基于子系統(tǒng)熵權(quán)模型的珠三角水資源承載力評(píng)價(jià)

范嘉煒， 黃錦林， 袁明道， 張旭輝， 譚 彩

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院 ，廣東 廣州 510635； 2.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635； 3.廣東省粵港澳大灣區(qū)水安全保障工程技術(shù)研究中心， 廣東 廣州 510635)

1 研究背景

水資源承載力是影響地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要因素，也是衡量社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展受水資源制約的閾值。水資源承載力通常受到多種因素共同作用，因此，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)合理地評(píng)價(jià)逐漸成為水利界所研究的重點(diǎn)問(wèn)題之一[1-2]。

珠江三角洲位于珠江入海口，是粵港澳大灣區(qū)的重要組成部分，也是我國(guó)南方地區(qū)對(duì)外開(kāi)放的門(mén)戶，珠三角借助毗鄰港澳的沿海的地理優(yōu)勢(shì)，逐漸成為亞太地區(qū)最具活力的經(jīng)濟(jì)區(qū)之一[3-5]。

目前在水資源承載力的相關(guān)研究中，張杰等[6]建立了基于熵權(quán)的模糊綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)廣西省水資源可持續(xù)利用提出了建議；梁彩霞[7]以肇慶市為例，運(yùn)用熵權(quán)法和因子分析法對(duì)區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)；孫月峰等[8]采用基于熵權(quán)的模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)影響城市水資源安全的因素進(jìn)行了合理評(píng)價(jià)；賀欣悅等[9]將熵權(quán)法和云理論相結(jié)合，對(duì)近中遠(yuǎn)期目標(biāo)年的水資源承載力進(jìn)行了預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。雖然評(píng)價(jià)方法各有優(yōu)勢(shì)，但仍以傳統(tǒng)方法為主，且權(quán)重分配均基于承載系統(tǒng)整體，子系統(tǒng)對(duì)于承載力等級(jí)的影響分析不足，具有一定的局限性。本文將傳統(tǒng)熵權(quán)理論擴(kuò)展至水資源承載子系統(tǒng)評(píng)價(jià)，結(jié)合灰關(guān)聯(lián)分析法，對(duì)珠三角區(qū)域水資源承載力空間差異性[10]進(jìn)行分析，可改善目前在珠三角水資源承載力研究中仍以傳統(tǒng)熵權(quán)分配方法為主的現(xiàn)狀，提供科學(xué)合理的評(píng)價(jià)方法。

2 系統(tǒng)等級(jí)與標(biāo)準(zhǔn)化

2.1 系統(tǒng)等級(jí)

在基于傳統(tǒng)熵權(quán)的水資源承載力評(píng)價(jià)中，通常將承載力分為Ⅰ～Ⅴ級(jí)，其中Ⅰ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅴ級(jí)分別代表區(qū)域水資源承載力較高、一般和低下，Ⅱ、Ⅳ級(jí)為兩個(gè)過(guò)渡等級(jí)，可通過(guò)采取具有針對(duì)性地管理措施或合理的開(kāi)發(fā)利用方式向較優(yōu)等級(jí)轉(zhuǎn)變。

水資源承載系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)共同組成，且各子系統(tǒng)的指標(biāo)普遍具有不確定性、隨機(jī)性等特點(diǎn)。為改善評(píng)價(jià)工作合理性，深入分析影響珠三角區(qū)域水資源承載力因素，提出改善承載力的針對(duì)性建議和措施。

本文通過(guò)建立珠三角水資源承載力評(píng)價(jià)體系，將基于子系統(tǒng)的熵權(quán)理論應(yīng)用于承載力系統(tǒng)分析中。基于子系統(tǒng)的等級(jí)表述詳見(jiàn)表1，Ⅱ、Ⅳ級(jí)仍為過(guò)渡等級(jí)，在表1中略去。

2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為克服數(shù)據(jù)之間由于量綱、不同取值標(biāo)準(zhǔn)等造成的差異，首先需利用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)和實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一。

本文根據(jù)各市水資源公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒[11]等，結(jié)合水資源承載力指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法的研究成果[12]，得出各市水資源承載力Ⅰ～Ⅴ級(jí)的指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果，見(jiàn)表2。

表1 珠三角水資源承載力子系統(tǒng)等級(jí)劃分

表2 珠三角水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

(1)

(2)

經(jīng)公式(1)、(2)處理可以得到標(biāo)準(zhǔn)化后的各區(qū)域水資源承載力實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，由于篇幅所限，具體數(shù)據(jù)在此不作羅列。

3 系統(tǒng)承載力分析

水資源承載系統(tǒng)屬于多指標(biāo)共同作用的復(fù)雜體系，所求目標(biāo)值無(wú)法通過(guò)單一的函數(shù)擬合得出，需借助關(guān)聯(lián)性分析模型來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)承載力分析評(píng)價(jià)。

