“三條紅線”約束下的鄂爾多斯市水資源承載力評價

李 寧，張文麗，李經(jīng)偉(內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，呼和浩特 010020)

水資源承載力是指在某一具體的歷史發(fā)展階段下，以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟和社會發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維護生態(tài)與環(huán)境良性發(fā)展為條件，經(jīng)過合理的優(yōu)化配置，水資源對該地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的最大支撐能力[1]。區(qū)域水資源承載力直接制約著社會經(jīng)濟的發(fā)展。因此，水資源承載力的評價對于指導(dǎo)區(qū)域合理充分利用水資源以及促進區(qū)域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。尤其是水資源管理“三條紅線”提出后，區(qū)域的水資源承載力的量化評價更具有實際可操作性和指導(dǎo)性。本文以鄂爾多斯市為例，采用投影尋蹤綜合評價法對其在“三條紅線”約束下的水資源承載力進行分析評價，并提出負載指數(shù)評價法對水資源承載力進行分析評價，以期為協(xié)調(diào)鄂爾多斯市水資源與社會經(jīng)濟發(fā)展關(guān)系提供參考。

1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部，地處黃河幾字灣鄂爾多斯高原腹地。市域面積達87 500 km2，東西長約400 km，南北寬約340 km。地理坐標為北緯37°35′24″～40°51′40″，東經(jīng)106°42′40″～111°27′20″。鄂爾多斯市轄七旗一區(qū)，即鄂托克前旗、鄂托克旗、東勝區(qū)、達拉特旗、杭錦旗、準格爾旗、伊金霍洛旗和烏審旗。2012年全市總?cè)丝?00.42萬人。

近幾年鄂爾多斯市經(jīng)濟發(fā)展迅速，2012年全市國內(nèi)生產(chǎn)總值3 656.8億元，已形成羊絨、煤炭、電力、冶金、化工五業(yè)并舉、協(xié)同發(fā)展的經(jīng)營格局。但鄂爾多斯市水資源貧乏，全市水資源量304 158.73萬m3，人均水資源量1 517.61 m3，低于我國人均水資源量2 200 m3。

2014年6月，針對區(qū)域水資源過度開發(fā)、粗放利用、水污染嚴重3個方面的突出問題，鄂爾多斯市確立了水資源管理“三條紅線”，主要是嚴格控制用水總量過快增長、著力提高用水效率、嚴格控制入河湖排污總量，對全市市轄旗區(qū)的水資源管理制度控制目標進行明確。

2 紅線控制指標約束下的水資源承載力評價——基于投影尋蹤綜合評價法

2.1 投影尋蹤綜合評價法

投影尋蹤法的數(shù)學(xué)描述為[2]：假設(shè)某一數(shù)據(jù)組的因變量為yi(i=1,2,…,n)，對應(yīng)的自變量為{x*ij|i=1,2,…,n,j=1,2,…,m|}。如果運用傳統(tǒng)的分析方法可以建立y=f(x)的函數(shù)關(guān)系。依據(jù)投影尋蹤的思想，先將所有的自變量x進行線性投影得到對應(yīng)的投影特征值zi，zi能夠反映自變量x的綜合特征，因此，可以建立y=f(z)的函數(shù)關(guān)系來代表y=f(x)的關(guān)系特征，從而達到變多元分析為一元分析的目的。

投影尋蹤法建模的基本步驟如下：

設(shè)有m個指標確定的n個樣本數(shù)據(jù)，樣本數(shù)據(jù)表示為xij(i=1,2,…,n,j=1,2,…,m)：

(1)構(gòu)造投影特征值函數(shù)z(i)為：

其中a={a1,a2,…,am}為投影方向向量，aj∈[-1,1]，向量a為單位長度向量。

(2)構(gòu)造投影指標函數(shù)Q(a)。綜合投影指標值時，要求投影值zi的散布特征應(yīng)為：局部投影點盡可能密集，最好凝聚成若干個點團，而在整體上投影點團盡可能散開。因此，投影指標函數(shù)構(gòu)造為：

