基于模糊綜合評價(jià)和主成分分析法的巖溶流域水資源承載力評價(jià)

陳 麗,周 宏

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)調(diào)查研究院,湖北 武漢 430074)

水資源是國家可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，也是生態(tài)環(huán)境建設(shè)的基礎(chǔ)資源，習(xí)近平總書記在全國生態(tài)環(huán)境保護(hù)大會上發(fā)表重要講話時(shí)強(qiáng)調(diào)，建立統(tǒng)一的空間規(guī)劃體系和協(xié)調(diào)有序的國土開發(fā)保護(hù)格局，嚴(yán)守生態(tài)保護(hù)紅線等措施對于生態(tài)環(huán)境的開發(fā)和利用至關(guān)重要。隨著我國步入重視生態(tài)環(huán)境的新時(shí)代，“雙評價(jià)”工作成為了國土空間規(guī)劃的基礎(chǔ)?！半p評價(jià)”是針對水、土地與土壤、氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)與生物多樣性能源資源、環(huán)境災(zāi)害等單要素的評價(jià)，由此判斷資源是否科學(xué)布局，是否合理和高效利用，最終服務(wù)于國土空間規(guī)劃以及“三區(qū)三線”的劃定。然而，無論是生態(tài)保護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是城鎮(zhèn)建設(shè)，都離不開水資源。因此，水資源承載力評價(jià)已經(jīng)成為區(qū)域水資源合理開發(fā)與利用的重要標(biāo)準(zhǔn)，研究水資源承載力對水資源的開發(fā)利用、對分析水資源在社會經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)環(huán)境發(fā)展方面的承載能力、對實(shí)現(xiàn)水資源合理配置都具有重大的意義。

水資源承載力是指在一定的發(fā)展水平下，以社會經(jīng)濟(jì)與自然環(huán)境可持續(xù)發(fā)展為基礎(chǔ)，通過對水資源進(jìn)行科學(xué)、合理配置和優(yōu)化，區(qū)域水資源可維持的最大人口和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模。水資源承載力評價(jià)方法研究在汲取了相關(guān)學(xué)科及最新成果后得到了進(jìn)一步的拓展，通過對前人研究成果的歸納和總結(jié)，將其大致分為三類：經(jīng)驗(yàn)估算法、指標(biāo)體系評價(jià)法和復(fù)雜系統(tǒng)分析法。其中，經(jīng)驗(yàn)估算法包括背景分析法、常規(guī)趨勢法；指標(biāo)體系評價(jià)法包括層次分析法、模糊綜合評價(jià)法、灰色關(guān)聯(lián)法、主成分分析法等；復(fù)雜系統(tǒng)分析法主要指系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法。

相較于國外，我國的水資源承載力研究起步較晚，但相關(guān)研究發(fā)展迅速。我國學(xué)者從水資源承載力的概念和內(nèi)涵出發(fā)，針對不同區(qū)域的水資源特點(diǎn)進(jìn)行了水資源承載力評價(jià)，但現(xiàn)有水資源及承載力評價(jià)方法仍存在以下不足：①巖溶區(qū)水資源承載力評價(jià)除貴州個(gè)別案例外，其他地區(qū)少有研究；②評價(jià)方法多采用集總參數(shù)方式，缺少針對巖溶區(qū)水資源時(shí)空分布不均特征的評價(jià)方法，導(dǎo)致評價(jià)結(jié)果與實(shí)際不符。

由于影響水資源承載力的因素較多，為了全面、客觀地對水資源承載力的真實(shí)狀況進(jìn)行評價(jià)，本文以湖北省宜昌市長陽縣為研究區(qū)，計(jì)算研究區(qū)的水資源量，并選取模糊綜合評價(jià)法和主成分分析法對研究區(qū)的水資源承載力進(jìn)行評價(jià)，對兩種評價(jià)方法的評價(jià)結(jié)果進(jìn)行對比，以獲得更適合巖溶流域水資源承載力的評價(jià)方法，為提高當(dāng)?shù)厮Y源承載力和當(dāng)?shù)貒量臻g規(guī)劃提供依據(jù)，以期能為西南巖溶流域的水資源承載力評價(jià)提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

長陽縣位于鄂西南清江中下游(見圖1)。境內(nèi)地勢西高東低，光照充足，雨量豐富。長陽縣境內(nèi)的河流數(shù)量多，除清江外，全縣有河流436條。屬于清江流域的河流有428條，其中清江的一級支流有60條，二級支流有173條，三級支流有141條，四級支流有54條。

圖1 長陽縣地理位置圖Fig.1 Location of Changyang County

長陽縣位于“長陽東西向構(gòu)造帶”，區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖地層占總面積的85%以上，碳酸鹽巖類水分布廣、富水性強(qiáng)，是典型的鄂西巖溶地貌。研究區(qū)處于區(qū)域水文地質(zhì)單元的茅田-柏楊向斜水文地質(zhì)單元的北西部，平面上總體呈北東向展布。北西側(cè)邊界為恩施紅色斷陷盆地邊緣線，南東側(cè)邊界大致以三疊系中統(tǒng)巴東組地層界線為界。本區(qū)地下水補(bǔ)徑排條件主要受含(隔)水層(組)、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、巖溶等因素控制。

