河南省水資源承載力空間差異分析

苗智英，馮 怡，劉德波

(河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450018)

水資源作為戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源和公共的社會(huì)資源，是制約自然環(huán)境和人類生存發(fā)展的基礎(chǔ)性自然資源[1]。隨著社會(huì)高速發(fā)展，水資源對(duì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展影響日益增大[2-3]，水資源-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)復(fù)合大系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)相輔相成、協(xié)調(diào)發(fā)展，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、保證水資源可持續(xù)性利用的基礎(chǔ)[4]。水資源承載力 (Water Resource Carrying Capacity)是指區(qū)域水資源在臨近破壞水資源可持續(xù)利用時(shí)所能持續(xù)支撐區(qū)域的最大經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模[1]，可反映水資源對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的支撐能力，側(cè)面反映水資源-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)復(fù)合大系統(tǒng)內(nèi)在協(xié)調(diào)性。因此，探究區(qū)域水資源承載力變化特征，對(duì)提高水資源與各方面的協(xié)調(diào)發(fā)展，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前針對(duì)水資源承載力的研究方法主要有：經(jīng)驗(yàn)公式法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法、綜合評(píng)價(jià)法等[5]。經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算簡(jiǎn)便，但忽略了水資源-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)復(fù)合大系統(tǒng)內(nèi)在關(guān)聯(lián)性；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法具有運(yùn)算速度快、系統(tǒng)全面的優(yōu)點(diǎn)，但所需數(shù)據(jù)較多，應(yīng)用范圍有限[6]；綜合評(píng)價(jià)法可從水資源-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)復(fù)合大系統(tǒng)選定指標(biāo)，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法對(duì)水資源承載力進(jìn)行全面的綜合評(píng)價(jià)，應(yīng)用廣泛。作為綜合評(píng)價(jià)法之一的TOPSIS法具有計(jì)算簡(jiǎn)便、信息失真小、對(duì)樣本數(shù)量無嚴(yán)格限制等優(yōu)點(diǎn)[7]，本文采用熵權(quán)法[8]確權(quán)，基于TOPSIS法(Technique for Order Preferenceby Similarity to Ideal Solution)逼近理想解排序法[9]對(duì)河南省2018年18個(gè)地市進(jìn)行水資源承載力綜合評(píng)價(jià)，分析水資源承載力的空間差異性和障礙因子，為河南省水資源-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)復(fù)合大系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

河南省位于中國(guó)東經(jīng)110°21′～116°39′、北緯31°23′～36°22′的華北平原，全省面積16.7萬km2，地勢(shì)上西高東低。從南向北地跨暖溫帶和亞熱帶，屬濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，旱雨季分明，年降水量532～1 380 mm，6—8月降水量較多，年平均氣溫12.1～15.7℃[10]。河南省地跨海河、黃河、淮河、長(zhǎng)江四大水系，加上南水北調(diào)中線構(gòu)筑成“三橫一縱”的水利空間格局。河南省水資源總量約403億m3，供水量240億m3，可利用水量?jī)H195億m3，水資源相對(duì)匱乏。隨著人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水資源短缺和不合理開發(fā)利用的問題日益嚴(yán)重，水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)間的矛盾愈加突出。因此，開展河南省水資源承載力研究，對(duì)進(jìn)一步合理規(guī)劃利用水資源和促進(jìn)區(qū)域內(nèi)水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

2 研究方法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

水資源承載力可表征水資源-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)復(fù)合大系統(tǒng)的內(nèi)在協(xié)調(diào)性，對(duì)地區(qū)水資源優(yōu)化配置和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有不可忽視的作用。本文在已有研究的基礎(chǔ)上[7-8,11]，基于水資源承載力的概念和內(nèi)涵，綜合考慮水資源對(duì)區(qū)域人口、經(jīng)濟(jì)社會(huì)和環(huán)境的支撐力[1]，結(jié)合河南省的水資源實(shí)際狀況，按照科學(xué)性、全面性、系統(tǒng)性和可行性等指標(biāo)構(gòu)建原則[12]，從水供給、水需求、水維護(hù)三方面[13]，選取具有代表性的16個(gè)指標(biāo)建立水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)河南省18個(gè)地市2018年水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和空間差異分析。水資源承載力指標(biāo)體系見表1。

