田 泽，肖玲颖，任阳军
(河海大学商学院，江苏 南京 211100)
水安全是涉及国家长治久安的大事。随着工业化、城镇化的快速推进和全球气候变化影响加剧，水生态系统也发生巨大的变化，水污染加剧、水环境恶化等问题逐渐暴露，我国面临的水安全形势将更趋严峻。长江经济带发展战略是国家重大发展战略，其范围覆盖江苏、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重庆、四川、云南、贵州和上海11省(市)，其作为当前我国水污染强度最突出的流域之一，如何继续保持经济发展活力，实现水体保护与经济腾飞的双重目标是亟待解决的关键科学问题[1]。
“大保护”国家战略，蕴含着我国流域协同治理的全方位、全系统、全网覆盖和可持续的深刻内涵，重点突出的即生态大保护，包括大气保护和水资源保护等。2021年12月国家发展和改革委员会和水利部联合印发《“十四五”水安全保障规划》，要求全面提升水安全保障能力，统筹发展和安全。因此，从自然和社会双重角度出发对长江经济带和黄河流域水安全进行综合评价，分析区域水安全存在的主要问题，探寻推动区域水安全发展对策，对于实现两大区域生态保护和高质量发展具有重要的理论意义和现实价值。
近年来，我国水安全问题受到学术界的广泛关注。从研究内容上看，主要集中在水安全评价、水安全问题与保障研究、水生态文明建设等方面。例如：薛昱等[2]综合考虑水资源、社会、经济、生态等影响因素评价广东省水安全状况；
张楚等[3]从宏观层面探讨了长江流域水安全基本问题,并对其进行了成因分析，发现其与工业化、城市化发展进程密切相关；
苏聪文等[4]从水安全、水生态、水环境、水节约、水监管和水文化6个维度综合评价中国水生态文明发展水平。从研究视角上看，主要集中在区域水安全[5]、省域水安全[6]和城市水安全[7]的研究。从研究方法上看，目前，我国水资源安全的评价多以指标评估体系[8]的构建和综合指数[9]的测算为主，模糊综合评价法、层次分析法、熵权法、功效系数法和水贫穷指数等应用也较为广泛。例如：刘秀丽等[10]基于改进的模糊综合评价法对京津冀地区水环境安全进行了评价；
高媛媛等[11]基于改进的层次分析法对泉州市各县(区、市)2008年的水资源安全状况进行评价与分析；
梁缘毅等[12]结合层次分析法和熵权法对中国水资源安全风险进行评价；
邵骏[13]等基于水贫乏指数对长江流域水资源安全进行综合评价。此外，也有一些学者采用可拓云模型[2]、SPA-MC模型[14]对水安全进行评价。
综上所述，学术界围绕水安全的研究成果丰硕，但相关研究仍有待进一步补充和完善，尤其是现有研究多为某一区域或省市的研究分析，缺少各大区域之间的对比分析，对水安全空间差异问题关注尚不足。本文基于长江、黄河生态大保护战略背景，利用DPSIR模型构建水安全评价指标体系，结合时空极差熵权法和突变理论对长江经济带和黄河流域水安全问题进行较为全面而系统的实证评价，运用Dagum基尼系数及其分解方法探究识别两大区域水安全指数的空间差异及差异来源，进一步运用障碍诊断模型识别水安全的障碍因素，进而为两大区域水资源可持续发展提供理论依据和参考。
1.1 指标选取
区域水安全内涵具有自然、社会经济、生态环境、人文属性，这决定了在对区域进行水安全评价时，不仅要考虑区域水资源现状，还要综合评价与之相关的多方面因素。因此，依据DPSIR模型，从水环境安全状况出发，参考相关文献[2,7,15-16]构建了能反映水环境安全状况的驱动力子系统、压力子系统、状态子系统、影响子系统和响应子系统，选取了20个细分指标对两大流域水安全进行评价(表1)。其中，“驱动力”是指造成水安全变化的潜在的原因，“压力”是指人类活动对水安全的作用因子，“状态”是指水安全在上述压力下所处的状况，“影响”是指水安全所处的状态对居民生活、社会经济等的影响，“响应”反映促进水安全进程中所采取的积极对策。
1.2 研究方法
1.2.1突变级数模型