長陽縣地下水的主要補(bǔ)給來源是大氣降雨，不同巖溶地貌條件和巖溶發(fā)育程度的降雨補(bǔ)給強(qiáng)度都有所不同。隔河巖、高家堰、高壩洲一帶主要為峰叢洼地地貌，峰叢間發(fā)育規(guī)模不等的溶蝕洼地和漏斗，入滲補(bǔ)給條件較好，降雨主要以片流匯入洼地，通過漏斗或落水洞進(jìn)入地下水。龍舟坪鎮(zhèn)、大堰鄉(xiāng)一帶為高原巖溶地貌和巖溶斜坡地貌的過渡地帶，為峰叢槽谷，降水以徑流形式直接匯入槽谷或洼地底部落水洞內(nèi)轉(zhuǎn)為地下徑流，部分地區(qū)還有碎屑巖區(qū)的外源水流入洞內(nèi)，降雨入滲條件非常好，大型暗河在該地方發(fā)育。

研究區(qū)地下水徑流方向主要受構(gòu)造控制，沿著構(gòu)造軸線方向流動(dòng)，總體流向由補(bǔ)給區(qū)指向排泄區(qū)。清江北岸的地下水總體從東北向西南方向徑流，清江南岸，地下水總體從西南向東北方向徑流。長陽復(fù)背斜以東地帶，在長陽復(fù)背斜及肖家隘背斜的控制下，地層展布方向呈東-西向，地下水順層流動(dòng)。在清江兩岸，清江的二級支流展布與構(gòu)造一致，與清江平行，自西向東流，在清江與支流間形成河間地塊，地下水往兩側(cè)河岸流動(dòng)，在接近排泄區(qū)表現(xiàn)為以巖溶管道流為主的極強(qiáng)徑流區(qū)。含水介質(zhì)以巖溶管道和地下暗河為主，總體上也表現(xiàn)為由補(bǔ)給區(qū)指向排泄區(qū)，含水介質(zhì)極不均一，地下徑流速度快，地下水循環(huán)交替條件極好。

研究區(qū)地下水流系統(tǒng)的排泄基準(zhǔn)面是清江的二、三級支流，最終的排泄基準(zhǔn)面是清江。根據(jù)地下水成因類型劃分排泄方式可以分為：侵蝕型、接觸型、溢出型。受地形地貌的影響，在地形陡峭的斜坡區(qū)，地表河流小溪發(fā)育多，受到地形切割后地下水以巖溶泉的形式出現(xiàn)，然后再流入地表水匯集或者形成一條新的地表溪溝。在比較平緩的地區(qū)，巖溶地下水一般是以地下徑流的形式從泉點(diǎn)以及地下暗河排泄。

長陽縣隸屬宜昌市，轄區(qū)內(nèi)共有11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，5個(gè)居委會和154個(gè)行政村，截至2019年末，全縣總?cè)丝?85 884人，全縣完成地區(qū)生產(chǎn)總值159.38億元。長陽縣社會經(jīng)濟(jì)總體特征可以概括為“三低一高”，即人口密度低、城鎮(zhèn)化率低、農(nóng)村居民的可支配收入低、外出務(wù)工占比高。長陽縣境內(nèi)林地面積占比大，耕地少且不連片，居民居住點(diǎn)分散，經(jīng)濟(jì)發(fā)展以第一產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)為主，其中第一產(chǎn)業(yè)以傳統(tǒng)糧油為主，高山蔬菜、柑橘等特色農(nóng)業(yè)同步發(fā)展，第三產(chǎn)業(yè)以旅游業(yè)為主，旅游業(yè)發(fā)展迅猛。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

2.1.1 水資源量評價(jià)方法

地下水水資源評價(jià)方法有水均衡法、解析法、數(shù)值法、水文模型法等。本文利用2019年長陽縣地下水水資源量統(tǒng)測成果，圈畫泉域范圍，求取地下水徑流模數(shù)。利用地下水徑流模數(shù)推求地下水水資源量公式為

Q

=0

.

000 315 36×

M

×

F

(1)

式中：

Q

為地下水天然徑流量(×10m/a)；

M

為地下水徑流模數(shù)(L/s·km)；

F

為五級區(qū)面積(km)。

地下水平均徑流模數(shù)計(jì)算公式為

(2)

式中：

M

為地下水平均徑流模數(shù)(L/s·km)；

Q

、

Q

分別為豐水期和枯水期統(tǒng)測的地下水平均流量(m/s)；

A

為流域面積(km)。

該方法通過計(jì)算各泉域及其所在含水巖組的地下水徑流模數(shù)，計(jì)算地下水水資源量。

當(dāng)?shù)貐^(qū)降水量己知，且降水量與徑流量間關(guān)系密切時(shí)，可依據(jù)降雨量與徑流量間的定性關(guān)系計(jì)算徑流量，其計(jì)算公式為

R

=

a

·

P

(3)

式中：

R

為徑流量(mm)；

P

為降雨量(mm)；

a

為年徑流系數(shù)。

年徑流系數(shù)與研究區(qū)地形、地貌、植被等因素有關(guān)，可通過實(shí)驗(yàn)或參照省、地市《水文手冊》確定。當(dāng)計(jì)算地區(qū)的水文氣候及自然地理?xiàng)l件與鄰近控制站的相似時(shí)，采用相似流域年徑流系數(shù)法，即直接移用鄰近控制站的年徑流系數(shù)，根據(jù)計(jì)算地區(qū)的降水量、計(jì)算分區(qū)面積來推求計(jì)算分區(qū)的年徑流系數(shù)。長陽縣整體下墊面條件相似，年徑流系數(shù)采用高家堰站年徑流系數(shù)0.52作為整體年徑流系數(shù)。

