基于層次和聚類分析法的咸陽(yáng)市水資源承載力研究

王彥麗，趙敏寧

（咸陽(yáng)師范學(xué)院 資源環(huán)境與歷史文化學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

［區(qū)域經(jīng)濟(jì)與資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展研究］

基于層次和聚類分析法的咸陽(yáng)市水資源承載力研究

王彥麗，趙敏寧

（咸陽(yáng)師范學(xué)院 資源環(huán)境與歷史文化學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

應(yīng)用層次分析和快速聚類法原理，選取社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、用水指標(biāo)和水質(zhì)等5類共10項(xiàng)指標(biāo)組成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立咸陽(yáng)市水資源承載力的綜合評(píng)價(jià)模型，采用聚類分析、層次分析和模糊矩陣的方法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：咸陽(yáng)市水資源承載力不安全系數(shù)與較不安全系數(shù)之和一直處于0.7附近，較安全與安全系數(shù)之和處于0.3附近，且咸陽(yáng)市水資源承載力安全系數(shù)呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)。在西咸一體化建設(shè)規(guī)劃中通過(guò)發(fā)展經(jīng)濟(jì)、重點(diǎn)水源工程建設(shè)和水污染治理可望提高咸陽(yáng)市水資源承載力。

咸陽(yáng)市；層次分析；聚類；水資源承載力

在經(jīng)濟(jì)全球化的推動(dòng)下，出現(xiàn)了歐洲一體化、紐約大都市圈、東京大都市圈等國(guó)際范圍的區(qū)域合作和一國(guó)范圍內(nèi)的區(qū)域合作。中國(guó)的長(zhǎng)三角、珠三角、京津冀地區(qū)正在積極推進(jìn)區(qū)域一體化戰(zhàn)略和協(xié)同發(fā)展，給科學(xué)發(fā)展提供了許多成功的案例［1-3］。西咸一體化即城市一體化、經(jīng)濟(jì)一體化、交通一體化和環(huán)保一體化，主要內(nèi)容包括綜合交通體系、給水排水體系、電力電信、區(qū)域生態(tài)體系、灃渭新區(qū)、涇渭工業(yè)園、空港產(chǎn)業(yè)園區(qū)和渭河西咸段生態(tài)景觀帶等規(guī)劃。咸陽(yáng)市的水資源承載能力是西咸一體化建設(shè)規(guī)劃和實(shí)施的重要因素。

在水資源學(xué)的研究領(lǐng)域，水資源承載力是學(xué)術(shù)界最為關(guān)注的問(wèn)題之一，尤其是區(qū)域水資源承載力分析和水資源承載狀況評(píng)價(jià)，至今仍是十分重要的研究領(lǐng)域［4］。1921年人類生態(tài)學(xué)家帕克（Park）和伯吉斯（Burgress）確切提出了承載力這一概念［5-6］。所謂水資源承載能力，是指在某一具體的時(shí)空背景下，以經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為條件，經(jīng)過(guò)合理的優(yōu)化配置，水資源對(duì)該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大支撐能力。水資源承載力分析關(guān)系到區(qū)域生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，涉及面廣，內(nèi)容復(fù)雜。

目前關(guān)于渭河流域水資源環(huán)境研究較多［7-9］，如王嬌等［8］基于渭河流域陜西段社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，從分析區(qū)內(nèi)水資源特點(diǎn)、開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀以及水資源開(kāi)發(fā)利用引起的主要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題出發(fā)，闡述了流域水資源開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境演化之間的作用機(jī)理。黃興國(guó)等［9］利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)咸陽(yáng)市區(qū)地下水和地面水水環(huán)境的時(shí)間、空間評(píng)價(jià)分析得出水環(huán)境質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。

本文用層次分析、快速聚類法原理和模糊矩陣法，以咸陽(yáng)市為區(qū)域研究對(duì)象，建立咸陽(yáng)市水資源承載力的綜合評(píng)價(jià)模型，分析咸陽(yáng)市水資源承載能力。

1　研究區(qū)域概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

咸陽(yáng)地處陜西關(guān)中平原腹地，是中國(guó)大地原點(diǎn)所在地，自古就是西部戰(zhàn)略重鎮(zhèn)，資源豐富，金城千里。咸陽(yáng)市位于東經(jīng)107°38′至109°10′，北緯34°11′至35°32′之間，區(qū)域總面積10 246 km2，總?cè)丝?89.48萬(wàn)人，多年平均降水量為574 mm；區(qū)域主要有渭河、涇河和灃河等水系。本研究資料取自2008年到2011年陜西省水資源公報(bào)和中華人民共和國(guó)水資源公報(bào)。

