水資源承載力模型研究

劉小妹，康彤

(中國傳媒大學(xué) 理學(xué)院，北京 100024)

水資源承載力模型研究

劉小妹，康彤

(中國傳媒大學(xué) 理學(xué)院，北京 100024)

隨著人口不斷增長和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源短缺和水環(huán)境惡化已經(jīng)成為全球性問題。本文從系統(tǒng)論的角度出發(fā)，研究社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)-水資源的協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系，運(yùn)用水資源承載力綜合評(píng)級(jí)模型來評(píng)估一個(gè)地區(qū)的水資源短缺。隨后，本文選擇天津市和廣西壯族自治區(qū)對(duì)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用，驗(yàn)證表明廣西省水資源利用協(xié)調(diào)，承載適宜，然而天津市水資源嚴(yán)重匱乏。

水資源短缺；水資源承載力；指標(biāo)處理；承載力壓力指數(shù)

1 引言

水是生命的源泉，是人類賴以生存的自然資源，是一個(gè)國家綜合國力的重要組成部分，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了基礎(chǔ)條件。然而，隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展、人口的快速增長和生態(tài)環(huán)境的日益惡化，在水資源時(shí)空分布不均勻、水土資源分布不匹配與人類的不合理利用的綜合作用下，最終出現(xiàn)全球性的水資源污染問題和水資源短缺等問題。因此，水資源已成為制約各國社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的因素之一。水資源問題已經(jīng)成為 21世紀(jì)全世界普遍關(guān)注的首要資源環(huán)境問題。

因此，為使國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康可持續(xù)發(fā)展，必須高度重視水資源承載力問題，將水資源的合理開發(fā)、高效利用、優(yōu)化配置、全面節(jié)約、有效保護(hù)治理結(jié)合在一起，將其優(yōu)勢(shì)最大化展現(xiàn)[1]。

承載力，原用于衡量特定區(qū)域或國家在某一環(huán)境條件下可維持某一物種個(gè)體的最大數(shù)量。水資源承載力是承載力概念與水資源領(lǐng)域的自然結(jié)和，是隨著水資源與水環(huán)境問題日益突出由我國學(xué)者在20世紀(jì)80年代末提出來的，在吸收了國外承載力研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)而得到了獨(dú)立的研究成果[2]。本文認(rèn)為水資源承載力是指以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平為依據(jù)，以社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和水資源可持續(xù)利用為原則，以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為條件，以水資源得到合理開發(fā)和配置為前提，一定區(qū)域上的水資源可支撐的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的規(guī)模[3]。

2 水資源承載力計(jì)算模型

為了綜合考慮水資源、水環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的各種約束條件，追求經(jīng)濟(jì)效益最大化，對(duì)于環(huán)境影響降低到最小，本文對(duì)某區(qū)域水資源承載力作出系統(tǒng)評(píng)價(jià)，并利用復(fù)合系統(tǒng)學(xué)原理，建立以社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)-水資源為4個(gè)子系統(tǒng)的區(qū)域水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)，利用綜合理論分析方法選取了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)與水資源復(fù)合系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立區(qū)域水資源承載力綜合評(píng)價(jià)模型[4]。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1.1 指標(biāo)選取

水資源涉及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)等多方面的內(nèi)容，因此，我們對(duì)水資源的評(píng)價(jià)利用還應(yīng)考慮其他方面，因此不同地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人口情況等都對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有重要的影響。本文建立的水資源可持續(xù)利用的評(píng)價(jià)體系，結(jié)合了可持續(xù)的發(fā)展思想和觀點(diǎn)。

本文從系統(tǒng)論的角度出發(fā)，選取水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，即將經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境與水資源視為一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)，構(gòu)成這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的 4個(gè)子系統(tǒng)間是辯證統(tǒng)一的關(guān)系。選取水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則：

①目的性，復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)具有明確的目的性，即實(shí)現(xiàn)復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展和良性循環(huán)。

②層次性，主要表現(xiàn)為子系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)組成要素之間的協(xié)調(diào)以及子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)。

③區(qū)域性，本文研究的對(duì)象是某一區(qū)域，因此構(gòu)建指標(biāo)體系時(shí)需要考慮以區(qū)域?yàn)閱卧?，區(qū)域內(nèi)各系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立卻又相互聯(lián)系，系統(tǒng)內(nèi)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境等子系統(tǒng)均以區(qū)域?yàn)榻?，并同水資源系統(tǒng)之間相互聯(lián)系、相互作用和相互影響。

④綜合性，選取的流域內(nèi)既涉及各個(gè)區(qū)域又包含了各區(qū)域的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。全球水資源可持續(xù)利用水平是一個(gè)綜合性的概念，需要全面反映流域內(nèi)水資源數(shù)量、水資源利用效率以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況與水系統(tǒng)的相互作用，因此指標(biāo)構(gòu)建應(yīng)該全面、綜合反映。

⑤動(dòng)態(tài)性，區(qū)域內(nèi)水資源的發(fā)展變化與經(jīng)濟(jì)發(fā)展密不可分，經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)對(duì)其影響較大，因而不能只對(duì)一年的水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，應(yīng)該是一個(gè)連續(xù)的過程，通過動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)、積累才能真正反映水資源系統(tǒng)的變化情況。