2.1.2 水資源承載力評價(jià)方法

2.1.2.1 模糊綜合評價(jià)法

利用模糊綜合評價(jià)法對水資源承載力進(jìn)行評價(jià)的步驟如下：①確定評價(jià)指標(biāo)集

U

和評價(jià)等級

V

；②運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)評判法分析各評價(jià)指標(biāo)對評判結(jié)果的隸屬度，計(jì)算隸屬函數(shù)，構(gòu)建隸屬度矩陣

R

；③分別采用層次分析法和熵權(quán)法對系統(tǒng)層和指標(biāo)層各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，然后計(jì)算其綜合權(quán)重

W

；④將綜合權(quán)重

W

與隸屬度矩陣

R

進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算，得到綜合評級值

B

，并采用10分制對各等級取不同分值，Ⅰ級取值10、Ⅱ級取值5、Ⅲ級取值1，計(jì)算最終的綜合評分值。

2.1.2.2 主成分分析法

運(yùn)用主成分分析法對水資源承載力進(jìn)行評價(jià)的優(yōu)點(diǎn)是評價(jià)結(jié)果客觀，但缺點(diǎn)是評價(jià)指標(biāo)選取要求高、主成分難以取舍、評價(jià)結(jié)果不符合實(shí)際。本文運(yùn)用SPSS 25軟件對評價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)以及指標(biāo)數(shù)據(jù)閾值進(jìn)行主成分分析，其主要步驟是：①評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化；②計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣；③計(jì)算特征值和特征向量；④計(jì)算主成分的貢獻(xiàn)率；⑤計(jì)算主成分荷載；⑥計(jì)算主成分綜合得分值

Z

。為了便于與模糊綜合評價(jià)法的評價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較，需將最終的評分值歸一化處理。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)主要來源于中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目統(tǒng)測數(shù)據(jù)和長陽縣規(guī)劃局、長陽縣水利局等部門收集的資料，主要包括2014—2018年長陽縣水資源公報(bào)、2016—2020年長陽縣統(tǒng)計(jì)摘要、《長陽土家族自治縣城鄉(xiāng)總體規(guī)劃》等。

3 長陽縣水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系

3.1 評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建以及指標(biāo)的選取對于評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性具有重要意義。影響水資源承載力的主要因素有水資源稟賦及開發(fā)利用情況、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和生態(tài)環(huán)境狀態(tài)，故本文從水資源系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)4個(gè)系統(tǒng)層面，結(jié)合長陽縣實(shí)際狀況，借鑒前人在不同區(qū)域的研究成果，在遵循系統(tǒng)性、層次性、可操作性、動(dòng)態(tài)性和可比性原則的水文前提下，選取17個(gè)評價(jià)指標(biāo)，建立了長陽縣縣城和鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系，見表1和表2。由于長陽縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)級水資源承載力評價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的缺乏，其評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)使用其他具有相似性的指標(biāo)數(shù)據(jù)代替，且為了消除數(shù)據(jù)偶然性帶來的誤差，采用多年平均值進(jìn)行計(jì)算。

表1 長陽縣縣域水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系一覽表Table 1 Carrying capacity evaluation index system of water resources in Changyang County

表2 長陽縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力指標(biāo)體系一覽表Table 2 Carrying capacity evaluation index system of water resources of towns in Changyang County

3.2 評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)的確定

評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)值的確定是水資源承載力研究的重要內(nèi)容，其值大小的設(shè)定直接決定了水資源承載力所處的等級。本文參考國內(nèi)外已有水資源承載力評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，結(jié)合長陽縣的實(shí)際情況，將長陽縣水資源承載力評價(jià)指標(biāo)劃分為Ⅰ級(強(qiáng))、Ⅱ級(中等)、Ⅲ級(差)3個(gè)等級。Ⅰ級表示當(dāng)?shù)厮Y源具有強(qiáng)承載力，水資源還有較大的開發(fā)空間，水資源量可以支撐社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展；Ⅲ級表示當(dāng)?shù)厮Y源的承載力接近極限，水資源可開發(fā)利用的潛力不足；Ⅱ級介于Ⅰ級與Ⅲ級之間，表示當(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)利用已有一定的規(guī)模，水資源量對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展有一定的保障，若采取合理的管理措施，可使當(dāng)?shù)厮Y源承載力有所提高。長陽縣水資源承載力評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)值的擬定原則如下：

(1) 參考已有的國家標(biāo)準(zhǔn)或國際指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，以及借鑒其他學(xué)者對水資源承載力評價(jià)指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)值的擬定。

(2) 對于沒有參考依據(jù)的評價(jià)指標(biāo)，根據(jù)評價(jià)指標(biāo)定義及專家打分法，并結(jié)合長陽縣的發(fā)展特征，合理確定評價(jià)指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)以上原則，確定長陽縣縣城和鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系中各評價(jià)指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)值，見表3和表4。

表3 長陽縣縣城水資源承載力評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)值Table 3 Classification standard values of carrying capacity evaluation indexes of water resources in Changyang County

表4 長陽縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)值Table 4 Classification standard values of carrying capacity evaluation indexes of water resources of towns in Changyang County

