水資源承載力診斷體系構(gòu)建及關(guān)鍵診斷因子識別

卞錦宇，黃昌碩，耿雷華，方 瑞，王遠坤

(1.南京水利科學研究院，水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210029；2.江蘇省水文水資源勘測局，南京 210029；3.南京大學，南京 210023)

水資源承載力是度量水資源的基本安全和衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的一項重要指標。在資源環(huán)境開發(fā)利用保護的全過程中，首先需要明確資源環(huán)境有多大的空間和承載能力，需要抓住能有效識別區(qū)域水資源承載力的關(guān)鍵驅(qū)動因子，建立有效科學的水資源承載力診斷體系，從源頭來控制使得資源環(huán)境相均衡。水資源承載力影響因素復雜，需要綜合考慮區(qū)域社會、經(jīng)濟、資源、生態(tài)環(huán)境等多個系統(tǒng)的作用及其相互影響[1]，是一個多元的復雜體系，所以明確主體影響因素對水資源承載力研究具有重要意義。

本文在水量、水質(zhì)等常規(guī)要素的基礎(chǔ)上，進一步延伸水資源主體要素，拓展水域空間及水能資源開發(fā)利用，探討水域空間、水流動力等特征對水資源承載力的影響因素，建立有效科學的診斷體系，識別區(qū)域水資源承載能力的關(guān)鍵驅(qū)動因子，是開展定量分析評價水資源承載力的重要基礎(chǔ)工作，進而開展客觀判斷水資源承載能力與支撐小康社會建設(shè)、經(jīng)濟社會發(fā)展布局的匹配關(guān)系研究。

1 國內(nèi)外研究進展

國際上水資源承載力的單項研究成果較少，大多將其納入可持續(xù)發(fā)展理論范疇[2]。如Joardor等從供水角度對城市水資源承載能力進行了分析，并將其納入城市發(fā)展規(guī)劃當中[3]；Rijberman等在研究城市水資源評價和管理體系時，將水資源承載能力作為城市水資源安全保障的衡量的標準[4]；Harris著重研究了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域水資源農(nóng)業(yè)承載力，將此作為區(qū)域發(fā)展?jié)摿Φ囊豁椇饬繕藴蔥5]。

國內(nèi)水資源承載能力研究始于20世紀80年代，1989年新疆水資源軟科學課題組首次對新疆的水資源承載能力和開發(fā)戰(zhàn)略進行了研究。此后，隨著國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，區(qū)域水資源承載能力逐漸成為資源環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點之一，學者們圍繞水資源承載能力的概念、內(nèi)涵、特征、表征指標、評估方法等進行了大量的研究，并提出了諸多觀點、概念和方法。在國家層面，科技部、水利部等部門通過設(shè)置重點科技攻關(guān)項目“西北地區(qū)水資源合理開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護研究”、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目“黃河流域水資源可再生性理論與評價”、全國水資源綜合規(guī)劃專題項目“水資源承載能力評價方法及其應(yīng)用研究”、“提高水資源承載能力的綜合對策措施與方法技術(shù)研究”等，使得區(qū)域水資源承載能力研究得到充分發(fā)展。

目前針對水資源承載能力的概念和內(nèi)涵尚未形成統(tǒng)一、公認的界定，從成因上判斷水資源承載能力的診斷體系還未有成熟研究，基于區(qū)域社會、經(jīng)濟、資源、生態(tài)環(huán)境等多重影響因素的診斷體系有待進一步完善，區(qū)域尺度上水資源承載能力的關(guān)鍵驅(qū)動因子尚不是十分明確。

