基于DPSIRM模型的太原市水資源承載力研究

趙 磊，王立權(quán)，戴長雷，庚軍輝

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 研究背景

水資源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是自然資源的重要組成部分，是經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要保障。近些年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的不斷增加，我國很多城市出現(xiàn)了水資源短缺的問題，這種緊迫的現(xiàn)狀導(dǎo)致水資源供需平衡面臨嚴(yán)峻的考驗[1-2]。水資源承載力是城市可持續(xù)發(fā)展的一項基本指標(biāo)和前提條件，對以后的經(jīng)濟發(fā)展和城市規(guī)劃有著深遠(yuǎn)的影響和重要意義[3-4]。

近年來水資源承載力綜合評價由定性評價轉(zhuǎn)變?yōu)槎吭u價，由依靠關(guān)鍵指標(biāo)構(gòu)建簡單評價體系發(fā)展到利用多指標(biāo)構(gòu)建綜合評價體系，其中對指標(biāo)體系的構(gòu)建大致分為3類[5]，第1類是對主要影響指標(biāo)的提取，如盧澤雨等[6]基于改進(jìn)的主成分分析法提取了10個與水資源承載力相關(guān)的指標(biāo)，王鴻翔等[7]將影響寧夏水資源承載力的13項主要指標(biāo)歸納為2個獨立的主成分；第2類是以經(jīng)濟、社會和水資源等子系統(tǒng)構(gòu)建指標(biāo)體系，如柴乃杰等[8]構(gòu)建了社會、經(jīng)濟、生態(tài)、水資源子系統(tǒng)對甘肅省水資源承載力進(jìn)行綜合評價研究，葉飛等[9]建立了水資源-社會-經(jīng)濟-生態(tài)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的多層次評價體系；第3類是對指標(biāo)按照固定的模型進(jìn)行歸類處理，如王建華等[10]根據(jù)水資源承載力的新內(nèi)涵提出了量質(zhì)域流的指標(biāo)體系，周云哲[11]利用量質(zhì)域流構(gòu)建指標(biāo)體系對黃河流域進(jìn)行評價，許楊等[12]基于DPSR模型評價淮安市水資源承載力。

水資源系統(tǒng)是一個龐大的復(fù)雜系統(tǒng)，上述指標(biāo)體系的構(gòu)建，為進(jìn)一步研究水資源承載力奠定了良好的基礎(chǔ)，但也存在一些不足，如忽視了政府管理對水資源承載力的影響。為了更加準(zhǔn)確地表征水資源承載力，基于DPSIR模型，引入“管理(M)”子系統(tǒng)，形成驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)-管理系統(tǒng)，即DPSIRM(driving force-pressure-status-impact-response-management)模型[13]，不僅能夠兼顧社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境等因素，同時考慮到政府對于水資源的管理和調(diào)控，能夠更全面地反映城市的水資源承載力[14]。近些年來DPSIRM模型已經(jīng)應(yīng)用于社區(qū)人居環(huán)境安全[15]、河長制綜合評價[16]、生態(tài)脆弱性[17]、草原生態(tài)安全[18]等多個方面?；诖?，為了全面客觀地進(jìn)行水資源承載力評價，構(gòu)建基于DPSIRM框架下的水資源承載力評價體系，采用熵權(quán)TOPSIS(technique for order preference by similarity to an ideal solution)模型和障礙度模型[19-20]對太原市的水資源承載力進(jìn)行評價和主要障礙因子識別，并結(jié)合相關(guān)政府文件進(jìn)行分析，為太原市水資源承載力的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

太原市地處山西省的中北部、太原盆地北部，位于東經(jīng)111°30′～113°09′、北緯37°27′～38°25′。全市總面積6 878 km2，屬于溫帶半干旱季風(fēng)氣候，人均水資源擁有量為全國人均水資源擁有量的1/16，按照國際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，太原市屬于極度缺水地區(qū)，水資源先天不足，時空分布不均。研究區(qū)域水系分布見圖1。

