基于指標(biāo)概率分布的大灣區(qū)水資源承載力分析

陳 娟，王 森

(1.珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611；2.水利部珠江河口治理與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510611)

2019年2月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)實(shí)施《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》，要求進(jìn)一步提升粵港澳大灣區(qū)在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和對(duì)外開(kāi)放中的支撐引領(lǐng)作用。隨著大灣區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，水資源作為城市發(fā)展剛性約束，已成為帶動(dòng)或制約大灣區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。水資源是否承載城市發(fā)展需求，城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)、資源環(huán)境是否和諧發(fā)展，逐漸成為國(guó)內(nèi)聚焦的熱點(diǎn)問(wèn)題。吳盼等[1]對(duì)大灣區(qū)“9市+2區(qū)”近10年的社會(huì)經(jīng)濟(jì)與水資源現(xiàn)狀及其協(xié)同演化規(guī)律進(jìn)行分析研究得出水資源分布與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不協(xié)調(diào)。王波[2]對(duì)粵港澳大灣區(qū)西岸城市群水資源安全保障體系建設(shè)提出建議。胡培等[3]在粵港澳大灣區(qū)發(fā)展背景下對(duì)珠海市水資源保障進(jìn)行戰(zhàn)略研究。

水資源承載力指一定區(qū)域一定時(shí)段維系生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，水資源系統(tǒng)支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的最大規(guī)模[4]。目前，關(guān)于水資源承載力的評(píng)價(jià)方法有很多，例如金菊良等[5]采用聯(lián)系數(shù)與信息熵、聯(lián)系熵結(jié)合的方法對(duì)安徽省水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。李林漢等[6]采用層次分析法(AHP)對(duì)京津冀地區(qū)的水資源承載能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。陳海濤等[7]采用熵權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)河南省水資源承載能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，劉童等[8]構(gòu)建五元聯(lián)系數(shù)模型用于四川省水資源承載力動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。鑒于水資源承載力分析的復(fù)雜性和不確定性，本文提出指標(biāo)概率分布的水資源承載力分析模型，該方法簡(jiǎn)單，沒(méi)有復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算，方便各行業(yè)學(xué)者交流，且為得到更為準(zhǔn)確且適合研究區(qū)域的指標(biāo)權(quán)重本次采用組合權(quán)重。

近年來(lái)，系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度研究逐漸成為研究熱點(diǎn)。汪順生等[9]構(gòu)建河南省黃河流域水資源—經(jīng)濟(jì)—生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)模型。李波等[10]構(gòu)建黃河流域水-能源-環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度模型，綜合分析2010—2019年該流域水-能源-環(huán)境系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系及動(dòng)態(tài)演變特征。鄭江麗等[11]利用協(xié)同學(xué)原理構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)模型評(píng)估區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境與水資源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)程度。本文建立以水資源環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)2個(gè)子系統(tǒng)的水資源承載力指標(biāo)體系，在對(duì)體系整體做出評(píng)價(jià)的同時(shí)，對(duì)2個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行耦合協(xié)調(diào)分析，以期為大灣區(qū)水資源環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)提供參考。

1 指標(biāo)體系構(gòu)建

本文參閱已有的研究成果[12-14]，并結(jié)合大灣區(qū)水資源條件及開(kāi)發(fā)情況，構(gòu)建子系統(tǒng)-準(zhǔn)則層-指標(biāo)層三級(jí)指標(biāo)體系。將水資源環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)作為子系統(tǒng)，準(zhǔn)則層從水資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)4個(gè)方面考慮共14個(gè)指標(biāo)構(gòu)建水資源承載力指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。14個(gè)指標(biāo)中，產(chǎn)水模數(shù)、供水模數(shù)、人均水資源量、人均GDP、水土流失治理率、生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)6個(gè)指標(biāo)為正向指標(biāo)，其他8個(gè)指標(biāo)為負(fù)向指標(biāo)。

表1 水資源承載力指標(biāo)體系及指標(biāo)含義

依據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，參考已有研究成果[15-16]，同時(shí)考慮大灣區(qū)水資源特點(diǎn)，將指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)分為5級(jí)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

續(xù)表1 水資源承載力指標(biāo)體系及指標(biāo)含義

表2 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 研究方法

2.1 指標(biāo)概率分布

本文擬采用概率統(tǒng)計(jì)學(xué)理論對(duì)其進(jìn)行研究。將樣本指標(biāo)值和標(biāo)準(zhǔn)值統(tǒng)一放一起考慮，采用水文學(xué)中常用的經(jīng)驗(yàn)頻率公式期望值公式[17]對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。在經(jīng)驗(yàn)公式中，正向指標(biāo)按從大到小順序排序，負(fù)向指標(biāo)按從小到大順序排序。

pij=ni/(Ni+1)

(1)

