喀斯特山區(qū)貴州水資源生態(tài)承載力的動態(tài)變化評價

魏 媛，吳長勇，李昕蔓

(貴州財經(jīng)大學(xué) 管科學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

【研究意義】水資源生態(tài)承載力是指在某一區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展時期，水資源對生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)/社會系統(tǒng)間平衡穩(wěn)定發(fā)展的最大支撐力[1]，是支撐生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)平衡的組成部分，與資源、經(jīng)濟(jì)和社會間的關(guān)系密切。隨著人口不斷增長和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，廢污水大量排放、無限制的開發(fā)和利用水資源，給區(qū)域內(nèi)水資源的生態(tài)承載力造成巨大的壓力。因此，提高水資源生態(tài)承載力成為解決區(qū)域水資源可持續(xù)利用的前瞻性問題之一?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，水資源生態(tài)承載力常用的量化及評價方法有系統(tǒng)動力學(xué)法[2-3]、常規(guī)趨勢法[4-5]、指標(biāo)體系評價法[6-9]以及生態(tài)足跡法[10-13]。龔久平等[14]對重慶市水資源承載力分析與可持續(xù)發(fā)展利用進(jìn)行了探討。官冬杰等[15]對貴州省畢節(jié)市水資源生態(tài)承載力動態(tài)變化進(jìn)行評價。呂添貴等[16]以喀斯特地區(qū)為例，研究評價了基于生態(tài)足跡的水資源承載力，但沒有對喀斯山區(qū)貴州省水資源生態(tài)承載力動態(tài)變化進(jìn)行評價?！颈狙芯壳腥朦c】貴州降雨量豐沛，境內(nèi)河流水系發(fā)達(dá)，但特殊喀斯特地貌地貌導(dǎo)致蓄水能力弱，同時經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對水資源的需求不斷增加，對水資源的開發(fā)利用提出了更高要求，使水資源供需矛盾日益突出。因此，評價貴州水資源生態(tài)承載力的動態(tài)變化對水資源可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展具有一定的參考意義?！緮M解決的關(guān)鍵問題】在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合貴州省區(qū)域特征構(gòu)建系統(tǒng)的評價指標(biāo)體系，利用2001-2016年《貴州省統(tǒng)年鑒》《中國統(tǒng)計年鑒》和2000-2015年《貴州省水資源公報》《貴州省國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》數(shù)據(jù)，通過因子分析法計算分析選擇適合研究區(qū)的評價指標(biāo)，運用熵權(quán)法與灰色關(guān)聯(lián)模型計算貴州省水資源生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系最優(yōu)系列與比較系列的關(guān)聯(lián)度，并對其結(jié)果進(jìn)行分析評價，找出貴州水資源生態(tài)承載力存在的問題及其原因，提出促進(jìn)貴州省水資源生態(tài)承載力提高和可持續(xù)利用的對策建議，以期為貴州省及類似地區(qū)水資源可持續(xù)利用政策措施的制定及相關(guān)研究提供借鑒與參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于2001-2016年《貴州省統(tǒng)年鑒》和《中國統(tǒng)計年鑒》，2000-2015年《貴州省水資源公報》和《貴州省國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》。

1.2 方法

1.2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建 根據(jù)評價指標(biāo)體系構(gòu)建原則，結(jié)合貴州實際，在研究區(qū)選擇具有代表性、可行性和科學(xué)性等的水資源生態(tài)承載力評價指標(biāo)。貴州省為典型的喀斯特地貌，在地下很多溶洞河道是地下水流淌的路徑，可將地下水考慮進(jìn)指標(biāo)體系中；同時貴州的水系發(fā)達(dá)，河流較多，河流水質(zhì)根據(jù)國家規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)采用Ⅱ類水質(zhì)河長作為評價指標(biāo)；結(jié)合水資源生態(tài)承載力的定義、相關(guān)學(xué)者研究成果和貴州區(qū)域特點，對水資源生態(tài)承載力評價可從水資源自身生態(tài)系統(tǒng)，水資源對該區(qū)域的社會、經(jīng)濟(jì)支撐力和經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展?fàn)顩r等3個方面進(jìn)行指標(biāo)體系的構(gòu)建。反映水環(huán)境維持水資源系統(tǒng)供給的為評價正指標(biāo)，主要包括年降水量、地表水資源量、地下水資源量、II類水質(zhì)河長、總供水量、水庫年蓄水量等共6個指標(biāo)；反映人類經(jīng)濟(jì)社會活動中對水的需求和消耗的為評價負(fù)指標(biāo)，主要包括人均用水量、總耗水量、水資源利用率、林牧漁畜用水量、居民生活用水量、工業(yè)用水量和農(nóng)業(yè)用水量等共7個指標(biāo)；反映經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展現(xiàn)狀的有正負(fù)評價指標(biāo)共7個，其中，人均占有水資源量為正指標(biāo)，常住人口總數(shù)量，國民生產(chǎn)總值、工業(yè)生產(chǎn)總值、農(nóng)林牧漁業(yè)總值、固定資產(chǎn)投資、廢污水排放量等負(fù)指標(biāo)，綜合3個方面的分析構(gòu)建貴州省水資源生態(tài)評價指標(biāo)體系(表1)。其中，以對水資源生態(tài)承載力起支撐維持作用的方向為正，對水資源生態(tài)承載力造成壓力的方向為負(fù)。