4 評價(jià)結(jié)果與分析

4.1 長陽縣水資源量評價(jià)結(jié)果與分析

根據(jù)本項(xiàng)目在長陽縣境內(nèi)的水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，計(jì)算了長陽縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水資源量，其結(jié)果見表5。

表5 長陽縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源量計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation results of water resources of towns in Changyang County

巖溶流域受地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性的影響，高程對水資源量的影響程度較大，海拔越高的地區(qū)，地下水埋藏深度大，取用條件也越苛刻，真正可利用的水資源量越少。本文參考王宇對巖溶高原地下水徑流系統(tǒng)垂向分帶的研究結(jié)果，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性等特點(diǎn)，將研究區(qū)的地下水分為4個(gè)垂直分帶，即表層巖溶帶、垂向徑流帶、潛水-承壓水循環(huán)帶和區(qū)域循環(huán)帶(見圖2)。

圖2 巖溶地區(qū)補(bǔ)徑排模式圖Fig.2 Model of recharge runoff discharge in karst area

利用ArcGIS的空間分析功能，計(jì)算每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)在不同高程上分布的面積。根據(jù)本項(xiàng)目在長陽縣內(nèi)的統(tǒng)測數(shù)據(jù)，挑選不同高程區(qū)間范圍內(nèi)流速為<0.1 L/s、0.1～1 L/s、1～5 L/s、5～20 L/s、20～50 L/s、>50 L/s的泉點(diǎn)圈定泉域范圍計(jì)算徑流模數(shù)，得到不同高程范圍內(nèi)的徑流模數(shù)平均值，見表6。結(jié)合長陽縣在不同分帶內(nèi)的面積數(shù)據(jù)，計(jì)算垂向上的水資源量，結(jié)果見表7。

表6 長陽縣不同高程區(qū)間徑流模數(shù)平均值Table 6 Average of runoff modulus in different elevations in Changyang County

表7 長陽縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)垂向水資源量計(jì)算結(jié)果Table 7 Calculation results of water resources of towns in Changyang County

根據(jù)對長陽縣的水資源量評價(jià)結(jié)果可知，長陽縣的水資源量還存在以下幾個(gè)問題：

(1) 水資源空間分布不均、利用率低。長陽縣水資源依然匱乏，尤其是由于空間上的分布不均，使得很多地區(qū)缺水嚴(yán)重。同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的逐步城鎮(zhèn)化，對水資源的需求越來越大，但是水資源的供應(yīng)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后，導(dǎo)致供需矛盾加劇。

(2) 垂向上水資源量差異大。巖溶流域由于特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，地形高差大，地下水垂向上分布差異大。根據(jù)垂向上的評價(jià)結(jié)果顯示，平均海拔較高的火燒坪鄉(xiāng)、賀家坪鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的垂向水資源量明顯比常規(guī)評價(jià)方法得出的水資源量少，而平均海拔較低的龍舟坪鎮(zhèn)、磨市鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的垂向水資源量明顯大于常規(guī)評價(jià)方法得出的水資源量。這說明在巖溶流域，高程對于水資源分布的影響程度較大，海拔越高的地區(qū)，地下水埋藏深度大，取用條件也越苛刻，真正可利用的水資源量就越少，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注高海拔地區(qū)居民的用水情況。

(3) 水域面積大、污染源多、保護(hù)困難。長陽縣境內(nèi)的大小河流共計(jì)428條，最終都匯流到清江。清江橫穿長陽縣，在長陽縣修建的隔河巖大壩為長陽縣隔出了兩個(gè)大“水庫”，治理和管理難度大。上游來水主要來自于清江干流，水體在進(jìn)入長陽縣境內(nèi)前就已經(jīng)被嚴(yán)重污染，研究區(qū)長年開采錳礦、煤礦、鐵礦等產(chǎn)生的工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)化肥污染以及網(wǎng)箱養(yǎng)殖和生活污水等廢水都加重了水體的污染程度。

(4) 水生態(tài)受污染速度加快、修復(fù)緩慢。長陽縣水域面積大，水源來源廣，錳礦、煤礦、鐵礦等礦產(chǎn)發(fā)達(dá)，部分未經(jīng)處理的生活污水、工業(yè)廢水等廢棄物排入河中，且占用河道、填占水域的現(xiàn)象禁而不止。

4.2 水資源承載力評價(jià)結(jié)果與分析

4.2.1 模糊綜合評價(jià)法評價(jià)結(jié)果與分析

采用層次分析法，從系統(tǒng)層到指標(biāo)層自上而下進(jìn)行評價(jià)指標(biāo)重要性排序，為了確保評價(jià)指標(biāo)之間的相對重要性分值合理，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，確保

CR

<0.1。同時(shí)，為了確保評價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定的相對客觀性，采用熵權(quán)法對上述評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析得到熵權(quán)法權(quán)重，并與層次分析法確定的評價(jià)指標(biāo)權(quán)重相結(jié)合，得到評價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重。根據(jù)隸屬度計(jì)算公式計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)在3個(gè)不同承載力等級下的隸屬度值并結(jié)合評價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重，計(jì)算得到2015—2019年長陽縣縣域和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水資源承載力的綜合評分值，見表8和表9。

表8 2015—2019年長陽縣縣域水資源承載力模糊綜合評分值Table 8 Fuzzy comprehensive scores of carrying capacity of water resources in Changyang County in 2015-2019