式中pij——指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值；ni——第i個(gè)指標(biāo)排序順序；Ni——第i個(gè)指標(biāo)樣本總個(gè)數(shù)。

(2)

式中Zi——綜合評(píng)價(jià)值；Wj——指標(biāo)權(quán)重。

2.2 指標(biāo)權(quán)重

組合權(quán)重的確定包含兩方面：①反映專(zhuān)家的偏好，主觀因素較大的主觀權(quán)重W1=(w1(1),w1(2),…,w1(m))，本次采用層次分析法，其計(jì)算可參考文獻(xiàn)[18]；②反映指標(biāo)所傳遞信息量大小的客觀權(quán)重W2=(w2(1),w2(2),…,w2(m))，本次采用熵權(quán)法，其計(jì)算可參考文獻(xiàn)[19]。

綜合W1和W2可以得到組合權(quán)重W=(w(1),w(2),…,w(m))。W與W1、W2均應(yīng)盡可能地接近，為此構(gòu)造如下最優(yōu)化模型[20]：

(3)

(4)

用Lagrange乘子法求解上述最優(yōu)化問(wèn)題得：

(5)

2.3 耦合協(xié)調(diào)度

本文涉及2個(gè)子系統(tǒng)，構(gòu)建水資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)耦合協(xié)調(diào)關(guān)系[21]，公式如下：

(6)

T=αY1+βY2

(7)

(8)

式中C——耦合度；D——協(xié)調(diào)度；T——綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；α、β——系統(tǒng)權(quán)重，這里取0.5。

0≤D≤1，D值越大，表明系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展程度越高。耦合協(xié)調(diào)度常分為10個(gè)等級(jí)[9,10,21]，每等級(jí)間隔0.1。本次考慮與指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)及已有研究[22-23]，將水資源環(huán)境-經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)度分為5個(gè)等級(jí)：0.8≤D≤1，優(yōu)良協(xié)調(diào)；0.6

3 實(shí)例分析

3.1 區(qū)域概況

大灣區(qū)位于廣東省東南部，地處珠江流域尾閭，由廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門(mén)、肇慶9個(gè)珠三角城市組成，總面積 5.5 萬(wàn) km2，是中國(guó)開(kāi)放程度最高、經(jīng)濟(jì)活力最強(qiáng)的區(qū)域之一。區(qū)域內(nèi)主要河流有西江、北江、東江及三角洲諸河流，西、北、東三江匯流進(jìn)入河網(wǎng)區(qū)，由虎門(mén)、磨刀門(mén)等八大口門(mén)出海。為了深入分析大灣區(qū)水資源承載力，以市為研究對(duì)象，所用數(shù)據(jù)來(lái)源于《2020年廣東省水資源公報(bào)》《2020年廣東省水土保持公報(bào)》《廣東省2019年生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)》《全省城市空氣和水環(huán)境質(zhì)量及排名情況》。

3.2 基于指標(biāo)概率分布水資源承載力分析

利用式(1)可計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化后的值，見(jiàn)表3。

表3 標(biāo)準(zhǔn)化后的值

本次計(jì)算主觀權(quán)重W1=(0.16,0.12,0.12,0.06,0.08,0.045,0.045,0.06,0.05,0.05,0.05,0.05,0.05)，客觀權(quán)重W2=(0.081,0.077 5,0.048 2,0.058 1,0.075 1,0.064,0.069 1,0.057 5,0.089 2,0.081 4,0.074 9,0.058 2,0.076 2)，組合權(quán)重W=(0.117 2,0.099 3,0.078 3,0.060 8,0.069 1,0.073 7,0.057 4,0.052 3,0.075 5,0.068 8,0.062 7,0.063,0.055 6,0.063 5)。

利用式(2)可計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值，見(jiàn)表4。

表4 水資源承載力計(jì)算結(jié)果

大灣區(qū)9個(gè)市水資源承載力大多位于Ⅲ級(jí)，佛山略高于Ⅲ級(jí)值，位于Ⅳ級(jí)。從9市排名看，從高到低依次為珠海、廣州、深圳、江門(mén)、惠州、中山、肇慶、東莞、佛山，即珠海最優(yōu)，佛山最差。在水資源方面，珠海最優(yōu)，產(chǎn)水模數(shù)達(dá)到Ⅰ級(jí)；佛山最差，產(chǎn)水模數(shù)、供水模數(shù)及人均水資源均為Ⅳ級(jí)。在環(huán)境方面，肇慶最優(yōu)，生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)達(dá)到Ⅰ級(jí)，水質(zhì)指數(shù)也最優(yōu)；佛山最差，水土流失治理率、生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)、水質(zhì)指數(shù)均較差。在經(jīng)濟(jì)方面，深圳最優(yōu)，萬(wàn)元GDP用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量、城鎮(zhèn)居民人均生活用水量均最優(yōu)；肇慶最差，耗水率、城鎮(zhèn)居民人均生活用水量均最差。在社會(huì)方面，肇慶最優(yōu)，常住人口密度、城鎮(zhèn)化率最低；東莞最差，常住人口密度最高。

