家意见,以期获得更准确的结论。此外,对不同的地区,各分指数的计算依据是不同的,如何选择合适的变量来构成WPI 指数的计算框架是一项重要的工作。在国外许多国家与家庭福利和家庭用水有关的大量数据现在已经成为国家管理决策的一部分,在此基础上,CEH (2002)给出了计算WPI 各分指数的具体方法与依据,见表7-4。

表7-4　WPI指标的数据要求

从国内研究情况看,国内的水资源安全的研究起步于21世纪初。夏军最早提出依据水资源承载力来度量水资源的安全问题；张巧显为深入分析我国水资源供需矛盾,探讨水资源对社会经济发展的长期影响,应用系统工程的观点与方法,以复杂大系统综合动态分析理论为指导,考虑我国自然条件和社会经济状况,通过对系统环境、系统功能、系统结构的研究,以系统动力学的动态模型为主框架,汲取情景分析法假设未来环境状态的特点,建立了在生命安全、经济安全、粮食安全、生态系统安全、环境安全和社会安全基础上的中国水安全动态模型,并设计4种不同的方案进行系统模拟,探讨水资源开发、用水及水环境问题的生态学实质,研究缓解我国水资源供需矛盾的可能途径；贾绍凤等从“压力—状态—响应”模型的理念出发,提出了水资源压力指数与水资源安全评价的指标体系；韩宇平和阮本清从水供需矛盾、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；李如忠基于水安全概念的模糊性和单项指标评价结果的不相容性,在物元分析的基础上,结合模糊集理论和欧氏贴近度概念,建立了区域水安全评价的模糊物元模型,并将该模型用于中国部分省级行政区域的水安全评价；宫少燕、管华等以河南省及其各辖市未来水资源需求量预测和水资源量估算为基础,将水资源安全度定义为不同时期水资源需求量与供给量之比,计算了河南省及其各辖市的水资源安全度,根据水资源安全度计算值,将水资源安全划分为安全、较安全、较不安全、不安全和极不安全5个等级类型,分析了河南省及其各辖市的水资源安全特征和区域差异及其成因；张翔等运用国外反映水行业发展的监测指数-水贫穷指数 (WPI指数),结合中国实际情况,在指数计算依据方面进行了一些改进,进行了长江、黄河、珠江、海河、淮河和松辽等6个流域水资源安全分析。

总的来讲,目前我国水资源安全(水安全)综合评价方法主要是:

(1)多层次模糊评价方法。

(2)系统动力学方法。

(3)集对分析法。

(4)模糊物元模型。

模糊物元的概念就是给定事物的名称M,它关于特征C 有量值为v,以有序元组R= (M,C,v)作为描述事物的基本元,称为物元。如其中量值v具有模糊性,则称物元R 为模糊物元,记作

式中 R——模糊物元；

M——事物；

C——事物M 的特征；

u(x)——与事物特征C 相应的模糊量值,也就是事物M 对于其特征C 相应量值x 的隶属度。

对于区域水安全评价问题来说,这里的M 就是待评价样本；C 是评价指标；u(x)则是评价样本M 对于评价指标C 相应指标值x 的隶属度。若待评样本M 有n 项评价指标C1,C2,…,Cn,与其相应的量值分别为u(x1),u(x2),…,u(xn),则称R 为n 维模糊物元。若以Rmn表示m 个评价样本n 维复合模糊物元,并以Mj表示第j 个评价样本,Ci表示第j 个样本第i 项评价指标,相应的模糊量值为u(xji)(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m),则(www.xing528.com)

(5)压力响应模型。压力—响应模型 (stress and stress-response models)在世界上得到了广泛应用。其最初版本主要集中在环境对人类施加的压力上提出的应力——响应模型 (press-response models)着眼于环境统计,其模型框架从4个方面来评价可持续发展,即:人类活动的“压力源”(stressor)、环境压力、环境响应以及人类的群体和个人响应。

