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干旱区研究 >

2024 , Vol. 41 >Issue 10: 1662 - 1671

DOI: https://doi.org/10.13866/j.azr.2024.10.05

水土资源

黄河流域甘肃段水生态安全驱动力分析及动态演变

  • 戴文渊 , 1, 2 ,
  • 玛久草 1 ,
  • 陈亦晨 1 ,
  • 郑志祥 2 ,
  • 张芮 3 ,
  • 张江科 3
展开
  • 1.甘肃政法大学环境法学院，甘肃 兰州 730070
  • 2.甘肃省证据科学技术研究与应用重点实验室，甘肃 兰州 730070
  • 3.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070

戴文渊（1989-），男，博士，副教授，主要从事生态安全评价、环境法律与政策研究. E-mail:

收稿日期: 2024-03-25

  修回日期: 2024-06-20

  网络出版日期: 2025-08-12

基金资助

甘肃省科技重大专项(23ZDFA009)

甘肃省高等学校青年博士基金项目(2022QB-120)

甘肃省哲学社会科学规划项目(2022YB088)

甘肃政法大学校级重点项目(GZF2021XZD05)

甘肃省自然科学基金项目(22JR5RA599)

收起

Analysis of driving forces and dynamic evolution of water ecological security in the Gansu section of the Yellow River Basin

  • DAI Wenyuan , 1, 2 ,
  • MA Jiucao 1 ,
  • CHEN Yichen 1 ,
  • ZHENG Zhixiang 2 ,
  • ZHANG Rui 3 ,
  • ZHANG Jiangke 3
Expand
  • 1. Environmental Law College, Gansu University of Political Science and Law, Lanzhou 730070, Gansu, China
  • 2. Key Laboratory of Evidence Science Techniques Research and Application, Gansu Province, Lanzhou 730070, Gansu, China
  • 3. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu, China

Received date: 2024-03-25

  Revised date: 2024-06-20

  Online published: 2025-08-12

Fold

摘要

构建基于W-SENCE（以水为主线的经济-社会-自然复合生态系统）视阈下的流域水生态安全评价指标体系，利用2003—2022年黄河流域甘肃段统计数据，运用熵权-TOPSIS法、M-K分析法、ARIMA模型，剖析黄河流域甘肃段水生态安全的驱动力和动态演变趋势。结果表明：（1） 径污比、水库调蓄能力、林牧渔用水量占比、农田灌溉用水量占比是流域水生态安全的主要驱动因子，社会子系统和生态子系统是水生态安全的关键驱动因素。（2） 从空间差异来看，黄河流域甘肃段水生态安全状况整体较差(<Ⅲ级)，上游始终好于下游，兰州至河口是重点调控区。（3） 从动态演变来看，水生态安全状况2013年左右发生突变，此后呈好转态势，龙羊峡至兰州段是关注重点。（4） 2023—2034年，水生态安全状况稳中有进，水生态安全风险中下游>中上游，兰州至河口是重点调控区。

关键词： W-SENCE; 熵权-TOPSISI法; 动态演变; 水生态安全; 黄河流域甘肃段

本文引用格式

戴文渊 , 玛久草 , 陈亦晨 , 郑志祥 , 张芮 , 张江科 . 黄河流域甘肃段水生态安全驱动力分析及动态演变[J]. 干旱区研究, 2024 , 41(10) : 1662 -1671 . DOI: 10.13866/j.azr.2024.10.05

