水匮乏指数及其在东北地区水安全评价中的应用

姜 宁，付 强，孙颖娜

（1.节水农业黑龙江省高校重点实验室，哈尔滨 150030 2.东北农业大学水利与建筑学院，哈尔滨 150030；3.黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨 150080）

水是一种宝贵的稀缺资源，水安全问题不仅是资源和环境安全问题，更成为关系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题，已经成为全球关注和研究的焦点[1]。

区域水安全的综合评价研究处于起步阶段，定量研究与分析较少[2-3]。水匮乏指数（Water poverty index,WPI）是英国自然环境研究委员会生态水文中心（Center for Ecology&Hydrology）为了检测水行业发展状况而提出的一种新的水管理评价技术[2]。WPI是综合考虑一个区域水资源状况、水资源获取、水环境状况及水资源利用能力和潜力的综合指标，已在不同的尺度进行应用，获得较好效果[4-6]。

东北地区（包括黑龙江省、吉林省、辽宁省）耕地面积占全国的比重为16.6%，是我国重要的粮食生产基地[7]。年降水量在350～700 mm，具有大陆性和季风型气候特征。本文尝试采用WPI对东北地区水安全状况进行评价，以期为区域水安全保障体系的构建提供决策依据。

1 水匮乏指数

水安全的内涵包括其自然属性、社会属性以及人文属性，在进行区域水安全评价时，不仅要考虑水资源现状，同时还要综合评价与之相关的多方因素。因此，水匮乏指数的构成包括建立水安全保障体系的综合信息。

1.1 水匮乏指数的组成结构

英国生态与水文中心将WPI指数推广应用于147个国家（其中我国WPI为48～55.9）[2]。为了反映国家内部不同区域的水资源状况与水行业之间的差异，有必要将WPI指数应用于一国不同区域。该指数可以适用于不同的尺度，而且对于一个地区或国家，构成指数的每个指标数据均较容易获取。

水匮乏指数是由5个与水密切相关的关键组成部分集合而成的一个整体框架，这5个组成部分分别为：资源(Resource-R)、途径(Access-A)、能力(Capacity-C)、 利 用 (Use-U)和 环 境 (Environment-E)。在表1中列出WPI关键组成部分的次级组成部分。

表1 水匮乏指数主要组成Table 1 Major composed elements of WPI

1.2 水匮乏指数的计算方法

WPI指数的计算方法有加权平均法、差异分析法及矩阵分析法[5]等，最为常用的是加权平均法：

式中，WPI为某一特定区域水匮乏指数数值；Xi为WPI结构的第i个组成部分；ωi为各组成部分的权重。

每个Xi包含许多次级组成，因此需要采用同样的方法计算单个Xi的数值。考虑前述的5个组成部分，式（1）可以改写为：

式（2）是资源（R）、途径（A）、能力（C）、利用（U）和环境（E）5个组成部分的加权平均。每一个组成部分首先需要进行标准化，从而使范围为0～100，因此WPI的取值范围也是0～100。最高数值100被认为水资源利用最好情形，也就是最低的水匮乏（或者水资源匮乏可能性最小），而最低数值0被认为较差的一种情形。

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：

1.3 水安全指标评价标准

参照国内外的研究成果，考虑到目前的社会经济发展水平，以国际标准、国家标准和发展规划值为依据，通过专家咨询，研究具体指标的临界点来确定指标评价标准。水安全程度按照5个级别划分[3]：