2.1.2 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系確立

本文利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與理論分析方法選取指標(biāo)，同時(shí)對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)與水資源復(fù)合系統(tǒng)的內(nèi)涵、特征、基本要素等主要問題進(jìn)行分析、比較、綜合，選擇與和諧發(fā)展聯(lián)系緊密且針對(duì)性較強(qiáng)的指標(biāo)。綜上，本文構(gòu)建了區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)與水資源復(fù)合系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表 1)和協(xié)調(diào)指標(biāo)體系(表2)。

2.1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理包括正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方法[5]。將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的目的為：消除各指標(biāo)量綱不同和量級(jí)差異的影響，對(duì)現(xiàn)有指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即對(duì)統(tǒng)計(jì)過程進(jìn)行描述。其中，正向指標(biāo)代表向上或向前發(fā)展、增長的正相關(guān)程度，這些正相關(guān)程度越大代表評(píng)價(jià)就越好；負(fù)向指標(biāo)代表向下或阻礙發(fā)展、減少的負(fù)相關(guān)程度，這些負(fù)相關(guān)程度越大代表評(píng)價(jià)就越差。其中正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化方法為：

(1)

(2)

2.1.4 指標(biāo)加權(quán)

在多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)中，指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)是指各指標(biāo)對(duì)決策問題的相對(duì)重要程度。確定權(quán)系數(shù)的方法可分為主觀賦值法和客觀賦值法兩大類。主觀賦權(quán)法可以有效地確定各指標(biāo)按重要程度給定的權(quán)系數(shù)的先后順序，不至于出現(xiàn)指標(biāo)系數(shù)與指標(biāo)實(shí)際重要程度相悖的情況。客觀賦權(quán)法的原理為：若該指標(biāo)xi對(duì)所有的決策方案而言均無差異，則指標(biāo)xi對(duì)方案決策和排序?qū)⒉黄鹱饔谩＿@樣的評(píng)價(jià)指標(biāo)可令其權(quán)重系數(shù)為零；若該指標(biāo)對(duì)所有決策方案的屬性值有較大差異，這樣的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)方案的決策與排序?qū)⑵鹬匾饔?，?yīng)給予較大的權(quán)系數(shù)。即各指標(biāo)系數(shù)的大小應(yīng)根據(jù)該指標(biāo)下，各方案屬性值差異的大小來確定，差異越大，該指標(biāo)權(quán)系數(shù)越大，反之越小[6]。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 協(xié)調(diào)指標(biāo)體系

我們?cè)谥骺陀^賦值法的基礎(chǔ)上又運(yùn)用了熵權(quán)法。其中熵權(quán)法能盡量消除各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算的主管干擾，使評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際[7]。

其中熵權(quán)法的公式可表示為：

2.2 承載力評(píng)價(jià)

根據(jù)設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[3]，區(qū)域水資源承載力綜合指標(biāo)W表達(dá)式為：

(3)

式中：WeI和WpI分別為區(qū)域內(nèi)水資源承載的經(jīng)濟(jì)壓力指數(shù)和人口壓力指數(shù)；CI表示為區(qū)域水資源復(fù)合系統(tǒng)承載壓力指數(shù)；FI表示為區(qū)域內(nèi)水資源復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)指數(shù)；α，β為待定權(quán)重，本文研究采取WeI和WpI為同等權(quán)重。

根據(jù)模型計(jì)算數(shù)值將區(qū)域水資源承載力綜合指標(biāo)W度量標(biāo)準(zhǔn)確定如表3。

表3 區(qū)域水資源承載力綜合指標(biāo)度量標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 區(qū)域水資源承載經(jīng)濟(jì)壓力指數(shù)WeI

區(qū)域水資源承載經(jīng)濟(jì)壓力指數(shù)計(jì)算公式為：

(4)

(5)

其中：Me為區(qū)域內(nèi)水資源承載的最大經(jīng)濟(jì)規(guī)模；Wd為區(qū)域內(nèi)社會(huì)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的最低用水總量；Wz為區(qū)域水資源最大可利用總量；GDP意為當(dāng)用水為Wd時(shí)，所產(chǎn)生的國內(nèi)生產(chǎn)總值；GDPN為當(dāng)前國內(nèi)生產(chǎn)總值。

2.2.2 區(qū)域水資源承載人口壓力指數(shù)WPI

區(qū)域水資源承載人口壓力指數(shù)計(jì)算公式為：

(6)

(7)

其中：MR為區(qū)域在某一社會(huì)發(fā)展水平，可利用水資源量轉(zhuǎn)化成全部產(chǎn)品所能供養(yǎng)的人口規(guī)模，即區(qū)域內(nèi)水資源所能承載的最大人口規(guī)模；GDPX為區(qū)域在某一社會(huì)發(fā)展水平的人均占有國內(nèi)生產(chǎn)總值的下限閥值；PN為當(dāng)前人口規(guī)模。