表1 貴州省水資源生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.2.2 指標(biāo)數(shù)據(jù)的處理與分析 首先，根據(jù)構(gòu)建的指標(biāo)體系收集所需要的研究數(shù)據(jù)，通過無量綱化處理，讓單位不同的評價指標(biāo)可相互對比分析。其次，通過SPSS對標(biāo)準(zhǔn)化值進(jìn)行因子分析。因子分析法是用少數(shù)幾個因子去描述多個內(nèi)部存在相互依賴關(guān)系指標(biāo)的一種分析方法[11]。

(1) 評價指標(biāo)的主成分分析。通過主成分分析法對20個評價指標(biāo)進(jìn)行篩選，得到貴州省水資源生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系中影響評價指標(biāo)的主成分和初始特征值，將特征值>1的成分確定為主成分。

(2) 主要影響指標(biāo)的負(fù)荷程度。利用因子旋轉(zhuǎn)法對貴州省水資源生態(tài)承載力主要影響指標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)矩陣后得到各負(fù)荷程度指標(biāo)。

(3) 貴州省水資源生態(tài)承載力主要影響指標(biāo)的篩選。因子分析法是用少數(shù)幾個因子去描述多個內(nèi)部存在相互依賴關(guān)系指標(biāo)的一種分析方法[11]，采用SPSS18.0中的因子分析法對構(gòu)建的評價指標(biāo)體系中20個指標(biāo)進(jìn)行篩選，找出影響貴州省水資源生態(tài)承載力的主要指標(biāo)。

(4) 主要影響指標(biāo)權(quán)重的確定 熵權(quán)法是基于指標(biāo)熵值的大小來確定客觀權(quán)重，如果指標(biāo)的熵越小，該指標(biāo)提供的信息量越大，在評價中所起的作用越大，權(quán)重即越大；反之則小[13]。通過對評價指標(biāo)賦權(quán)重，使評價結(jié)果的可靠性越高。使用熵權(quán)法計算出貴州省水資源生態(tài)承載力評價主要影響指標(biāo)的權(quán)重。

根據(jù)2005-2015年各年份的評價指標(biāo)(I)構(gòu)建原始數(shù)據(jù)矩陣：

(1)

由于構(gòu)建的評價指標(biāo)體系方向?qū)傩圆煌瑸楸ＷC結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過對負(fù)向評價指標(biāo)數(shù)據(jù)乘以-1得到正向數(shù)據(jù)。

將判斷矩陣進(jìn)行無量綱化處理后得到單位統(tǒng)一的矩陣：

R=(rij)m×n

(2)

2005-2015年各年份評價指標(biāo)熵值的計算：

(3)

2005-2015年各個年份評價指標(biāo)權(quán)重的計算。

(4)

1.2.3 貴州省水資源生態(tài)承載力的動態(tài)變化的評價 運用灰色關(guān)聯(lián)模型對貴州省水資源生態(tài)承載力的動態(tài)變化進(jìn)行評價，該模型能根據(jù)實際情況確定最優(yōu)系列，為動態(tài)變化系統(tǒng)提供可量化的比較分析[13]。

(1)貴州省水資源生態(tài)承載力主要影響指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)的計算。根據(jù)評價指標(biāo)的方向?qū)傩?，對水資源起維持支撐作用的選擇最大值；相反，對水資源帶來壓力作用的選擇最小值，結(jié)合主要影響指標(biāo)無量綱化數(shù)據(jù)，優(yōu)先出貴州省水資源生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系的最優(yōu)系列Z0(k)={1.17，1.24，1.15，1.71，2.16，0.89，0.69，0.65，0.1，1.34，0.25，0.24，0.41，0.12，0.79}。計算出最優(yōu)系列和比較系列(主要影響指標(biāo)無量綱化處理后無度量單位的數(shù)據(jù)序列)差值的絕對值[△i(k)]，然后將差值絕對值代入式(6)計算出評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)[ξi(k)]。

