基于PSR-MSD模型的長江經(jīng)濟帶水資源承載力評價研究

楊康煜　王妮菲　黃歌

摘要：水資源承載力是現(xiàn)有水資源能夠持續(xù)支撐某地區(qū)歷史發(fā)展階段最大規(guī)模的能力和限度。本文采用PSR模型識別并建立了一套分為壓力、狀態(tài)、反應(yīng)三個準(zhǔn)則層包含17個指標(biāo)涵蓋了人口、產(chǎn)業(yè)、排污、水資源等多個方面的邏輯關(guān)系嚴(yán)密的指標(biāo)體系。運用MSD模型計算各指標(biāo)權(quán)重并得出水資源承載力綜合評價值，繪出了2014—2018年間武漢市水資源承載力時空動態(tài)變化的曲線圖以分析發(fā)展趨勢。數(shù)據(jù)表明，武漢市的水資源承載力整體呈現(xiàn)逐年上升的態(tài)勢，其中水資源壓力層承載力變化較大。

Abstract： Water resources carrying capacity is the ability and limit of existing water resources to continue to support the largest scale of historical development in a region. This paper uses the PSR model to identify and establish a set of three criteria including pressure， state， and response. The 17 indicators cover the quantitative relationship system of population， industry， sewage， water resources and other aspects. The MSD model is used to calculate the weight of each index and the comprehensive evaluation value of water resources carrying capacity is obtained. The time-space dynamics of Wuhan water resources carrying capacity during 2014-2018 is plotted to analyze the development trend. The data show that the overall water resources carrying capacity of Wuhan City has been increasing year by year， and the bearing capacity of water resources pressure layer has changed greatly.

關(guān)鍵詞：PSR模型;均方差決策模型;長江經(jīng)濟帶;水資源承載力

Key words： PSR model;mean square error decision model;Yangtze River Economic Belt;water resources carrying capacity

中圖分類號：TV213.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）05-0290-04

0? 引言

2018年4月26日，習(xí)近平在武漢主持召開深入推動長江經(jīng)濟帶發(fā)展座談會，指出要把修復(fù)長江生態(tài)環(huán)境擺在壓倒性位置，共抓大保護、不搞大開發(fā)，努力把長江經(jīng)濟帶建設(shè)成為生態(tài)更優(yōu)美、交通更順暢、經(jīng)濟更協(xié)調(diào)、市場更統(tǒng)一、機制更科學(xué)的黃金經(jīng)濟帶。在長江經(jīng)濟帶戰(zhàn)略背景下，武漢市將持續(xù)推進水生態(tài)文明建設(shè)，嚴(yán)格按照《武漢市水生態(tài)文明建設(shè)規(guī)劃》，高點站位擘畫“一核、兩軸、四片、百湖”的水生態(tài)建設(shè)總格局，確保水生態(tài)文明建設(shè)“一個城市一張藍圖繪到底”。

水資源承載力是城市水環(huán)境承載力的演化進程之一，集中反映了一個城市在有限的資源條件下的發(fā)展程度和發(fā)展規(guī)模的最大限度，是自然資源與經(jīng)濟社會發(fā)展相適應(yīng)的重要指標(biāo)。對于衡量現(xiàn)階段武漢市自然資源利用與經(jīng)濟發(fā)展相適應(yīng)程度具有重要的指引作用。

