珠江流域水資源承載力評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

周雪欣，羅 昊

(珠江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，廣東 廣州 510635)

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生命之基。中國(guó)人多水少，水資源時(shí)空分布不均，與生產(chǎn)力布局不相匹配，破解水資源配置與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求不相適應(yīng)的矛盾，是新階段中國(guó)發(fā)展面臨的重大戰(zhàn)略問(wèn)題。水資源承載力的科學(xué)評(píng)價(jià)是水資源優(yōu)化配置和可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用的基礎(chǔ)和條件，對(duì)實(shí)現(xiàn)水資源空間均衡具有重要意義。

關(guān)于水資源承載力研究的文獻(xiàn)，以構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并進(jìn)行綜合測(cè)算最為豐富。從研究指標(biāo)來(lái)看，主要圍繞水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等四方面；從研究方法來(lái)看，主要運(yùn)用模糊綜合評(píng)判[1-2]、TOPSIS模型法[3-5]、主成分分析法[6-7]、PSR模型法[8-9]、生態(tài)足跡[10-11]、狀態(tài)空間法[12]、VIKOR法[13]等；從研究對(duì)象來(lái)看，主要集中在省域[3、4、8、12]、市域[2、7、13]、流域[1、6、14]、區(qū)域[10、15]層面。在珠江流域范圍內(nèi)，眾多學(xué)者已開(kāi)展相關(guān)研究，王菲等[16]從水量、水質(zhì)兩方面開(kāi)展粵港澳大灣區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)，李洋等[17]采用相對(duì)水資源承載力的研究方法對(duì)廣西區(qū)水資源承載力開(kāi)展研究，王萬(wàn)賓等[18]利用縣域地表水資源量及用水量數(shù)據(jù)估算云南省縣域水資源承載能力。此外，縣域水資源承載能力評(píng)價(jià)、第三次全國(guó)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)等工作成果，也為本研究提供了參考。

本研究以珠江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，構(gòu)建了包括水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等四方面的指標(biāo)體系，采用主客觀組合賦權(quán)TOPSIS模型法對(duì)流域水資源承載力進(jìn)行研究，并用熱點(diǎn)分析方法識(shí)別流域內(nèi)水資源承載高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，為完善流域水資源配置體系，促進(jìn)水資源空間均衡提供參考。

1 研究區(qū)概況

珠江是中國(guó)的七大江河之一，地理位置在東經(jīng)102°14′～115°53′、北緯21°31′～26°49′，由西江、北江、東江和珠江三角洲諸河組成，涉及云南、貴州、廣西、廣東、湖南、江西6省(自治區(qū))和香港、澳門特別行政區(qū)，總面積45.37萬(wàn)km2，其中中國(guó)境內(nèi)面積44.21萬(wàn)km2。本次研究范圍僅針對(duì)流域內(nèi)涉及的6省(自治區(qū))。

珠江流域地處熱帶、亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量豐沛。2018年流域水資源總量為3 358.63億m3，流域內(nèi)降水量分布極其不均，水資源總量空間變幅大。2018年流域6省(自治區(qū))總?cè)丝?.36億人，平均人口密度307人/km2，為全國(guó)平均人口密度2.1倍，地區(qū)生產(chǎn)總值10.93萬(wàn)億元，占同期全國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的12%。流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平極不平衡，水資源開(kāi)發(fā)利用程度不均，水資源供給與保障能力不足。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究涉及珠江流域6省(自治區(qū))46城的2018年水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等指標(biāo)數(shù)據(jù)，主要來(lái)源于各省統(tǒng)計(jì)年鑒及水資源公報(bào)。

2.2 研究方法

2.2.1指標(biāo)體系構(gòu)建

綜合考慮流域水資源特征、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況及生態(tài)環(huán)境等因素，選取13項(xiàng)指標(biāo)，從目標(biāo)層、標(biāo)準(zhǔn)層和指標(biāo)層3個(gè)層面構(gòu)建了水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，具體見(jiàn)表1。