△i(k)=|Z0(k)-Zi(k)|

(5)

(6)

式(6)中，ρ為分辨系數(shù)，用來提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，取值范圍為0.1～1.0，一般取0.5。

2)貴州省水資源生態(tài)承載力主要影響指標(biāo)關(guān)聯(lián)度的計算。關(guān)聯(lián)度高低排序可反映水資源生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系最優(yōu)系列與比較系列的狀況，關(guān)聯(lián)度越大，表示選擇最優(yōu)系列與比較系列關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)，水資源生態(tài)承載力越大；反之越小。根據(jù)影響貴州省水資源生態(tài)承載力主要評價指標(biāo)的權(quán)重(Wi)和2000-2015年貴州省水資源生態(tài)承載力主要評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)[ξi(k)]代入式(7)計算出貴州省水資源生態(tài)承載力最優(yōu)系列與比較系列的關(guān)聯(lián)度。

(7)

2 結(jié)果與分析

2.1 貴州省水資源生態(tài)承載力20個評價指標(biāo)的主成分

從表2可知，在貴州省水資源生態(tài)承載力評價體系的20個指標(biāo)中，前4個成分的提取負(fù)荷平方和及旋轉(zhuǎn)負(fù)荷平方和分別為8.005、6.158、2.570、1.723和7.503、5.438、3.354、2.161，其特征值均>1，確定前4個成分為主成分，即4個主成分；4個主成分的累積方差均為92.283。

表2 貴州省水資源生態(tài)承載力評價體系20個指標(biāo)的主成分分析

2.2 貴州省水資源生態(tài)承載力的主要影響因素

在不同因素中，對水資源生態(tài)承載力負(fù)荷較較大的即為主要影響因素。從表3看出，第1主成分負(fù)荷較大的有I6、I7、I16、I17、I18和I19，分別為0.858、0.920、0.992、0.995、0.966和0.977；第2主成分負(fù)荷較大的有I1、I2、I3、I8和I15，分別為0.962、0.991、0.943、-0.938和0.918；第3主成分負(fù)荷較大的有I4、I10和I20，分別為-0.852、0.825和0.855；第4主成分載荷較大的僅有I12，為0.807。分析得出4個主成分中對水資源生態(tài)承載力影響較大的15個指標(biāo)(表4)。其中，供水系統(tǒng)指標(biāo)5個，分別為年降水量、地表水資源量、地下水資源量、Ⅱ類水質(zhì)河長和Ⅱ類水庫年蓄水量；需水系統(tǒng)指標(biāo)4個，分別為人均用水量、水資源利用率、工業(yè)用水量和林牧漁畜用水量；經(jīng)濟(jì)/社會系統(tǒng)指標(biāo)6個，分別為人均占有水資源量、國民生產(chǎn)總值、工業(yè)總產(chǎn)值、農(nóng)林牧漁業(yè)總值、固定資產(chǎn)投資和廢污水排放量。從表5可知，供水系統(tǒng)、需水系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)/社會系統(tǒng)的指標(biāo)屬性權(quán)重分別0.3572、0.2380和0.4048，三大系統(tǒng)對水資源生態(tài)承載力影響依次為經(jīng)濟(jì)/社會系統(tǒng)>供水系統(tǒng)>需水系統(tǒng)。

表3 貴州省水資源生態(tài)承載力的各主要影響指標(biāo)的負(fù)荷程度矩陣

表4 貴州省水資源生態(tài)承載力的主要影響指標(biāo)