圖1 研究區(qū)域水系分布

2.2 數(shù)據(jù)來源

研究涉及到的數(shù)據(jù)主要來源于2011-2018年《山西省水資源公報》[21]、2012-2019年《太原市統(tǒng)計年鑒》[22]等資料。

2.3 水資源承載力評價指標(biāo)體系構(gòu)建

以DPSIRM框架為基礎(chǔ)，遵循代表性、獨立性、系統(tǒng)性、可量化性的原則，選取15個指標(biāo)構(gòu)建太原市水資源承載力綜合評價體系，評價指標(biāo)及其相應(yīng)的分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。驅(qū)動力(D)子系統(tǒng)包括人均GDP(X1)、人口密度(X2)和第三產(chǎn)業(yè)占比(X3)，分別反映了經(jīng)濟、人口和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對水資源承載力的驅(qū)動；壓力(P)子系統(tǒng)表示城市發(fā)展所帶來的用水壓力，從用水量的角度出發(fā)，選取了萬元GDP用水量(X4)、城鎮(zhèn)人均生活用水量(X5)和農(nóng)田灌溉用水量(X6)3項指標(biāo)；狀態(tài)(S)子系統(tǒng)表示所評價地區(qū)自身水資源稟賦和水資源現(xiàn)狀，其指標(biāo)人均水資源量(X7)反映地區(qū)自身水資源稟賦，降水量(X8)直觀體現(xiàn)了太原市的水資源現(xiàn)狀；影響(I)子系統(tǒng)表示上述3個子系統(tǒng)給水資源承載力帶來的影響，從水資源和水環(huán)境的角度分別選取了水資源開發(fā)利用率(X9)和萬元產(chǎn)值廢污水排放量(X10)；響應(yīng)(R)子系統(tǒng)包括污水處理率(X11)和生態(tài)環(huán)境用水率(X12)，其中生態(tài)環(huán)境用水率代表對水污染和水生態(tài)的響應(yīng)；管理(M)子系統(tǒng)表示政府部門出臺相關(guān)政策和管理辦法以加強對水資源的調(diào)控，其指標(biāo)選取森林覆蓋率(X13)、地下水超采系數(shù)(X14)和水利、環(huán)境和公共管理占固定投資的比例(X15)。

表1 太原市水資源承載力評價體系及評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

2.4 熵權(quán)TOPSIS評價模型

熵權(quán)法是根據(jù)各指標(biāo)的變異程度，利用信息熵計算指標(biāo)權(quán)重的客觀賦權(quán)方法，相比于主觀賦權(quán)法，熵權(quán)法能夠客觀反映指標(biāo)數(shù)據(jù)中的隱含信息，提高指標(biāo)的分辨率，避免指標(biāo)差異過小而導(dǎo)致的選擇偏差。TOPSIS法，又名逼近理想解排序法，是多目標(biāo)決策分析中一種非常有效的方法。通過歸一化后的數(shù)據(jù)規(guī)范化矩陣，檢測評價對象與最優(yōu)目標(biāo)和最劣目標(biāo)的距離來排序，若評價對象離最優(yōu)目標(biāo)最近同時也是遠(yuǎn)離最劣目標(biāo)，則為最好[23]。各指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)閾值按照等級分為4個虛擬年，加入TOPSIS法的計算，可以得到適合太原市水資源評價體系的貼近度臨界值。

(1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。采用極值法對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計算公式如下：

(1)

(2)

式中：rij為第i個指標(biāo)第j年的初始值；vij為第i個指標(biāo)第j年的標(biāo)準(zhǔn)化值；i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

(2)確定權(quán)重。權(quán)重計算公式如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：wi為第i個指標(biāo)的權(quán)重；k為玻爾茲曼常量；Ei為第i個指標(biāo)的信息熵；pij為第i個指標(biāo)第j年的特征比重；m為評價指標(biāo)數(shù)目；n為年份數(shù)。

(3)正負(fù)理想解距離計算。計算公式如下：

(7)

(8)

(9)

(10)

yij=wi·vij

(11)

(4)貼近度計算。計算公式如下：

(12)

式中：Cj為第j年的評價數(shù)據(jù)與最優(yōu)方案的貼近度，貼近度Cj為介于[0,1]的數(shù)值，Cj越大則第j年的水資源承載力越接近最優(yōu)水平。

計算出的水資源承載力各評價等級的貼近度臨界值如表2所示。

表2 水資源承載力各評價等級的貼近度臨界值

2.5 障礙度模型

在水資源承載力評價的基礎(chǔ)上，分析影響水資源承載力的主要障礙因子。障礙度計算的具體方法是引入因子貢獻(xiàn)度Fi、指標(biāo)偏離程度Ij、障礙度Ki和ki。因子貢獻(xiàn)度Fi表示單因子對總體的影響；指標(biāo)偏離程度Ij表示單因子相對于承載力發(fā)展目標(biāo)的差距，通常用(1-vij)表示，vij為單項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；障礙度Ki表示子系統(tǒng)指標(biāo)對承載力水平的影響；障礙度ki表示單項指標(biāo)對承載力水平的影響[24]。計算公式如下：

Ki=∑ki

(13)

(14)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 水資源承載力權(quán)重分析

由公式(1)～(6)計算得到太原市水資源承載力評價系統(tǒng)各指標(biāo)的權(quán)重，見表3。通過對熵權(quán)的計算，所有指標(biāo)的熵權(quán)均大于等于0.03，符合理論界熵權(quán)不小于0.03的要求[25]。