式中：Sz為投影值zi的標準差；Dz為投影值zi的局部密度；E(z)為序列{zi|i=1,2,…,n}的平均值；R為局部密度的窗口半徑(可以根據(jù)試驗來確定)；rij表示樣本之間的距離，rij=|zi-zj|；u(t)為一單位階躍函數(shù)，當t≥0時，其值為1，當t<0時，其函數(shù)值為0。

(3)優(yōu)化投影指標函數(shù)。通過求解投影指標函數(shù)最大化問題來估計最佳投影方向。優(yōu)化的目標函數(shù)為：

maxQ(a)=SzDz

這是一個以{aj|j=1,2,…m}為優(yōu)化變量的復(fù)雜非線性優(yōu)化問題，本文應(yīng)用DPS軟件通過非線性優(yōu)化算法求解最佳投影方向以及投影值。

(4)綜合評價值。各投影值即是各樣本的綜合評價值。

2.2 評價指標的選定

選取鄂爾多斯市轄七旗一區(qū)“三條紅線”控制指標中的用水總量、萬元工業(yè)增加值用水量、水功能區(qū)水質(zhì)達標率3項指標作為主要約束評價指標。

為保證評價指標的全面性，再選取工業(yè)用水重復(fù)利用率、畝均灌溉用水量、耕地灌溉百分比、生態(tài)環(huán)境用水率、人均生活用水量等5項指標作為評價指標。各評價指標數(shù)據(jù)的提取由《2012年鄂爾多斯市水資源公報》數(shù)據(jù)直接得到或是通過計算得到。各評價指標的具體數(shù)值見表1。

表1 鄂爾多斯市2012年各評價指標數(shù)據(jù)值

2.3 紅線控制指標約束下的水資源承載力評價——基于投影尋蹤綜合評價法

采用投影尋蹤綜合評價法對紅線控制指標約束下的鄂爾多斯市水資源承載力進行評價，具體步驟如下。

(1)按照指標體系層次結(jié)構(gòu)排列各旗區(qū)2012年各評價指標數(shù)據(jù)值。

(2)邊界值X+j、X-j的確定。在投影尋蹤綜合評價法的水資源承載力評價模型中，指標值越接近X+j的含義是水資源開發(fā)利用程度越高，水資源可開發(fā)潛力越小，反映的水資源承載力越??；指標值越接近X-j的含義是水資源開發(fā)利用程度越低，水資源可開發(fā)潛力越大，反映的水資源承載力越大。

對于選取的“三條紅線”指標的邊界值確定。依據(jù)邊界值的含義，用水總量控制指標應(yīng)作為上限邊界值X+1，以用水總量控制指標的50%作為邊界值下限邊界值X-1；萬元工業(yè)增加值用水量控制指標應(yīng)作為下限邊界值X-2，以萬元工業(yè)增加值用水量控制指標的10%作為邊界值上限邊界值X+2；水功能區(qū)水質(zhì)達標率以100%作為上限邊界值X+3，以0%作為下限邊界值X-3。

其他指標的邊界值確定參照邊界值的含義、區(qū)域規(guī)劃和相關(guān)定額標準進行確定，不再贅述。

(3)各評價指標數(shù)據(jù)值的歸一化處理。將各旗區(qū)2012年各評價指標數(shù)據(jù)值X1ij按照以下公式進行指標的歸一化處理得到取值在[0,1]的處理后數(shù)據(jù)樣本x1ij。

對于指標值越大水資源開發(fā)利用程度越高的指標x1ij=(X1ij-X-j)/(X+j-X-j)；對于指標值越大水資源開發(fā)利用程度越低的指標x1ij=(X+j-X1ij)/(X+j-X-j)。

(4)將隸屬于同一層次指標的各分指標的樣本數(shù)據(jù)輸入DPS界面，通過求解得到投影值。投影值即鄂爾多斯市各旗區(qū)的水資源承載力綜合評價值，綜合評價值越大，水資源承載力越小；綜合評價值越小，水資源承載力越大。