Abstract

This study constructed a water ecological security evaluation index system based on the W-SENCE perspective (a complex ecosystem integrating economy, society, and nature with water as the mainstay). Using statistical data from the Gansu section of the Yellow River Basin from 2003 to 2022, the Entropy-TOPSIS method, M-K analysis, and ARIMA model were used to analyze the driving forces and dynamic evolution trends of water ecological security in the Gansu section of the Yellow River Basin. The following results were obtained: (1) The ratio of runoff to pollution; reservoir regulation and storage capacity; the proportion of water consumption for forestry, animal husbandry, and fisheries; and the proportion of water consumption for farmland irrigation were the major driving factors for water ecological security in the basin. The social subsystem and ecological subsystem were the key driving factors for water ecological security. (2) From the perspective of spatial differences, the overall water ecological security status in the Gansu section of the Yellow River Basin was relatively poor (<Grade III), with the upstream consistently performing better than the downstream. The area from Lanzhou to Hekou is a key regulation zone. (3) In terms of dynamic evolution, a mutation occurred in the water ecological security status around 2013, followed by an improving trend. The section from Longyangxia to Lanzhou was a focus of attention. (4) The water ecological security status will continue to improve steadily from 2023 to 2034, with the risk of water ecological security being higher in the middle and downstream than in the middle and upstream. The area from Lanzhou to Hekou remains a key regulation zone.

Key words： W-SENCE; the entropy-TOPSIS method; dynamic evolutionary trends; water ecological security; Gansu section of Yellow River Basin

当前，W-SENCE（以水为主线的经济-社会-自然复合生态系统）视阈下的流域水生态安全发展理念，注重从经济、社会、资源、环境、生态层面多角度体现水安全的内涵，是推动流域综合治理和高质量的有力保障[1]。随着《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》《中华人民共和国黄河保护法》相继颁布实施，黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略，评估流域水生态安全状况，探究流域水生态安全的驱动力分析和动态演变趋势的任务重大且紧迫，是当前研究的一个热点和难点[2-3]。黄河流域西北内陆地区，尤其是甘肃段，地处黄河上游，地跨四大地貌单元,包含6个水系，担负着水土保持、水源涵养和水污染防治等重任，但流域生态环境敏感且脆弱[4]，部分区域水资源过度开发利用，生态环境破坏严重，一定程度存在系统性水危机的风险[5⇓⇓⇓-9]，因此，剖析影响黄河流域甘肃段水生态安全的主要驱动因子和关键驱动因素，开展流域水生态安全系统分析，摸清底数，预警流域水生态安全风险，对推动黄河流域甘肃段生态保护和高质量发展具有重大意义。
黄河流域生态本底差，水资源、水环境承载力弱，区域发展不平衡的问题日渐凸显，黄河流域水生态系统及其生态环境也受到了不同程度的影响[4,10]。黄河流域水生态安全以实现人水和谐为目标，关注人类活动的影响，并紧紧围绕水的自然属性，从经济子系统、社会子系统、资源子系统、环境子系统、生态子系统5个层面体现其丰富内涵。流域水生态全相关研究呈现出多学科交叉融合态势，学者们已经提出了一些相关模型和研究方法[11⇓⇓-14]，均体现了流域水生态安全受多重因素的影响，关注了流域水生态安全的时空变化情况，但当前绝大多数研究均是基于传统的压力-状态-响应（PSR）及其拓展模型，主观性较强，研究中还存在以下不足：（1） 评价体系构建多关注于水体安全层面，对人类活动因素的考量不够[15⇓-17]；（2） 研究多集中于社会科学领域的理论研究，定性研究多，定量实证研究较少；（3） 关注于水质、水量、水灾害层面的研究较多，体现水生态安全系统性、综合性内涵的较少，缺乏驱动力方面的深入研究[18-19]；（4） 研究多以单一方法为主，缺乏多种方法的综合使用，同时，对水生态安全预警和动态演变方面研究较少。因此，本文系统收集了黄河流域甘肃段2003—2022年的流域水生态安全相关资料，结合已有相关研究经验[17⇓-19]，建立W-SENCE视域下的水生态安全评价指标体系，体现了流域水生态安全的系统性和综合性内涵，提高了评价体系的理论和现实应用价值。运用熵权-TOPSIS法、M-K检验、ARIMA模型,多层面多角度分析影响流域水生态安全的主要驱动因子和关键驱动因素，剖析流域水生态安全的突变情况，提高研究的现实针对性，并对流域水生态安全状况进行预警，关注其动态演变，凸显研究的现实指导性，这为进一步深入开展黄河流域甘肃段生态保护、水行政管理、综合治理和高质量发展提供科学依据。