表9 2015—2019年長陽縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力模糊綜合評分值Table 9 Fuzzy comprehensive scores of carrying capacity of water resources of towns in Changyang County in 2015-2019

4.2.1.1 縣域水資源承載力模糊綜合評價(jià)結(jié)果

由表8可知：2015—2019年，長陽縣的水資源承載力隸屬度最大值均處于中等，除2016年外的其他年份綜合評分值均大于5，故長陽縣2015—2019年水資源承載能力處于中等水平。2016年水資源承載力相比于2015年呈下降趨勢，原因是人均生活用水量增加，且人均GDP、第一產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)GDP占總GDP的比重均有所提高，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度增加，但水資源和生態(tài)環(huán)境沒有得到較好的保護(hù)和發(fā)展。2017年和2018年水資源承載力綜合評分值達(dá)到5年內(nèi)最高，原因是單位面積水資源量、人均可利用水資源量、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率和生態(tài)環(huán)境用水率相比于2016年大幅增加，而水資源開發(fā)利用率、GDP增長率相較于其他幾年較低。2019年水資源承載力相較于前兩年有所下降，主要是因?yàn)?019年單位面積水資源量、人均可利用水資源量和森林覆蓋率下降；與此同時(shí)，水資源開發(fā)利用率、人均生活用水量、第三產(chǎn)業(yè)GDP占總GDP比重等增加，社會經(jīng)濟(jì)用水量增加但水資源量減少，導(dǎo)致水資源承載力綜合評分值下降。

4.2.1.2 鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力模糊綜合評價(jià)結(jié)果

由表9可知：長陽縣大堰鄉(xiāng)、都鎮(zhèn)灣鎮(zhèn)、榔坪鎮(zhèn)、磨市鎮(zhèn)、鴨子口鄉(xiāng)、資丘鎮(zhèn)的水資源承載力綜合評分值位于6～8之間，水資源承載力處于中等偏高水平；高家堰鎮(zhèn)、火燒坪鄉(xiāng)、龍舟坪鎮(zhèn)的水資源承載力綜合評分值在5～6之間，水資源承載力處于中等水平；賀家坪鎮(zhèn)和漁峽口鎮(zhèn)的水資源承載力綜合評分值在4～5之間，水資源承載力處于中等偏低水平。

長陽縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源模糊綜合評價(jià)空間分布圖，見圖3。

圖3 2015—2019年長陽縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力模糊綜合評價(jià)空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of the fuzzy comprehensive evaluation of carrying capacity of water resources of towns in Changyang County in 2015-2019

各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力存在差異的原因主要有以下幾點(diǎn)：一是地下水取用深度不同。受到復(fù)雜巖溶地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌的干擾，長陽縣的水資源分布在時(shí)間和空間上都存在差異，從垂向上分析，整體海拔較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水資源量要比平均海拔低的鄉(xiāng)鎮(zhèn)少，地下水取用深度過大降低了水資源的可開發(fā)利用量。二是財(cái)政收入和生態(tài)環(huán)境修復(fù)能力差異。巖溶區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜且山高林深，造成高海拔地區(qū)人煙稀少、經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后，社會經(jīng)濟(jì)對水資源的壓力相對較低，生態(tài)環(huán)境的自身修復(fù)也較快。三是人口密度不同。人口聚集的區(qū)域普遍具有海拔低、地勢平坦的特點(diǎn)，人口聚集密度大、經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速增加了水資源承載壓力，生態(tài)環(huán)境的修復(fù)能力退化，最終導(dǎo)致水資源承載力變差。

4.2.2 主成分分析法評價(jià)結(jié)果與分析

使用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對長陽縣縣域和鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力原始評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，得到因子的主成分特征值及貢獻(xiàn)率，選取前3個(gè)主成分進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到主成分荷載矩陣，然后計(jì)算2015—2019年長陽縣縣域和鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力的綜合評分值，其結(jié)果見表10和表11。

表10 2015—2019年長陽縣縣域水資源承載力主成分分析綜合評分值Table 10 Comprehensive scores of main components for carrying capacity of water resources in Changyang County in 2015-2019

表11 2015—2019年長陽縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力主成分分析綜合評分值Table 11 Comprehensive scores of main components for carrying capacity of water resources of towns- in Changyang County in 2015-2019

4.2.2.1 縣域水資源承載力主成分分析評價(jià)結(jié)果

主成分得分值的正負(fù)僅表示水資源承載力所處的相對位置，負(fù)值表示該年的水資源承載力處于平均水平以下，正值說明該年份水資源承載力處于平均水平以上。其得分值越大，水資源承載力越大。2015—2019年長陽縣水資源承載力主成分分析綜合評分趨勢圖，見圖4。

圖4 2015—2019年長陽縣縣域水資源承載力主成分分析 綜合評分趨勢圖Fig.4 Trend of comprehensive scores of main components for carrying capacity of water resources in Changyang County in 2015-2019

