甘肃省位于黄河上中游，下辖12个地级市和2个自治州^[1]，面积4.26×10⁵ km²，GDP占全国的百分之一，有着巨大的发展潜力。甘肃省坚持“守底线、优格局、提质量、保安全”的总体思路，建立以“三线一单”为核心覆盖全省的生态分区管控体系。2020年底，甘肃省政府常务会审议通过《关于实施“三线一单”生态环境分区管控的意见》，而水资源在其中占有举足轻重的地位。长期以来，甘肃省由于水资源相对贫乏、时空分布不均且受制于经济发展和工程技术水平的限制，所以整体水生态安全不容乐观。因此，定量了解甘肃的水资源状况就是当前最迫切的需求。

近年来水资源评价主要集中在水资源承载力^[2]、水安全^[3]、河流健康等^[4]方面，由于学者看待水资源的角度不同，研究的重点也不同。学者对水安全评价大多基于某个省或某个市。如李奕霖^[5]基于DPSIR选取相应指标评价2013—2017年广东省水安全；姚望等^[6]基于PSR选取相应指标评价2001—2015年贵州省的水资源安全；陈冬冬^[7]基于AHP-熵权综合评价法对郑州市水资源安全问题进行研究；王繄玮等^[8]从治污、防洪、排涝、供水、节水和社会经济6个方面选择指标，采取层次分析法评判临海市水资源状况。还有的学者从城市群或流域角度评价，如唐家凯等^[9]研究黄河流域沿线青海、四川等9个省的水资源状况，杨静等^[10]基于熵权法建立京津冀城市群水资源循环经济评价体系。目前前人多关注于城市群和整个省的水资源状况，忽视了组成省和城市群的各个城市的水资源现状，因此本研究对甘肃省内各市水资源利用及配置研究具有一定意义。

中国生态用水问题是从河流生态环境最小需水量研究开始的，分为河道内用水和河道外用水，生态用水包括与生态本身用水和有关物理环境用水^[11-13]。随着生态问题日益严重，生活、生产和生态用水观念日益被人们所理解，而生态用水在水资源分配中常被生产和生活用水挤压，忽视了生态用水的重要性。本文主要研究河道外生态用水，定量分析甘肃省的生态用水状况，对甘肃省城市生态用水安全的关键影响因素进行综合评价，以期为协调地区生态、生产和生活的关系提供借鉴。

1 材料方法 1.1 研究区概况

甘肃地处中国内陆腹地，远离海洋，气候干燥，雨量稀少，是全国最干旱和水土流失最严重的省份之一，年均降水量300 mm左右，降水各季分配不均，主要集中于6—9月，且自东南向西北减少。甘肃省各地区海拔大多在1 000 m以上，山脉纵横交错，海拔相差较大，四周为群山峻岭所环抱。造成甘肃省各市区水资源量空间分布不均和水资源开发利用程度不一致，制约着当地社会经济发展。因此需进一步分析各市区的生态用水安全水平，确定制约因素。为方便分析城市生态用水变化状况，将甘肃省省会城市兰州和周边的白银、临夏回族自治州和武威划分为核心区，并以此为轴，将嘉峪关、酒泉、张掖和金昌划分为甘西地区，庆阳和平凉市为甘东地区，甘南藏族自治州、定西、陇南天水划分为甘南地区(图 1)。

1.2 数据来源

城区发展数据(人口密度、人均日生活用水量、污水处理率、绿地覆盖面积和人均公园绿地面积)来源于城市建设统计年鉴(2011—2020年)。水资源数据(地表水资源量、地下水资源量、水资源总量、工业用水量、生活用水量、生态环境用水量、总用水量和万元GDP用水量)来源于甘肃省水资源公报(2011—2020年)。基础数据(工业产值、工业增加值、人口数和人口自然增长率)来源于甘肃统计年鉴(2011—2021年)。