1 研究区概况

依照水资源公报的划分方式，将黄河流域甘肃段划分为4段，分别为：龙羊峡以上（上游段）、龙羊峡至兰州（中上游段）、兰州至河口镇（中下游段）、龙门至三门峡（下游段）。研究区位于100°~108.5°E，33°~37.5°N，深居西北内陆，气候特征主要表现为干燥，降雨较少，且季节分布不均，年均降水量约为300 mm左右，且主要集中在夏季，而其他季节则相对干燥。主要气候类型为温带大陆性气候，全年气温变化较大，四季分明。黄河发源于青海，成河于甘肃，在甘肃两进两出，黄河5400多公里，六分之一在甘肃，1/5以上的水量来自于甘肃段。甘肃省是黄河重要的水源涵养区，是我国西部生态安全屏障，黄河流域甘肃段集中了甘肃省70%的人口和经济总量，是甘肃省的政治、经济、文化核心区域，同时黄河流域甘肃段生态脆弱区面积大、类型多、程度深。因此，开展黄河流域甘肃段水生态安全的驱动力分析和动态演变具有重要的现实指导意义。

2 研究方法

2.1 水生态安全评价指标体系构建

在黄河流域甘肃段水生态安全评价指标体系构建过程中，不同学者按照各自学科方向、研究侧重点和不同角度，建立了不同的评价指标体系[20⇓-22]。根据水生态安全评价方面已有的理论基础、实践经验及指标频次分析[23-24]，本文从以水为主线的经济-社会-自然复合生态系统视阈出发，关注流域经济系统、社会系统和自然复合系统的整体状况。依据科学性和可操作性原则，结合黄河流域甘肃段极易受人类活动和气候变化等因素综合影响的特点，紧紧围绕水的基本属性，从经济子系统、社会子系统、资源子系统、环境子系统、生态子系统五个层面构建一级指标。经济属性和社会属性更多关注人类经济社会活动对流域水生态安全的影响，选取了产业结构比重、人均GDP等相关指标；资源属性关注流域水资源供给方面，选取河川基流量、水资源量等相关指标；环境属性关注流域环境改善方面，选取耕地面积比、径污比等相关指标；生态属性关注流域生态维持方面，选取雨污回用量、生态环境用水量占比等相关指标。最终，筛选得到由30个评价指标构成的黄河流域甘肃段水生态安全评价指标体系（图1）。
图1 W-SENCE视阈下的流域水生态安全评价指标体系

Fig. 1 Water ecological security assessment index system of river basins based on W-SENCE conceptual framework

2.2 计算方法

首先引入熵权-TOPSIS法，综合两种方法的各自优势，运用信息熵客观确定各评价指标的指标权重，明确驱动因子和关键因素，并计算得出流域水生态安全综合指数；其次，运用ARIMA模型，对黄河流域甘肃段水生态安全进行预警，根据水生态安全的时空变化特征，明确当前及今后一段时期流域水生态安全的重点调控方向；再次，运用坎德尔（Kendall）秩次相关法、斯波曼（Spearman）秩次相关法、线性趋势回归法对黄河流域甘肃段水生态安全状况进行趋势演变分析；最后，运用M-K突变检验和均值跳跃性分析，确定流域水生态安全状况突变点，剖析产生原因，明确风险因素。