2 水資源承載力概念定義

水資源承載力是隨著人類對水資源問題認識的不斷深入以及環(huán)境科學的發(fā)展而被提出并不斷完善的[6]，從最初的水資源承載力到后來由于污染問題日益嚴重而被提出的水環(huán)境承載力[7-12]，再到考慮整個生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展、包含了水資源、水環(huán)境及其他與水有關(guān)的水生態(tài)承載力[13-16]，反映了不同的歷史發(fā)展階段，人與社會和諧發(fā)展所面臨的不同挑戰(zhàn)以及生態(tài)環(huán)境日益嚴重問題。為此，在水利部新一輪的水資源承載能力監(jiān)測與預警技術(shù)大綱中，綜合考慮水資源承載力的內(nèi)涵、特征，將水資源承載能力定義為“可預見的時期內(nèi)在滿足合理的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水和保護生態(tài)環(huán)境的前提下，綜合考慮來水情況、工況條件、用水需求等因素，水資源承載經(jīng)濟社會的最大負荷”[17]。

但是隨著社會日新月異的發(fā)展，經(jīng)濟社會與水資源、水環(huán)境的關(guān)系越發(fā)密切，不僅表現(xiàn)在對水量、水質(zhì)的需求，并且一定程度的延伸至對水域空間以及水體流動帶來的水體更新、能量循環(huán)等的需求。因此本文基于水資源的水量、水質(zhì)、水域、水流四要素，將水資源承載力概念定義為：在一定流域或區(qū)域內(nèi)，在特定社會、經(jīng)濟與技術(shù)條件下，在可預見的時期內(nèi)在滿足合理的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水、保護生態(tài)環(huán)境和保障合理的水域空間的前提下，在維持河道內(nèi)水流更新、水體循環(huán)的功能基礎(chǔ)上，水資源能夠持續(xù)支撐的合理程度的經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)模，并維系良好的流域或區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的能力。

3 水資源承載力影響因素分析

水資源承載力可以分為承載主體與承載客體。水資源承載力的承載主體是可以有效利用的水資源，承載客體是經(jīng)濟系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)。無論是承載主體還是承載客體都會對水資源承載力產(chǎn)生影響，包括水量、水質(zhì)、水域、水流四要素下的承載力，主體和客體都會對其發(fā)生影響作用，反映在區(qū)域水資源、自然地理環(huán)境條件、經(jīng)濟社會、技術(shù)、管理等方面的作用。因此可以從承載力主客體出發(fā)，分析自然水系統(tǒng)、社會經(jīng)濟系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能作用于水資源承載力的影響，具體分類及相關(guān)影響因素見表1。

4 水資源承載力診斷體系

4.1 診斷框架

從國內(nèi)外的實際應(yīng)用情況看，指標體系多采用多指標層次分析法。從診斷目標出發(fā)，圍繞診斷對象影響因素逐層展開，有利于構(gòu)建全面、清晰的診斷結(jié)構(gòu)。因此，本文建立由目標層、要素層、表征層和指標層構(gòu)成的多層次水資源承載力診斷指標體系。

(1)目標層。水資源承載力作為總目標層，反映我國水資源承載力在水量、水質(zhì)、水域、水流等方面所處的狀態(tài)。水資源承載力研究是要實現(xiàn)水資源對社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境的貢獻，能支持社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，診斷的目標是辨識影響區(qū)域水資源承載狀況或水平的主要因素，識別造成水資源承載力高低的關(guān)鍵驅(qū)動因子，以此作為提高水資源承載力的調(diào)控因子，從而為促進水資源承載水平提出對策和建議。

表1 水資源承載力影響因素

續(xù)表1 水資源承載力影響因素

(2)要素層。要素層包括4個方面：①水量要素，是指在保障合理生態(tài)用水的前提下，允許經(jīng)濟社會取用的最大水量；②水質(zhì)要素，是指在滿足水域使用功能水質(zhì)要求的前提下，一個區(qū)域或水體允許開發(fā)利用的水環(huán)境容量的上限，即允許排入污染的數(shù)量閾值；③水域要素，是指一個區(qū)域的水體水面、灘涂、濱岸等空間允許開發(fā)利用的上限；④水流要素，是指在天然狀態(tài)或人類活動下的河湖水流動狀況及由水流動形成的河湖水流更新狀況。

(3)表征層。針對水資源承載力主客體，其表征分別為承載能力和承載負荷，分別表示水資源對社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境發(fā)展的支撐力以及后者對水資源利用的壓力，為此要素層也可從能力和負荷兩方面進行分析，并用表征指標表示。