由圖4可以看出，由于各主成分貢獻(xiàn)率不同，使其對綜合評分值的影響不同。其中，第一主成分貢獻(xiàn)率為62.19%，說明長陽縣的水資源承載力受水資源開發(fā)利用率、社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境平衡等因素的影響較大；第二主成分貢獻(xiàn)率為22.011%，主要影響因子是人均可利用水資源量和單位面積水資源量，因此2015—2019年的綜合得分值變化幅度與單位面積水資源量和人均可利用水資源量的變化趨勢相同；第三主成分貢獻(xiàn)率為 10.844%，整體呈上升趨勢但在2018年下降，原因是第三主成分主要與生態(tài)環(huán)境因素有關(guān)，2015—2017年長陽縣生態(tài)環(huán)境用水率持續(xù)增加，水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率持續(xù)增大，而2018年的水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率和生態(tài)環(huán)境用水率相較于2017年均有所下降，所以導(dǎo)致2018年的水資源承載力下降。

利用SPSS軟件分析長陽縣縣域水資源承載力評價(jià)指標(biāo)分級數(shù)據(jù)，得到縣域水資源承載力主成分分析綜合得分值的閾值范圍

Z

=(1.213，-1.213)。將長陽縣2015—2019年水資源承載力的綜合評分值與水資源承載力主成分分析綜合得分的閾值進(jìn)行比較，得到2015—2019年長陽縣水資源承載力主成分分析評價(jià)結(jié)果，見圖5。

圖5 2015—2019年長陽縣縣域水資源承載力主成分 分析法評價(jià)結(jié)果Fig.5 Carrying capacity evaluation result of water resources in Changyang County in 2015-2019 by the Principle Component Analysis method

由圖5可知:2015—2019年長陽縣縣域水資源承載力綜合評分處于Ⅱ級，水資源承載力處于中等水平。其綜合評分值總體呈下降趨勢，主要原因是第一主成分中社會經(jīng)濟(jì)相關(guān)因子的權(quán)重占比較大，隨著長陽縣經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人口的不斷增長，對水資源的需求也逐年增加，這在一定程度上加大了水資源的承載壓力。

4.2.2.2 鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力主成分分析評價(jià)結(jié)果

利用SPSS軟件分析長陽縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力評價(jià)指標(biāo)分級數(shù)據(jù)，得到鄉(xiāng)鎮(zhèn)級水資源承載力主成分分析綜合評分值的閾值范圍

Z

=(2.449，-2.449)。將長陽縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水資源承載力的綜合評分值與水資源承載力主成分分析綜合得分的閾值進(jìn)行比較，得到2015—2019年長陽縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力主成分分析評價(jià)結(jié)果，見圖6；2015—2019年長陽縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力主成分分析綜合評價(jià)空間分布圖，見圖7。

圖6 2015—2019年長陽縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力主成分 分析法評價(jià)結(jié)果Fig.6 Carrying capacity evaluation result of water resources of towns in Changyang County in 2015-2019 by the Principle Component Analysis method

由圖6和圖7可知：各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力綜合評分均處于Ⅱ級，雖然各鄉(xiāng)鎮(zhèn)所處等級相同，但仍存在差異;賀家坪鎮(zhèn)、火燒坪鄉(xiāng)、龍舟坪鎮(zhèn)和漁峽口鎮(zhèn)的水資源承載力處于中等偏低水平，大堰鄉(xiāng)、都鎮(zhèn)灣鎮(zhèn)、高家堰鎮(zhèn)、榔坪鎮(zhèn)、鴨子口鄉(xiāng)和資丘鎮(zhèn)的水資源承載力處于中等偏高水平，磨市鎮(zhèn)處于平均水平。其主要原因是各鄉(xiāng)鎮(zhèn)財(cái)政收入不一、人口分布密度不同、地下水取用深度差異大，生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力有區(qū)別所造成的。龍舟坪鎮(zhèn)是長陽縣的中心，人口密度和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于長陽縣其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)，因此水資源承載的壓力最大；漁峽口鎮(zhèn)的人口密度排在11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中的第四位，財(cái)政收入中等，人均可利用水資源量較大，但是其地下水取用深度過大，導(dǎo)致水資源的開發(fā)利用受到限制，從而影響水資源承載能力；賀家坪鎮(zhèn)和火燒坪鎮(zhèn)雖然人口密度不大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展也不靠前，但是海拔較高，地下水的取用深度制約了水資源的開發(fā)利用率，從而影響了水資源承載能力。大堰鄉(xiāng)、都鎮(zhèn)灣鎮(zhèn)、高家堰鎮(zhèn)、榔坪鎮(zhèn)、資丘鎮(zhèn)和鴨子口鄉(xiāng)的整體海拔相對較低，水資源總量大，森林覆蓋面積廣，人口密度比龍舟坪鎮(zhèn)和漁峽口鎮(zhèn)低，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平也不高，因此其水資源承載力較高；磨市鎮(zhèn)水資源量略低于平均水平，人口密度高、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高、森林覆蓋率中等，但地下水取用深度淺，水資源利用潛力大，承載能力中等。

圖7 2015—2019年長陽縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力主成分分析綜合評價(jià)空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of comprehensive score of main components for carrying capacity of water resources of towns in Changyang County in 2015-2019

4.3 兩種評價(jià)方法評價(jià)結(jié)果的對比

4.3.1 長陽縣縣域水資源承載力評價(jià)結(jié)果的對比

將2種評價(jià)方法的2015—2019年長陽縣縣域水資源承載力評價(jià)結(jié)果進(jìn)行對比，其結(jié)果見表12和圖8。

表12 2015—2019年長陽縣縣域水資源承載力2種評價(jià)方法的綜合評分結(jié)果對比Table 12 Comparison of comprehensive evaluation result of carrying capacity of water resources in Changyang County in 2015-2019 between two evaluation methods