2.2.1 基于熵权-TOPSIS法的水生态安全评价

熵权-TOPSIS法是使用熵权法先得到指标权重，再利用权重值乘以原始数据得到新的数据后，利用新数据进行TOPSIS法分析，得到各评价对象相对接近度C，来判断和衡量各评价对象的优劣排序。运用熵权-TOPSIS法进行流域水生态安全评价，主要有以下几个步骤[25]：
（1） 数据标准化处理。具体按“Min—max标准化”方法进行数据处理[26-27]。
（2） 构建判断矩阵：
X = x i j m × n
式中：m为流域水生态安全评价对象数，本文取值4；n为评价指标个数，本文取值30， i = 1 ,   2 ,   · · · ,   m ； j = 1 ,   2 ,   · · · ,   n； x i j为标准化数据。
（3） 计算信息熵：
H j = - k ∑ i = 1 m p i j l n p i j
式中： p i j = x i j ∑ i = 1 m x i j； k = 1 l n m。
（4） 计算评价指标的权重：
ω j = 1 - H j ∑ j = 1 n ( 1 - H j )
式中： ω j ∈ [ 0,1 ]，且 ∑ j = 1 n ω j = 1。
（5） 计算加权矩阵：
R = ( r i j ) m × n r i j = ω j × x i j ( i = 1 ,   2 ,   · · · ,   m ;   j = 1 ,   2 ,   · · · ,   n )
（6） 确定最优解 S j +和最劣解 S j -：
S j + = m a x ( r 1 j ,   r 2 j ,   · · · ,   r n j ) ,   S j - = m i n ( r 1 j ,   r 2 j ,   · · · ,   r n j )
（7） 计算欧式距离：
s e p i + = ∑ j = 1 n ( s j + - r i j ) 2 ,   s e p i - = ∑ j = 1 n ( s j - - r i j ) 2
（8） 确定流域水生态安全状况综合评价指数：
C i = s e p i - s e p i + + s e p i - ,   C i ∈ [ 0,1 ]
式中： C i值越大，表征流域水生态安全的状况相对越好。

2.2.2 基于ARIMA模型的水生态安全预警

通过流域水生态安全预警，可以发挥风险评估“早识别、早预警、早暴露、早处置”的关键作用。本文应用SPSS软件中ARIMA模型进行水生态安全预警，ARIMA模型通过数据的自相关性和差分的方式，提取出隐藏在数据背后的时间序列模式，然后用这些模式来预测未来的数据。其中AR部分用于处理时间序列的自回归部分，它考虑了过去若干时期的观测值对当前值的影响。I部分用于使非平稳时间序列达到平稳，通过一阶或者二阶等差分处理，消除了时间序列中的趋势和季节性因素。MA部分用于处理时间序列的移动平均部分，它考虑了过去的预测误差对当前值的影响。ARIMA模型既可以捕捉到数据的趋势变化，又可以处理那些有临时、突发的变化或者噪声较大的数据。同时模型也提供了预测值的95%上限值和下限值，提高了预测结果的准确性和科学性，ARIMA模型在很多时间序列预测问题中都有很好的表现[28]。
Y d ( t ) = c + Φ 1 Y d ( t - 1 ) + Φ 2 Y d ( t - 2 ) + · · · +                       Φ p Y d ( t - p ) + μ ( t ) + θ 1 ε ( t - 1 ) +                         θ 2 ε ( t - 2 ) + · · · + θ q ε ( t - q )
式中： Y d ( t )为d阶差分后的序列；c为常数项； Φ 1 ,   Φ 2 , · · · ,   Φ p为自回归项的系数； μ ( t )为时间t下的误差项； θ 1 ,   θ 2 ,   · · · ,   θ q为移动平均项的系数； Y d ( t - 1 ) ,   Y d ( t - 2 ) ,   · · · ,   Y d ( t - p )为过去p个时间点的差分后观测值，用于自回归部分的计算； ε ( t - 1 ) ,   ε ( t - 2 ) ,   · · · ,   ε ( t - q )为过去q个时间点的模型误差项，用于移动平均部分的计算。