熵權(quán)理論[6-9]可用來(lái)確定各個(gè)指標(biāo)的重要程度，以減少在計(jì)算各個(gè)指標(biāo)權(quán)重時(shí)產(chǎn)生的人為干擾?；谊P(guān)聯(lián)分析法[13]可用來(lái)對(duì)比指標(biāo)數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的相關(guān)程度，客觀反映各指標(biāo)間隱含的灰色特性。結(jié)合以上分析理論，本文提出了基于子系統(tǒng)的熵權(quán)分配方式，并與傳統(tǒng)熵權(quán)的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，利用灰關(guān)聯(lián)分析法對(duì)區(qū)域水資源承載力進(jìn)行深入分析，旨在為水資源承載力評(píng)價(jià)提供更加科學(xué)化、規(guī)范化的方式。

3.1 灰關(guān)聯(lián)分析

(3)

3.2 熵權(quán)與關(guān)聯(lián)度ej

3.2.1 傳統(tǒng)熵權(quán)的ej目前，在水資源承載力評(píng)價(jià)中廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)熵權(quán)評(píng)價(jià)模型[9,18]可用公式(4)～(6)表示。其中Ei表示信息熵[19]，wi表示熵權(quán)，yij表示指標(biāo)比重。

表3 2017年深圳市水資源承載力指標(biāo)的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

(4)

(5)

(6)

(7)

以深圳市為例，深圳市在各等級(jí)下的ej可應(yīng)用表4以傳統(tǒng)熵權(quán)加權(quán)求和得出。同理可得出其余城區(qū)基于傳統(tǒng)熵權(quán)分配方式的關(guān)聯(lián)度ej成果，與最大ej值相應(yīng)的等級(jí)即為總等級(jí)。表4為珠三角城市群基于傳統(tǒng)熵權(quán)的ej成果。

3.2.2 子系統(tǒng)熵權(quán)的ej從上一節(jié)的分析結(jié)果可以看出，基于傳統(tǒng)熵權(quán)的關(guān)聯(lián)度ej雖然可以直觀地反映出珠三角各地區(qū)在不同等級(jí)下的關(guān)聯(lián)度成果，但對(duì)于各個(gè)子系統(tǒng)下的承載力情況卻無(wú)法得以體現(xiàn)，例如，根據(jù)表4的分析結(jié)果可知，廣州、佛山、中山、東莞、珠海5市的水資源承載等級(jí)均為Ⅳ級(jí)，惠州、肇慶兩市的水資源承載等級(jí)均為Ⅰ級(jí)，顯然無(wú)法從此結(jié)果中得出同級(jí)別地區(qū)間承載力的相似或差異之處。

另外，基于傳統(tǒng)熵權(quán)的承載力等級(jí)是一個(gè)宏觀層面的問(wèn)題反映，高等級(jí)地區(qū)是否在各個(gè)子系統(tǒng)都全面優(yōu)于低等級(jí)地區(qū)同樣不得而知。針對(duì)此，本文對(duì)于珠三角地區(qū)間的水資源承載力特點(diǎn)和差異進(jìn)行深入分析，以期為各地區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)提供更合理的方式。

表4 珠三角地區(qū)城市群不同等級(jí)的ej值與總等級(jí)

本文通過(guò)分析傳統(tǒng)熵權(quán)wi后，針對(duì)推求方法做出改進(jìn)，提出了考慮子系統(tǒng)熵權(quán)影響的水資源承載力評(píng)價(jià)方法：分別計(jì)算每個(gè)子系統(tǒng)的熵權(quán)wi，公式(4)中的m不再沿用傳統(tǒng)定義的總指標(biāo)數(shù)，而是每個(gè)子系統(tǒng)下的指標(biāo)數(shù)，即mS1=3、mS2=4、mS3=5……，每個(gè)子系統(tǒng)的熵權(quán)和均為1。因此，可得出基于此定義下的水資源子系統(tǒng)熵權(quán)計(jì)算結(jié)果，具體權(quán)重分配見(jiàn)表5。

根據(jù)公式(7)的關(guān)聯(lián)度的定義，得出基于子系統(tǒng)熵權(quán)的珠三角地區(qū)各城市在5個(gè)承載力等級(jí)下的關(guān)聯(lián)度ej，在每個(gè)子系統(tǒng)下，取5個(gè)承載力等級(jí)中ej的最高值對(duì)應(yīng)等級(jí)匯總于表6， 由于ArcGIS能更直觀地反映珠三角各市水資源承載力的空間分布情況，因此將各區(qū)域空間分布圖匯總于圖1。