1.2研究方法

1.2.1水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

構(gòu)建描述區(qū)域水資源承載力狀況的指標(biāo)體系，按照一定方法評(píng)價(jià)出一個(gè)區(qū)域的水資源承載狀況是否合理。我們根據(jù)文獻(xiàn)［3］選1個(gè)反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的指標(biāo)即人均GDP（萬(wàn)元/人）指標(biāo)（X1），5個(gè)用水指標(biāo)包括萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量（m3/萬(wàn)元）（X2）、單位耕地用水量（m3/hm2）（X3）、人均用水量（m3/人）（X4）、城市生活用水定額（L/日）（X5）和農(nóng)村生活用水定額（L/日）（X6），2個(gè)水土資源對(duì)人口的承載指標(biāo)即單位水量人口承載模數(shù)（人/104m3）（X7）和社會(huì)承載指標(biāo)即人口密度（人/km2）（X8），還有水資源開(kāi)發(fā)利用率（X9）、河道水質(zhì)指標(biāo)（X10），總共10個(gè)指標(biāo)。

1.2.2水資源承載力綜合評(píng)價(jià)模型

對(duì)于一個(gè)地區(qū)的水資源承載力狀況，根據(jù)不同的指標(biāo)體系，按照其對(duì)水資源系統(tǒng)的安全程度進(jìn)行劃分。這一劃分通過(guò)模糊集合U來(lái)表示，模糊集合的評(píng)語(yǔ)從低到高一般包括不安全、較不安全、較安全和安全，而綜合評(píng)判結(jié)果評(píng)語(yǔ)集U可以通過(guò)指標(biāo)體系的指標(biāo)權(quán)重集W與各指標(biāo)對(duì)評(píng)語(yǔ)的隸屬度集R的乘積得出

根據(jù)流域初始水權(quán)分配的三個(gè)原則確定四類水權(quán)即生活用水、農(nóng)業(yè)用水、產(chǎn)業(yè)用水和生態(tài)用水水權(quán)構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)［10］（如圖1）。層次結(jié)構(gòu)體系建立后，就確定了上下層元素間的關(guān)系。因此可以用判斷矩陣法算出各層元素對(duì)于支配其上一層元素的相對(duì)重要程度，即權(quán)重?？刹捎弥x菲爾德法構(gòu)造判斷矩陣。兩因素相比，具有同樣重要性取標(biāo)度1，前者比后者稍重要取標(biāo)度3，前者比后者明顯重要取標(biāo)度5，前者比后者強(qiáng)烈重要取標(biāo)度7，前者比后者極端重要取標(biāo)度9，表示上述相鄰判斷的中間值取標(biāo)度為2、4、6、8；若因素i與j的重要性之比為tij，那么因素j與i的重要性之比為1/ti j標(biāo)度取為其倒數(shù)。利用層次分析法可以得到各指標(biāo)的權(quán)重［4］（如表1）。

圖1　層次結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)表1，得到指標(biāo)的權(quán)重集為：

W=［0.1599 0.03500.0427 0.0491 0.0292 0.0298 0.0810 0.1447 0.0292 0.1993］

1.2.3聚類分析獲得類中心

為了獲得各個(gè)指標(biāo)類中心值，根據(jù)文獻(xiàn)［11］，用快速聚類法得到各個(gè)指標(biāo)類中心值，以現(xiàn)狀年2010年為基礎(chǔ)，我們做了修正，得到不安全、較不安全、較安全和安全4個(gè)類別的各個(gè)指標(biāo)類中心值見(jiàn)表2。

水資源開(kāi)發(fā)利用率和水質(zhì)兩個(gè)參數(shù)類中心的獲得方法是：水資源開(kāi)發(fā)利用率的4個(gè)類中心分別為80%，60%，40%和20%，這樣較為符合中國(guó)水資源開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀水平。水質(zhì)的4個(gè)類中心分別以河道水質(zhì)的比例來(lái)代表，把劣5類水質(zhì)作為不安全類，第4類和第5類水質(zhì)合并為較不安全類，第3類水質(zhì)為較安全類，第1類和第2類水質(zhì)合并為安全類，由此可以得到水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)的4個(gè)類中心［12］。