表3 太原市水資源承載力評價系統(tǒng)各指標(biāo)權(quán)重

由表3可以看出，指標(biāo)層權(quán)重最大的4項分別為污水處理率(X11)、降水量(X8)、生態(tài)環(huán)境用水率(X12)和第三產(chǎn)業(yè)占比(X3)，準(zhǔn)則層權(quán)重最大2項分別為管理(M)和響應(yīng)(R)子系統(tǒng)。隨著城市建設(shè)的不斷完善，生態(tài)環(huán)保意識的增加，污水處理率和生態(tài)環(huán)境用水率反映了對于水污染、水生態(tài)的響應(yīng)狀況，成為影響城市水資源承載力的關(guān)鍵因素；太原市年際降水量分布不均，降水作為太原市水資源的主要補給來源，降水量決定了水資源的豐沛程度；同時，作為北方的工業(yè)重鎮(zhèn)之一，依托煤炭資源進(jìn)行發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也在一定程度上影響著城市水資源承載力。

3.2 水資源承載力綜合評價分析

由公式(7)～(12)計算得到2011-2018年太原市水資源承載力的綜合貼近度以及各子系統(tǒng)的貼近度，再根據(jù)表2可得出各年份太原市水資源承載力綜合評價等級，見圖2。

圖2 2011-2018年太原市水資源承載力綜合貼近度以及各準(zhǔn)則層貼近度

由圖2(a)可以看出，2011和2012年太原市水資源承載力屬于超載狀態(tài)，2013-2018年屬于臨界超載狀態(tài)，2018年的貼近度為0.1631，約為2011年貼近度0.054 6的3倍。研究時段內(nèi)太原市水資源承載力總體發(fā)展呈上升趨勢，可分為兩個階段：

第1階段為2011-2015年，該階段貼近度數(shù)值在超載和臨界超載的分界線附近波動，發(fā)展變化相對平穩(wěn)。由圖2(b)可知，2011-2015年狀態(tài)(S)子系統(tǒng)的貼近度呈減小趨勢，而其余子系統(tǒng)的貼近度均呈增大趨勢。究其原因是太原市積極建設(shè)“國家節(jié)水型城市”，并于2012年順利通過水利部關(guān)于節(jié)水型社會試點工作的驗收，在此期間萬元GDP用水量、農(nóng)田灌溉畝均用水量均減少了近30%，城鎮(zhèn)人均生活用水量均低于《城市居民生活用水量標(biāo)準(zhǔn)》[26]中140 L/d的要求。然而，由于降水量逐年減少，產(chǎn)水能力減弱，導(dǎo)致人均水資源量下降，該階段生態(tài)環(huán)境用水率由10.2%下降至3.33%。作為全國著名的能源、重化工城市，其自身的用水基數(shù)較大，2015年屬于平水年，降水量較多年平均值467.1 mm(1956-2000年系列平均值)僅減少3.4%，但地表水開發(fā)利用率卻達(dá)到了170%以上，再加上研究區(qū)人口不斷增長，水資源的需求量和使用量不斷攀升，因此該階段的水資源承載力整體水平相對較低。

第2階段為2016-2018年，該階段貼近度數(shù)值由2015年的0.0838增大至2018年的0.163 1，增長率為95%，為高速發(fā)展階段。其中，2015-2016年水資源承載力的快速發(fā)展主要是因為2016年為豐水年，水量相對豐沛，由2(b)可以看出，狀態(tài)(S)子系統(tǒng)貼近度數(shù)值直線上升；2016-2018年水資源承載力快速發(fā)展主要是因為管理(M)子系統(tǒng)的大幅提升。其原因是國務(wù)院在2013年頒布了《實行最嚴(yán)格水資源管理制度考核辦法》[27]，要求對各地的水資源管理進(jìn)行考核，太原市于2015年發(fā)布了《太原市人民政府關(guān)于實行最嚴(yán)格水資源管理制度的實施意見》，嚴(yán)格控制地下水資源開采，加大水資源治理投資力度，不斷提高固定投資中水利、環(huán)境和公共管理設(shè)施所占比例，積極推進(jìn)大水網(wǎng)工程和配套的小水網(wǎng)工程建設(shè)，增強城市污水處理能力。政策的落實和實現(xiàn)需要時間，很多工程在2018年才建成并投入使用，所以該階段能夠在降水量下降的情況下實現(xiàn)快速發(fā)展。

從整體上看，太原市為了緩解城市發(fā)展和水資源短缺之間的矛盾，實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展，不斷加強對水資源的管理和調(diào)度，使當(dāng)?shù)赜邢薜乃Y源發(fā)揮最大的經(jīng)濟和社會效益，目前已取得了一定的成果。從子系統(tǒng)的角度可以看出，太原市水資源承載力與狀態(tài)(S)、管理(M)子系統(tǒng)有著密切關(guān)系，主要是因為太原市自身產(chǎn)水能力不足，水資源開發(fā)利用率較高，并且隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，對水資源的需求日益增大，相應(yīng)的水環(huán)境、水生態(tài)問題逐漸增多。對此，太原市應(yīng)提高中水回用率和工業(yè)用水重復(fù)利用率，合理利用城市雨水和礦坑排水，減少供水管道漏損率，進(jìn)一步優(yōu)化水資源配置，促進(jìn)水資源的循環(huán)利用，彌補自身產(chǎn)水能力不足的短板，弱化狀態(tài)(S)子系統(tǒng)對水資源承載力的影響，減少水污染事件的發(fā)生。