突变级数法利用动态系统的拓扑理论来构造自然现象与社会活动中不连续变化现象的数学模型，以此描述连续性中断的质变过程，是目前唯一研究由渐变引起突变系统理论[17]，目前在资源环境、绩效考核等综合评价方面已经得到了广泛应用。初等突变理论有7个基本模型[18]，采用蝴蝶突变系统，由于每层指标数最好不超过4个，将DPSIR模型改进为CSIR模型，即将影响水安全的间接因素驱动力和直接因素压力两个模块合并为原因，并根据评价指标个数采用蝴蝶突变系统，其势函数和归一化方程如下：
(1)
(2)
式中：x为突变系统中的一个状态变量(指标)；
f(x)为状态变量x的势函数;a、b、c、d为状态变量的控制变量,其顺序是依据变量的重要程度由大到小确定的。
表1 水安全评级指标体系
1.2.2时空极差熵权法
熵值法是一种客观赋权相对精确的方法，但是传统的熵权法无法充分反映指标在时间和空间双重维度上的信息量。为了克服这种局限性，张友国，等[19]提出了时空极差熵权法，该方法能够从时间和空间双重维度上充分反映指标对评价对象的影响。因此，本文在构建突变级数模型时，采用时空极差熵权法对各指标进行赋权，以此确定控制变量的主次关系。模型包含n个指标，m个评价对象，t个时期，指标表示为Xi(i=1，2，…,n),Xi在t时期的取值为Xitf(f=1,2,…，m，f表示省份)。采用时空极差熵权法赋权具体计算步骤如下：
首先将Xitf标准化后为Yitf，正向指标和负向指标标准化公式分别为
(3)
(4)
式中Xmax,itf、Xmin,itf分别为Xitf的最大值和最小值。
各指标的信息熵Ei为
(5)
其中
如果Pitf=0，则定义Pitfln(Pitf)=0。
各指标的权重wi为
(6)
1.2.3基于突变级数法的障碍诊断模型
基于突变级数法的障碍诊断模型[20]以突变级数法和指标偏离度的思想为基础，通过引入突变级数法计算各指标层指标偏离度的突变级数，从而确定各指标层和总体的障碍水平。其优点是量化计算时避免给出各指标的权重，克服了主观赋权的局限性，并且依据突变级数归一公式选择不同的障碍指标作为障碍诊断依据，考虑了研究对象的动态性[17]。指标偏离度计算如下：
Eif=1-Iif
(7)
式中：Eif为第f省(区、市)第i项指标的偏离度；
Iif为第f省(区、市)的第i个指标标准化得分。
利用归一化公式进行障碍诊断。利用归一化公式计算指标层指标偏离度的突变级数值，再将其标准化即为各子系统的障碍水平。
1.2.4Dagum基尼系数及其分解方法
采用Dagum基尼系数及其分解方法[21]考察长江经济带和黄河流域水安全指数的相对差异，参照子样本分解分析法和长江、黄河干流分界点位置，将两大区域按省级行政区单元分别划分为上、中、下游3个地区，长江经济带上游地区包括重庆、四川、贵州和云南，中游地区包括江西、湖北和湖南，下游地区包括上海、江苏、浙江和安徽；
鉴于四川已纳入长江经济带，参考已有研究[22]，黄河流域研究区包括8个省份，上游地区包括青海、甘肃、宁夏和内蒙古，中游地区包括山西和陕西，下游地区包括河南和山东。进一步将总体差异来源分解为区域内差异贡献、区域间差异贡献和超变密度贡献，探究两大区域水安全指数的差异来源。
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
其中
式中：G为总体基尼系数，可分解为区域内差异贡献Gw、区域间差异贡献Gnb和超变密度贡献Gt，且G=Gw+Gnb+Gt；
j、h为某特定地区的编号；
sj、sh为相应区域内的省份个数；
yju、yhr分别为j区域内第u个省份和h区域内第r个省份的水安全指数；
Gjj为区域j的基尼系数；
Gjh为区域j和区域h之间的基尼系数；
Djh为区域j和h之间水安全指数的相互影响系数。
1.3 数据来源
以长江经济带和黄河流域水安全为研究对象，基于数据的可获得性，选取2009—2019年两大区域共19个省(区、市)为研究单元。数据资料主要来自2010—2020年的《中国统计年鉴》《中国工业统计年鉴》《中国环境统计年鉴》以及各省(自治区、直辖市)统计年鉴。此外，针对个别省份存在指标数据缺失的情况，采用平均增长率法补齐。
2.1 长江经济带和黄河流域水安全评价指数及等级
2.1.1水安全评价指数