鄂爾多斯市各旗區(qū)歸一化的評價指標值和水資源承載力綜合評價值見表2。

表2 鄂爾多斯市各旗區(qū)基于投影尋蹤法的水資源承載力綜合評價值

(5)結(jié)合本文選取的投影尋蹤評價方法，將水資源承載力劃分為3個等級。

Ⅰ級：區(qū)域水資源開發(fā)利用程度較高，水資源承載力較小，綜合評價指數(shù)為>1.0；

Ⅱ級：區(qū)域水資源開發(fā)利用程度一般，存在一定的水資源承載力，綜合評價指數(shù)為0.6～1.0；

Ⅲ級：區(qū)域水資源開發(fā)利用程度較低，水資源承載力較大，綜合評價指數(shù)為<0.6。

3 紅線控制指標約束下的水資源承載力評價——基于負載指數(shù)

3.1 基于負載指數(shù)的水資源承載力評價模型

水資源負載指數(shù)模型所表達的物理意義是一定區(qū)域內(nèi)水資源量與人口和國內(nèi)生產(chǎn)總值之間的關(guān)系，反映了區(qū)域水資源利用程度和開發(fā)潛力[3,4]。本文引入“水資源負載指數(shù)模型”對紅線控制指標約束下的鄂爾多斯市水資源承載力進行分析評價。區(qū)域水資源負載指數(shù)計算模型為：

式中：C為水資源負載指數(shù)；P為區(qū)域人口總數(shù)，萬人；G為國內(nèi)生產(chǎn)總值，億元；W為區(qū)域水資源總量，億m3；K為區(qū)域降雨量的分段函數(shù)；R為降雨量，mm。

3.2 參數(shù)的確定和計算結(jié)果

基于水資源負載指數(shù)的紅線控制指標約束下的水資源承載力評價模型中，區(qū)域水資源總量W采用鄂爾多斯市各旗區(qū)的用水總量紅線控制指標值，區(qū)域人口總數(shù)P和國內(nèi)生產(chǎn)總值G采用2012年鄂爾多斯市各旗區(qū)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

基于水資源負載指數(shù)的紅線控制指標約束下的鄂爾多斯市水資源負載指數(shù)計算值和各旗區(qū)排序見表3。

表3 鄂爾多斯市各旗區(qū)的水資源負載指數(shù)值

4 評價結(jié)果分析與結(jié)論

(1)在對區(qū)域水資源承載力現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，運用投影尋蹤綜合評價法和負載指數(shù)法，對鄂爾多斯市各旗區(qū)在紅線控制指標約束下的水資源承載力進行綜合評價。

投影尋蹤綜合評價法的評價結(jié)論是，東勝區(qū)、準格爾旗、伊金霍洛旗的水資源開發(fā)利用程度較高，綜合評價值分別為2.562 4、1.030 5、1.018 9，在“三條紅線”約束下的水資源承載力相對較小，屬于區(qū)域水資源承載力評價等級Ⅰ級；鄂托克前旗、達拉特旗、鄂托克旗和杭錦旗水資源開發(fā)利用程度一般，綜合評價值分別為0.996 6、0.847 4、0.625 4、0.616 3，在“三條紅線”約束下仍具有一定的水資源承載力，屬于區(qū)域水資源承載力評價等級Ⅱ級；烏審旗水資源開發(fā)利用程度較低，綜合評價值分別為0.508 4，在“三條紅線”約束下具有較大的水資源承載力，屬于區(qū)域水資源承載力評價等級Ⅲ級。

投影尋蹤綜合評價法綜合各評價指標所反映的區(qū)域水資源承載力信息，對區(qū)域水資源承載力等級進行判別。由于其在選取的紅線評價指標基礎(chǔ)上，同時選取了其他5項評價指標，涵蓋了區(qū)域水資源承載力情況的各方面信息，避免了單一指標信息的片面性；同時該方法客觀地確定各個指標的權(quán)重，避免了人為主觀臆斷性。其評價結(jié)果準確、全面，能夠準確判別評價等級，可為區(qū)域水資源的合理開發(fā)利用提供決策性依據(jù)。