压力—响应模型不是建立在以经济活动为驱动的投入产出模型基础上的。它最主要的新颖之处,在于它能够识别施加于自然界的所有人类活动 (物理的,化学的和生态的)的压力,而不仅仅局限于环境污染。基于对产生压力的人类活动同自然、社会和环境状态的变化之间可感知的因果关系,模型假定:采用适当的响应,这些压力和影响可以被减轻甚至得到预防。压力—状态—响应模型示意图如图7-1所示。

图7-1　压力—状态—响应模型示意图

该类模型的起点是经济合作与发展组织 (OECD)的 “压力—状态—响应模型”(pressure- state-response model,OECD,1993)。此后,联合国可持续发展委员会 (UNCSD)在此基础上发展了 “驱动力—状态—响应模型”(pressure- state-response model)。而加拿大统计局(Statistic Canada)研究的人口—环境—进程模型 (population-envrionment-process,Hanilton,1991),则是在综合阿伯特和佛雷德的应力—响应模型,以及前面提及的污染—损耗模型的基础上而发展起来的。

很多指标设计项目,采用了压力—响应模型的一些变量。如:欧盟的环境压力指数,加拿大国家指标体系,荷兰的指标体系,以及美国可持续发展总统委员会(U.S.President's Council on Sustainable Development)的可持续发展指标体系等。

另外,国外还有一些经济学模型、三成分模型、福利模型、财富多资本模型等,但大多主要应用于可持续评价与一些生态安全评价,在水资源安全领域还没有涉及。

(6)水贫穷指数(WPI)。对于评价的指标体系,国外主要采用水资源紧缺指标与水贫穷指数,国内主要采用分类指标进行分析。我们选取2002～2005年底具有代表性的9篇文章来分析。

2002年11月,贾绍凤等在区域水资源压力指数与水资源安全评价指标体系中,从水资源总体安全、水资源社会安全、水资源经济安全、水资源生态安全4个方面,选取了22 个评价指标建立了水资源安全评价指标体系,并于2003年7月利用此指标体系 (这一指标体系与下面其他文献中的指标体系差异较大),对海河流域水资源安全现状进行评价。

2002年9月,张巧显等在中国水安全系统模拟及对策比较研究中,建立了中国水安全动态模型,模型考虑生命安全、经济安全、粮食安全、生态系统安全、环境安全和社会安全等6个子安全,选取16个指标对中国水安全系统进行模拟,这16个指标是:人口增长率、城市化水平增长率、耕地面积减小率、复种指数增长率、粮食作物播种面积占总播种面积比例减小率、工业用水重复利用率的增长率、粮食灌溉定额减小率、粮食单产增长率、农业灌溉用水占农业用水比例的减小率、灌溉面积占耕地面积比例的增长率、城市人均日用水增长率、农村人均日用水增长率、工业产值增长率、高耗水工业比例、人均年粮食需求增长率、供水。选取的指标也不同于一般的评价指标,突出各指标的增长率。

2003年3月,韩宇平、阮本清、解建仓在区域水安全评价指标体系初步研究中构建了包括水供需矛盾、生态环境、粮食安全、饮用水安全、控制灾害、水价值、水资源管理7个一级指标,17个二级指标,106个三级指标进行了分析。在实例应用中选取了8个评价指标,即人均GDP、人均粮食、灌溉面积、需水量、水利工程投资、次生盐渍化率、供水短缺风险、需水管理进行分析评价。

2003年7月,韩宇平、阮本清、解建仓选取水供需矛盾、生态环境、粮食安全、饮用水安全、控制灾害5个方面22类指标,采用多层次多目标模糊优选理论对山西、黑龙江、江苏、河南、广西、云南和陕西等省市水安全进行评价比较。

2004年,刘国香对山东省水安全评价体系做了初步研究,从水供需安全、水生态环境安全、自然社会条件、饮用水安全、粮食安全、水灾害控制安全、水管理方面选取64个指标进行了分析。

2004年9月,李书恒选择水资源量、社会经济、供水、需水、缺水、水环境6大类22项指标,采用模糊数学的多因子二级评判模型以新疆尉犁县为例进行了分析。

2005年5月,张翔、夏军、贾绍凤在对水安全定义及其评价指数的应用研究中,应用水贫穷指数,选取资源、途径、利用、能力、环境方面约24个指标对海河流域的水安全状况进行评价。

