云南石漠化區(qū)水資源承載力評價

李季孝，符裕紅，張代杰，丁劍宏

（1.云南省水利水電科學研究院，昆明 650228；2.貴州師范學院，貴陽 550018； 3.貴州省貴陽市花溪區(qū)水利局，貴陽 550025）

0 引言

水資源是萬物賴以生存的基礎，不僅是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也是人類生活及生態(tài)環(huán)境所必需的資源[1]；水資源承載力則是反映水資源與社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境之間是否協(xié)調(diào)的重要指標[2]。在喀斯特地區(qū)，流域可溶性的雙重含水介質(zhì)，以及地表地下二元流場所組成的獨特水文地質(zhì)結構及其產(chǎn)生的功能效應，使得其水系發(fā)育，水文動態(tài)上存在與非喀斯特流域的巨大差異[3-4]，通常表現(xiàn)為地表水滲漏嚴重、干旱缺水、水土流失、持水保水能力差等生態(tài)特征[4-5]，水資源問題已成為制約喀斯特地區(qū)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。

【研究進展】國外的水資源承載力研究主要集中于從城市供水和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面[6-7]，國內(nèi)的水資源承載力研究大多集中于非喀斯特區(qū)，并主要基于大尺度的區(qū)域或流域開展[1,8-9]。目前，針對喀斯特地區(qū)的水資源承載力，王在高等[10]研究了巖溶區(qū)水資源承載力的評價指標體系構建，賀中華等[11]、鹿坤[12]、袁子勇等[13]分別運用不同方法對喀斯特水資源承載能力進行了評價分析，指出喀斯特區(qū)河流內(nèi)部存在流域不閉合現(xiàn)象，水資源分布不均、利用難度大，局部地區(qū)資源相對短缺的現(xiàn)象[11-13]；賀中華[14]、周亮廣等[15]以貴州省貴陽市為例，對喀斯特水資源承載力進行了評價研究，指出水資源的短缺，限制了區(qū)域的發(fā)展[14-15]?！厩腥朦c】針對喀斯特地區(qū)水資源承載力的研究，解決人口、資源、經(jīng)濟、社會之間的關系勢在必行；與此同時，喀斯特水資源承載力大多圍繞貴州省開展，而云南省喀斯特區(qū)域總面積達11.09萬km2[16]，占全省面積的28.14%，占比近1/3，喀斯特面積為全國巖溶面積的第二位[17]，也是中國石漠化治理的重點省份之一[18]，在該方面卻未有報道。【擬解決的關鍵問題】黨的十七大報告提出了“建設生態(tài)文明”，十八大以來，以習近平同志為核心的黨中央創(chuàng)立了習近平生態(tài)文明思想[19]，并形成建設中國特色社會主義“五位一體”的總體布局。如今，隨著人口增加、社會經(jīng)濟飛速發(fā)展，導致人類對水資源的需求量持續(xù)加大，隨之而來的水資源短缺、水生態(tài)破壞、水質(zhì)惡化等一系列問題[1]亟待解決；特別是喀斯特地區(qū)，人口、資源、經(jīng)濟、社會之間的協(xié)調(diào)重要而緊迫，全面正確的進行石漠化地區(qū)的水資源承載力評價，是石漠化地區(qū)發(fā)展的必然和關鍵。【研究意義】因此，開展云南石漠化區(qū)水資源承載力評價，是對“生態(tài)文明思想”的深入貫徹，也是研究區(qū)域人口、資源、社會、經(jīng)濟之間關系的重要途徑，從而為云南石漠化區(qū)水資源的科學規(guī)劃、合理利用、有效開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)選擇

云南省位于北緯21°8′—29°15′，東經(jīng)97°31′—106°11′之間，地勢呈西北高、東南低，自北向南呈階梯狀逐級下降，屬山地高原地形，山地面積占全省總面積的88.64%。云南省喀斯特區(qū)主要分布在元江以北的滇東片區(qū)、滇西北、滇西保山至滄源片區(qū)，涉及11個州市的65個縣（區(qū)或市），其中以昆明、昭通、曲靖、文山、玉溪、紅河、麗江、迪慶、臨滄、保山、大理等巖溶區(qū)分布面積最大[20]。

參照云南省石漠化程度面積分布情況[20]，以各區(qū)域強度、極強度石漠化分布面積及石漠化總面積為依據(jù)，對11個州市進行面積大小排序，選取排名靠前且與其他區(qū)域面積差異較大的前6個區(qū)域作為典型代表區(qū)域進行評價。分別為：文山（83.18 萬hm2）、曲靖（44.45 萬hm2）、昭通（33.82 萬hm2）、紅河（32.68萬hm2）、麗江（30.52 萬hm2）、迪慶（21.31 萬hm2）。