2.2.3 流域水生态安全动态演变趋势分析

流域水生态安全的变化趋势是否显著，直接反映了黄河流域甘肃段的水生态安全发展状况，表征其受人类活动和气候变化等因素的影响程度。本文中分别运用坎德尔（Kendall）秩次相关法、斯波曼（Spearman）秩次相关法、线性趋势回归法[29]对黄河流域甘肃段水生态安全状况进行趋势分析。
流域水生态安全状况的突变分析，一方面可以详细揭示水生态安全的突变情况，另一方面为今后提升流域水生态安全水平提供政策依据。Mann-Kenddall检验，其分析检验不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常数值的干扰，适用于类型变量、顺序变量及各种非正态分布数据，计算简便[30]。
M-K检验中，统计值S与标准化检验统计值ZMK计算如下：
S = ∑ i = 1 n - 1 ∑ j = i + 1 n s g n ( X j - X i )
s g n ( X j - X i ) = + 1 , 0 , - 1 , X j - X i > 0 X j - X i = 0 X j - X i < 0
V a r ( S ) = 1 18 n ( n - 1 ) ( 2 n + 5 ) - ∑ p = 1 q t p ( t p - 1 ) ( 2 t p + 5 )
Z M K = S - 1 V a r ( S ) ,     S > 0 0 ,                                 S = 0 S + 1 V a r ( S ) ,     S < 0
式中: X i和 X j为第i年和第j年对应的指标值；n为流域水生态安全评价的时间序列长度，本文取20； t p为第p个数对应的捆绑值； Z M K为时间序列对应数据变化趋势，若 Z M K > 0，表示随时间的推移，数据呈现增加趋势；反之表示，随时间的推移，数据呈现减小趋势。当 Z M K> Z ( 1 - α / 2 )，则拒绝零假设，认为数据存在着显著的趋势性。 Z ( 1 - α / 2 )值由标准正态分布表查出，当显著性水平值取5%时，所对应的 Z ( 1 - α / 2 )值是1.96。

2.3 数据来源

在黄河流域甘肃段水生态安全状况调查分析和评估中，评价指标体系中资源属性、环境属性、生态属性方面，相关统计数据主要是通过甘肃省水文局提供的统计资料和《甘肃省水资源公报》（2003—2022年）中获得；经济属性和社会属性方面，相关数据主要是通过甘肃省政府网站公布数据和《甘肃省统计年鉴》（2003—2022年）中获得；其他关于水土保持、高质量发展等方面，相关数据主要是通过甘肃省自然资源厅、甘肃省生态环境厅、甘肃省水利厅等部门公开的信息和年度报告等方式获得。

3 结果与分析

3.1 流域水生态安全驱动力分析

3.1.1 流域水生态安全驱动因子分析

指标权重体现了评价指标在整体流域水生态安全中价值的高低，表征了其相对重要的程度和在水生态安全中所占比重的量化。本文基于熵权-TOPSIS法确定了流域水生态安全评价指标的各年指标权重值，计算近20 a各指标均值，绘制黄河流域甘肃段水生态安全评价指标的权重雷达图（图2）。
图2 指标权重雷达图

Fig. 2 Radar chart of indicator weight

指标⑥（农田灌溉用水量占比）、㉖（雨污回用量）、⑭（入境水量）、㉗（林牧渔用水量占比）、⑩（大型水库年末蓄水总量）、㉓（径污比）的指标权重值相对最大，依次分别为：0.0505、0.0565、0.0599、0.0688、0.1086、0.1341。流域水生态安全评价指标中，上述6个指标对流域水生态安全的累计贡献率达47.8%，累计指标权重接近50%，是黄河流域甘肃段水生态安全的最主要驱动因子，对水生态安全的影响相对最大，因此，是当前流域水生态安全的重点调控指标。而指标⑮(出境水量)、①（三产比重）、③(火电工业增加值占比)、㉑ (年降雨量变化)、⑳（单位面积牲畜头数）的指标权重值相对最小，依次分别为：0.0061、0.0066、0.0069、0.0073、0.0074，这5个指标对流域水生态安全的累计贡献率仅为3.4%，对水生态安全的影响相对最小，是黄河流域甘肃段水生态安全的次要驱动因子。