表1　層次分析得到各指標(biāo)權(quán)重［4］

表2　各指標(biāo)類中心值

2　評(píng)價(jià)指標(biāo)與類中心隸屬度集R的計(jì)算

咸陽(yáng)市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3　咸陽(yáng)市2008—2011年水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)

各評(píng)價(jià)指標(biāo)我們采用偏小型半梯形分布函數(shù)。設(shè)vj與vj+1為相鄰兩級(jí)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，且vj＜vj+1，則vj級(jí)的隸屬函數(shù)可確定為式（2），vj+1級(jí)的隸屬函數(shù)可確定為式（3）。

咸陽(yáng)市的河道水質(zhì)指標(biāo)取自陜西省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心發(fā)布的公報(bào)。應(yīng)用式（2）和式（3），分別計(jì)算2008年到2011年4 a的評(píng)價(jià)指標(biāo)與類中心隸屬度集R。

利用公式（1）U=W·R，分別可以得到：

3　結(jié)果分析

3.1咸陽(yáng)市水資源承載力影響因素及指標(biāo)變化

水資源承載力的影響因素很多，影響程度較大的主要包括研究區(qū)水資源條件及其開(kāi)發(fā)利用程度，研究區(qū)的生產(chǎn)力水平、社會(huì)消費(fèi)水平與結(jié)構(gòu)、科學(xué)技術(shù)及其他資源利用潛力等。在我們的評(píng)價(jià)體系中，人均GDP反映了研究區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，在層次分析中的權(quán)重（0.155 9）較高（表4）。水資源開(kāi)發(fā)利用率與河道水質(zhì)在層次分析中的權(quán)重分別為0.229 2和0.199 3，占有權(quán)重值較高，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源需求的增大，越來(lái)越多的水資源被開(kāi)發(fā)利用，水資源開(kāi)發(fā)利用率必然有所增加，但是它必須處在一個(gè)科學(xué)合理的范圍。

表4　咸陽(yáng)市2011年與2008年水資源承載力各指標(biāo)比較

2011年與2008年相比，人均GDP有較大增長(zhǎng)；農(nóng)村生活用水定額、水資源開(kāi)發(fā)利用率和單位水量人口承載模數(shù)3個(gè)指標(biāo)也有一定程度的增加；工業(yè)用水定額、農(nóng)田灌溉畝均用水2個(gè)指標(biāo)有明顯下降，其余指標(biāo)變化不大。2008年和2009年咸陽(yáng)市的水質(zhì)指標(biāo)在5類、甚至劣5類之間，2010年和2011年水質(zhì)有明顯改善，遺憾的是水體氨氮指標(biāo)超標(biāo)，因此對(duì)水資源承載力的評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響。

3.2評(píng)價(jià)結(jié)果分析

（1）從計(jì)算結(jié)果看，咸陽(yáng)市水資源承載力不安全系數(shù)與較不安全系數(shù)之和一直處于0.7附近，說(shuō)明該市水資源相對(duì)匱乏，對(duì)這個(gè)結(jié)果可以從表3的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析，權(quán)重較大的指標(biāo)如人均GDP、單位水量人口承載模數(shù)以及水資源開(kāi)發(fā)利用率，咸陽(yáng)市的這些指標(biāo)處于不安全和較不安全之間，而且主要河道渭河、涇河和灃河水質(zhì)處在4類和5類、甚至劣5類的概率較大，這些因素對(duì)咸陽(yáng)市水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果影響重大，實(shí)際從歷史上，咸陽(yáng)市就存在水資源短缺［13］，隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，使渭河、涇河和灃河水污染加重，人口數(shù)量激增加劇了水資源承載力的不安全性。另一方面，較安全與安全系數(shù)之和處于0.3附近，咸陽(yáng)市水資源承載力安全系數(shù)呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)，2009年由于咸陽(yáng)市遇到大旱，出現(xiàn)偏差。由圖2可以看出，安全系數(shù)增加的態(tài)勢(shì)與人均GDP正相關(guān)，即人均GDP增加，水資源承載力安全系數(shù)增大，表明咸陽(yáng)市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展水平不斷提高，隨著咸陽(yáng)市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提升和改造，對(duì)水資源的科學(xué)管理、統(tǒng)籌規(guī)劃和合理調(diào)配，使得水資源承載力安全系數(shù)呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)。