1.2 評價方法

通過建立研究區(qū)域的水資源承載力評價指標體系，采用模糊層次分析法（FAHP）與模糊綜合評判法進行綜合評價[21-22]，避免了選擇指數(shù)的盲目性及創(chuàng)建模型的復雜性，分別從定性和定量的角度全面地對研究區(qū)域?qū)ο筮M行科學合理的評價。

1.2.1 評價指標體系構建

評價指標的選擇需要與水資源利用息息相關；隨著社會的進步、經(jīng)濟的發(fā)展、人口的膨脹，人口、環(huán)境、資源間的矛盾日益突出；參考前人的研究成果[10-11,16,22-23]，在指標評價體系建立及指標選擇過程中，主要遵循科學性、完整性、區(qū)域性及可操作性原則。

1）科學性原則。以科學理論為指導，定性與定量相結合來正確反映水資源系統(tǒng)及其要素間的數(shù)量特征關系。

2）完整性原則。充分考慮區(qū)域的社會、經(jīng)濟、環(huán)境對于水資源的利用存在直接影響；完善評價體系及指標選擇。

3）區(qū)域性原則。評價體系及指標除能反映區(qū)域化水資源承載力的共性，同時兼顧巖溶區(qū)的特殊性。

4）可操作性原則。指標選擇除滿足上述原則外，需要具有可操作性，能夠滿足定量化評價。

針對云南省石漠化區(qū)的特點，石漠化強、水土流失嚴重，土地石漠化嚴重制約著區(qū)域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，經(jīng)濟社會發(fā)展不平衡，大多數(shù)區(qū)域以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主、兼有工業(yè)發(fā)展，部分區(qū)域以旅游業(yè)為重，少部分邊境區(qū)域以進出口貿(mào)易相對發(fā)達。云南省水資源豐沛，但時空分布不均；目前，云南省水資源利用效率總體處于較低水平，區(qū)域水資源開發(fā)利用差異大[24]?；诖?，制定云南省石漠化區(qū)水資源評價體系，以A作為評價體系的目標層，確定與社會、經(jīng)濟、環(huán)境及水資源等的子系統(tǒng)作為準則層B，各子系統(tǒng)下的選擇代表性的指標作為指標層C。

社會發(fā)展的準則層B1包括人口自然增長率、總人口、人口密度3個指標；主要用來反映各地區(qū)人口現(xiàn)狀及增長對水資源的影響。經(jīng)濟發(fā)展的準則層B2包括人均生產(chǎn)總值、進出口總值、工業(yè)總產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值4個指標；主要用來反映各地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展動力及其地區(qū)經(jīng)濟結構優(yōu)化程度。對于水環(huán)境保護準則層B3包括石漠化面積、水土流失面積、濕地面積、造林面積、水利設施面積、森林覆蓋率、城市污水處理率、工業(yè)廢水處理量8個指標；主要用來反映生態(tài)環(huán)境的石漠化程度、水土流失治理情況、綠化程度、水利設施情況、廢水處理重視程度、污水處理能力。水資源準則層B4包括降水量、供水總量、地表水資源量、地下水資源量、用水總量、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水、生態(tài)用水、灌溉率10個指標；主要用來反映各地區(qū)的水資源保障、供給和利用基本情況（見圖1）。

圖1 云南石漠化區(qū)水資源承載力評價體系Fig.1 The water resources target appraisal system of rock desertification areas in Yunnan provinc

1.2.2 數(shù)據(jù)來源

為了能更好地體現(xiàn)目前區(qū)域水資源承載力的實際狀況，評價期選擇為2018年。所用的指標數(shù)據(jù)分別來源于《2018年中國統(tǒng)計年鑒》、《2018年中國水資源公報》、《2018年云南省統(tǒng)計年鑒》、《2018年水資源公報》[23,25-27]。

1.2.3 指標權重計算

根據(jù)重要性二元對比原理，在評價體系中，將準則層B 作為一級指標層，指標層C 作為二級指標層進行對比判別，形成二元對比矩陣，計算指標層指標的權重值[21-22,28-29]，具體如下：

若指標層Bk/Ck與Bl/Cl進行二元對比，規(guī)定其排序標度ekl、elk在（0，0.5，1）中取值。

若Bk/Ck比Bl/Cl重要，則ekl=1，elk=0

若Bk/Ck與Bl/Cl同樣重要，則ekl=elk=0.5

針對上述一、二級指標層的各具體指標，其決策集的重要性二元對比計算矩陣E為：

權重計算：W＝（w1,w2,…,wm）；0≤wi≤1，滿足

1.2.4 評價模型矩陣

設定2個有限論域：

綜合評判因素集合D={d1,d2,…,dm}；評語組成集合V={V1,V2,…,Vm}。評判矩陣R[9,28]：

模糊變換：評判結果F＝W·R；F則為V上的模糊子集。

式中：fi為等級Vj對綜合評定所得模糊子集F的隸屬度，表示綜合評判結果；rij為因素di的評價對等級Vj的隸屬度，矩陣R中第i行Ri=（ri1,ri2,…,rin），即為對第i個因素di的單因素評判結果。