3.1.2 流域水生态安全驱动因素分析

由表1可知，近20 a黄河流域甘肃段水生态安全的驱动因素中，经济子系统、社会子系统、资源子系统、环境子系统、生态子系统的权重依次为：0.107、0.260、0.160、0.219、0.254，对水生态安全的影响大小排序为：社会子系统>生态子系统>环境子系统>资源子系统>经济子系统。当前，社会子系统、生态子系统和环境子系统对黄河流域甘肃段水生态安全的影响相对最大，是流域水生态安全的关键驱动因素，需要特别予以关注。这也从侧面说明了当前黄河流域甘肃段水生态安全受人类活动和自然环境的综合影响，流域生态本底较差，极易受人类活动的影响，需持续关注流域复合生态系统整体状况。
表1 流域水生态安全关键因素分析

Tab. 1 Analysis of key factors for water ecological security of river basins

编号 水生态安全影响因素 20 a平均指标权重 影响程度排序
1 经济子系统 0.107 5
2 社会子系统 0.260 1
3 资源子系统 0.160 4
4 环境子系统 0.219 3
5 生态子系统 0.254 2

3.2 流域水生态安全的时空变化特征

3.2.1 流域水生态安全状况分类

参照《流域生态健康评估技术指南》和《江河生态安全调查与评估技术指南》，结合已有水安全评估相关研究结果[17⇓-19]，同时根据黄河流域甘肃段水生态安全评价结果分布情况，将流域水生态安全评价结果分为4级（表2），C<0.3为Ⅰ级，表征流域水生态安全状况为较差；0.3≤C<0.45为Ⅱ级，表征流域水生态安全状况为一般；0.45≤C<0.6为Ⅲ级，表征流域水生态安全状况为良好；C≥0.6为Ⅳ级，表征流域水生态安全状况为优秀。按照上述水生态安全分级标准，对黄河流域甘肃段水生态安全状况进行分级。
表2 流域水生态安全状况分级

Tab. 2 Classification of water ecological security status of the basin

编号 综合指数范围 综合指数分级 发展状态
1 C<0.3 Ⅰ 差
2 0.3≤C<0.45 Ⅱ 一般
3 0.45≤C<0.6 Ⅲ 良好
4 C≥0.6 Ⅳ 优秀

3.2.2 流域历史水生态安全时空变化特征

根据黄河流域甘肃段近20 a的水生态安全综合评价结果图3可知，黄河流域甘肃段近20 a来水生态安全状况呈波动变化态势，从水生态安全综合评价指数年均值来看，龙羊峡以上、龙羊峡至兰州、兰州至河口、龙门至三门峡的水生态安全综合评价指数依次为：0.320（Ⅱ级，一般）、0.382（Ⅱ级，一般）、0.183（Ⅰ级，较差）、0.209（Ⅰ级，较差），黄河流域甘肃段水生态安全状况始终处于Ⅰ级区和Ⅱ级区，整体相对较差。黄河流域甘肃段的上游和中上游，龙羊峡以上和龙羊峡至兰州段处于Ⅱ级（一般），中下游和下游的兰州至河口和龙门至三门峡，水生态安全状况始终处于Ⅰ级（较差）。从空间分布来看，整体上上游区要好于下游区，中下游段兰州至河口段状况相对最差，应列为当前流域水生态安全提升的重点区域。同时需关注龙门至三门峡段水生态安全状况，补齐短板，提升黄河流域甘肃段的水生态安全水平。
图3 流域水生态安全状况评价结果