目前對于水資源承載力的研究，主要集中在供需平衡理論、多目標(biāo)決策分析理論、系統(tǒng)動力學(xué)理論、熵權(quán)理論等。其中具有代表性的研究方法如主成分分析法[3]，但該方法的難點在于降維算法的確定。動態(tài)聚類法[4]，缺點在于在樣本量較大時，往往會產(chǎn)生聚類分析的偏差，從而影響評價結(jié)果。熵權(quán)模型[6，7]可避免在計算各個指標(biāo)權(quán)重時產(chǎn)生的人為干擾，但該方法的缺點在于基于熵權(quán)的承載力表現(xiàn)為一個宏觀層面的結(jié)果，對于各個子系統(tǒng)的分析結(jié)果難以得知。MSD決策法[9-12]是一種客觀賦權(quán)方法，國內(nèi)已有學(xué)者用于評價地區(qū)區(qū)域資源承載力，如張玥、鄭瑋鋒使用均方差決策模型評價廈門市的區(qū)域承載力[9];歐弢、廖順寬等人采用均方差決策模型確定綜合承載力權(quán)重，然后再借助GIS空間分析技術(shù)計算區(qū)域資源環(huán)境綜合承載力[11]。也有學(xué)者使用均方差決策模型進行資源可持續(xù)利用評價，如王莉芳、周妹和運用均方差決策模型對2007-2012年天津市水資源可持續(xù)利用進行評價[10];劉春艷、馮艷玲運用層次分析法構(gòu)建土地資源承載力的綜合評價指標(biāo)體系，用均方差權(quán)值決策法確定各指標(biāo)權(quán)重，對吉林市的土地資源承載力狀況進行實證分析評價[12]。該方法可以解決決策方法存在的主觀性誤差，同時也在一定程度上擺脫了個別客觀賦權(quán)法存在的局限，且具有簡便直觀的特點，可以用于全面的反應(yīng)水資源承載力狀況。

1? 水資源承載力PSR模型

PSR模型指Pressure（壓力）—State（狀態(tài)）—Response（反應(yīng)），包括三個部分：其中壓力指標(biāo)表征引起狀態(tài)變化的因素，主要是導(dǎo)致不可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟發(fā)展模式和環(huán)境現(xiàn)狀;狀態(tài)代表由于壓力影響而產(chǎn)生的變化，而這些變化的性質(zhì)一般與壓力的性質(zhì)相反，并且同一性質(zhì)的狀態(tài)指標(biāo)會與壓力指標(biāo)呈現(xiàn)正相關(guān)的變化關(guān)系;反應(yīng)表示造成壓力指標(biāo)的主體在察覺到狀態(tài)產(chǎn)生變化后所采取的應(yīng)對措施[1]。PSR模型最早用于研究資源利用和可持續(xù)發(fā)展用以評價世界環(huán)境狀況，可以建立一套邏輯上相互關(guān)聯(lián)、完整的指標(biāo)體系，具有很強的通用性和代表性。

本文僅就水資源一種資源在局部地區(qū)的開發(fā)利用和可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r作為研究重點，采用PSR模型識別并建立一套邏輯關(guān)系嚴(yán)密的指標(biāo)體系，并針對武漢市發(fā)展和水資源現(xiàn)狀對所識別的指標(biāo)體系進行約簡[4]。參考前人研究成果并綜合多個方面因素，選取17個指標(biāo)構(gòu)建水資源承載力評價指標(biāo)體系，詳見表1所示。

①壓力層指標(biāo)。主要包括污水排放量、工業(yè)用水量、農(nóng)業(yè)用水量等對武漢市水資源造成承載壓力的指標(biāo)，概括了人口、產(chǎn)業(yè)、排污、城鎮(zhèn)化發(fā)展四個方面。

②狀態(tài)層指標(biāo)。主要包括供水模數(shù)、人均水資源量、水資源總量等可以反映武漢市水資源現(xiàn)狀和社會經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀的指標(biāo)。

③反應(yīng)層指標(biāo)。主要包括污水廠集中處理率、水力發(fā)電量、再生水利用量等保護水資源可持續(xù)發(fā)展的措施且能產(chǎn)生的效益的度量指標(biāo)。

2? 水資源承載力MSD模型

MSD模型指Mean Squared Difference（均方差決策模型）。均方差決策模型，是一種確定權(quán)重因子的客觀加權(quán)方法，均方差決策模型可以避免出于主觀因素而出現(xiàn)的主觀隨意性，讓結(jié)果更具有代表性和權(quán)威性。

均方差決策分析法作為一種決定多指標(biāo)綜合評價指標(biāo)體系中指標(biāo)權(quán)系數(shù)的客觀賦權(quán)法，可以作為本文中對水資源承載力評價的方法，用以解決水資源承載力評價指標(biāo)體系的賦權(quán)問題和評價方法問題。