表1 水資源承載力指標(biāo)體系

續(xù)表1 水資源承載力指標(biāo)體系

目前關(guān)于水資源承載力研究成果較多，但由于各區(qū)域的研究方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的差異性，暫未形成統(tǒng)一的水資源承載劃分標(biāo)準(zhǔn)。為直觀表現(xiàn)地區(qū)水資源承載力狀況，借鑒文獻(xiàn)[14-16]，將水資源承載力劃分為5個(gè)等級(jí)，以便更好呈現(xiàn)地區(qū)水資源承載力的強(qiáng)弱，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 水資源承載力評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

2.2 研究方法

2.2.1基于熵權(quán)的TOPSIS法

a)熵權(quán)確定。熵權(quán)法確權(quán)具有客觀性，熵權(quán)越大，表明該指標(biāo)變化對(duì)整體的影響越大，反之越小[8]。原始指標(biāo)可表達(dá)為矩陣：X=(xij)n×m。本文評(píng)價(jià)對(duì)象為2018年河南省18個(gè)地市(m=18)，16個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(n=16)。

指標(biāo)規(guī)范化處理：

(1)

(2)

式中rij——原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)；xjmin——第j個(gè)指標(biāo)的最小值；xjmax——第j個(gè)指標(biāo)的最大值。

計(jì)算指標(biāo)的熵值Hj：

(3)

(4)

計(jì)算指標(biāo)的熵權(quán)：

(5)

b) TOPSIS法。TOPSIS法于1981年由Hwang和Yoon首次提出[9]，用于系統(tǒng)工程有限方案多目標(biāo)決策分析。該法根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)和最劣解的距離判斷評(píng)價(jià)對(duì)象的優(yōu)劣程度。具體計(jì)算步驟如下。

對(duì)正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)分別進(jìn)行歸一化處理，即：

(6)

(7)

數(shù)據(jù)歸一化后，采用熵權(quán)法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)[8]，得到轉(zhuǎn)化矩陣：

A=(Aij)n×m

(8)

確定正理想解A+與負(fù)理想解A-：

A+=(Amax1，Amax2，…，Amaxn)

(9)

A-=(Amin1，Amin2，…，Aminn)

(10)

計(jì)算第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與正負(fù)理想解的距離Z+、Z-：

(11)

(12)

計(jì)算第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與理想解的相對(duì)接近程度Gi，即為水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。根據(jù)Gi的大小進(jìn)行排序，Gi值越大，說明評(píng)價(jià)對(duì)象越接近理想狀態(tài)，評(píng)價(jià)結(jié)果越好，即水資源承載力越強(qiáng)，反之，Gi值越小，水資源承載力越弱。

(13)

2.2.2障礙度模型

障礙因素診斷主要涉及3個(gè)衡量指標(biāo)，即因子貢獻(xiàn)度Fi、指標(biāo)偏離度Ci和障礙度Pi。因子貢獻(xiàn)度Fi表示單一指標(biāo)Ii對(duì)總目標(biāo)的貢獻(xiàn)大小，本文用熵權(quán)法計(jì)算所得的權(quán)重ωi表示；指標(biāo)偏離度Ii為各指標(biāo)實(shí)際值與最優(yōu)目標(biāo)值之間的差距，可以用1與各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值rij之差表示；障礙度Pi的大小可以表示子系統(tǒng)或各指標(biāo)對(duì)水資源承載力影響程度的高低[9]，見式(14)、(15)：

(14)

Ci=1-rij

(15)

3 結(jié)果與分析

根據(jù)河南省各地市2018年水資源公報(bào)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、環(huán)境狀況公報(bào)、《河南水利統(tǒng)計(jì)年鑒(2018年)》中相關(guān)數(shù)據(jù)，采用熵權(quán)TOPSIS法計(jì)算得到河南省2018年18個(gè)地市水資源承載力值，從而確定各地市的綜合承載力和水資源-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)子系統(tǒng)承載力狀況，并進(jìn)行水資源承載力空間差異分析?；谡系K度模型計(jì)算河南省2018年18個(gè)地市各指標(biāo)的障礙度，根據(jù)各指標(biāo)的障礙度均值，探究不同障礙因子對(duì)水資源承載力的影響程度。