1.3 研究方法 1.3.1 评价指标体系建立

生态用水安全评价需要从不同角度、不同层面反映水资源均衡调配带来的效益。可以将效益划分为社会、经济和生态3个方面。水资源开发利用状况是反映水资源调配方案是否合理可行的主要依据，所以选取的准则层为生态效益、经济效益、社会效益和水资源开发利用。参考已有的研究^[14-16]，从上述4个方面共选取了15个评价指标，构建甘肃省城市生态用水安全评价体系，具体内容详见图 2。

1.3.2 指标标准化

如果数据的量纲不同，一般需要进行无量纲化处理。本文采用极差变化法进行数据的无量纲化处理，具体见公式(1)和(2)。

正向指标标准化公式：

$ {y_i} = \left( {{x_i} - \min {x_i}} \right)/\left( {\max {x_i} - \min {x_i}} \right) $

(1)

负向指标标准化公式：

$ {y_i} = \left( {\max {x_i} - {x_i}} \right)/\left( {\max {x_i} - \min {x_i}} \right) $

(2)

式中：y_i为标准化后的指标值; x_i为各指标的原始值; maxx_i, minx_i分别为所选数据序列中的最大值与最小值。

1.3.3 主客观组合赋权法

本研究采用主客观方法相结合的赋权方法对评价指标进行赋权，将层次分析法(AHP)与熵值法进行组合，弱化单独使用主观或客观方法可能带来的影响，从而计算甘肃省各城区水安全评价指标的指标权重。层次分析法和熵值法的具体过程参见文献[17-19]。

本研究认为层次分析法和熵值法计算出的权重具有同样的价值，所以将层次分析法和熵值法权重计算结果按照50%加权求和，得到各评价指标最终结果。综合权重可以避免这两种方法的不足，寻求更为科学的权重结果。

1.3.4 障碍度函数计算

为了进一步掌握影响生态用水安全的主要指标，引入障碍度函数。其主要包含贡献度、指标偏离障碍度3个衡量因子。贡献度F_i和指标偏离度I_i计算公式分别为：

$ {F_i} = {w_i}{q_i} $

(3)

$ {I_i} = 1 - {x_{ij}} $

(4)

第i个指标对生态用水的障碍度P_i为：

$ {P_i} = \frac{{{F_I}{I_i}}}{{\sum\limits_{i = 1}^n {{F_I}} {I_i}}} $

(5)

式中：w_i为指标层权重; q_i为准则层权重。

1.3.5 评价标准等级划分

借鉴水安全指数计算公式，计算生态用水安全指数的公式为：

$ \begin{array}{l} {\rm{WSD}} = {\rm{WSH}} \times {w_1} + {\rm{WJJ}} \times {w_2} + \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{WST}} \times {w_3} + {\rm{WSZ}} \times {w_4} \end{array} $

(6)

式中：w₁, w₂, w₃, w₄为各准则层的权重值; WSH为社会效益指数; WJJ为经济效益指数; WST为生态效益指数; WSZ为水资源开发利用指数。

由于计算出来的生态用水安全指数无法直接体现一个城市的生态用水安全，需将其转化为等效值，以便更加方便地反映水生态现状。借鉴文献[20]关于水安全评价标准，将综合指数以及评价标准列于表 1中。

2 结果与分析 2.1 甘肃省生态用水安全评价体系权重确定

根据层次分析法和熵值法对2011—2020年甘肃省各城区数据进行处理，其权重详细结果见表 2。根据熵值法计算的结果表现为：社会效益＞生态效益＞经济效益＞水资源开发利用。而层次分析法的结果为：生态效益＞水资源开发利用＞社会效益＞经济效益。综合权重的结果为：生态效益＞社会效益＞水资源开发利用＞经济效益。熵值法中权重越大则表明指标间的相差越大，水资源开发利用的权重值仅为0.06，表明2011—2020年水资源开发利用无较大转变。而社会效益权重值最大是符合甘肃省发展实际的，原因是从2011—2020年甘肃省各市区工业、人口、生活均有较大的提升。层次分析法和熵值法计算权重值结果相差较大，这是主客观之间的差距，专家们认为生态用水安全应以生态效益为主，而客观结果以社会效益为主。所以本文选取主客观相结合的方法，能有效避免单一方法带来的误差，使结果与实际更相符。