表5 珠三角水資源承載子系統(tǒng)熵權(quán)權(quán)重

從表6和圖1的結(jié)果中可以看出，各地區(qū)間水資源承載子系統(tǒng)等級(jí)與總等級(jí)均存在差別：深圳市由于受S1、S2、S5子系統(tǒng)影響，總等級(jí)為Ⅴ級(jí)，但通過(guò)基于子系統(tǒng)熵權(quán)的ej分析后可發(fā)現(xiàn)，深圳市的S3、S4子系統(tǒng)均為Ⅰ級(jí)，即處于用水水平高、水資源質(zhì)量?jī)?yōu)的良好狀態(tài)。這是基于傳統(tǒng)熵權(quán)的分析所是無(wú)法反映的。

同理可得出，S1、S2也是導(dǎo)致佛山、中山、廣州、東莞、珠海水資源承載力低下的主要因素。另外，水質(zhì)問(wèn)題是目前社會(huì)熱點(diǎn)之一，東莞市在S4子系統(tǒng)(水資源質(zhì)量)的等級(jí)較其他城市低(Ⅳ級(jí))，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注，并采取相應(yīng)的治理措施。江門(mén)、惠州和肇慶水資源承載等級(jí)較高，但S3子系統(tǒng)的承載等級(jí)較低，分別為Ⅴ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)，在今后的城市發(fā)展建設(shè)中需注意用水水平的提高。這種特點(diǎn)與深圳市恰是相反的。

圖1 珠三角各市水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果

分類(lèi)廣州深圳佛山中山東莞珠海惠州江門(mén)肇慶S1等級(jí)ⅣⅤⅣⅣⅤⅣⅠⅡⅠ相應(yīng)ej0.7820.7410.8040.7750.6860.7441.0000.9540.732S2等級(jí)ⅣⅤⅣⅣⅢⅣⅢⅠⅠ相應(yīng)ej0.6831.0000.7490.6620.7050.7170.7850.8050.975S3等級(jí)ⅡⅠⅢⅢⅡⅡⅣⅤⅤ相應(yīng)ej0.6300.8780.6620.6910.7300.6720.6130.8080.715

續(xù)表6

分類(lèi)廣州深圳佛山中山東莞珠?；葜萁T(mén)肇慶S4等級(jí)ⅢⅠⅠⅡⅣⅡⅡⅢⅠ相應(yīng)ej0.7810.7840.6440.7560.8520.7260.7660.6140.662S5等級(jí)ⅢⅤⅣⅠⅢⅣⅠⅢⅠ相應(yīng)ej0.7710.7860.8040.6580.7250.7680.8760.7580.973總等級(jí)ⅣⅤⅣⅣⅣⅣⅠⅡⅠ相應(yīng)ej0.6680.6440.6870.6440.6840.6290.7190.6560.709

4 結(jié) 論

(1)為科學(xué)地對(duì)珠三角地區(qū)水資源承載力，促進(jìn)水資源合理開(kāi)發(fā)和利用，本文基于子系統(tǒng)的熵權(quán)分配方式對(duì)指標(biāo)熵權(quán)進(jìn)行了合理劃分，與灰關(guān)聯(lián)分析法相結(jié)合，改善了目前在珠三角水資源承載力研究中仍以傳統(tǒng)熵權(quán)分配方法為主的現(xiàn)狀，提供更加合理的評(píng)價(jià)方法。

(2)各地區(qū)間水資源承載子系統(tǒng)等級(jí)與總等級(jí)均存在差別，除江門(mén)、惠州和肇慶外，其余地區(qū)水資源量不足，水資源開(kāi)發(fā)利用程度已接近飽和；深圳、佛山、珠海3市由于受社會(huì)人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)快影響，水資源供給對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)支持力較弱，已不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求；江門(mén)和肇慶水資源承載力總等級(jí)雖然較高，但工、農(nóng)業(yè)及居民生活用水效率低下，耗水率高，導(dǎo)致水資源未得到充分利用，應(yīng)對(duì)此采取相應(yīng)的治理措施；對(duì)于水資源質(zhì)量子系統(tǒng)，珠三角區(qū)域內(nèi)除東莞市外，污水處理與排放工作均落實(shí)到位，水質(zhì)情況優(yōu)良，S4等級(jí)處于較理想的水平。

(3)為改善區(qū)域內(nèi)水資源整體承載力，各區(qū)域應(yīng)根據(jù)子系統(tǒng)現(xiàn)狀等級(jí)，有針對(duì)性地采取相應(yīng)措施，合理分配在提高用水水平、改善城區(qū)水質(zhì)等方面的治理力度，以保證未來(lái)經(jīng)濟(jì)-環(huán)境-資源的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。