(4)指標層。指標層是指定義清晰、可通過直接的計算或從統(tǒng)計資料中獲得的指標變量。指標層是構(gòu)成水資源承載力診斷指標體系的最基本的元素。

區(qū)域水資源承載力分成水量、水質(zhì)、水域、水流四要素，分別從水資源承載能力和負荷兩方面表征，確立四要素的能力與負荷8個表征指標，構(gòu)建相應(yīng)的診斷指標，形成由目標層、要素層、表征層及指標層構(gòu)成的多層次、分要素、能力-負荷雙向表征的水資源承載力診斷指標體系，見圖1。若水量、水質(zhì)、水生態(tài)、水流的區(qū)域水資源承載能力表征指標大于、等于、小于水資源承載負荷表征指標，則該區(qū)域判為不超載、臨界超載、超載。

圖1 水資源承載力診斷指標體系框架

4.2 診斷指標初集

根據(jù)水資源承載力診斷指標體系框架，針對量、質(zhì)、域、流四要素的能力與負荷表征指標，基于承載力影響因素分析篩選，選取出與水資源承載力相關(guān)的各項指標，構(gòu)建水資源承載力診斷指標集，具體指標見表2～表5。

4.3 關(guān)鍵診斷指標識別

4.3.1 診斷識別方法

熵權(quán)法是用于指標篩選識別的常用方法之一，其基本原理是根據(jù)指標變異性的大小來確定客觀權(quán)重，以此確定指標重要程度。一般來說，若某個指標的信息熵Ei越小，表明指標值得變異程度越大，提供的信息量越多，在綜合評價中所能起到的作用也越大，其權(quán)重也就越大。相反，某個指標的信息熵Ei越大，表明指標值得變異程度越小，提供的信息量也越少，在綜合評價中所起到的作用也越小，其權(quán)重也就越小。

表2 水資源承載力水量要素診斷指標集

表3 水資源承載力水質(zhì)要素診斷指標集

表4 水資源承載力水域要素診斷指標集

熵權(quán)法賦權(quán)步驟如下。

(1)數(shù)據(jù)標準化。假設(shè)給定了k個指標X1，X2，…，Xk，其中Xi={x1，x2，…，xn}。假設(shè)對各指標數(shù)據(jù)標準化后的值為Y1，Y2，…，Yk，那么：

(1)

(2)求各指標的信息熵。根據(jù)信息論中信息熵的定義，一組數(shù)據(jù)的信息熵：

(2)

(3)

(3)確定各指標權(quán)重。根據(jù)信息熵的計算公式，計算出各個指標的信息熵為E1，E2，…，Ek。通過信息熵計算各指標的權(quán)重：

(4)

4.3.2 水量、水質(zhì)診斷指標識別

搜集全國1997-2016年共20 a的水量、水質(zhì)診斷指標數(shù)據(jù)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于中國統(tǒng)計年鑒、水資源公報、環(huán)境公報及中國氣象局資料等。

根據(jù)數(shù)據(jù)收集情況，共確定水量類23個指標，其中能力表征指標為區(qū)域可利用水量，能力診斷指標包括：降水量、蒸發(fā)量、水資源總量、地表水資源量、地下水資源量、大中型水庫蓄水量、跨流域調(diào)水量、干旱指數(shù)、人均水資源量；負荷表征指標為區(qū)域總用水量，負荷診斷指標包括：人口密度、城鎮(zhèn)化率、人均GDP、第三產(chǎn)業(yè)用水比例、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、城鎮(zhèn)居民人均用水量、農(nóng)村居民人均用水量、水資源開發(fā)利用率、人均用水量、地下水開采量、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占國內(nèi)總產(chǎn)值比例。

分別對能力表征指標、負荷表征指標進行了熵權(quán)法計算，結(jié)果列于表6。由表6可知：能力診斷指標中，降水量、水資源總量、大中型水庫蓄水量所占權(quán)重較大，分別為31.2%、21.61%、19.07%；負荷診斷指標中，人口密度、萬元工業(yè)增加值用水量、萬元GDP用水量、水資源開發(fā)利用率占權(quán)重較大，分別為30.1%、24.23%、22.24%和17.53%。以此確定水量要素關(guān)鍵診斷因子，結(jié)果見表7。

