重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力動態(tài)變化評價

蘇品任 官冬杰 楊莎

摘要：水資源承載力是一個國家或地區(qū)持續(xù)發(fā)展的重要制約因素，對喀斯特地區(qū)更是如此。對重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力進行評價。首先建立評價指標體系，并利用因子分析法篩選出載荷較大的指標，其次利用熵權法確定各指標的權重，最后通過灰色關聯(lián)模型對重慶市喀斯特地區(qū)2001～2015年的水資源承載力進行動態(tài)評價。結果表明：重慶喀新特地區(qū)水資源承載力整體較好，與最佳水資源承載力關聯(lián)度適中保持在0.85以上，但是形勢不客樂觀，從2001年開始，水資源承載力就呈現(xiàn)逐年下降的趨勢，2015年降至最低。經(jīng)濟發(fā)展是該地區(qū)水資源承載力壓力的主要來源。

關鍵詞：重慶喀斯特;水資源承載力;因子分析法;熵權法;灰色關聯(lián)法

中圖分類號：TV213.4

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）8-0203-06

1 引言

水資源承載力是一個國家或地區(qū)持續(xù)發(fā)展過程中各種自然資源承載力的重要組成部分，且往往是水資源緊缺和貧水地區(qū)制約人類社會發(fā)展的“瓶頸”因素，它對一個國家或地區(qū)綜合發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展有著至關重要的影響[1～2]?？λ固氐貐^(qū)水文運動規(guī)律特殊.生態(tài)環(huán)境脆弱，一方面由于地貌類型復雜多樣，地形起伏大，十壤貧瘠，植被結構簡單，地下裂隙、管道發(fā)育，降水大部分轉入地下或地表徑流排走，致使地表水資源短缺;另一方面又由于喀斯特地區(qū)水資源時間和空間上分布的不均勻，水資源開發(fā)困難，利用率較低，因此造成喀斯特地區(qū)水資源承載力的“先天不足”?？λ固氐孛苍谥貞c發(fā)育突出，因此，對重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力的研究具有十分重要的意義。

本文以重慶喀斯特地區(qū)為研究區(qū)域，基于研究區(qū)域特色和水文特征，選擇與水資源承載力密切相關的指標，運用因子分析法對指標體系進行分析和篩選，去除重復性因子，建立一套能反映重慶喀斯特地區(qū)特色的水資源承載力評價指標體系。同時，利用熵權法賦予指標權重，采用灰色關聯(lián)法構建評價模型，對重慶喀斯特地區(qū)2001～2015年的水資源承載力動態(tài)變化進行評價，為城市發(fā)展和水資源開發(fā)利用提供依據(jù)。

2 研究區(qū)域概況

重慶喀斯特地貌發(fā)育突出，喀斯特作用強烈，地貌類型也極其豐富，喀斯特臺地、槽谷、丘陵、峽谷、山地等多種地貌類型共生，其上發(fā)育天坑、地縫、豎井、洞穴等多種喀斯特景觀。重慶喀斯特地區(qū)覆蓋重慶24個區(qū)縣，僅碳酸巖出露面積就達到3.2萬km2，約占重慶總面積的38.9%，大部分集中在東北部的大巴山區(qū)和東南部的巫山山系及武陵山區(qū)。

重慶喀斯特地區(qū)水文運動規(guī)律特殊，生態(tài)環(huán)境脆弱，地貌類型復雜多樣，水資源時間和空間上分布不均勻，水資源開發(fā)困難，因此造成該地區(qū)水資源承載力的不足。隨著重慶市社會經(jīng)濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的推進，水資源面臨的形勢日益嚴峻，對水資源承載力的要求也口益提高。因此，研究如何對重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力的動態(tài)變化進行評價，成為當前迫切需要解決的問題。

3 研究方法

3.1 重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力評價指標體系

3.1.1 評價指標體系的構建

重慶喀斯特地區(qū)具有復雜的地質(zhì)地貌類型，從而產(chǎn)生了獨特的水文運動規(guī)律，不僅造成地表水的缺乏，而且水資源的分布也不均勻，直接影響了當?shù)氐乃Y源承載能力。