相比較而言，負載指數(shù)法采用3個參數(shù)對區(qū)域水資源承載力進行概略評判，其優(yōu)點是計算簡便、數(shù)據(jù)易得，適用于資料缺乏情況下的區(qū)域水資源承載力評價。但由于其指標數(shù)據(jù)較少，評價結(jié)論不夠準確、全面。負載指數(shù)法對在“三條紅線”約束下水資源承載力評價結(jié)果顯示，由于其參數(shù)少、反映的區(qū)域水資源信息少，從評價結(jié)果來看，與投影尋蹤法相較，其評價結(jié)論只能粗略反映區(qū)域水資源承載力相對排序，不能準確判斷承載力大小。

(2)基于投影尋蹤法的水資源承載力綜合評價結(jié)論給出了各評價區(qū)域的水資源承載力等級類別，各評價指標的潛力大小通過各指標的歸一化數(shù)值反映，決策者可在綜合評價結(jié)果的基礎(chǔ)上針對具體指標進行水資源潛力挖掘，對于提出水資源合理開發(fā)利用措施具有指導(dǎo)意義。

從基于投影尋蹤法的水資源承載力各評價指標值來看，鄂爾多斯市各旗區(qū)“三條紅線”評價指標中，鄂托克旗、達拉特旗、伊金霍洛旗的現(xiàn)狀水資源用水總量指標值歸一化后分別為：0.998 8、0.997 9、0.986 2，已接近紅線指標1，即接近區(qū)域水資源用水總量控制指標，用水總量潛力很小；鄂托克旗、達拉特旗的萬元工業(yè)增加值用水量指標值歸一化后分別為：0.493 5、0.643 8，較接近紅線指標0，即較接近區(qū)域萬元工業(yè)增加值用水量控制指標，現(xiàn)狀用水效率偏低，用水效率仍存在提高的潛力；準格爾旗的現(xiàn)狀水功能區(qū)達標率指標值歸一化后為：0.330 0，較接近紅線指標0，水功能區(qū)水質(zhì)存在提高的潛力。

(3)依據(jù)水資源承載力綜合評價結(jié)論，本文建議今后東勝區(qū)、準格爾旗、伊金霍洛旗應(yīng)以維護生態(tài)與環(huán)境良性發(fā)展為前提，加強水資源管理，以節(jié)約用水、高效用水、提高污廢水的回用效率為指導(dǎo)思路，嚴格限制高耗水、高污染的新上項目；已建項目加快生產(chǎn)工藝、設(shè)備的更新改造，淘汰落后工藝設(shè)備。同時大力推廣非常規(guī)水資源的利用，即城市污水處理回用、疏干水和雨洪水利用技術(shù)。全市水資源空間分布不均勻，通過二期水權(quán)轉(zhuǎn)換工程、節(jié)水工程建設(shè)、節(jié)水型社會建設(shè)和跨區(qū)域調(diào)水工程來平衡水資源與經(jīng)濟發(fā)展的問題，應(yīng)高度重視水資源管理模式，大力提高水資源合理開發(fā)和有效利用，保障鄂爾多斯市的經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

(4)投影尋蹤法是用來處理和分析高維數(shù)據(jù)的一類統(tǒng)計方法[5,6]，它通過把高維數(shù)據(jù)投影到低維子空間上，尋找出能夠反映高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征的投影，從而研究和分析高維數(shù)據(jù)的特性，能夠客觀地確定各個指標的權(quán)重，避免人為主觀臆斷性。基于投影尋蹤法的水資源承載力綜合評價結(jié)果客觀地反映了鄂爾多斯市水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀，對指導(dǎo)今后鄂爾多斯市水資源的可持續(xù)利用具有一定現(xiàn)實意義。

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