圖8 2015—2019年長陽縣縣域水資源承載力2種評價(jià) 方法的評價(jià)綜合評分趨勢圖Fig.8 Trend of comprehensive scores of carrying capacity of water resources in Changyang County in 2015- 2019 by two evaluation methods

由表12和圖8可知：2種評價(jià)方法的2015—2019年長陽縣縣域水資源承載力評價(jià)結(jié)果均是Ⅱ級，說明長陽縣的水資源承載力現(xiàn)狀較好，基本可以滿足長陽縣發(fā)展的需要；從綜合評分值來看，模糊綜合評價(jià)法得出的綜合評分值除2016年外從2015—2018年逐年上升，隨后在2019年有所下降，而主成分分析法評出的綜合評分值從2015—2019年呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢。

對存在差異的原因進(jìn)行分析可知:在模糊綜合評價(jià)中,水資源稟賦和生態(tài)環(huán)境的隸屬度最大值所處區(qū)間整體要優(yōu)于社會經(jīng)濟(jì)的隸屬度最大值所處區(qū)間，所以模糊綜合評價(jià)的綜合評分值趨勢和生態(tài)環(huán)境以及水資源稟賦相關(guān)指標(biāo)的趨勢整體相近；而在主成分分析中，第一主成分占比62.19%，雖然與水資源、社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的相關(guān)性都很大，但主要是以社會經(jīng)濟(jì)為主導(dǎo)，所以主成分分析法的綜合評分值與長陽縣的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢呈負(fù)相關(guān)，隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，水資源的承載力越來越小。

4.3.2 長陽縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力評價(jià)結(jié)果的對比

將2種評價(jià)方法的2015—2019年長陽縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力評價(jià)結(jié)果進(jìn)行對比，其結(jié)果見表13和圖9。

表13 2015—2019年長陽縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力2種評價(jià)方法的綜合評分結(jié)果的對比Table 13 Comparison of comprehensive evaluation result of carrying capacity of water resources of towns in Changyang County in 2015-2019 between two evaluation methods

圖9 2015—2019年長陽縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力2種評價(jià)方法的綜合評價(jià)空間分布圖Fig.9 Spatial distribution of comprehensive evaluation of carrying capacity of water resources of towns in Changyang County in 2015-2019 between two evaluation methods

由表13和圖9可知：模糊綜合評價(jià)法和主成分分析法的評價(jià)結(jié)果均是Ⅱ級，說明長陽縣的水資源承載力現(xiàn)狀較好，基本可以滿足長陽縣發(fā)展的需要；榔坪鎮(zhèn)、資丘鎮(zhèn)、大堰鄉(xiāng)、都鎮(zhèn)灣鎮(zhèn)和磨市鎮(zhèn)的模糊綜合評價(jià)結(jié)果處于中等偏高水平，榔坪鎮(zhèn)、資丘鎮(zhèn)和大堰鄉(xiāng)的主成分分析綜合評價(jià)結(jié)果處于中等水平，都鎮(zhèn)灣鎮(zhèn)和磨市鎮(zhèn)的主成分分析綜合評價(jià)結(jié)果處于中等偏低水平；火燒坪鎮(zhèn)和龍舟坪鎮(zhèn)的模糊綜合評價(jià)結(jié)果處于中等水平，但其主成分分析的綜合評價(jià)結(jié)果處于中等偏低水平；高家堰鎮(zhèn)的模糊綜合評價(jià)結(jié)果處于中等水平，但其主成分分析的綜合評價(jià)結(jié)果處于中等偏高水平。

對2種評價(jià)方法得到的評價(jià)結(jié)果存在差異的原因進(jìn)行分析可知：由于2種評價(jià)方法賦予各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重不同，因此導(dǎo)致最終的評價(jià)結(jié)果不同。2種評價(jià)方法評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的對比見表14。

由表14可知：在模糊綜合評價(jià)法中，水資源系統(tǒng)中的地下水開發(fā)利用和水資源稟賦條件相關(guān)指標(biāo)權(quán)重占比較大，對水資源承載能力影響也較大；但在主成分分析法中，代表著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的人口密度和財(cái)政收入指標(biāo)與水資源承載能力的相關(guān)性更大。

表14 2種評價(jià)方法評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的對比Table 14 Weight comparison between two evaluation methods

因此，長陽縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)模糊綜合評價(jià)法的綜合評分值變化趨勢與地下水取用深度的變化趨勢呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與權(quán)重相對較大的森林覆蓋率和人均可利用水資源量變化趨勢基本一致；長陽縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)主成分分析法綜合評分值的變化趨勢則與人口密度和財(cái)政收入的變化呈相反趨勢(見圖10和圖11)。

圖10 2015—2019年長陽縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力各評價(jià)指標(biāo)變化趨勢圖Fig.10 Trend of each index for carrying capacity of water resources of towns in Changyang County in 2015-2019

圖11 2015—2019年長陽縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力2種 評價(jià)方法的綜合評分趨勢圖Fig.11 Trend of comprehensive score of carrying capacity of water resources of towns in Changyang County in 2015-2019