表5 貴州省水資源生態(tài)承載力主要影響指標(biāo)的權(quán)重

2.3 貴州省水資源生態(tài)承載力動態(tài)變化的評價

2.3.1 關(guān)聯(lián)系數(shù) 從表6可知，在貴州省水資源生態(tài)承載力的15個主要影響指標(biāo)中，2000-2015年供水系統(tǒng)中的年降水量(I1)、地表水資源量(I2)、地下水資源量(I3)、Ⅱ類水質(zhì)河長(I4)和Ⅱ類水庫的年蓄水量(I6)的相關(guān)系數(shù)分別為0.79～1.00、0.73～1.00、0.85～1.00、0.52～1.00和0.45～1.00；其中，I1、I2和I3除枯水年份(2011和2013年)較低外，其余年份均差異不大，可見，貴州省水資源在供水方面較為穩(wěn)定； I4和I6總體呈波動上升趨勢，說明貴州省對境內(nèi)河流流域的水環(huán)境質(zhì)量管理工作已取得一定的成效，先后修建的水庫對貴州省供水系統(tǒng)起到一定的支撐作用。2000-2015年需水系統(tǒng)的人均用水量(I7)、水資源利用率(I8)、工業(yè)用水量(I10)和林牧漁畜用水量(I12)的相關(guān)系數(shù)分別為0.88～1.00、0.66～1.00、0.68～1.00和0.52～1.00，總體呈波動式下降趨勢；說明，期內(nèi)貴州省對用水資源監(jiān)管已取得一定的效果。2000-2015年經(jīng)濟(jì)/社會系統(tǒng)中的國民生產(chǎn)總值(I16)、工業(yè)總產(chǎn)值(I17)、農(nóng)林牧漁業(yè)總值(I18)、固定資產(chǎn)投資(I19)和廢污水排放量(I20)的相關(guān)系數(shù)分別為0.42～1.00、0.43～1.00、0.41～1.00、0.33～1.00和0.81～1.00，總體呈波動式下降趨勢。說明，貴州經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展和廢污水的大量排放給水資源生態(tài)承載力帶來的壓力越來越大。

表6 2000-2015年貴州省水資源生態(tài)承載力15個主要影響指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)

續(xù)表6 Continued table 6

2.3.2 關(guān)聯(lián)度 從圖1看出，在貴州省水資源生態(tài)承載力的15個主要影響指標(biāo)中，各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度總體上呈波動式下降趨勢，關(guān)聯(lián)度均在0.7以上。其中，2000-2011年關(guān)聯(lián)度總體呈下降趨勢，2011-2015年總體呈波動上升趨勢。主是因為貴州水資源自然供給系統(tǒng)基本穩(wěn)定，關(guān)聯(lián)度基本維持在0.7以上，但是經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展給水資源生態(tài)承載力帶來極大的壓力，導(dǎo)致水資源生態(tài)承載力下降；2011和2013年恰逢枯水年份，水資源總量減少，導(dǎo)致供水系統(tǒng)的供水力不足，致使經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過程中水資源生態(tài)承載力下降。

圖1 2000-2015年貴州省水資源生態(tài)承載力15個主要影響指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度Fig.1 Correlation degree among 15 main influencing indexes for water resources ecological carrying capacity in Guizhou Province during 2000-2015

3 討 論

龔久平等[14]對重慶市水資源承載力與可持續(xù)發(fā)展利用分析表明，研究區(qū)隨著社會、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，生產(chǎn)和生活帶來廢棄物排放量增加，必然加重水環(huán)境污染負(fù)荷，引起水質(zhì)污染，使水資源承載力下降。官冬杰等[15]對貴州省畢節(jié)市水資源生態(tài)承載力動態(tài)變化評價結(jié)果表明，研究時段畢節(jié)市水資源生態(tài)承載力相對較好,與最佳水平狀況的關(guān)聯(lián)度都保持在0.85以上，2007年的水資源生態(tài)承載力相對水平達(dá)到最高，此后水資源生態(tài)承載力便開始逐年下降，人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展是水資源生態(tài)承載力的兩大壓力因素。徐志青等[16]對南京市水環(huán)境承載力動態(tài)變化評價結(jié)果表明，人口密度偏大、水資源供需矛盾及水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率偏低等是制約南京市水環(huán)境承載力的關(guān)鍵因素，也是提升南京市水環(huán)境承載力的重點。呂添貴等[17]以喀斯特地區(qū)為例，研究評價了基于生態(tài)足跡的水資源承載力，但沒有對喀斯山區(qū)貴州省水資源生態(tài)承載力動態(tài)變化進(jìn)行評價。