根据突变理论，构建突变级数模型，计算驱动力子系统、压力子系统、状态子系统、影响子系统和响应子系统指数时，各子指标遵从互补准则；
水安全综合评价指数计算则遵从非互补原则。具体计算步骤可参考文献[18]。长江经济带和黄河流域19个省(区、市)水安全综合指数计算结果见表2。
表2 2009—2019年长江经济带和黄河流域水安全综合指数
从区域整体来看，研究期内长江经济带和黄河流域水安全综合指数均值分别为0.885 8和0.827 0，长江经济带水安全综合指数高于黄河流域，其水安全状况相对较好，但两大区域水安全综合指数均呈上升趋势；
从增长速度来看，黄河流域增长速度明显快于长江经济带，具体来看，2009年黄河流域和长江经济带水安全综合指数均值分别为0.799 0和0.873 8，2019年分别增长至0.836 0和0.887 6，年均增长率分别为0.45%和0.16%，可以看出，近年来两大区域水安全状态均有所提升。
从省域层面来看，浙江、四川和湖北水安全综合指数均值排名前三，其水安全综合指数均值分别0.926 4、0.909 7和0.902 9，说明这3个地区水安全状况相对较好；
甘肃、青海和宁夏水安全综合指数排名靠后，其水安全综合指数均值分别0.813 4、0.796 2和0.747 2，说明水安全状况相对较差。相较于黄河流域，长江经济带内部排名靠前的省份数量较多，进一步说明了长江经济带水安全状况整体优于黄河流域。从演变趋势上来看，样本考察期内湖北、安徽、江苏、河南和山东水安全综合指数均有不同程度的下降，但总体下降幅度较小，其余省份的水安全综合指数均有不同程度的提升，其中，宁夏、青海和贵州增长最快，2009年水安全综合指数均值分别为0.603 8、0.737 2和0.828 9，2019年分别上升至0.781 0、0.832 7和0.888 4，其年均增长率分别为2.61%、1.23%和0.7%。
从区域内部来看，就长江经济带而言，中游地区水安全综合指数均值水平最高，为0.897 7，其次是上游地区，均值为0.888 6，下游地区水安全综合指数均值最低，为0.874 2，表明长江经济带中游地区水安全状况最好；
从演变趋势上来看，样本考察期内长江经济带上、中、下游地区水安全综合指数均呈上升趋势，其中上游地区增长速度最快，其年均增长率为0.29%(图1)。就黄河流域而言，中游地区水安全综合指数均值水平最高，均值为0.865 3，其次是下游地区，均值为0.835 7，上游地区最低，均值为0.821 4，说明黄河流域中游地区水安全状况优于下、上游地区；
从演变趋势来看，黄河上、中游地区水安全综合指数均呈上升趋势，但是下游地区呈现下降趋势，其中，上游地区增长速度最快，年均增长率为1%(图2)。
图1 2009—2019年长江经济带水安全综合指数变化趋势
图2 2009—2019年黄河流域水安全综合指数变化趋势
2.1.2水安全评价等级
由于突变级数计算结果会出现聚集现象，无法清晰直观地评价各地区的水安全状况，故采用分位数分级法进行水安全等级划分，分别以40%、60%和80%分位的数值为分界点将水安全状况划分为安全、较安全、较不安全、不安全4个等级，划分等级如下：H表示水安全综合指数，若H∈[0，0.853 9)表示不安全；
H∈[0.853 9，0.881 8)表示较不安全；
H∈[0.881 8，0.899 2)表示较安全；
H∈[0.899 2，1]表示安全。
从区域来看，长江经济带和黄河流域水安全综合指数均值分别为0.885 8和0.827 0，其水安全状况分别处于较安全和不安全状态；
从演变趋势来看，2009年长江经济带和黄河流域水安全综合指数分别为0.873 8和0.799 0，等级分别为较不安全和不安全，2019年长江经济带和黄河流域水安全综合指数分别为0.887 6和0.836 0，等级分别为较安全和不安全，样本考察期内长江经济带水安全状况由较不安全转为较安全，这表明长江经济带水安全情况得到有效改善。从省域层面来看，浙江、四川、湖北和湖南水安全等级为安全，安徽、江西、云南和陕西水安全等级为较安全，江苏、重庆和贵州水安全等级为较不安全，其余8个省份水安全等级为不安全(表3)。