3.1 水資源承載力空間差異分析

從圖1a可以看出，2018年河南省各市的水資源承載力評(píng)價(jià)值均不超過0.6，整體承載力較弱。其中豫東和豫北大部分城市的水資源承載力評(píng)價(jià)值小于0.3，屬五級(jí)(弱承載)，主要原因?yàn)椋涸|和豫北地區(qū)降雨稀少，地區(qū)地表水資源不足，再加上城市人口較多，用水壓力大，水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)性較差。鄭州、洛陽、三門峽三市的水資源承載力小于0.4，屬四級(jí)(較弱承載)。鄭州市水資源缺乏，但整體節(jié)水意識(shí)強(qiáng)，節(jié)水技術(shù)高，故全市人均用水量和萬元GDP用水量低于省內(nèi)大部分城市，加上經(jīng)濟(jì)水平位于全省前列，鄭州市水資源承載力未到五級(jí)。洛陽和三門峽在水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)各方面指標(biāo)均位于全省前列，因此水資源承載能力略強(qiáng)于其他城市。南陽、信陽、駐馬店作為河南南部城市，降水豐富，水資源充沛，人口密度較低，經(jīng)濟(jì)水平中上，生態(tài)治理良好，因而3個(gè)城市的水資源承載力處于二級(jí)，屬較強(qiáng)承載。

從圖1b來看，水資源子系統(tǒng)承載力空間分布情況與水資源承載力空間分布(圖1a)基本一致，說明水資源子系統(tǒng)各指標(biāo)對(duì)區(qū)域水資源承載力影響較大。豫東、豫北地區(qū)和鄭州市的水資源子系統(tǒng)承載力處于五級(jí)(弱承載)，降水稀少、產(chǎn)水能力低下是造成省內(nèi)大部分地區(qū)子系統(tǒng)承載力薄弱的主要原因；洛陽市水資源子系統(tǒng)承載力處于較弱等級(jí)，駐馬店和信陽的水資源子系統(tǒng)承載力值大于0.6，屬最強(qiáng)承載，這歸功于當(dāng)?shù)亟邓渥?、水資源豐沛。

社會(huì)子系統(tǒng)的承載力空間分布(圖1c)有所不同：南陽的社會(huì)子系統(tǒng)承載力值最高(0.632)，承載力最強(qiáng)屬一級(jí)，駐馬店緊隨其后處于二級(jí)(0.540)，三門峽、平頂山、周口三市社會(huì)子系統(tǒng)承載力值位于0.4～0.5，屬三級(jí)(一般承載)，其余各市的承載力較弱，以橙色和紅色顯示，分別代表較弱承載和弱承載。社會(huì)子系統(tǒng)承載力主要受地區(qū)人口變化影響，人口密度大，人口自然增長(zhǎng)率高，城鎮(zhèn)化程度增加，地區(qū)人均用水量上升，子系統(tǒng)受社會(huì)壓力增大的原因，承載力水平下降。

經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的承載力分布(圖1d)顯示，除鄭州和洛陽外，其余各市均以橙色和紅色顯示，說明河南省鄭州和洛陽的經(jīng)濟(jì)實(shí)力居全省前列，其余各市經(jīng)濟(jì)水平還待進(jìn)一步提升。經(jīng)濟(jì)實(shí)力在一定程度上可利于城市水資源合理利用和高效管理。

圖1e為河南省各市生態(tài)子系統(tǒng)的承載力空間分布，從圖可以看出，信陽的子系統(tǒng)承載力值超過0.6，為一級(jí)(強(qiáng)承載)，三門峽、南陽的子系統(tǒng)承載力次之為二級(jí)，漯河、濟(jì)源和洛陽的生態(tài)子系統(tǒng)承載力為三級(jí)(一般承載)，其他城市的生態(tài)子系統(tǒng)承載力較弱，為四級(jí)或五級(jí)。子系統(tǒng)承載力較強(qiáng)的城市主要分布在西部和南部山區(qū)，山區(qū)森林覆蓋率較高，水源地較多，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率高，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性高，承載力水平較高。