2.2 甘肃省各城区生态用水安全评价

运用公式(6)，计算得到甘肃省各城区的生态用水安全指数值(表 3)。图 3和表 3显示了甘肃省和各分区生态用水安全的时空分布特征。整体来看，甘肃省及各分区的生态用水安全在2011—2020年呈现不稳定且波动趋势，甘肃省的生态用水安全指数在0.53~0.6范围内，属于基本安全水平。变化趋势为先下降，后稳步提升，最终在2020年达到最高点(0.60)，4个分区与甘肃省变化趋势相一致，尤其是2017年后各个分区的生态用水安全指数均显著提升，除甘东地区外均在2020年达到最大值。对比2011年和2020年4个分区的生态用水指数，甘东地区降低6.7%，而其他3个地区的指数均增加。2011—2020年甘西、甘南、甘东的生态用水安全指数数值在0.33~0.5范围内波动变化，安全等级均为Ⅳ级。而2013—2017年核心区的生态用水安全指数数值低于0.33(Ⅴ级阈值)，生态用水安全转变为不安全状态，原因主要是受核心区内的白银、临夏和武威三市影响。期间三市的生态用水安全水平低于0.3，主要受生态效益子系统的影响，如2013年武威、白银和临夏生态效益的指标值分别为0.08，0.08，0.16，位居甘肃各城区倒数。

2011—2020年各市区间的差异较大。2011年甘肃省14个城市生态用水安全指数，由大到小排序依次为嘉峪关(0.60)、金昌(0.48)、陇南(0.47)、甘南(0.46)、天水(0.45)、平凉(0.44)、庆阳(0.44)、兰州(0.40)、酒泉(0.40)、定西(0.40)、张掖(0.37)、白银(0.37)、武威(0.31)和临夏(0.31)。其中，嘉峪关处Ⅲ级，武威和临夏处Ⅴ级水平，其他城市则为Ⅳ级水平。2020年由大到小的排序为兰州(0.55)、嘉峪关(0.54)、甘南(0.49)、酒泉(0.47)、陇南(0.47)、定西(0.45)、庆阳(0.43)、金昌(0.43)、张掖(0.42)、平凉(0.41)、天水(0.40)，临夏(0.39)、武威(0.37)和白银(0.35)。从2011—2020年，兰州生态用水安全等级由较不安全提升为基本安全水平，数值增加了27.3%，原因主要是10 a间兰州生态效益和水资源利用开发利用效率显著提升，生态效益提升了33.3%。生态安全水平较低的地区一直在兰州地区周边(即武威、临夏和白银)，但相比于2011年，武威和临夏两市生态用水安全等级提升一级，转为较不安全水平。2020年甘肃各城市中白银的生态用水安全水平最低，接近较不安全与不安全的临界值，水平为Ⅴ级，相比于2011年降低了0.02。主要原因为白银的生态效益全省倒数第一，影响了生态用水安全水平，所以应加强三市生态用水的调度与管控，防止生态安全水平降低。

2.3 甘肃省各城区生态用水安全指数障碍因素分析

基于上述分析，甘肃省14个城区生态用水安全水平均处于较不安全水平。但无法确定控制何种生态用水安全指标可以有效提升安全水平，所以引入障碍度函数可以为更加精准地制定生态用水安全提升策略提供参考依据。结合公式(5)，计算了2011—2020年甘肃各城区生态用水安全指标层的因子障碍度，并选取障碍度排名前4个指标进行统计分析(图 4)。研究发现，甘肃省各城区生态用水安全指数主要障碍因素为绿化覆盖面积(19.1%)、生态环境用水比例(10.0%)、人均公园绿地面积(9.2%)和城市化水平(7.3%)。