表3 水安全等级
2.2 水安全空间差异及其来源
本文运用MATLAB软件，基于Dagum基尼系数及其分解方法，对长江经济带和黄河流域水安全综合指数的总体差异、区域内差异、区域间差异及贡献率进行测算，结果见表4和表5。
表4 水安全综合指数基尼系数
表5 水安全指数空间差异来源贡献 单位：%
2.2.1水安全综合指数的差异分析
从总体基尼系数来看，长江经济带和黄河流域水安全综合指数均值分别为0.016 7和0.026 8，这表明两大流域交水安全综合指数均存在空间非均衡性，但总体上黄河流域空间分布差异较大。从时间趋势来看，研究期内长江经济带水安全综合指数基尼系数呈现波动上升的趋势，由2009年的0.016 7上升到2019年的0.018 4，说明长江经济带水安全综合指数空间差异越来越显著，而黄河流域水安全综合指数基尼系数呈现波动下降的趋势，由2009年的0.053 0下降到2019年的0.017 3，这说明这黄河流域水安全综合指数由空间差异化逐渐向全域协同转变。
从区域内基尼系数来看，在长江经济带中，下游地区水安全综合指数区域内基尼系数均值最大，为0.022 8，中游地区次之，为0.010 6，上游地区最小，为0.004 9，说明长江经济带水安全综合指数内部差异由下、中、上游地区依次递减。在黄河流域中，下游地区区域内基尼系数均值为0.025 2，上游地区均值为0.013 5，中游地区均值最小为0.004 6，表明下游地区水安全综合指数内部差异最大，而中游地区的空间协同性最强。从时间趋势看，在长江经济带中，下游地区水安全综合指数区域内基尼系数表现为波动下降态势，其年均下降率为3.1%，而上游和中游地区的区域内基尼系数均出现波动上升的态势，其年均增长率分别为4.8%和6%；
而黄河流域仅上游地区表现出波动上升趋势，其下游和中游地区表现出明显下降趋势，年均下降率分别为13.1%和4.5%。
从区域间基尼系数来看，在长江经济带中，中下游、上下游、上中游区域间基尼系数均值依次递减，分别为0.021 3、0.021 2和0.010 5，说明中下游区域间差异最为显著，而上中游区域间差异相对较小。而黄河流域的上下游区域间基尼系数均值最大，中下游次之，上中游最小，其区域间基尼系数均值分别为0.039 8、0.030 7和0.014 9，可以看出，黄河流域上下游区域间差异最为显著。从时间趋势看，长江经济带上游与中游区域间基尼系数呈下降趋势，而上下游、中下游区域间差异呈现波动上升的变化趋势，说明区域间差异有扩大倾向；
与长江经济带相反，黄河流域上下游、中下游区域间差异有缩小倾向，其上中游区域间基尼系数反而呈波动上升的趋势。
2.2.2水安全综合指数的差异来源
从贡献率大小看，长江经济带水安全综合指数的超变密度贡献率均值为36.4%，区域间贡献率均值为34.93%，高于区域内贡献率均值28.68%，这表明超变密度贡献是长江经济带水安全综合指数空间差异的主要来源，其次是区域间差异；
黄河流域区域间贡献率均值高达67.14%，区域内贡献率均值次之，为26.80%，超变密度贡献率均值最低，为6.06%，这表明区域间差异是黄河流域水安全综合指数空间差异的主要来源。
2.3 水安全障碍因素分析
为进一步探究两大区域水安全的障碍因素，采用基于突变级数法的障碍诊断模型测算各子系统的障碍水平，计算结果见表6。
表6 水安全障碍水平
从各子系统来看，在驱动力系统中，其障碍水平排名前五的地区为宁夏、江西、青海、安徽和山东，说明这5个地区受到产业结构高级化水平较低、人均GDP不高等因素制约，除安徽外，其他四省在技术创新能力方面还有很大的提升空间；
在压力系统中，其障碍水平排名前5的地区为湖南、江苏、湖北、四川和安徽，说明这些地区受到用水压力和废水排放压力较大；
在状态系统中，其障碍水平排名前五的地区为宁夏、上海、甘肃、山东和江苏，说明这些地区受到人均水资源量、水资源开发利用率、年降水量和森林植被覆盖率阻碍较大；
在影响系统中，排名前5的地区是甘肃、云南、河南、内蒙古和湖南，说明这些地区的建成区绿化覆盖率、城市用水普及率和GDP增长率较低，仍有待进一步提升；