模糊綜合評價(jià)法在確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重時(shí)同時(shí)使用了層次分析法和熵權(quán)法，既能主觀地反映研究區(qū)的實(shí)際情況，也能運(yùn)用客觀的方法加以約束，避免主觀臆測，最終的評價(jià)結(jié)果也比較細(xì)致、準(zhǔn)確，不僅可以得出目標(biāo)層水資源承載力的綜合承載狀況， 較全面地呈現(xiàn)出水資源承載力各系統(tǒng)層的承載狀況，能夠清晰地從水資源、社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)層面分析影響水資源承載力的變化原因；主成分分析法在評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定上雖然客觀，但過分依賴數(shù)據(jù)本身，對評價(jià)指標(biāo)的選取要求較高，所以導(dǎo)致最終的評價(jià)結(jié)果不太符合實(shí)際而且單一，僅能得出目標(biāo)層的承載力綜合狀況。因此，本文更建議采用模糊綜合評價(jià)法來進(jìn)行巖溶流域的水資源承載力評價(jià)。

4.4 提高長陽縣水資源承載力的建議

根據(jù)本項(xiàng)目前期在長陽縣的實(shí)地調(diào)查結(jié)果，龍舟坪鎮(zhèn)地勢低、清江橫穿境內(nèi)，整體水資源量和水資源開發(fā)利用條件較好。但作為長陽縣的城中心，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展快、人口密集，水資源承載能力經(jīng)受著巨大考驗(yàn)；火燒坪鄉(xiāng)整體地勢較高，人口密度小，生態(tài)環(huán)境好，是長陽縣的高山蔬菜種植基地，但在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水主要是靠儲蓄雨水或者卡車運(yùn)輸，需要通過加強(qiáng)水資源的開發(fā)利用來提高水資源承載能力；高家堰鎮(zhèn)的地表水資源量和地下水資源量均比較豐富，人口密度中等，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對較為迅速，但是該地區(qū)水資源的開發(fā)利用率較低；賀家坪鎮(zhèn)整體海拔中等偏高，鎮(zhèn)中心人口聚集，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，但該地區(qū)地表水和地下水資源比較缺乏，居民日常生活用水相對匱乏，時(shí)常出現(xiàn)斷水現(xiàn)象。總的來說，對照本項(xiàng)目在長陽縣的實(shí)地調(diào)查情況，模糊綜合評價(jià)法的評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況較符合，評價(jià)結(jié)果合理、可靠。針對本文評價(jià)結(jié)果，提出以下提高長陽縣水資源承載力的幾點(diǎn)建議：

(1) 針對水資源系統(tǒng)，建議提高水資源開發(fā)利用率，關(guān)注海拔較高地區(qū)的居民用水情況，協(xié)調(diào)好水資源豐富地區(qū)與貧乏地區(qū)的用水，可通過建設(shè)蓄水工程集蓄豐水期的水來解決因時(shí)空差異而出現(xiàn)的缺水現(xiàn)象，進(jìn)而提高長陽縣水資源合理開發(fā)配置能力。

(2) 針對社會系統(tǒng)，建議提高居民的節(jié)水意識，提高水資源的重復(fù)利用率。

(3) 針對經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，建議加強(qiáng)水資源消耗的過程管理，盡量做到少浪費(fèi)。同時(shí)，完善城市污水處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)污水資源化，減少生態(tài)環(huán)境污染，從而緩解城市用水壓力。另外，長陽縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模大，應(yīng)避免在灌溉上造成大量水資源浪費(fèi)，建議大力開發(fā)和采用節(jié)水灌溉技術(shù)與先進(jìn)的灌溉設(shè)備，實(shí)行定額灌水來有效提高長陽縣水資源承載力。

(4) 針對生態(tài)系統(tǒng)，一方面要加強(qiáng)水土保持工作，避免山坡林地的荒漠化，另一方面應(yīng)該加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境治理，整治污染河段，保護(hù)水源地，從而提高水質(zhì)。

5 結(jié) 論

(1) 本文構(gòu)建了長陽縣縣域尺度和鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度兩個(gè)評價(jià)指標(biāo)體系和評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算了長陽縣的水資源量，并采用模糊綜合評價(jià)法和主成分分析法對長陽縣水資源承載力進(jìn)行了評價(jià)。評價(jià)結(jié)果顯示，長陽縣2015—2019年的水資源承載力年際變化幅度雖然較大，但整體屬于Ⅱ級水平，水資源承載力處于中等水平。

(2) 長陽縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力均處于Ⅱ級水平，其中榔坪鎮(zhèn)、資丘鎮(zhèn)、大堰鄉(xiāng)、都鎮(zhèn)灣鎮(zhèn)、鴨子口鄉(xiāng)和磨市鎮(zhèn)水資源承載力處于中等偏高水平；火燒坪鄉(xiāng)、高家堰鎮(zhèn)和龍舟坪鎮(zhèn)水資源承載力處于中等水平；漁峽口鎮(zhèn)和賀家坪鎮(zhèn)水資源承載力處于中等偏低水平。

(3) 本文評價(jià)結(jié)果對長陽縣的水資源可持續(xù)開發(fā)利用具有一定的借鑒意義。長陽縣未來應(yīng)實(shí)行嚴(yán)格的水資源管理制度，提高居民節(jié)水意識，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)水生態(tài)環(huán)境治理。

(4) 本文基于模糊綜合評價(jià)法的長陽縣水資源承載力評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況基本相符，表明模糊綜合評價(jià)法更適合巖溶地區(qū)的水資源承載力評價(jià)。