Fig. 3 The evaluation results of water ecological security of the basin

3.2.3 流域未来水生态安全时空变化特征

应用SPSS软件中ARIMA模型，进行黄河流域甘肃段水生态安全预警，图中显示了时间序列下真实值与预测值之间的拟合情况，并预测了未来12 a的水生态安全状况。根据真实值和拟合值之间的重叠程度来看，总体上黄河流域甘肃段水生态安全综合评价指数拟合情况较好，但龙羊峡以上和兰州至河口段拟合效果不是很好，这可能与区域水生态安全综合指数波动变化较大有关，影响了拟合效果，但误差均在设定范围内。未来12 a（2023—2034年），龙羊峡以上段的水生态安全状况保持基本平稳（图4a），预测值95%上限均值为0.45左右，下限为0.2左右；龙羊峡至兰州的水生态安全状况呈波动上升趋势（图4b），预测值95%上限均值0.45左右，预测值95%下限均值0.3左右；兰州至河口镇的水生态安全状况保持基本平稳（图4c），预测值95%上限均值0.4左右，预测值95%下限均值0.15左右；龙门至三门峡水生态安全状况呈持续上升状态（图4d），预测值95%上限均值0.225，预测值95%下限均值0.15。黄河流域甘肃段水生态安全状况预测值95%下限值均处于较差状态，预测值上限值龙羊峡以上和龙羊峡至兰州，处于良好状况，兰州至河口处于较差状态，龙门至三门峡处于一般状态。未来12 a黄河流域甘肃段上游区的水生态安全状况整体要好于下游区，但各自的风险点各不相同。龙羊峡以上需要提升水生态安全状况，推动从一般向良好发展；龙羊峡至兰州水生态安全状况不稳定，需提升水生态安全的稳定性；兰州至河口水生态安全状况相对最差，是未来流域水生态安全的重点调控区；龙门至三门峡水生态安全状况呈显著上升态势，但整体水平较低，需持续强化发展趋势。
图4 流域水生态安全状况预警

Fig. 4 Prediction and evaluation of water ecological security of the basin

3.3 流域水生态安全动态演变趋势

3.3.1 流域水生态安全演变特征

分别运用坎德尔（Kendall）秩次相关法、斯波曼（Spearman）秩次相关法、线性趋势回归法对黄河流域甘肃段的水生态安全状况进行演变特征分析（表3）。结果表明，龙羊峡以上、龙门至三门峡的水生态安全状况呈显著好转趋势；坎德尔秩次相关法和斯波曼秩次相关法分析表明，兰州至河口镇的水生态安全状况呈显著好转趋势，而线性趋势回归法显示，水生态安全状况好转趋势不显著；龙羊峡至兰州段的水生态安全状况好转趋势不显著。综上所述，龙羊峡以上、兰州至河口镇、龙门至三门峡的水生态安全状况呈显著好转趋势，龙羊峡至兰州的水生态安全状况好转趋势不明显。总体上，黄河流域甘肃段水生态安全状况呈现好转态势，表明近年来流域生态保护和高质量发展方面取得了显著成效，但中上游龙羊峡至兰州段治理效果不明显，需予以重点关注。
表3 水生态安全状况趋势分析

Tab. 3 Analysis of water ecological security trend

黄河流域
甘肃段		 趋势方程 趋势项检验方法(α=0.05)
坎德尔秩次相关法 斯波曼秩次相关法 线性趋势相关法 趋势程度
U(α/2)=1.96 是否显著 T(α/2)=2.01 是否显著 T(α/2)=2.01 是否显著
龙羊峡以上 Y=0.0062X+0.26 2.836 显著 3.06 显著 3.11 显著 增加
龙羊峡至兰州 Y=-0.0007X+0.39 0.383 不显著 0.49 不显著 0.35 不显著 增加
兰州至河口镇 Y=0.002X+0.16 2.202 显著 2.15 显著 0 不显著 增加
龙门至三门峡 Y=0.0053X+0.16 4.092 显著 6.57 显著 5.35 显著 增加

3.3.2 流域水生态安全M-K突变检验

根据黄河流域甘肃段的水生态安全状况M-K突变检验结果（图5），龙羊峡以上（图5a），2003—2014年的流域水生态安全状况呈不显著恶化趋势，2015—2018年水生态安全状况呈不显著好转趋势，2019—2023年呈显著好转趋势，水生态安全状况在2015年出现跳跃，水生态安全状况开始呈现持续明显好转态势；龙羊峡至兰州（图5b），2003—2012年水生态安全状况呈不显著好转，2013—2019年呈不显著恶化，2020—2023年呈不显著好转，水生态安全状况在2013年出现跳跃；兰州至河口镇（图5c），水生态安全状况2003—2005年呈不显著好转，2006—2013年呈不显著恶化，2014—2017年呈不显著好转，2018—2023年呈显著好转，水生态安全状况在2014年出现跳跃，2014年以后水生态安全状况显著好转；龙门至三门峡（图5d），水生态安全状况从2003—2006年呈波动变化，2007—2009年呈不显著好转，2010—2023年呈现显著好转，水生态安全状况在2010年出现跳跃，总体呈持续好转态势。
图5 流域水生态安全突变分析