3.3 水資源承載力障礙度分析

在上述評價的基礎(chǔ)上，對影響太原市水資源承載力的障礙因子進(jìn)行診斷，按照各個指標(biāo)的障礙度大小進(jìn)行排序，找出主要影響因子，結(jié)果見表4。為了便于觀察，表4中僅列出障礙度排序在前3位的因子進(jìn)行障礙度排序分析。

分析表4可知，2011-2012年森林覆蓋率(X13)為最主要的障礙因子。原因在于太原市為了建設(shè)“國家園林城市”，將城市內(nèi)部的綠化建設(shè)作為投資重點，建成區(qū)的綠化覆蓋率、綠地率和人均公園綠地面積等指標(biāo)穩(wěn)步提升，增加了城市內(nèi)部涵養(yǎng)水源的能力。2013-2015年，水資源開發(fā)利用率(X9)、降水量(X8)和人均水資源量(X7)逐漸取代森林覆蓋率(X13)成為最主要的障礙因子。原因在于太原市的地表水資源量主要依靠降水補給，地表徑流量與降水量的分布規(guī)律基本一致，在這一期間降水量逐年下降，導(dǎo)致了地表水資源量的減少[28]；另外，煤礦的開采破壞了地下水的水文地質(zhì)條件，地表徑流通過采煤產(chǎn)生的縫隙大量滲漏至礦井中，河流出現(xiàn)干涸和斷流的現(xiàn)象，使得地表水資源量嚴(yán)重減少[29-30]。為了防止太原市城區(qū)地下水漏斗區(qū)的范圍進(jìn)一步增大，實現(xiàn)水資源利用由地下水為主到地表水為主的根本性轉(zhuǎn)變，太原市充分使用地表水，嚴(yán)格控制地下水資源的開采。2016-2018年，連續(xù)3年排序前3位的障礙度因子均為人口密度(X2)、城鎮(zhèn)人均生活用水量(X5)和生態(tài)環(huán)境用水率(X12)這3項指標(biāo)。原因在于，伴隨著人們生活質(zhì)量的提升，人們?nèi)粘Ｉ顚λ氖褂昧肯鄳?yīng)增加，而且人口數(shù)量不斷增多，對水資源的需求量不斷攀升。

表4 2011-2018年太原市水資源承載力主要障礙因子及其障礙度

人口密度、城鎮(zhèn)人均生活用水量和地下水超采系數(shù)這3項指標(biāo)將會是未來一段時間的主要障礙因素。由于太原市人口基數(shù)大，城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诘?4.88%，城鎮(zhèn)人均生活用水量的減少，將有效緩解太原市的水資源壓力，并且隨著城市污水處理工藝的改善，能夠使用的其他水資源量也逐漸增多，同時地下水資源開采逐步減少，所以城鎮(zhèn)人均生活用水量和地下水超采系數(shù)這兩項指標(biāo)有很大的提升潛力，對此太原市應(yīng)做好與節(jié)水相關(guān)的宣傳教育工作，合理制定水價，增強人們的節(jié)水意識，提高節(jié)水器具的使用率，加大其他水資源的使用量，保障水資源充分利用。

4 結(jié) 論

本文從DPSIRM模型出發(fā)，結(jié)合太原市水資源發(fā)展情況，選取15項評價指標(biāo)構(gòu)建太原市水資源承載力評價體系，能夠較為清晰地反映太原市水資源承載力發(fā)展?fàn)顟B(tài)，引入4個虛擬年加入TOPSIS法計算得到水資源承載力綜合評價分級標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)果表明，太原市水資源承載力在2011-2018年的發(fā)展呈上升趨勢，2011-2012年為超載狀態(tài)，2013-2018年為臨界超載狀態(tài)；狀態(tài)(S)子系統(tǒng)是2015-2016年水資源承載力增長的主要原因，管理(M)子系統(tǒng)的提升促進(jìn)了201-2018年水資源承載力的快速發(fā)展，可以看出政府管理對水資源承載力發(fā)展起到非常重要的作用；人口密度、城鎮(zhèn)人均生活用水量和地下水超采系數(shù)是太原市水資源承載力未來一段時間的主要障礙因素，太原市可以通過減少城鎮(zhèn)生活用水量和地下水水資源開采來提升水資源承載力。