表1 水資源承載力指標(biāo)體系

續(xù)表1 水資源承載力指標(biāo)體系

2.2.2指標(biāo)權(quán)重的確定

a)主觀權(quán)重。主觀權(quán)重采用序關(guān)系分析法確定，主要步驟如下。

步驟一專家對(duì)上述13項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)按照重要程度進(jìn)行排序：e1>e2>…>en，為相鄰指標(biāo)(ek-1與ek)的重要性程度之比rk賦值，賦值標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 rk賦值

步驟二計(jì)算相對(duì)重要度最低指標(biāo)的主觀權(quán)重：

(1)

式中n——評(píng)價(jià)指標(biāo)的總數(shù)。

步驟三推遞出其他指標(biāo)的主觀權(quán)重：

(2)

b)客觀權(quán)重?？陀^權(quán)重采用熵權(quán)法確定，主要步驟如下。

步驟一根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建原始矩陣：

(3)

步驟二評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理。正向指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化公式為：

(4)

負(fù)向指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化公式為：

(5)

式中xjmax——同指標(biāo)下所有樣本的最大值；xjmin——同指標(biāo)下所有樣本的最小值。

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理形成標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣Y=(bij)m×n。

步驟三計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的熵值。

(6)

(7)

步驟四計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的客觀權(quán)重。

(8)

c)組合賦權(quán)。各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重采用組合賦權(quán)法確定，常見(jiàn)的權(quán)重組合方法有加法和乘法合成2種方法。本文采用基于最小相對(duì)信息熵原理的乘法合成，具體計(jì)算方法如下：

(9)

2.2.3組合權(quán)重-TOPSIS評(píng)估模型

TOPSIS法是進(jìn)行多目標(biāo)分析的有效方法，其能充分利用原始數(shù)據(jù)的信息，精確反映各評(píng)價(jià)對(duì)象之間的聯(lián)系和差距。本文結(jié)合上述計(jì)算組合權(quán)重結(jié)果，采用組合權(quán)重-TOPSIS評(píng)估模型對(duì)流域各地市水資源承載力進(jìn)行評(píng)估。具體計(jì)算步驟如下。

結(jié)合組合權(quán)重及標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣，構(gòu)建加權(quán)決策矩陣：

Zij=wj×Yij

(10)

計(jì)算正負(fù)理想解：

(11)

(12)

計(jì)算各指標(biāo)與正負(fù)理想解的歐氏距離：

(13)

(14)

水資源承載指數(shù)使用樣本最優(yōu)解的相對(duì)貼近度表示，計(jì)算方法如下：

(15)

水資源承載指數(shù)Ai表示第i城市區(qū)域水資源承載力與最優(yōu)的水資源承載力的靠近程度，取值范圍為[0,1]，當(dāng)Ai越大時(shí)，表明評(píng)價(jià)對(duì)象越接近理想狀態(tài)，水資源承載力越優(yōu)，反之越差。

2.2.4水資源承載力等級(jí)劃分

自然間斷點(diǎn)分級(jí)法(jenks)是一種根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律分級(jí)和分類的統(tǒng)計(jì)方法，它能使類與類之間的不同最大化。為更直觀地反映流域內(nèi)各區(qū)域水資源承載力差異，在ArcGIS支持下采用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法(jenks)把流域內(nèi)各市水資源承載指數(shù)進(jìn)行分級(jí)，等級(jí)數(shù)值越小表示該區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用潛力越小，水資源壓力越大，用水越緊張。

2.2.5水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

a)全局空間自相關(guān)分析。為探究流域水資源承載力的整體空間分布特征，檢驗(yàn)各地市間水資源承載指數(shù)是否存在空間相關(guān)性，利用ArcGIS空間統(tǒng)計(jì)工具，采用空間自相關(guān)(Global Moran’s I)方法進(jìn)行分析。全局Moran’s I指數(shù)的取值范圍為[-1,1]，當(dāng)Moran’s I >0表示流域各地市水資源承載力分布具有集聚態(tài)勢(shì)，且值越大這種集聚態(tài)勢(shì)越明顯；Moran’s I <0表示流域各地市水資源承載力分布具有空間差異性，且值越小差異越明顯；Moran’s I =0時(shí)，說(shuō)明各地市水資源承載力分布具有隨機(jī)性。