為保證社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)保證經(jīng)濟(jì)規(guī)模和人口規(guī)模不超過區(qū)域內(nèi)水資源的最大支持力，即

WeI≤1，WpI≤1

2.2.3 區(qū)域水資源復(fù)合系統(tǒng)承載壓力指數(shù)CI

區(qū)域水資源復(fù)合系統(tǒng)承載壓力指數(shù)計(jì)算公式為：

(8)

式中，Y為水資源系統(tǒng)壓力指數(shù)；C為水資源系統(tǒng)的承壓指數(shù)。

對(duì)于水資源系統(tǒng)的承壓指數(shù)計(jì)算，本文選用水資源系統(tǒng)C1的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于水資源系統(tǒng)壓力指數(shù)計(jì)算，本文選取社會(huì)系統(tǒng)C2、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)C3、生態(tài)系統(tǒng)C4各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。承載壓力指數(shù)反映水資源的承載狀況。為了保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，就應(yīng)保證水資源社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的壓力不超過支持力，即承載壓力指數(shù)：

CI≤1

2.2.4 區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)與水資源復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)指數(shù) FI

首先通過上述加權(quán)方法得到協(xié)調(diào)指標(biāo)C5，C6，C7，C8的權(quán)值，然后再綜合計(jì)算協(xié)調(diào)指數(shù)FI。協(xié)調(diào)指數(shù)FI越大，表明區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)與水資源復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展程度越高，反之越低。并且其變化范圍在0～1之間。具體計(jì)算按各層指標(biāo)的計(jì)算模型與方法計(jì)算。

3 水資源承載力模型的應(yīng)用

中國是一個(gè)主要由時(shí)空分布均勻造成的缺水國家。同時(shí)，天津市是一個(gè)重度缺水的城市，然而廣西省是一個(gè)水資源豐裕的省份。因此，我們通過網(wǎng)絡(luò)搜尋大量的有效數(shù)據(jù)，并且代入本文建立的水資源承載力模型，其目的是驗(yàn)證本文建立的水資源承載力模型是否貼合實(shí)際。經(jīng)驗(yàn)證表明，若不符合實(shí)際情況，本文將建立新的模型，直到符合現(xiàn)實(shí)情況。

其中需要指出的是，本文在搜尋數(shù)據(jù)的過程中，發(fā)現(xiàn)許多數(shù)據(jù)是缺失的。我們?yōu)樘岣吣M過程的可操作性，我們需對(duì)缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的填充。從方便操作的角度考慮，本文中選用了多重填補(bǔ)法對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的填充。

在此之后，我們將數(shù)據(jù)代入以上模型，得出了以下結(jié)論：

從表4中可看出，從2000年到2014年，天津省的水資源承載力綜合指標(biāo)維持在1.2上下波動(dòng)，所以根據(jù)本文模型中定義的區(qū)域水資源承載力綜合指標(biāo)度量標(biāo)準(zhǔn)的定義，我們分析出天津市是一個(gè)水資源嚴(yán)重缺水的城市。同理我們分析出，廣西省是一個(gè)水資源豐裕的省份。

表4 天津市和廣西省的水資源承載力綜合指標(biāo)度量標(biāo)準(zhǔn)

通過本小結(jié)的驗(yàn)證分析，說明了本文建立的水資源承載力模型是合理有效的。但對(duì)于像天津市，必須從戰(zhàn)略高度來認(rèn)識(shí)天津市水資源問題的嚴(yán)重性，今后需加大水利工程投資力度，開源節(jié)流并舉，以扭轉(zhuǎn)天津市水資源面臨的嚴(yán)重危機(jī)狀態(tài)[8]。

4 結(jié)束語

水資源是生產(chǎn)和生活必不可少的資源之一，是一個(gè)社會(huì)的制約因素，因而對(duì)于評(píng)估地區(qū)水資源承載力具有重要意義。實(shí)際上對(duì)于評(píng)估水資源承載已有許多方法，而本文在與其他方法進(jìn)行比較時(shí)，既考慮到主觀因素，又考慮到客觀因素，具有較強(qiáng)的可持續(xù)性。

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(責(zé)任編輯：宋金寶)

StudyonWaterResourceCarryingCapacityMode

LIU Xiao-mei，KANG Tong

(School of Science，Communication University of China，Beijing 100024，China)

With the increase of population and the development of social economy，the shortage of water resources and the deterioration problem of water environment have become a global problem. In this paper，the coordinate development among society-economy-ecology-water resources is studied from the perspective of system theory and water resources carrying capacity comprehensive evaluate the shortage condition of water resources in a country or district. Then，this paper chooses the application model of Tianjin and Guangxi Zhuang Autonomous region to verify the model，and shows that the water resources utilization in Guangxi is coordinated and carried，but the water resources in Tianjin is seriously lacking.

water resources shortage；water resources carrying capacity；index processing；carrying capacity pressure index

TV213

A

1673-4793(2017)05-0045-05

2017-05-03

劉小妹(1993-)，女(漢族)，山東德州人，中國傳媒大學(xué)研究生. E-mail：919103107@qq.com