表7 水量要素關(guān)鍵診斷因子識別結(jié)果

采用同樣方法進行水質(zhì)要素的能力表征指標、負荷表征指標進行診斷指標權(quán)重計算，根據(jù)權(quán)重排序得到關(guān)鍵診斷因子，結(jié)果見表8。

表8 水質(zhì)要素關(guān)鍵診斷因子識別結(jié)果

4.3.3 水域、水流要素關(guān)鍵指標識別

受資料條件限制，本次尚未收集到關(guān)于水域、水流要素診斷指標的系列年份數(shù)據(jù)，故采用DEMATEL(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory)法進行關(guān)鍵因子識別。DEMATEL方法中文含義是決策試行與評價實驗室，是1971年在日內(nèi)瓦的Battelle協(xié)會上，為了解決現(xiàn)實世界中復雜困難問題而提出的方法，該法是進行因素分析與識別的一種有效方法。這種方法充分利用專家的經(jīng)驗和知識來處理復雜的社會問題，主要使用圖論理論，以構(gòu)造圖的矩陣演算為中心，其核心是通過計算各因素受到所有其他因素的影響度和被影響度，得到反映每一個因素影響程度的中心度和原因度，中心度表示該因素在系統(tǒng)中的重要程度，原因度表示該因素與其他因素的因果邏輯關(guān)系程度，再根據(jù)中心度和原因度判定出各個因素的重要程度。圖2和圖3為水域要素和水流要素診斷因子識別結(jié)果圖。

圖2 水域要素診斷因子識別結(jié)果圖

圖3 水流要素診斷因子識別結(jié)果圖

根據(jù)圖2，第一象限內(nèi)的因素天然水域面積率K1、降水量K3、年徑流量K6、實際水域面積率K7，屬于水資源承載力水域要素的關(guān)鍵影響因素；第四象限內(nèi)的因素生態(tài)基流保證率K5、水系阻隔率K12、景觀破碎度K14、水土流失率K15、植被覆蓋率K16、水文連接度K19中心度較高，但原因度較低且為負，屬于次要因素；第二象限內(nèi)的因素濕地減少率K8、地下水超采率K9、地面沉降面積比K10、地下水位降落漏斗面積變化率K11原因度較高，但中心度偏低；第三象限內(nèi)的因素河道基流量K2、河湖補水量K13、城市綠化用水量K17中心度都偏低，且原因度為負，說明不對其他因素產(chǎn)生驅(qū)動作用，且對系統(tǒng)的影響較低。關(guān)鍵診斷指標基本屬于第一和第四象限，具體見表9。

表9 水域要素關(guān)鍵診斷因子識別結(jié)果

根據(jù)圖3，第一象限內(nèi)的因素年徑流量X5、實際水體年更新水量X6、年徑流變化率X8、水能開發(fā)利用率X9、水系連通性X11中心度和原因度均較高，因此這些因素是水資源承載力水流要素影響的關(guān)鍵因素；第四象限內(nèi)的因素天然水體年更新水量X1、水體換水周期X2、河道斷流天數(shù)X10中心度較高，但原因度較低且為負，屬于次要因素；第二象限內(nèi)的因素河網(wǎng)密度X3、河道比降原因度X4、中心度都偏低；第三象限內(nèi)的因素流量過程變異程度X7、水庫調(diào)蓄系數(shù)X12、水體自凈能力X13原因度和中心度都偏低，且原因度為負，說明不對其他因素產(chǎn)生驅(qū)動作用，且對系統(tǒng)的影響較低。關(guān)鍵診斷因子基本屬于第一和第四象限，具體見表10。