b)熱點(diǎn)分析。水資源承載壓力大的地市具有高度集聚態(tài)勢(shì)，說(shuō)明周邊地區(qū)均面臨較大的水資源承載壓力，通過(guò)小區(qū)域引調(diào)水緩解水資源短缺較難實(shí)現(xiàn)，該區(qū)域可能出現(xiàn)水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)，需從流域?qū)用嫣崆爸\劃，多措并舉，合理調(diào)配水資源，確保供水安全。為進(jìn)一步測(cè)度水資源承載力局部空間聚類分布特征，更加準(zhǔn)確、直觀、具體地分析流域水資源承載力空間分布情況，排查水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)，在ArcGIS支持下開(kāi)展熱點(diǎn)分析(Getis-Ord Gi*)。熱點(diǎn)分析工具可對(duì)數(shù)據(jù)集中的每一個(gè)要素計(jì)算Gi*統(tǒng)計(jì)，在99%、95%、90%等不同顯著性水平上識(shí)別水資源承載指數(shù)空間聚集性顯著程度、類型及區(qū)域位置，高值聚集稱為熱點(diǎn)，低值聚集稱為冷點(diǎn)。由于水資源承載指數(shù)Ai越大代表水資源承載力越優(yōu)，因此冷熱點(diǎn)分析結(jié)果的解讀應(yīng)為高值集聚為水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)的冷點(diǎn)，低值聚集為水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)的熱點(diǎn)。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。計(jì)算結(jié)果顯示，權(quán)重排列前三的指標(biāo)分別為人均水資源占有量、產(chǎn)水模數(shù)、城鎮(zhèn)化率。水資源承載指數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。水資源承載指數(shù)平均值為0.504，標(biāo)準(zhǔn)差為0.09。借鑒冉啟智等[12]、李乃強(qiáng)等[19]提出的等級(jí)劃分方法，基于各地市水資源承載指數(shù)，以反映流域內(nèi)各區(qū)域水資源承載情況差異為目的，采用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法把流域內(nèi)各市水資源承載指數(shù)劃分為4級(jí)，具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。流域水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)劃分結(jié)果見(jiàn)圖1。

表3 各項(xiàng)指標(biāo)組合權(quán)重

續(xù)表4 流域內(nèi)各地市水資源承載指數(shù)計(jì)算結(jié)果

表5 水資源承載力等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖1 流域水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)劃分結(jié)果

3.2 流域水資源承載力分析

結(jié)果顯示，珠江流域整體水資源承載指數(shù)為0.504，水資源承載力級(jí)別為2級(jí)，表示流域整體水資源承載狀態(tài)一般，區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展仍處于水資源承載力的可載狀態(tài)。流域各區(qū)域水資源承載指數(shù)介于0.310～0.766，水資源承載狀況差異顯著，總體呈現(xiàn)中上游區(qū)域優(yōu)于上游、中下游區(qū)域的空間格局。按主要水系劃分，珠江流域分為西江、北江、東江及珠江三角洲諸河等4個(gè)區(qū)域，珠江三角洲諸河區(qū)域水資源承載力等級(jí)以1級(jí)為主，表示該區(qū)域面臨較大的水資源承載壓力，東江流域水資源承載狀況亦不容樂(lè)觀，水資源承載力等級(jí)以1級(jí)、2級(jí)居多，北江流域水資源承載狀況相對(duì)良好，水資源承載力等級(jí)以3級(jí)為主，西江流域整體水資源承載狀況相對(duì)良好，但流域內(nèi)各區(qū)域差異明顯，上游及中下游區(qū)域水資源承載力等級(jí)以2級(jí)為主，中上游水資源承載力等級(jí)達(dá)到3級(jí)。水資源承載指數(shù)最低的3個(gè)城市為深圳市、佛山市、廣州市，均位于珠江三角洲區(qū)域，3座城市發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，人口密度過(guò)高且增長(zhǎng)勢(shì)頭不減，給當(dāng)?shù)厮Y源承載帶來(lái)巨大壓力。