圖2　咸陽(yáng)市人均GDP與水資源承載力安全系數(shù)之間的關(guān)系

（2）水資源總量的確定是水資源承載力研究的基礎(chǔ)資料，是決定流域水資源承載力的關(guān)鍵因素之一。水資源總量是指流域水循環(huán)過(guò)程中可更新恢復(fù)的地表水與地下水資源總量。咸陽(yáng)市水資源總量平均值為6.36億m3，而大旱的2009年僅為4.72億m3，減少了26%，直接影響了水資源承載力安全系數(shù)。另一方面，不是所有的水資源量都可以用來(lái)承載區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，只有可供使用的水資源量，即水資源可利用量才是實(shí)質(zhì)意義上的承載主體?？晒┦褂玫乃Y源量是指可以直接提取用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活的水資源量。從水資源可持續(xù)發(fā)展的角度來(lái)說(shuō)，可供使用的水資源量是指在一定的用水結(jié)構(gòu)和開(kāi)發(fā)利用深度下可被開(kāi)發(fā)利用的最大水資源閾值，是水資源承載力計(jì)算的基線?？晒┦褂玫乃Y源量在數(shù)值上不易確定，因?yàn)樵摿恳ＷC不擠占生態(tài)環(huán)境用水，要從水資源總量中扣除地下水總量、地表水對(duì)地下水的補(bǔ)給量及蒸發(fā)量，同時(shí)該量與水資源的需求關(guān)系及相應(yīng)的水資源配置、流域的生產(chǎn)力發(fā)展水平、節(jié)水技術(shù)、社會(huì)消費(fèi)水平及消費(fèi)結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，由于這些因素的變化影響了回水量和回水水質(zhì)，使可供使用的水資源量發(fā)生變化［14］。一方面，看到咸陽(yáng)市水資源承載力安全系數(shù)呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)，這要得益于各級(jí)政府在決策時(shí)的環(huán)境生態(tài)保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)，加大了區(qū)域內(nèi)環(huán)境保護(hù)和污染治理的力度。另一方面，咸陽(yáng)市水資源開(kāi)發(fā)利用率在0.68，增長(zhǎng)率為8%，這是一個(gè)不科學(xué)的水平和態(tài)勢(shì)，過(guò)度開(kāi)發(fā)會(huì)影響可持續(xù)發(fā)展，渭河水質(zhì)個(gè)別指標(biāo)連續(xù)多年超標(biāo)，這直接影響可供使用的水資源。

4　結(jié)論

選用5類10個(gè)指標(biāo)組成水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用層次分析、聚類和模糊矩陣方法建立了咸陽(yáng)市水資源承載力評(píng)價(jià)模型。而且所建立的水資源承載評(píng)價(jià)模型的單個(gè)指標(biāo)與評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，所使用的研究方法能夠較好的計(jì)算與估計(jì)該區(qū)水資源承載力狀況，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示2011年咸陽(yáng)市水資源承載力不安全系數(shù)占35.5%；較不安全系數(shù)占36.1%；安全系數(shù)僅占14.3%。本文研究的背景西咸一體化，聚類中心指標(biāo)采用的是全國(guó)31個(gè)省會(huì)城市的指標(biāo)，這對(duì)西咸一體化開(kāi)始建設(shè)的咸陽(yáng)要求較高。通過(guò)文中對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果和咸陽(yáng)市水資源現(xiàn)狀的分析，可以得到一些指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)和制定未來(lái)發(fā)展規(guī)劃的有益啟示和參考：

（1）人均GDP的增加，對(duì)水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果貢獻(xiàn)明顯。在西咸一體化背景下，首先對(duì)原來(lái)轄區(qū)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)以及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)如石油化工、紡織印染和能源等工業(yè)的耗水工藝流程通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行升級(jí)改造，使其變成高產(chǎn)值低能耗和低水耗產(chǎn)業(yè)。其次，在涇渭工業(yè)園區(qū)、灃渭新區(qū)和空港產(chǎn)業(yè)園區(qū)的建設(shè)過(guò)程中，要求進(jìn)入園區(qū)的企業(yè)必須是高科技、低能耗和低水耗企業(yè)，這樣不僅增加GDP，而且可以推動(dòng)咸陽(yáng)的現(xiàn)有傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行升級(jí)換代。