由图 4可知，2020年绿化覆盖面积障碍度最大，为19.3%。人均公园绿地面积的障碍度值则先增大后减小，2013年为最大值，达到9.2%。绿化覆盖面积障碍度增加原因主要为各城市政府积极扩建公园、雨水花园和亲水平台等工程。绿化覆盖面积、生态环境用水比例和人均公园绿地面积障碍度之和达到35%以上。由此可见，加强生态方面水资源利用是提升城市生态用水安全指数行之有效的方式方法。生态环境用水比例和城市化水平的障碍度值呈逐年下降趋势，城市化水平障碍度值从2011年的7.3%降到2020年的7.1%。主要原因为受地区政策、土地利用、气候多因素影响，城市化水平和生态环境用水比例随着城镇化发展提升速率减缓，造成障碍度因子下降。2011—2020年4大指标的障碍度值均波动变化，但这些指标的变化幅度均不大，变幅均小于10%，说明影响生态用水安全指数的限制性因素没有改变。不同市区的生态用水安全水平的提升主要依靠改善影响该区的关键限制性因素，应将限制性因素逐渐转变为该区优化的关键调控因素。

2.4 障碍度因子实证

为证明障碍度函数得出的结果，以甘肃省2011—2020年生态用水安全指数变化为例，运用障碍度前4个指标值的变化趋势分析归纳甘肃省生态用水安全水平变化原因。本文计算2020年甘肃省的生态用水安全水平为0.60。张洋等^[21]基于DPSIR方法确定甘肃省2018年的水安全值为0.45。朱发昇^[22]计算甘肃省2020年的水安全度为0.50。这说明本文选取指标和计算结果具有一定可靠性。

2011—2020年甘肃省城市化水平、人均公园绿地面积和绿化覆盖面积3个指标值的年平均增长速率分别为3.38%，7.18%和6.0%。3个指标值的增加符合现实状况，甘肃省城市化水平逐年递增的原因是工业化水平的提升，吸引了大批的农村劳动力，但2019年城市化水平达到48%后，城市化水平增长幅度减缓，可能受国内疫情大背景的影响。为提升城市人居环境，甘肃省修建多处公园景观并大力发展城区绿化建设，甘肃14个城市的绿化覆盖面积逐渐增加，从而导致生态环境用水比例增加。图 5可知，经过10 a发展，2020生态环境用水比例、绿化覆盖面积和人均公园绿地面积分别增长为10%，350 km²，15.15 m²。这3个指标的值增加，使甘肃省生态效益从2013年逐步增加，2020达到最大值(0.74)，使甘肃省生态用水安全达到最大值。从图 6可知，甘肃省的社会效益逐年降低，与社会效益准则层中的生活用水比例、人均日生活用水量等指标有关，人均日生活用水量从2011年的145 L/(人·d)降低至2016年的125 L/(人·d)，又提升至2020年的140 L/(人·d)，引起社会效益先减小后增加。2017年后甘肃省的水资源开发利用子系统指标值稳步提升是由于水资源开采利用率和地下水利用率存在显著降低，低于水资源开发利用警戒线(40%)。

总体而言，生态效益是造成生态用水安全水平变化的重要影响因素。因此，要提升甘肃省各市区生态用水安全水平，需继续提高人均公园绿地面积，建设人工湿地，调整水资源利用结构，保障人民生活用水安全，逐步提升生态环境用水比例。另外，要合理分水管水，科学确定甘肃省可分配水量，以实现区域高效用水。

3 结论

(1) 2011—2020年甘肃省生态用水安全水平指标值的平均值为0.55，位于0.53~0.6范围内，属于基本安全水平，水资源开发利用变化趋势不显著，而生态效益指数稳步提升，使甘肃省2020年生态用水水平达到最大值。

(2) 2020年嘉峪关和兰州生态用水安全水平处于Ⅲ级水平，陇南、金昌、天水、临夏、定西等12个城市均处于Ⅳ级水平，甘肃省内甘南、甘西、甘东和核心区四大分区中，核心区的生态用水安全水平低，主要受临夏、武威和白银三市的生态效益指标值影响。

(3) 甘肃省各城区生态用水安全水平主要影响因素主要包括绿化覆盖面积(19.1%)、生态环境用水比例(10.0%)、人均公园绿地面积(9.2%)和城市化水平(7.3%)这4大障碍因子。

(4) 生态效益变化是造成生态用水安全水平变化的重要影响因素，提高城区生态效益指标值，可有效提升甘肃省各市区生态用水安全水平。