其次，重慶喀斯特地區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱、土壤貧瘠，導致當?shù)氐木G色植被較少，植被結構簡單，抵抗外界干擾能力弱，一旦受到人類活動影響，環(huán)境就隨之迅速惡化，并且恢復緩慢，進而影響當?shù)氐乃Y源承載能力。同時，人類的社會、經(jīng)擠活動也對重慶喀斯特地區(qū)的水資源承載力有較大的影響。

因此，對重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力進行評價，可以根據(jù)喀斯特環(huán)境的特殊性，再考慮到數(shù)據(jù)資料的連續(xù)性和可獲得性，以地區(qū)社會，經(jīng)濟、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展為目標，從水資源、社會、經(jīng)濟、生態(tài)4個方面來構建評價指標體系（圖1）。

3.1.2 評價指標的選擇

因子分析法是一種在處理大量樣本、大量數(shù)據(jù)時，為了揭示各變量之間的關系，降低觀測空間維度，以獲取主要信息的一種方法。利用因子分析法從重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力評價指標體系中篩選并去除那些關聯(lián)度較小、信息重復的指標，最終得到與評價目的具有密切聯(lián)系的評價指標。其主要步驟是：首先，對數(shù)據(jù)進行標準化處理，然后求出相關系數(shù)矩陣并計算其特征值、主成分貢獻率等;其次，計算主成分荷載，確定主成分個數(shù);最后，對荷載矩陣進行方差最大正交旋轉，并選出主因子指標（特征值大于1）（表1、表2）。

對于第1公因子中載荷較大的有：X5、x7、X8、X9、X10、X12、X14、X15、X16、X18;

對于第2公因子中載荷較大的有：X2、X6、X11、X17;

對于第3公因子中載荷較大的有：X1、X3、X4;

對于第4公因子巾載荷較大的有：X13;

以0.7為標準，選擇0.7以上的指標，排除0.7以下的指標X6、X11。

從承載體對被承載對象的客觀承載力來考察，在剩下的指標中，有的指標是分值越大越好，屬于“效益型”指標，有的指標是越小越好，屬于“成本型”指標。在上述篩選后的指標中屬于“效益型”指標的有：X1、X3、X4、X17;屬于“成本型”指標的有：X2、X5、X7、X8、X9、X10、X12、X13、Xl4、X15、X16，X18。如表3、表4。

3.2 重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力權重確定

在信息論中，熵用來度量信息的不確定性。信息量越大，熵就越小，不確定性就越小;信息量越小，熵就越大，不確定性就越大。熵權法就是利用數(shù)據(jù)的熵來決定各個指標權重的大小，采用該方法可以較大程度地克服主觀因素對指標權重的影響，使指標權重的確定更加客觀、科學。

3.2.1 原始數(shù)據(jù)標準化

設m個評價指標，n年的數(shù)據(jù)矩陣為：

標準化后得到矩陣：

R=（rij）m×n

式中：r為第i個評價指標在第j年上的標準指標值，rij∈[O，1]。其中對于收益型指標的標準化公式為：

3.2.2 定義熵和熵權

在有m個指標，n個評價對象的評價系統(tǒng)中，第i個指標的熵定義為：

然后，計算第項指標的差異系數(shù)：qi=lei（i=1，2，…，m）差異系數(shù)是反映綜合評價指標作用大小的一個量，其值越大，指標的作用就越大，反之亦然。

最后，計算第i項指標的權重系數(shù)：

利用以上公式，將篩選出的指標值帶入，利用MATLAB編程，可求得各指標的熵權值，如表5所示。

3.3 重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力評價模型構建

3.3.1 評價方法

灰色關聯(lián)法是用來量化一個系統(tǒng)發(fā)展變化趨勢度量的一種方法，適用于動態(tài)歷程的分析。如果兩個因素變化的趨勢是一致的，即同步變化程度高，則關聯(lián)程度電較高，反之，則關聯(lián)程度較低。所以，灰色關聯(lián)法既能夠?qū)λY源承載力進行量化，又能夠?qū)ξ磥硪欢〞r期的城市發(fā)展方案和水資源的開發(fā)利用方案的制定提供指導和依據(jù)，并能夠?qū)Φ貐^(qū)的水資源承載力進行評價。