（2）引進(jìn)外來(lái)水源。從我們的評(píng)價(jià)結(jié)果和單位水量人口承載模數(shù)以及水資源開(kāi)發(fā)利用率指標(biāo)看，咸陽(yáng)市水資源相對(duì)匱乏。在西咸一體化建設(shè)規(guī)劃中，到2020年用水量預(yù)測(cè)：人均綜合用水指標(biāo)取450 L/人·日，總用水量345.99萬(wàn)m3/日，年需水量12.5 億m3。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，規(guī)劃了重點(diǎn)水源工程建設(shè)：在現(xiàn)有水源工程挖潛改造基礎(chǔ)上，實(shí)施引紅濟(jì)石、引乾濟(jì)石、引漢濟(jì)渭等區(qū)域外調(diào)水工程，同時(shí)完善黑河金盆水庫(kù)及石頭河水庫(kù)配套工程與引石過(guò)渭工程，以3個(gè)水庫(kù)作為西安市、咸陽(yáng)市主供水源之一，這樣才能實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)體系規(guī)劃，進(jìn)而能解決咸陽(yáng)市水資源相對(duì)匱乏的問(wèn)題。

（3）監(jiān)控制度及實(shí)施。河道水質(zhì)在本文評(píng)價(jià)體系中占較大的權(quán)重，咸陽(yáng)市水資源評(píng)價(jià)結(jié)果與區(qū)域內(nèi)渭河水質(zhì)關(guān)系重大。2009年，陜西省頒布了《渭河治理行動(dòng)方案》，2010年對(duì)沿渭河干流城市咸陽(yáng)、西安和寶雞開(kāi)出380萬(wàn)元的生態(tài)罰單，2011年生態(tài)罰款899萬(wàn)元，2012年生態(tài)罰款1.32億元。這些生態(tài)罰單，有效地促進(jìn)了渭河的治理，渭河水質(zhì)明顯改善，COD含量?jī)?yōu)于國(guó)家I、Ⅱ類地表水標(biāo)準(zhǔn)。但是氨氮指標(biāo)和溶解氧的指標(biāo)超標(biāo)，最根本的原因是水體氨氮含量過(guò)大，它不僅直接使氨氮指標(biāo)超標(biāo)，而且由于水體中氨氮發(fā)生的生化反應(yīng)會(huì)直接或間接地大量消耗水體的氧，對(duì)水體溶解氧的指標(biāo)影響較大。為了使渭河水變清，必須加大城鎮(zhèn)生活污水處理力度，加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)施肥和農(nóng)藥使用的科學(xué)指導(dǎo)［15］，進(jìn)一步提升污水處理企業(yè)技術(shù)改造并加強(qiáng)對(duì)排放污水氨氮指標(biāo)的監(jiān)控。

［1］朱菁，張沛，張中華.國(guó)外區(qū)域一體化實(shí)踐對(duì)我國(guó)區(qū)域一體化的啟示——以西咸一體化為例［J］.現(xiàn)代城市研究，2010 （10）：60-66.

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Research on Water Resources Carrying Capacity of Xianyang City Based onAnalytic Hierarchy and Clustering

WANG Yanli，ZHAO Minning
（School of Resources，Environment and Historical Culture，Xianyang Normal University，Xianyang 712000，Shaanxi，China）

In order to evaluate the impact of water development on Xianyang City，ten indexes，which were selected based on the analysis of relevant indicators including economic indicator，water use index，bearing capacity index of water and land resources to population，water supply and demand index and water quality indicators，were used to set up the comprehensive evaluation model of Water Resources Bearing Capacity（WRBC）using Cluster Analysis，Analytic Hierarchy Process（AHP）and Fuzzy Matrix.The result shows that the safety factor of the WRBC was only about 0.3，which increases with economic indicator.Against the background of Xian-Xianyang integration，the safety factor of the WRBC will be increased by developing economic and constructing water fountain projects and prevent water pollution.

Xianyang City；hierarchy；clustering；water resources carrying capacity

P333

A

1672-2914（2016）04-0066-05

2016-04-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11075135）；陜西省歷史地理重點(diǎn)扶持學(xué)科項(xiàng)目（10722，6103）。

王彥麗（1963—），女，河北保定市人，咸陽(yáng)師范學(xué)院資源環(huán)境與歷史文化學(xué)院教授，研究方向?yàn)橘Y源環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展。