表10 水流要素關(guān)鍵診斷因子識別結(jié)果

4.3.4 識別結(jié)果分析

根據(jù)各要素指標識別結(jié)果，識別出的關(guān)鍵診斷因子基本都是與各要素相關(guān)度較高的指標，以水量要素為例，關(guān)鍵驅(qū)動因子降水量、水資源總量與能力表征指標區(qū)域可利用水量相關(guān)性都較好(見圖4)，兩兩相關(guān)性系數(shù)都在0.9以上。關(guān)鍵驅(qū)動因子人口密度、萬元GDP用水量與負荷表征指標區(qū)域總用水量相關(guān)性都較好(見圖4)，兩兩相關(guān)性系數(shù)都在0.8以上。降水量的多少是衡量一個地區(qū)水資源豐富程度的重要方面，是決定區(qū)域水資源總量的主要因素之一，我國降水量地區(qū)分布很不均勻，導致地區(qū)水資源分布出現(xiàn)很大差異，造成區(qū)域水資源稟賦條件的自然差異較大，從而造成水資源承載主體的差異；水資源總量是表征水資源數(shù)量的主要指標，是影響水資源承載主體即水資源可利用量的最直接的自然因素；大中型水庫蓄水量是反映水資源開發(fā)利用的工程調(diào)蓄能力，是影響水資源承載主體的人為因素。人口密度是反映區(qū)域人口狀況的社會因素，萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量為經(jīng)濟因素，涉及的人口、經(jīng)濟發(fā)展是造成水資源消耗的主體負荷，因此作為負荷表征指標關(guān)鍵診斷因子是合理的。

圖4 水量要素關(guān)鍵診斷因子與表征指標相關(guān)性

5 結(jié) 語

本文從自然條件、社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境等方面提出水資源承載力影響因素，結(jié)合水資源承載力四要素，從水量、水質(zhì)、水域、水流四要素確定水資源承載能力和負荷表征指標，并針對表征指標分別確定診斷指標，構(gòu)建了水資源承載力診斷指標體系，主要研究成果包括以下幾個方面：

(1)提出了基于水資源的量、質(zhì)、域、流四要素的水資源承載力概念定義。

(2)根據(jù)水資源承載力主客體特性，從影響承載力主體的自然水系統(tǒng)、影響承載力客體的社會經(jīng)濟系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)提出水資源承載力影響因素，構(gòu)建水資源承載力影響因素基礎(chǔ)集。

(3)構(gòu)建由目標層、要素層、表征層及指標層構(gòu)成的多層次、分要素、能力-負荷雙向表征的水資源承載力診斷指標體系。其中要素分為水量、水質(zhì)、水域、水流，水資源承載力表征分為能力和負荷兩方面，水量要素能力和負荷表征指標分別為區(qū)域可利用的水量/區(qū)域用水量，水質(zhì)要素能力和負荷表征指標分別水功能區(qū)納污能力/水功能區(qū)污染物排放量，水域要素能力與負荷表征指標為天然水域面積率/實際水域面積率，水流要素能力和負荷表征指標分別天然水體年更新水量/實際水體年更新水量。

(4)進行了水資源承載力關(guān)鍵診斷指標識別，收集全國1997-2016年水資源承載能力和負荷指標相關(guān)數(shù)據(jù)，采用熵權(quán)法等進行關(guān)鍵診斷因子識別，識別結(jié)果為：水量要素能力表征指標“區(qū)域可利用的水量”的關(guān)鍵診斷因子為降水量、水資源總量、大中型水庫蓄水量，水量要素負荷表征指標“區(qū)域用水量”的關(guān)鍵診斷驅(qū)動因子為人口密度、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、水資源開發(fā)利用率等；水質(zhì)要素能力表征指標關(guān)鍵診斷因子為水功能區(qū)入河污染物限排量、河道年平均流速等，負荷表征指標關(guān)鍵診斷因子為氨氮排放總量、COD排放總量、城市污水處理率等；水域要素能力表征指標的關(guān)鍵診斷因子為降水量、年徑流量等，負荷表征指標的關(guān)鍵診斷因子為水土流失率、植被覆蓋率等；水流要素能力表征指標的關(guān)鍵診斷因子為年徑流量、水體換水周期等，負荷表征指標的關(guān)鍵診斷驅(qū)動因子為水系連通性、年徑流變化率等。