珠江流域水資源承載力差異顯著主要有兩大原因，一是流域內(nèi)降水量分布極其不均，導(dǎo)致流域內(nèi)水資源總量空間變幅大，總體上呈現(xiàn)出東西差異大、南北差異小、自東向西逐漸遞減的特點(diǎn)，流域西部地區(qū)水資源承載力較差正是由于地處河流上游源頭區(qū)，水資源稟賦條件差，開(kāi)發(fā)利用難度大；二是流域內(nèi)各區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，珠江三角洲區(qū)域城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，國(guó)土面積僅占流域6%，水資源總量?jī)H占流域10%，承載了流域35%的人口，創(chuàng)造了流域60%的GDP，西部上游區(qū)域是云南省工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)，城市較集中區(qū)域，而流域中西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)較為落后，雖然人均水資源占有量豐富，但用水效率不高，人均GDP遠(yuǎn)低于流域平均值，流域內(nèi)出現(xiàn)水資源短缺與浪費(fèi)使用并存現(xiàn)象。

3.3 水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

在ArcGIS支持下，對(duì)珠江流域水資源承載指數(shù)進(jìn)行空間自相關(guān)(Global Moran’s I)分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。結(jié)果顯示，流域水資源承載指數(shù)p值小于顯著性水平0.05，即置信度大于95%，z得分顯著大于臨界值2.58，Moran’s I指數(shù)為0.43，表明水資源承載指數(shù)呈現(xiàn)空間集聚趨勢(shì)。

表6 珠江流域水資源承載力全局Moran’s I及其檢驗(yàn)值

為進(jìn)一步測(cè)度水資源承載力局部空間聚類分布特征，從不同置信水平的角度識(shí)別水資源承載指數(shù)的區(qū)域高低值特征，對(duì)珠江流域水資源承載指數(shù)開(kāi)展冷熱點(diǎn)分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖2。從承載力高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域來(lái)看，處于熱點(diǎn)-99%置信程度的城市有5個(gè)，分別為深圳市、東莞市、廣州市、佛山市、中山市，處于熱點(diǎn)-95%置信程度的城市為惠州市，處于冷點(diǎn)-95%置信程度的城市為邵陽(yáng)市、懷化市，處于冷點(diǎn)-90%置信程度的城市為崇左市、防城港市、云浮市、永州市。分析結(jié)果顯示，流域絕大部份區(qū)域水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)不顯著，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域集中在珠江三角洲區(qū)域，該區(qū)域人口高度集聚，經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，水資源供需矛盾突出。未來(lái)，珠三角廣東區(qū)域?qū)⒓訌?qiáng)與港澳地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、文化交流，建成富有活力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的一流灣區(qū)和世界級(jí)城市群，勢(shì)必要求更高的水資源利用水平和效率，更強(qiáng)的水資源供給能力，以支撐區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展。流域西部玉溪市雖然水資源承載力等級(jí)低，但熱點(diǎn)分析計(jì)算結(jié)果顯示z得分為1.34，p值為0.18，不是具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的熱點(diǎn)，因此該區(qū)域水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)不顯著。

圖2 流域水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)熱點(diǎn)分析

為緩解流域水資源承載壓力，在“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路引領(lǐng)下，流域機(jī)構(gòu)連同相關(guān)省(自治區(qū))開(kāi)展《珠江“十四五”水安全保障規(guī)劃》《粵港澳大灣區(qū)水安全保障規(guī)劃》等規(guī)劃編制工作，提前謀劃，積極推進(jìn)珠江三角洲水資源配置工程、環(huán)北部灣水資源配置工程等一批標(biāo)志性的引調(diào)水骨干工程和重大水源工程，對(duì)提高流域水資源統(tǒng)籌調(diào)配能力和供水安全保障能力具有重要意義。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

流域整體水資源承載指數(shù)為0.504，水資源承載力級(jí)別為2級(jí)，流域整體水資源承載狀態(tài)一般。流域各區(qū)域水資源承載指數(shù)介于0.310～0.766，水資源承載狀況差異顯著，總體呈現(xiàn)中上游區(qū)域優(yōu)于上游、中下游區(qū)域的空間格局，其中珠江三角洲區(qū)域面臨較大的水資源承載壓力，東江流域水資源承載狀況亦不容樂(lè)觀。