根據(jù)評價指標(biāo)體系構(gòu)建原則，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H，從供水系統(tǒng)、需水系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)/社會系統(tǒng)3個方面，運用因子分析法篩選出反映喀斯特山區(qū)貴州水資源生態(tài)承載力動態(tài)變化趨勢的評價指標(biāo)體系，運用熵權(quán)法對指標(biāo)賦予權(quán)重并構(gòu)建灰色關(guān)聯(lián)模型，對貴州省2000-2015年的水資源生態(tài)承載力的狀況進(jìn)行客觀評價。研究結(jié)果表明，構(gòu)建評價指標(biāo)體系的20個評價指標(biāo)中有15個指標(biāo)對貴州水資源生態(tài)承載力的影響較大，分別為供水系統(tǒng)的年降水量、地表水資源量、地下水資源量、Ⅱ類水質(zhì)河長和Ⅱ類水庫年蓄水量；需水系統(tǒng)指標(biāo)4個，分別為人均用水量、水資源利用率、工業(yè)用水量和林牧漁畜用水量；經(jīng)濟(jì)/社會系統(tǒng)指標(biāo)6個，分別為人均占有水資源量、國民生產(chǎn)總值、工業(yè)總產(chǎn)值、農(nóng)林牧漁業(yè)總值、固定資產(chǎn)投資和廢污水排放量。供水系統(tǒng)、需水系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)/社會系統(tǒng)的指標(biāo)屬性權(quán)重分別為0.3572、0.2380和0.4048，其對水資源生態(tài)承載力的影響依次為經(jīng)濟(jì)/社會系統(tǒng)>供水系統(tǒng)>需水系統(tǒng)。2000-2015年研究區(qū)水資源生態(tài)承載力整體上呈波動下降趨勢，關(guān)聯(lián)度均在0.7以上，2000-2011年關(guān)聯(lián)度總體呈波動下降趨勢，2011-2015年總體呈波動上升趨勢，2011和2013年為枯水年份，水資源總量減少，導(dǎo)致供水系統(tǒng)的供水力不足，致使經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過程中水資源生態(tài)承載力下降。

評價結(jié)果與實際的水資源生態(tài)承載力動態(tài)變化較為接近，具有較強(qiáng)的針對性，可為貴州省及類似地區(qū)水資源可持續(xù)利用政策措施的制定及相關(guān)研究提供借鑒與參考。但在數(shù)據(jù)來源以及評價指標(biāo)的選擇等方面還存在不足，因為數(shù)據(jù)來源多參考已有統(tǒng)計資料或研究結(jié)果，缺乏長期性與周期性的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)；由于水資源生態(tài)承載力的系統(tǒng)性、動態(tài)性、復(fù)雜性和多因素影響等特點，加上數(shù)據(jù)資料的獲取較為困難性，構(gòu)建全面系統(tǒng)的評價指標(biāo)體系、選擇較大載荷指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)還有待進(jìn)一步深入研究。且研究結(jié)果揭示了貴州在經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展過程中注重水資源的節(jié)約高效利用和保護(hù)，經(jīng)濟(jì)/社會系統(tǒng)與水資源環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性處于勉強(qiáng)協(xié)調(diào)發(fā)展階段，二者的協(xié)調(diào)性有待于進(jìn)一步提高。因此，需進(jìn)一步提高水資源生態(tài)承載力、協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源開發(fā)利用與保護(hù)之間的關(guān)系。由于喀斯特山區(qū)降雨量豐沛，但巖溶地貌蓄水能力弱，且水資源生態(tài)承載力與年降水量呈正相關(guān)，研究區(qū)應(yīng)提高林業(yè)生態(tài)工程、水利工程蓄水、提水、引水的能力，充分利用降水資源，攔截降水，減少蓄水、提水、引水過程中水資源的損失量；通過技術(shù)革新，提高水資源的綜合利用效率、循環(huán)利用水資源，減少污水廢水排放；轉(zhuǎn)變水資源的調(diào)配方式，實行節(jié)約高效式“以供定需”的用水方式；優(yōu)化水資源環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的空間結(jié)構(gòu)，促進(jìn)研究區(qū)水資源生態(tài)承載力的動態(tài)平衡；建立完善健全的水資源管理體系，提高水資源的生態(tài)承載力，促進(jìn)研究區(qū)水資源協(xié)調(diào)可持續(xù)利用。

4 結(jié) 論

從供水系統(tǒng)、需水系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)/社會系統(tǒng)3個方面構(gòu)建的貴州省水資源生態(tài)承載力20個評價指標(biāo)中篩選出對其影響較大的指標(biāo)15個，三大系統(tǒng)對水資源生態(tài)承載力影響依次為經(jīng)濟(jì)/社會系統(tǒng)>供水系統(tǒng)>需水系統(tǒng)；2000-2015年貴州水資源生態(tài)承載力整體上呈波動下降趨勢，關(guān)聯(lián)度均在0.7以上，2000-2011年關(guān)聯(lián)度總體呈波動下降趨勢，2011-2015年總體呈波動上升趨勢，2011和2013年為枯水年份，水資源總量減少，導(dǎo)致供水系統(tǒng)的供水力不足，致使經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過程中水資源生態(tài)承載力下降。