a)水資源承載力

3.2 水資源承載力障礙因子分析

2018年各地市障礙度排序前十的指標(biāo)中(表3)，GDP(I10)、地表水占比(I1)、產(chǎn)水模數(shù)(I2)、降水量(I5)、萬元GDP用水量(I12)、河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率(I16)6個(gè)指標(biāo)出現(xiàn)頻次達(dá)到16次及以上，其中GDP(I10)、產(chǎn)水模數(shù)(I2)、降水量(I5)3個(gè)指標(biāo)大多分布在排序表前三。從地域分布來看，省內(nèi)北部城市中鄭州、洛陽、新鄉(xiāng)、三門峽和商丘排序第一的障礙因子是產(chǎn)水模數(shù)(I2)，排序第二的障礙因子是降水量(I5)，開封、平頂山、安陽、鶴壁、焦作、濮陽、許昌和濟(jì)源等市排序第一的障礙因子是降水量(I5)，排序第二的障礙因子是產(chǎn)水模數(shù)(I2)，由此說明河南北部城市對(duì)產(chǎn)水模數(shù)(I2)和降水量(I5)2個(gè)指標(biāo)更加敏感，指標(biāo)障礙度更高，這歸因于北部城市降水稀少，自身水資源匱乏，供水來源是制約北部城市發(fā)展的主要因素；而南陽、信陽、周口、駐馬店等南部城市障礙度排序第一的指標(biāo)是GDP(I10)，排序第二的因子分別是產(chǎn)水模數(shù)(I2)、人均用水量(I4)、降水量(I5)和河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率(I16)，漯河市排序前二的障礙因子分別是降水量(I5)和GDP(I10)。與北部城市不同，河南南部地區(qū)降水豐富，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)超越水資源指標(biāo)成為限制該地區(qū)水資源承載力的首要因素。18個(gè)地市中有11個(gè)地市排序第三的障礙因子是GDP(I10)。

表3 河南省2018年各地市水資源承載力主要障礙因子排序

另外I3(供水模數(shù))、I11(第三產(chǎn)業(yè)占比)和I15(森林覆蓋率)3個(gè)指標(biāo)在障礙度排序前十分布表中出現(xiàn)頻次達(dá)到12次以上，其在各地市的排序分布在第四到第十之間不等，說明以上3個(gè)指標(biāo)對(duì)各地市的水資源承載力影響程度有所差異。

計(jì)算18個(gè)地市各指標(biāo)的障礙度均值，0～20%代表16個(gè)指標(biāo)的障礙度均值范圍，I1—I16代表16個(gè)指標(biāo)(圖2)，經(jīng)計(jì)算，降水量(I5)、GDP(I10)、產(chǎn)水模數(shù)(I2)的障礙度均值分別為15.86%、15.34%和15.17%，是16個(gè)指標(biāo)中障礙度均值最大的3個(gè)指標(biāo)，說明以上3個(gè)指標(biāo)對(duì)水資源承載力的影響作用最大。

圖2 2018年河南省18個(gè)地市各指標(biāo)障礙度均值Pi

統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)障礙度計(jì)算結(jié)果，對(duì)地區(qū)水資源承載力影響作用排序依次為：水資源(51.3%)、經(jīng)濟(jì)(27.4%)、生態(tài)(11.5%)、社會(huì)(9.8%)，說明水資源子系統(tǒng)是影響地區(qū)水資源承載力變化的主要子系統(tǒng)；水資源子系統(tǒng)中的產(chǎn)水模數(shù)(I2)、降水量(I5)和經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)中的GDP(I10)對(duì)水資源承載力影響最大。

4 結(jié)論

2018年河南省各市水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，各市水資源承載力值均不超過0.6，整體屬于弱承載，河南南部的南陽、信陽、駐馬店3市因本身水量充足、降水豐沛，水資源承載力處于較強(qiáng)等級(jí)。各地市水資源的不均勻性、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不均衡性和生態(tài)環(huán)境的差異性造成4個(gè)子系統(tǒng)承載力的空間分布不同。

通過水資源承載力障礙因子判斷，4個(gè)子系統(tǒng)對(duì)承載力的障礙影響從大到小依次是：水資源、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)，其中GDP、產(chǎn)水模數(shù)、降水量是影響河南省各地市2018年水資源承載力最大的3個(gè)指標(biāo)。因此，發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)、控制人口的同時(shí)，合理利用水資源是保證水資源-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)符合大系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵。

受數(shù)據(jù)可得性的影響，本文只對(duì)2018年河南省各地市的水資源承載力進(jìn)行了空間差異分析，探究了水資源承載力障礙因子，研究結(jié)果對(duì)河南省水資源合理開發(fā)利用具有一定指導(dǎo)意義。但水資源承載力具有時(shí)間和空間屬性，在今后的研究中應(yīng)進(jìn)一步完善指標(biāo)體系，綜合地區(qū)水資源承載力的時(shí)間變化特征，深入研究其時(shí)空演變規(guī)律，以便為地區(qū)優(yōu)化水資源配置指明方向。