基于灰色關聯(lián)法對重慶喀斯特地區(qū)2001～2015年的水資源承載力進行評價建模的主要步驟如下。

（1）數(shù)據(jù)處理

評價指標體系中的各個指標具有不同的含義，因此它們的量綱和單位都會有所不同，為了便于進一步進行數(shù)據(jù)分析和處理，需要對原始數(shù)據(jù)進行無量綱化和歸一化。

初值化是一種有效的數(shù)據(jù)處理方法，它是指將一個數(shù)列的所有數(shù)據(jù)均除以這個數(shù)列的第一個數(shù)得到一個新數(shù)列的方法，這個新數(shù)列中的數(shù)據(jù)表示的是原數(shù)據(jù)相當于原第一個數(shù)據(jù)的倍數(shù)，該數(shù)列有共同起點，無量綱，如表6。

（2）確定理想對象

對于不同的指標有著不同的判斷標準，有的越大越好，有的越小越好。將每種指標的最佳值賦予一個對象，那么這個對象就是理性對象，進一步可得到理想指標序列。

（3）計算關聯(lián)系數(shù)

計算公式：

式中：ρ是分辨系數(shù)，其作用是使關聯(lián)系數(shù)之間的差異更加顯著，ρ∈（0，1）.一般情況取0.1～0.5，在這里取0.5;i=l，2，…，m;k=1，2，…，n;m為評價對象個數(shù)，n為評價指標個數(shù);ξi（k）是第i個對象的第k個指標對理想對象的相應指標的關聯(lián)系數(shù);Z。（k）是理想對象的第k個指標值;Zi（k）是第i個對象的第k個指標值;△i（k）=|Zo（K）一Zi（k）|是理想對象的第k個指標值與第i個對象的第k個指標值的絕對差，對一個評價對象而言，共有n個這樣的值，其中最小的值為mink△i（k），對于m個評價對象而言，則共有m個mink△i（k）（i=1，2，…，m）值，其中的最小值即為mini [mink△i（k）];max，[maxk△i（k）]的意義與此類似。

（4）計算關聯(lián)度計算公式：

式中：γi是Zi（k）與Zo（k）的關聯(lián)度，ξi（k）是第i個對象的第k個指標對理想對象的相應指標的關聯(lián)系數(shù)，ωi是各個指標的權重。

3.3.2 計算結果

根據(jù)上述的方法，將指標數(shù)據(jù)帶入后得到表7，表8。

4 結果與討論

水資源承載力的評價標準不是絕對的，是相對的。利用2001～2015年這15年時間里的重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力評價指標的理想序列Zo（k）={1.99，0.55，1.39，0.62，1. 00，1.00 ，1.00，1.00，0.15，1.00，0.35，1.00，1.00，1.00，1.00，1.00，1.99}。再結合關聯(lián)系數(shù)就可以對重慶喀斯特地區(qū)的水資源承載力進行評價，還可以對其實現(xiàn)動態(tài)評價。

從表7的關聯(lián)系數(shù)值可以看出，水資源系統(tǒng)各個指標（X1～X4）的關聯(lián)系數(shù)總體上呈現(xiàn)先小幅上漲后小幅下降的趨勢，到2015年降至最低。這說明重慶喀斯特地區(qū)水資源系統(tǒng)對水資源承載力目前已經(jīng)構成了壓力。社會系統(tǒng)（X5～X10）方面，人口密度和城鎮(zhèn)化率不斷增長，但其關聯(lián)系數(shù)呈小幅下降趨勢，到2015年達到最低，這說明人口和城鎮(zhèn)化率的增長給水資源承載力帶來了壓力;另外，人均綜合用水量和居民生活日均用水量的關聯(lián)系數(shù)呈下降趨勢，但萬元GDP用水量的關聯(lián)系數(shù)卻呈上升趨勢，這說明人們在生活中的節(jié)水意識需要提高，而整體的節(jié)約用水程度得到改善。經(jīng)濟系統(tǒng)（X12～X16）方面，人均GDP、農(nóng)村人均生活消費支出、城鎮(zhèn)人均生活消費支出、社會固定資產(chǎn)投資值的關聯(lián)系數(shù)都呈現(xiàn)出下降趨勢，這說明隨著人們生活水平的提高，對水資源承載力的壓力逐漸變大;而GDP增長率的關聯(lián)系數(shù)先升高后降低，這說明GDP的增速和水資源承載力并不是線型關系，穩(wěn)定在某一區(qū)間才是最合適的。生態(tài)系統(tǒng)中植被覆蓋率的波動并不明顯.對水資源承載力影響不大;而濕地減少率的關聯(lián)系數(shù)逐漸降低，這說明我們應該盡量降低濕地減少率，來減少水資源承載力的壓力。