Fig. 5 Catastrophe analysis of water ecological security in river basins

3.3.3 流域水生态安全均值跳跃性分析

根据黄河流域甘肃段均值跳跃性分析（表4）可知，龙羊峡以上、龙羊峡至兰州、兰州至河口镇、龙门至三门峡的水生态安全状况跳跃点分别为：2015年、2013年、2014年、2010年。结合流域水生态安全状况M-K突变检验可知，黄河流域甘肃段水生态安全状况发生突变的时间点在2013年左右。这可能与2013年1月，水利部印发《关于加快推进水生态文明建设工作的意见》有关，意见提出坚持人水和谐，重视黄河流域的生态保护和综合治理工作，持续推进流域水生态文明建设，为流域的高质量发展提供了有力支持。
表4 水生态安全状况均值跳跃性分析

Tab. 4 The mean jump analysis of water ecological security

黄河流域甘肃段 均值跳跃性分析(α=0.05)
检验结果 跳跃显著性 跳跃点 跳跃前均值 跳跃后均值 跳跃量
T(α/2)=2.01
龙羊峡以上 3.36 显著 2015年 0.27 0.35 0.08
龙羊峡至兰州 5.08 显著 2013年 0.39 0.26 0.13
兰州至河口镇 1.9 不显著 2014年 0.17 0.19 0.02
龙门至三门峡 4.11 显著 2010年 0.17 0.23 0.06

4 结论

黄河流域甘肃段是西北乃至全国重要的生态屏障，是甘肃政治、经济、文化的核心区。流域水生态安全的动态演变和驱动力分析研究，是加快流域综合治理，提升流域水生态安全水平，推进流域生态保护和高质量发展的重要手段。基于此，本文运用2003—2022年黄河流域甘肃段水生态安全相关数据，评估流域水生态安全的整体状况，分析其主要驱动力及动态演变特征。主要结论如下：
（1） 农田灌溉用水量占比、雨污回用量、入境水量、林牧渔用水量占比、大型水库年末蓄水总量、径污比，这6个指标是黄河流域甘肃段水生态安全的最主要驱动因子；社会子系统、生态子系统和环境子系统是黄河流域甘肃段水生态安全的关键驱动因素，需特别予以关注。因此，强化流域水污染防治，注重生态修复，水源涵养和水土流失治理，大力发展绿色生态产业，提高防洪能力建设等，是提升黄河流域甘肃段水生态安全状况的有效途径。
（2） 从空间差异来看，2003—2022年黄河流域甘肃段的水生态安全状况整体较差。上游区水生态安全状况始终处于Ⅱ级区，水生态安全状况一般，下游区水生态安全状况始终处于Ⅰ级区，水生态安全状况较差，上游区受人类活动的影响较小，水生态安全状况明显好于下游区。中下游兰州至河口段状况相对最差，这是当前流域治理工作的重点调控区。黄河流域甘肃段水生态安全状况整体上有明显的好转趋势，但中上游龙羊峡至兰州段治理效果不明显，需要予以关注。
（3） 从时序变化来看，黄河流域甘肃段水生态安全状况发生突变的时间在2013年左右，此后，黄河流域甘肃段水生态安全状况整体呈现显著好转态势，这是黄河流域甘肃段水生态安全的一个重要转折点。这可能与国家将黄河流域生态保护和高质量发展列为国家战略有重要关系。
（4） 未来12 a（2023—2034年），流域水生态安全状况呈稳中有进，但中下游水生态安全风险高于中上游地区，中下游段兰州至河口段水生态安全状况仍处于较差状况，是流域水生态安全的未来调控重点。黄河流域甘肃段水生态安全状况各不相同，须因地制宜，降低风险，不断提升流域高质量发展水平。

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