流域水資源承載狀況分布具有高度集聚態(tài)勢(shì)，熱點(diǎn)分析結(jié)果顯示，流域絕大部份區(qū)域水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)不顯著，深圳市、東莞市、廣州市、佛山市、中山市等5個(gè)城市處于熱點(diǎn)-99%置信程度區(qū)間，為水資源承載力高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，均集中在珠江三角洲區(qū)域。

4.2 討論

由于水資源系統(tǒng)本身的復(fù)雜性、隨機(jī)性和模糊性以及影響水資源承載能力因素的多方面性、多層次性等，學(xué)術(shù)界對(duì)水資源承載力的內(nèi)涵與表征尚有分歧，水資源承載力相關(guān)研究必然還存在諸多科學(xué)問(wèn)題有待明晰。

本研究參考眾多研究成果，綜合考慮流域水資源特征、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況及生態(tài)環(huán)境等因素，選用使用頻率高的13項(xiàng)指標(biāo)開(kāi)展評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具有一定代表性，但未考慮過(guò)境可用水量等因素，存在不同準(zhǔn)則層所含指標(biāo)數(shù)量差異較大等問(wèn)題，指標(biāo)體系完整性有待提高。研究采用組合賦權(quán)-TOPSIS模型開(kāi)展評(píng)價(jià)，從表3可以看出主觀權(quán)重、客觀權(quán)重存在差異，差異較大的指標(biāo)為人均水資源占有量、生態(tài)環(huán)境用水率，主要由于水資源、生態(tài)環(huán)境2個(gè)準(zhǔn)則層所含指標(biāo)數(shù)量差異較大導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境用水率主觀權(quán)重計(jì)算結(jié)果偏大，同時(shí)各地市人均水資源占有量差異大導(dǎo)致該項(xiàng)指標(biāo)客觀權(quán)重過(guò)大。本研究采用基于最小相對(duì)信息熵原理的乘法合成綜合權(quán)重，有助于避免單一權(quán)重偏大直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果，在一定程度上提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。

本研究與相關(guān)研究對(duì)比，總體來(lái)看研究結(jié)果基本一致，但存在部分差異。王菲等[16]分析結(jié)果顯示粵港澳大灣區(qū)2018年水資源承載狀況總體為臨界狀態(tài)，其中深圳、東莞為超載，主要原因?yàn)閮墒兴|(zhì)達(dá)標(biāo)率較低、COD及氨氮超出其限排總量，導(dǎo)致水質(zhì)要素評(píng)價(jià)結(jié)果為超載。本研究結(jié)果顯示粵港澳大灣區(qū)中，除肇慶水資源承載力相對(duì)良好，江門、惠州一般，其他地市均相對(duì)超載，與研究結(jié)果[16]基本相符。李洋等[17]研究結(jié)果顯示廣西水資源處于富余狀態(tài)，高承載區(qū)主要集中于桂北，中等承載區(qū)主要集中于桂西，低承載區(qū)主要集中于桂中和桂東南。本研究結(jié)果顯示流域各省(自治區(qū))中，廣西水資源承載力總體較好，呈現(xiàn)桂中、桂東南低，桂西、桂北高的分布格局，與研究結(jié)果[17]基本相符。王萬(wàn)賓等[18]研究結(jié)果顯示云南滇中地區(qū)(昆明、曲靖、玉溪)水資源承載率較高，與本研究結(jié)果基本一致。本研究水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果及承載力分布格局與第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。

本研究主要采用2018年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，近年來(lái)，流域機(jī)構(gòu)及相關(guān)省(自治區(qū))深入落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度，開(kāi)展水資源承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制建設(shè)有關(guān)工作，研究挖掘流域水資源調(diào)配工程的供水潛力，大力推進(jìn)跨流域跨區(qū)域重大引調(diào)水工程建設(shè)，有效提升了流域水資源承載能力。近幾年水資源公報(bào)數(shù)據(jù)顯示，珠江流域人均綜合用水量、萬(wàn)元GDP用水量、耕地實(shí)際灌溉畝均用水量、人均生活用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量等多項(xiàng)重要用水指標(biāo)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，流域用水效率明顯提高，與此同時(shí)，云南德厚、云南阿崗、湖南莽山等一批供水重大水利工程建成發(fā)揮效益，供水保障能力進(jìn)一步提升，流域水資源承載能力穩(wěn)步提高。