從圖2可以看到，2001年的關聯(lián)系數(shù)最高，也就是說在2001～2015年這15年時間里，2001年的水資源承載力水平最接近理想水資源承載力，從此之后，水資源承載力不斷下降，一直到2015年降至最低水平。一方面是因為重慶喀斯特地區(qū)的經(jīng)濟快速發(fā)展，人口大量增長，這些都是“成本型”指標，對水資源承載力造成壓力;另一方面，水資源系統(tǒng)的水資源總量和降水量等指標都基本維持不變或小幅下降，生態(tài)系統(tǒng)相關指標的關聯(lián)系數(shù)減低，這些都屬于“效益型”指標，為水資源承載力提供支撐，由此也引起了水資源承載力的下降。另外，社會系統(tǒng)的權重比例最大，對整個水資源承載力評價體系的影響也較大。

5 結論

綜合考慮水資源系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)對重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力的影響，構建綜合評價指標體系。因子分析法用來篩選出能反映地區(qū)特點的水資源承載力評價指標體系，并用熵權法確定權重，這樣就大大降低了人的主觀因素對評價結果的影響，使得評價結果更加科學客觀。利用灰色關聯(lián)法對重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力進行動態(tài)評價，得到了重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力的動態(tài)變化趨勢，為今后重慶喀斯特地區(qū)的水資源承載力的改善提供科學依據(jù)。

（1）從重慶市喀斯特地區(qū)2001～2015年的水資源承載力來看，總體上呈現(xiàn)遞減趨勢，2015年降至最低，但整體承載力依然較高，始終和最佳水資源承載力保持0.85以上的關聯(lián)度。

（2）重慶市喀斯特地區(qū)的水資源總量豐富，但是生活用水的節(jié)約度不斷下降，人均用水量不斷上升，另外隨著經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，水資源的供需關系緊張，需要提高各方面節(jié)水意識。

（3）經(jīng)濟發(fā)展和未來人門數(shù)量是畢節(jié)市水資源生態(tài)承載力變化的最主要兩大壓力因素，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，這兩大因素對水資源生態(tài)承載力的壓力也逐年增大，如果不加大水資源的合理調(diào)配和水資源的循環(huán)利用，提高水資源的利用率，那么未來畢節(jié)市水資源狀況不容樂觀。

經(jīng)濟的發(fā)展和人口的膨脹是重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力的主要壓力來源，另外重慶喀斯特地區(qū)的水資源利用效率也在逐年降低。而經(jīng)濟、人口都在不斷的發(fā)展，要減輕水資源承載力的壓力，就必須提高水資源重復使用率和水資源利用效率。

（4）重慶喀斯特地區(qū)的水資源承載力形勢不容樂觀，和最佳水資源承載力的關聯(lián)度正在逐年下降。要減輕水資源承載力的壓力，一方面要節(jié)水，調(diào)整水資源的利用結構，加強節(jié)水意識，促使生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)全方位節(jié)約用水;另一方面要提高水資源的利用效率，改善現(xiàn)有科學技術設備，減少浪費污染，循環(huán)用水，降低水資源使用壓力。

本文所論水資源承載力的研究對象是重慶喀斯特地區(qū)，評價指標體系也是根據(jù)該地區(qū)的實際情況構建的，對其他喀斯特地區(qū)并不全部適用。整個評價指標體系包含水資源系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)，能夠較好的反映重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力的情況。

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