1.2.5 等級劃分及評判矩陣計算

對V1～V3等級用1 分制進行數(shù)量化：s1=0.05，s2=0.5，s3=0.95；數(shù)值越高，表示水資源承載能力越強[10]；綜合評分S計算式為：

對于評價因素d1，d2，…，dn，在V1～V3等級的隸屬函數(shù)的計算[9]；對于評價因素ui，若等級值的V越小，量化分數(shù)越高，直接用下式計算即可，若等級值的V越大，量化分數(shù)越高，則需將后計算式中右端ui區(qū)間的“≥”改為“≤”，將“＜”改為“＞”再進行計算：

2 結果與分析

2.1 水資源承載力指標權重值

根據(jù)重要性二元對比原理及模糊層次分析法（FAHP），建立并檢驗重要性的二元對比矩陣，計算各準則層、指標層相應矩陣的相對隸屬度向量，從而得出各評價指標的權重W：

2.2 水資源承載力評價指標分級與評判矩陣計算

為量化各地區(qū)的指標等級，以V=｛V1,V2,V3｝的評語集進行界定；其中，V1表示水資源狀況較差，水資源承載力已接近飽和值，開發(fā)利用潛力小，容易引發(fā)水資源短缺問題，并會制約區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展；V2介于V1和V3之間，表示水資源的開發(fā)利用達到一定程度，但仍有開發(fā)利用潛力；V3表示水資源狀況較好，水資源承載能力較大，水資源的供給能保障區(qū)域的發(fā)展，開發(fā)利用潛力大。令各評價因素的V1和V2等級的臨界值為k1；V2等級區(qū)間中點值為k2，且k2=(k1+k3)/2；V2和V3的臨界值為k3。指標數(shù)值的臨界值根據(jù)指標層C的具體指標數(shù)據(jù)來源中的全國最高值、最低值、平均水平值其進行參考界定k1、k2、k3的具體數(shù)值，并按照評語集V的界定判斷是“＞”或是“＜”，從而列出綜合評價指標分級值。針對指標層C，令各地區(qū)的指標數(shù)值集u=｛u1,u2,…u25｝，結合各地區(qū)評價指標的綜合評價指標分級值見表1。

根據(jù)指標等級1 分制的數(shù)量化值，結合評價矩陣，得到評判矩陣R中的rij值，表示某因素ui對應等級Vj的隸屬函數(shù)。評判矩陣計算結果如下：

表1 云南石漠化區(qū)綜合評價指標分級值Table1 The target graduation value of the synthetic evaluation of rock desertification areas in Yunnan Province

2.3 水資源承載力等級評價結果

根據(jù)W和R的矩陣數(shù)據(jù)，計算得到云南石漠化各分區(qū)水資源承載力的最終的評判結果矩陣及其綜合評價得分S，結果見表2。

表2 云南石漠化區(qū)水資源承載力評價結果Table2 Results on evaluation of water resources capacity of rock desertification areas in Yunnan Province

由表2可看出，從云南省各石漠化分區(qū)水資源承載力評價結果bj對評語集V的隸屬度情況來看，所有地區(qū)對V2的隸屬度相對V1與V3高，說明各區(qū)域相對于V2等級的可能性更大。其中，昭通對V1的隸屬度最高，為0.334，說明昭通地區(qū)水資源承載能力較低，水資源相對其他區(qū)域最差；V2等級除迪慶外，其他區(qū)域均在0.5 以上，說明云南省石漠化區(qū)對水資源存在一定程度的開發(fā)和利用，具有開發(fā)利用的潛力；對于V3的隸屬度麗江為0.249，為各區(qū)最大值，說明麗江水資源狀況較為良好，相對其他區(qū)域具有較大的承載能力和開發(fā)利用潛力。

從綜合評分值S可知，文山、曲靖、昭通、紅河、麗江、迪慶6個典型區(qū)域的水資源承載能力綜合評分值依次分別為0.424、0.421、0.386、0.447、0.501、0.494，其中以麗江地區(qū)的0.501 最高，昭通地區(qū)的0.386 最?。粚⑺械貐^(qū)的綜合評分S值與V2等級的1 分制量化評分S2=0.5 進行單樣本T檢驗，結果表明地區(qū)綜合評分值與V2等級的評分值存在顯著差異（p＜0.05）。說明盡管評價區(qū)域從隸屬度上屬于V2等級的數(shù)值最高，但各地區(qū)間的綜合評分差異顯著；總體來說云南省石漠化區(qū)水資源開發(fā)利用達到一定的程度，但也有開發(fā)利用的潛力，而各個地區(qū)不同的評分值也客觀地體現(xiàn)了開發(fā)利用程度的差異，其中開發(fā)利用潛力表現(xiàn)最高的為麗江地區(qū)，表現(xiàn)最低的是昭通；該結論與從等級量化的隸屬度分析結果表現(xiàn)一致。