3.3 耦合協(xié)調(diào)度分析

a)水資源環(huán)境子系統(tǒng)。水資源環(huán)境綜合指數(shù)見(jiàn)圖1。可以看出，珠海水資源環(huán)境綜合指數(shù)最高，珠海降雨量較多，過(guò)境水資源量豐富，通過(guò)水庫(kù)調(diào)蓄保障水庫(kù)水源充足，水資源本底較好；佛山水資源環(huán)境綜合指數(shù)最低，佛山市2020年降雨量低于珠海市，因處于三角洲網(wǎng)河區(qū)，主要依靠過(guò)境水資源量，水庫(kù)蓄水量有限。水資源環(huán)境綜合指數(shù)較高的城市有珠海、中山、江門(mén)，水資源環(huán)境綜合指數(shù)較低的城市有佛山、東莞、深圳。

圖1 大灣區(qū)水資源環(huán)境綜合指數(shù)

b)經(jīng)濟(jì)社會(huì)子系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)社會(huì)綜合指數(shù)見(jiàn)圖2。可以看出，珠海、深圳經(jīng)濟(jì)社會(huì)綜合指數(shù)基本相等，均為0.34；深圳的常住人口密度和城鎮(zhèn)化率最高，人均GDP最大，用水水平方面萬(wàn)元工業(yè)增加值、城鎮(zhèn)居民人均生活用水量是最小的，說(shuō)明深圳經(jīng)濟(jì)社會(huì)較發(fā)達(dá)，因水資源量有限，故在用水指標(biāo)上要求較高，用水水平在大灣區(qū)排名靠前；珠海經(jīng)濟(jì)、社會(huì)指數(shù)均位于中等水平；中山經(jīng)濟(jì)社會(huì)綜合指數(shù)最低，為0.20，中山除常住人口密度、耗水率、萬(wàn)元GDP用水量位于中等水平外，城鎮(zhèn)化率、人均GDP、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量、耕地實(shí)際灌溉畝均用水量、城鎮(zhèn)居民人均生活用水量均位于中下水平。經(jīng)濟(jì)社會(huì)綜合指數(shù)較高的城市有珠海、深圳、佛山，經(jīng)濟(jì)社會(huì)合指數(shù)較低的城市有中山、廣州、江門(mén)。

圖2 大灣區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)綜合指數(shù)

c)耦合協(xié)調(diào)度分析。大灣區(qū)9市耦合協(xié)調(diào)度計(jì)算見(jiàn)表5、圖3。佛山為中度失調(diào)，其他城市均為低度協(xié)調(diào)，這與前面水資源承載力計(jì)算結(jié)果基本吻合。

表5 耦合協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)結(jié)果

圖3 大灣區(qū)耦合協(xié)調(diào)度

從指標(biāo)體系及權(quán)重分析，水資源和經(jīng)濟(jì)方面所占的權(quán)重較大，環(huán)境和社會(huì)方面所占的權(quán)重較小，從而得出水資源狀況及水資源需求在水資源承載力研究中起重要作用。在保護(hù)好大灣區(qū)現(xiàn)有水資源條件的基礎(chǔ)上，控制好用水總量，提高用水效率。

4 結(jié)論

a)基于大灣區(qū)水資源特點(diǎn)構(gòu)建了水資源承載力指標(biāo)體系，利用指標(biāo)概率分布及耦合協(xié)調(diào)度分別對(duì)大灣區(qū)水資源承載力開(kāi)展綜合評(píng)價(jià)，兩方法相互驗(yàn)證。結(jié)果表明：大灣區(qū)9個(gè)市水資源承載力大多位于Ⅲ級(jí)，佛山略高于Ⅲ級(jí)值，位于Ⅳ級(jí)，珠海相對(duì)較優(yōu)，佛山相對(duì)較差；從內(nèi)部系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度分析，佛山為中度失調(diào)，其他城市均為低度協(xié)調(diào)。

b)大灣區(qū)雖地處南方豐水區(qū)，但水資源承載力有待進(jìn)一步提高，水資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展需進(jìn)一步加強(qiáng)。在水資源方面，結(jié)合各地水資源本底情況控制用水總量，合理配置水資源；在經(jīng)濟(jì)方面，優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高用水效率；在環(huán)境方面，做好截污限排，提高污染防治水平，加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)管；在社會(huì)方面，加強(qiáng)節(jié)約用水，提高全民節(jié)水意識(shí)。

c)基于指標(biāo)概率分布水資源承載力方法原理簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)潔，既能得到評(píng)價(jià)等級(jí)，也能得到排序，具有一定的推廣價(jià)值。