在响应系统中，排名前五的地区是青海、甘肃、宁夏、江西和四川，说明这些地区在水安全治理方面投资力度不大、污水处理方面能力不强。
从各地区来看，水安全综合指数均值最高的浙江主要是受到压力系统的阻碍，其居民用水量和废水排放量压力较大导致了水安全存在一定风险；
排名第2的四川主要是受到压力系统和响应系统的影响，因此四川应当着力加大水环境治理，提高废水处理能力；
水安全综合指数均值最低的宁夏主要是受到驱动力系统和状态系统的阻碍较大，因此宁夏应当着力推动传统产业转型升级和战略性新兴产业发展，提升科技创新支撑能力；
排名倒数第二的青海主要受到驱动力系统和响应系统的阻碍，因此青海不仅要着力推动技术创新、推进产业升级，还要加大水土流失综合治理力度，提升水资源综合利用水平；
值得注意的是，位于我国东部地区经济较为发达的江苏和上海水安全综合指数均值相对较低，可以发现，上海主要受到状态系统的阻碍较大，其人均水资源量和森林植被覆盖率均较低，而水资源开发利用率却相对较大；
江苏主要受到压力系统和状态系统的双重阻碍，其用水量和废水排放量相对较大，而人均水资源量和森林植被覆盖率均相对较小。
3.1 结论
a.从水安全综合指数看，就区域整体而言，两大流域水安全综合指数均呈上升趋势，但长江经济带水安全状况优于黄河流域。就流域内部而言，长江经济带中游地区水安全状况最好，其次是上游地区，下游地区水安全状况最差，上中下游地区水安全综合指数均呈上升趋势，水安全状况均得到有效改善；
而黄河流域中游地区水安全状况最好，其次是下游地区，上游地区最差，其上、中游地区水安全状况有所缓解，但是下游地区出现恶化趋势，这可能与下游地区工业生产用水与居民生活用水压力加剧相关。就省域层面来看，浙江、四川和湖北水安全状况相对较好，甘肃、青海和宁夏水安全状况相对较差。
b.从水安全等级来看，就区域层面而言，长江经济带水安全等级由“较不安全”转向“较安全”，随着社会经济的发展，近些年环保意识的逐渐增强，环保投资力度加大，污水处理率提高，工业废水排放管理加强，其水安全状况逐渐转好，而黄河流域水安全等级在考察期内均处于“不安全”状态，其水安全状况没有明显好转，这与黄河流域人口增长、流域内河流水质恶化、工农业生产生活用水压力增大等原因密切相关；
就省域层面来看，浙江、四川、湖北和湖南水安全等级为安全，安徽、江西、云南和陕西水安全等级为较安全，江苏、重庆和贵州水安全等级为较不安全，上海等其余8个省份水安全等级为不安全。
c.从空间差异来看，相较于黄河流域，整体上长江经济带水安全综合指数地区分布更为协同，但长江经济带水安全综合指数地区差异呈明显扩大趋势，而黄河流域呈明显缩小趋势；
就地区差异来源及其贡献而言，超变密度贡献是长江经济带水安全综合指数地区差异的主要来源，而区域间差异是黄河流域水安全综合指数地区差异的主要来源。
d.两大区域水安全问题各有短板，就长江经济带而言，其主要是受到压力系统的阻碍，即随着社会经济的发展，城镇化与工业化的持续推进，工业生产用水与居民生活用水压力增大导致长江经济带水安全存在一定风险；
就黄河流域而言，其主要是受到响应系统、状态系统和影响系统的三重阻碍，即不仅水资源供需矛盾较大、水土流失严重、水资源环境承载能力弱、环境污染积重较深等问题较为突出，环境治理投资力度不足、技术创新能力相对较弱、用水低质低效等问题也尤为突出。
3.2 建议
a.长江经济带在中上游地区要深挖工业节水潜力，推进能源、化工、建材等高耗水产业节水增效，严控高耗水产业发展；
在下游地区尤其是江浙沪一带，建设区域再生水循环利用试点减缓用水压力，以此推动全域水安全建设。
b.黄河流域上游地区重在保护河湖湿地水资源，中游地区要完善水土流失综合治理，持续巩固退耕还林还草、退牧还草成果，降低水土流失损失；
下游地区要着力提升科技创新支撑能力，推广新标准新技术新工艺，强化水资源刚性约束，推进全流域水资源节约集约利用；
针对青海、甘肃和宁夏等水安全等级较低的地区，不仅要着力推动技术创新、促进产业转型升级，进而提升水资源综合利用水平，还要完善水土保持制度体制，加强水土流失防治，以此推进沿黄水安全建设。