2.1 無量綱化處理

本文中，水資源承載力對應(yīng)一個目標(biāo)層即M={M}，下分三個準(zhǔn)則層即，準(zhǔn)則層中分17個指標(biāo)其屬性值為Cij（i=1，2，…，n;j=1，2…，m），由于不同的指標(biāo)具有不同的量綱和量綱單位，為避免影響最終的決策結(jié)果，先將各指標(biāo)進行無量綱化處理。

對于正向指標(biāo)，如污水處理廠集中處理率、人均綠地面積等：

i=1，2，…，n;j=1，2，…，m? ? ? ?（1）

對于逆向指標(biāo)，如污水排放量、城鎮(zhèn)化率、人口密

度等：

i=1，2，…，n;j=1，2，…，m? ? ? ?（2）

式中，yij為準(zhǔn)則層i的第j個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值，Cij為準(zhǔn)則層i的第j個指標(biāo)的現(xiàn)狀值。max Cj和min Cj分別為指標(biāo)Cj的最大值和最小值。m和n表示i和j可取集合中的所有數(shù)字序列。

2.2 MSD法決策步驟

①求隨機變量yij的均值：

②求yj的均方差：

③求指標(biāo)yj的權(quán)重：

2.3 承載力綜合評價指標(biāo)計算

采用綜合指數(shù)法用以計算3個準(zhǔn)則層的水資源承載力綜合評價值。

計算公式如下：

式中，yij為隨機變量，wj為權(quán)重。

2.4 評價等級確定

由均方差決策模型計算出的權(quán)重數(shù)值是一個在0到1之間的數(shù)，評價標(biāo)準(zhǔn)按數(shù)值的大小進行等級分級，數(shù)值越大說明水資源承載力越強，參考其他學(xué)者的評價模式，可將評價等級分為如下五個等級，見表2所示。

3? 實例分析

3.1 研究區(qū)概況

長江經(jīng)濟帶是指長江附近的經(jīng)濟圈，長江經(jīng)濟帶包括上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川、云南、貴州等11個省市。占地面積約205萬平方公里，總?cè)丝诤彤a(chǎn)值超過全國的40%，擁有中國東部、西部和中部三大主要地區(qū)，有獨特的優(yōu)勢和巨大的發(fā)展?jié)摿?，改革開放以來長江經(jīng)濟帶對外開放已發(fā)展成為綜合實力最強、戰(zhàn)略支撐力最強的地區(qū)之一。

國務(wù)院辦公廳《長江經(jīng)濟帶發(fā)展趨勢規(guī)劃綱要》將上海市、武漢市、重慶市列入超大城市。武漢市憑著優(yōu)異的自然地理位列入長江經(jīng)濟帶關(guān)鍵大城市?？傮w來看，武漢市的水資源較為充沛：現(xiàn)有水面總面積2117.6km2，約占全市國土面積1/4，其中，境內(nèi)河流5km以上的有165條，水面面積471.31km2;全市列入保護目錄的湖泊有166個，水域藍線控制面積867.07km2;全市過境水總量6731億m3，水庫共264座（其中大型水庫3座、中型水庫6座），總庫容8.75億m3。2018年全市總用水量36.23億m3，按農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計，其中農(nóng)業(yè)用水量8.97億m3，工業(yè)用水量14.93億m3，生活用水量11.89億m3，生態(tài)環(huán)境用水量0.44億m3，全市水資源總量35.16億m3，其中地表水、地下水重復(fù)計算量為6.70億m3，產(chǎn)水模數(shù)41.39萬m3/km2，全市人均用水量327m3。武漢市在長江經(jīng)濟帶建設(shè)中的作用越來越重要，具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛢?yōu)勢，所以準(zhǔn)確把握武漢市水資源承載力動態(tài)變化對于推進武漢市乃至整個長江經(jīng)濟帶的“共抓大保護”戰(zhàn)略舉措具有重要意義。