2005年10月,李如忠应用模糊物元模型对区域水安全进行评价研究,采用22个指标对黑龙江、山西、江苏、河南、广西、云南和陕西各省区的水安全状况进行评价。

2005年11月,张翔等在中国主要流域水安全评价指数的应用研究中,从资源、途径、利用、能力、环境5个方面,选取了20个指标,对我国主要流域进行了分析。

贾绍凤、董洁、汪尚朋在他们的研究中所用的指标与上面7篇文献中所采用的水安全评价指标体系和水资源安全评价指标有很大的不同,以下总结出后7篇文献所采用的水资源安全 (水安全)评价指标体系中各指标使用的频率,见表7-5。

从表7-5中指标使用情况看出,目前国内水资源安全评价指标使用频率较高的大约有30个指标,水资源条件、水的供用问题、水环境是水资源安全评价的基本,是水资源安全评价的基础的基础。

总的来讲,我国的水资源安全评价问题的研究起步较晚,回顾近几年的实践,对于奖优促劣、辅助决策、调动积极性等方方面面都收到了一定的成效。一些评价研究由于持续时间长、评价体系和评价方法科学严谨,已经成为水资源管理部门日常工作的重要组成部分,其定期公布的评价结果总会引起政府部门、相关研究机构以及社会公众的强烈反响。通过这些综合评价活动,形成了一些相对固定的课题组或评估机构,并且在综合评价过程中产出了不少具有影响力的专题报告。但是,毋庸置疑的是,各种综合评价活动无论从理念上、方法上、资料的使用上,还是对目标的把握上仍然还有一些需要完善的地方。

表7-5　水资源安全(水安全)评价指标使用频率

认真总结我国水资源安全评价的实践,笔者认为主要存在以下一些问题:

(1)评价指标体系不能很好地体现选题。与理论研究项目有所差别的是,在综合评价中,选题还需要通过指标体系来得到具体而清晰的体现,而后,评价活动围绕着指标体系而展开并最终得到结果。从一定意义上讲,评价指标体系是综合评价活动成败的关键。但是,在近年来的一些综合评价中,经常出现评价指标体系与选题,即研究对象和研究目的不协调或不十分协调的问题。

水安全与水资源安全概念混淆。水资源安全是水安全的重要组成部分,但水资源安全不等于水安全。从目前评价的内容与指标情况看,水安全评价其实是水资源安全评价。即使有水安全评价的内容或因子,其所占或影响的程度也很小。

水安全、水资源安全、供水安全、饮水安全、自然灾害概念混淆,使得评价过程中每个因子影响量不能科学合理体现,进而影响总体安全的评价。

指标体系有的不能够突出选题的特点。如:对水资源安全或水安全的评价过多地罗列——粮食问题、弱势群体问题、耕地保护、病人、移民问题,而忽视了“安全”的要点。

对水资源安全或(水安全)的评价只注重一些开发利用与污染的指标,而丢失与忽视了水资源的再生力、管理力、科技力的作用。

(2)为了追求“全面”,罗列过多的指标,使指标体系过于庞大,达五六十种或百余种。一方面指标过细过多,资料不易收集,同时指标过多过细并不能表明评价工作或成果就真实、就可靠。另一方面指标体系中有的指标看起来名词不同而实质作用与影响是一致的或雷同,很难体现出“安全”的个性。如自动化与信息化、渠道漏水率与渠系水利用率等。

(3)为规避资料取得的难度,而自创一些似是而非的指标。在综合评价中,为了扩充评价指标体系包含的信息量,而同时又保持指标体系的简明,在一些情况下需要将若干基础指标加以综合,以综合指数的形式来反映某一方面的特征。例如,可以将若干个反映水环境变化的指标加以综合而计算出水环境变化指数。但这一方法在许多综合评价中却往往成为规避资料取得难度的变通的方法。如,有的评价中列出弱势群体问题,从其评价的目的看理应是根据中国的特殊国情反映城乡差异、地区差异的指标,但实际上深究其综合的基础指标,只是农村生活用水与城市生活用水上的差异。另外还有评价指标与评价目的不一致,甚至相互矛盾。