①非常安全（WPI＞62）：水资源、水环境系统与社会、经济健康协调高效发展，满意程度很高。

② 安全（56＜WPI＜62）：水资源、水环境系统与社会、经济健康协调发展，满意程度较高。

③ 基本安全（48＜WPI＜56）：水资源、水环境系统与社会、经济能协调发展，满意程度一般。

④ 不安全（35＜WPI＜48）：水资源、水环境系统不能与社会、经济协调发展，已威胁到社会、经济的可持续发展。

⑤极不安全（WPI＜35）：水资源、水环境系统全面恶化，严重阻碍社会、经济可持续发展。

2 应用实例

以东北地区辽宁省、吉林省和黑龙江省三省为例，应用WPI指数对东北地区水安全状况进行评价。

2.1 水匮乏指数次级组成指标的确定

资源（R）的次级指标：主要考虑地表水资源总量和地下水资源总量、年降雨量等指标。水质是影响水资源的重要因素，同时它也是环境因素的重要组成部分，为了避免重复计算，此处未考虑水质指标。途径（A）的次级指标：主要考虑自来水普及率、年供水总量、供水管道长度等指标。能力（C）的次级指标：主要考虑人均GDP、教育水平（包括15岁以上文盲%、普通高中毕业人数等）、城市人均收入水平、农村人均收入水平和水利设施固定资产投入等指标。利用（U）的次级指标：主要考虑人均生活用水量、人均生产用水量、人均工业用水量等指标。环境（E）的次级指标：主要考虑水体水质等级、每公顷化肥施用量、废水排放达标率、森林覆盖率和水土流失治理面积等指标。

2.2 东北地区水资源匮乏指数计算

为了消除各评价指标量纲的影响,首先需要对样本数据集{x(i,j)}进行标准化处理[8]。为了尽可能保持各评价指标值的变化信息,标准化处理公式可取为：

对于越大越优型指标：

对于越小越优型指标：

式中：r(i,j)—第j个指标第i个样本标准化处理后的数据，i=1～n，j=1～m；x(i,j)—第j个指标第i个样本的原始数据；—第j个指标的最大值；为第j个指标的最小值。

为了保证WPI的计算值在0～100之间，具体计算时标准化处理后的数据应乘以100。然后按照前述方法计算WPI各组成要素数值，进而计算得到WPI数值，计算结果见表2。可见东北地区2009年水安全状况排排序为：黑龙江省＞辽宁省＞吉林省。

表2 2009年东北地区WPI及各组成要素值Table 2 WPI and the value of composed elements in northeast area

3 计算结果分析

从表2可以看出，黑龙江省WPI值最高，吉林省最低。辽宁省水匮乏指数（WPI）的计算结果与CHE给出的中国的WPI值范围48～55.9非常接近，说明该地区水安全问题突出，水资源、水环境系统威胁到社会、经济的协调发展；黑龙江省水匮乏指数的计算结果在CEH给出的中国的WPI值范围48～55.9，水安全处于基本安全状态，水资源、水环境系统与社会、经济协调发展满意程度一般；而吉林省WPI数值与中国的WPI范围值相差很多，水安全问题十分突出。图1清楚地显示，黑龙江省水资源相对于辽宁省和吉林省十分丰富，但其能力值比较低，反映出该省人均收入水平、消费水平低、水利设施投入少，进一步反映出该区社会经济发展水平的不发达。总体来说该区水资源处于基本安全状态，需要加快社会经济的发展、提高人口受教育程度以及减少化肥用量、增加水土流失治理面积等，使该区水资源过渡到安全状态。辽宁省虽然水资源相对来说不丰富，但由于该区水利工程建设、社会经济发展水平和教育与政策管理等方面较发达，使得该区的水资源安全状态接近基本安全的下限。吉林省WPI值最低，低于CEH给出的中国WPI值范围48～55.9，水安全状况最差。该区需提高水资源开发利用程度、耕地灌溉率、控制化肥用量及水土流失治理面积，减少环境污染，修复生态环境，以建立水安全保障体系。

4 讨论与结论

a.通过WPI指数对东北地区的水安全进行综合评价，分别从资源（R）、途径（A）、利用（U）、能力（C）和环境（E）5个指标入手，并在此基础上进行分析，结果表明WPI指数能较好地为经济发展和地区水安全协调提供理论指导。

b.英国生态与水文中心提出的水匮乏指数为水行业发展提供了标准化的评价框架，能够客观地说明区域存在的威胁水安全因素，评价结果合理。由于区域水安全问题的差异性，在对某一具体地区进行安全评价时，可根据地区实际情况对水匮乏指数（WPI）次级主要组成进行增加和调整，以得到更为客观、更能反映地区水安全特征的评价结果。

c.WPI指数在东北地区的应用证明该指数能够清晰地反映威胁地区水安全因素的具体特征，通过对水安全状况的分级，可以确定地区水安全的级别，为制定水安全预警机制提供依据。

[1]龚静怡.水安全的研究进展及中国水安全问题[J].江苏水利,2005(1):28-32

[2]张翔,夏军,贾绍凤.水安全定义及其评价指数的应用[J].资源科学,2005,27(3):145-149.

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