3.2 PSR-MSD模型計算

本文研究數(shù)據(jù)均來自于2014年至2018年武漢市水務(wù)局所發(fā)布的《水資源公報》、《武漢市水環(huán)境狀況》及武漢市統(tǒng)計局所發(fā)布的《武漢市統(tǒng)計年鑒》等。首先對所得數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，再運用均方差決策模型計算出各指標(biāo)權(quán)重，見表3所示。

3.3 武漢市水資源承載力變化評價分析

已知各指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)上述承載力綜合評價指標(biāo)計算方法計算武漢市2014-2018年各準(zhǔn)則層承載力和武漢市水資源綜合承載力，見表4所示。再根據(jù)計算所得數(shù)據(jù)，繪出武漢市 2014-2018 年的水資源承載力變化趨勢，見圖1所示。

由表4及圖1結(jié)果可以看出：

①武漢市的水資源承載力整體呈現(xiàn)逐年上升的態(tài)勢。其中水資源壓力層承載力變化較大，主要是與近年來武漢市經(jīng)濟的快速發(fā)展有關(guān)。武漢市的城鎮(zhèn)化率近年逐年增長，并且人口密度因高校不斷擴招、外來務(wù)工人員增多等多方面因素影響而不斷增大。武漢市的工業(yè)企業(yè)的污水排放在2014至2015年間并未得到切實有效的整改，工業(yè)污水排放尚未得到控制。隨著武漢市的快速發(fā)展，對水資源的需求和廢污水排放的壓力不斷加大。導(dǎo)致2014至2015年間，壓力層承載力大幅下降。在2015年以后，壓力層承載力明顯增長，其變化主要與武漢市水環(huán)境治理措施轉(zhuǎn)型有關(guān)。武漢市查處工業(yè)廢水亂排亂放的力度加大，嚴(yán)令整改環(huán)保設(shè)備不達標(biāo)企業(yè)，推行“四水共治”水環(huán)境治理有效措施，將水治理工作作為工作重心，并且積極進行了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，提高了用水效率，改變了武漢市的城市水環(huán)境面貌。

②狀態(tài)層與反應(yīng)層承載力都呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，同時狀態(tài)層承載力略大于反映層承載力。以2016年兩準(zhǔn)則層承載力大致相等為界限。在2016年以前，由于武漢市本身豐富的水資源和較為密集的水網(wǎng)系統(tǒng)，武漢市可以利用的自然水資源承載力較大，而使得狀態(tài)層承載力略大于反映層承載力。2016年以后，隨著各種環(huán)保措施力度加大和環(huán)保政策出臺，武漢市對于污水處理、水重復(fù)利用等方面投入增加，城市污水處理系統(tǒng)日趨完善。同時武漢市開始發(fā)展轉(zhuǎn)型、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，走新型工業(yè)化道路，推行“四水共治”水治理模式，使得反應(yīng)層承載力大于狀態(tài)層承載力。

4? 結(jié)語

武漢市的水資源承載力變化，主要與武漢市的社會經(jīng)濟發(fā)展和水環(huán)境治理密切相關(guān)。隨著武漢市的發(fā)展愈加迅速，城市污水排放和水供需壓力將越來越大。所以積極投入建設(shè)城市基礎(chǔ)設(shè)施（城市水管網(wǎng)、污水處理系統(tǒng)等）、控制城市水污染水平和污水排放及維護現(xiàn)階段水環(huán)境治理成果等措施對于武漢市水生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。在長江經(jīng)濟帶戰(zhàn)略背景下，武漢的未來發(fā)展必須一方面謀求促進經(jīng)濟發(fā)展機遇以轉(zhuǎn)變和改善經(jīng)濟發(fā)展，一方面也必須繼續(xù)促進環(huán)境的改善。環(huán)境保護要從基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、環(huán)保技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新和生態(tài)保護模式創(chuàng)新等角度入手，多維促進長江經(jīng)濟區(qū)的經(jīng)濟建設(shè)和環(huán)境協(xié)調(diào)，以實現(xiàn)共同的發(fā)展目標(biāo)。

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