(4)指标的罗列混乱。从目前评价看,指标的分析罗列缺乏逻辑,缺乏系统,是从压力—状态—响应模式来分析罗列呢,还是从水资源复合循环系统的逻辑来分析罗列呢? 均不明确。从评价情况看大多数是把我国“水资源总体规划”大纲中一些表的项目罗列出来做指标。

(5)评价方法粗放。从全国看,评价方法可划分为两类:一类属于经验方法；另一类属于数学方法。经验方法的优点是计算简单、适用面广,且方法应用过程的解释较为直观。数学方法的优点是理论基础牢固、可排除人为因素的干扰,如能够正确应用可大大提高综合评价的客观公正性。但这两类方法又都有一些缺陷。经验方法受人为因素的干扰较大,且评价效果与评价实施者对评价对象了解的深入程度、对方法运用上的细节把握的好坏有关。数学方法较为突出的缺点在于其约束条件太多,而现实的评价对象往往又不能满足这些条件,只能在许多假定的基础上,或在进行一系列变通处理后应用。例如,技术进步贡献率的测算,因其资本投入和劳动投入不能很好地落实到现实中较为理想的指标上,且人为因素太大,有些地区得出的技术进步贡献率居然与美国等发达国家平起平坐。再有,数学方法的研究过程难以被外行所理解,例如,因子分析中因子是个什么? 是不能用通常被大家理解的评价指标的具体含义来解释的。主成分分析中第一主成分、第二主成分、乃至第三主成分的具体涵义是什么? 是怎么得出来的? 许多评价并没有给予解释或给予较为清楚的解释,结果往往是由于不好解释而一带而过,从而影响到评价结果的可信度。综合评价方法许多专业书籍中都有所介绍,作为经验方法而言可谓是通俗易懂,即使是数学方法,随着计算机的发展,运用一些专业软件进行运算也不是什么难事了。但是,要成功地完成一项综合评价,不仅要知其然,还需要知其所以然。基础数据为什么要用相对化处理而不用标准化处理,或为什么用标准化处理而不用相对化处理,一层层的指标值为什么用层次分析法综合而不用距离法综合,看似随意,实际上是有一些讲究的。但从现实中的一些综合评价看,方法的选择过于随意,过于“粗放”。

(6)权重的确定缺乏科学的依据。水资源安全综合评价都要涉及权重的确定,对此可以采用多种多样的方法。在目前进行的评价活动中,大多数采用德尔菲法与层次分析法相结合的方法,即初始权重的确定采用德尔菲法,之后通过层次分析法对初始权重进行处理和检验,以生成各层指标的权重。就这一方法而言,问题并非出在技术层面上,而往往出在专家的聘请及经费的投入上。采用德尔菲法的前提条件是,专家应该是对本领域具有深入透彻了解的人。但在中国的现实中这样的人多是纯粹的专业技术人员,没有什么 “名气”,缺乏权威性,影响力也小。因此,一般都是请具有一定级别和影响力的官员来“压阵”。再有,一般的研究项目,大多是对权重确定的费用忽略不计的,但在实际操作上,认真地、按部就班地确定权重,特别是在专家的聘请上花费是较大的。按照德尔菲法的要求,聘请二三十位专家是必要的,而且是一个不断“反馈—集中”的过程,最少应有两个轮回才能达到较为理想的效果。显然,这一笔费用在当前软科学项目研究经费本来就不多的情况下却是十分可观的。况且,由于众所周知的原因,即使聘请的是真正的专家,专家认真地赋权,研究者认真地按规程操作,得到了权重也不一定 “好使”。这样,在现实的评价过程中,大多采用“虚拟”赋权的方法,即,把权重当成 “调整系数”,用来调整评价结果,以使评价结果与大家的感受,特别是研究项目甲方的意向相符合。

(7)标准的确定存在随意性。评价离不开比较,要比较就要有比较标准,或称为评价标准。如何确定评价标准,评价标准是否科学,这两个问题直接关系到评价结果的科学性。但是从现实的许多评价看,在评价标准的确定上随意性十分明显。