3 討論

研究利用模糊綜合層次分析法及模糊綜合評判的方法開展綜合評價，在眾多水資源承載能力評價方法[30]中屬于常用方法，對指標權重的確定客觀合理，能夠?qū)⑺兄笜诉M行全方位分析，克服了指標的孤立性和局限性正確、評價結果客觀科學有效。

在評價的6個區(qū)域中，文山州石漠化面積最廣、石漠化程度最高，工農(nóng)業(yè)的發(fā)展在6個區(qū)域中不占優(yōu)勢；曲靖是滇中城市經(jīng)濟圈的核心區(qū)域，工農(nóng)業(yè)發(fā)展均較其他區(qū)域發(fā)達，在環(huán)境保護方面，對城市的污水處理率較高；昭通是云南連接長江經(jīng)濟帶和成渝經(jīng)濟區(qū)的重要通道，人口眾多，人口自然增長率高于全省平均水平，工農(nóng)業(yè)發(fā)展僅次于曲靖和紅河；紅河與越南接壤，水資源豐富，進出口總值在6個區(qū)域中占絕對優(yōu)勢；麗江是國際知名旅游城市，石漠化面積及程度較低，主要以旅游業(yè)為主，對環(huán)境的保護及污水處理率較高；迪慶少數(shù)民族眾多，石漠化面積及程度在6個區(qū)域中最低，人口自然增長率較低，工農(nóng)業(yè)在6個區(qū)域中處于劣勢。在所研究的6個典型區(qū)域中，水資源承載能力最高的地區(qū)為麗江，并不是石漠化面積及水土流失面積最小的迪慶地區(qū)；水資源承載能力表現(xiàn)最低的為昭通，而不是擁有石漠化面積和水土流失面積最大的文山地區(qū)；對于降水及水資源比較豐富的紅河地區(qū)來說卻沒有體現(xiàn)出水資源承載力的優(yōu)勢。說明工農(nóng)業(yè)的發(fā)展影響了水資源的利用，石漠化面積、水土流失面積、降水量及供水總量在一定程度上影響了石漠化區(qū)的水資源承載力，但他們卻不是影響水資源承載力的主要因素，喀斯特石漠化區(qū)的蓄水保水更加關鍵；通過統(tǒng)計年鑒和公報中的數(shù)據(jù)[23,25-27]對比，影響最重要的因素是人口自然增長率、城市污水處理率、森林覆蓋率，這與周亮廣等[15]在貴州省喀斯特地區(qū)的水資源承載力評價研究中所提到的影響因素相關關系有類似之處。

針對水資源的評價，大多研究都是以流域為單元或具體的省市為對象開展評價[9,21-22,28]，但針對生態(tài)恢復的重點區(qū)域而言，水資源的合理利用顯得更加重要和實際；如何合理有效地開發(fā)利用喀斯特地區(qū)的水資源是生態(tài)文明建設研究的重點和難點。喀斯特地區(qū)的水資源承載力的表現(xiàn)及影響因素的討論，另外一個角度也充分證明了生態(tài)文明建設的必要性和緊迫性，無論是喀斯特地區(qū)或非喀斯特地區(qū)，社會、經(jīng)濟、政治、生態(tài)、文化都需要協(xié)同發(fā)展才能有效緩解人口、資源、環(huán)境間的關系，最終實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標。

4 結論

云南石漠化區(qū)水資源承載能力區(qū)域間差異較大，綜合評分值在麗江地區(qū)呈現(xiàn)出最大值0.493，昭通地區(qū)呈現(xiàn)出最小值0.385；表明云南省石漠化區(qū)水資源開發(fā)和利用達到一定程度，但也存在開發(fā)利用潛力；經(jīng)濟社會的進步離不開工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，更離不開良好的生態(tài)環(huán)境條件；各區(qū)域應結合當?shù)氐淖匀弧⑸鐣?、?jīng)濟等條件制定科學的規(guī)劃，不斷推進水資源的合理開發(fā)利用。

建議持續(xù)加強喀斯特石漠化生態(tài)恢復的力度、提高森林覆蓋率，充分發(fā)揮森林的水源涵養(yǎng)功能；加強蓄水保水工程建設，加大節(jié)水力度、提高城市污水處理率，建立科學高效的水資源配置方案，形成多渠道配合供水模式，全力確保水資源的合理開發(fā)利用。