西安市水資源環(huán)境承載力評估與預測研究

司訓練，趙佩玉，董仲慧

（西安石油大學經濟管理學院，陜西 西安 710065）

0 引言

西安市是全國四十多個缺水城市之一，2006—2020年年均降水569.43 mm。2020年西安市水資源總量26.78億m3，地表水資源量22.76億m3，地下水資源量11.60億m3。研究西安市水資源環(huán)境承載力，運用科學的方法對水資源環(huán)境承載力進行評估和預測。明確西安市水資源和水環(huán)境現(xiàn)狀，為西安市水資源合理、可持續(xù)利用提供指導，促進西安市城市化的合理建設，為經濟發(fā)展提供重要技術支撐。

水資源環(huán)境承載力研究是資源環(huán)境領域的重要熱點之一。近年來，學者們對水資源或水環(huán)境單一承載力的研究取得了豐富的成果。趙偉等[1]將動態(tài)三角模糊數(shù)與隨機模擬相結合來研究水資源承載力。賀輝輝等[2]構建淮河流域的水環(huán)境承載力指標體系，運用BP神經網絡和主成分分析對比的方法評價區(qū)域水環(huán)境承載力。秦海旭等[3]基于預警視角從資源、環(huán)境、生態(tài)等維度選取典型指標構建評價指標體系，分別進行針對資源、環(huán)境與生態(tài)的基礎評價。馬艷[4]按照“三條紅線”，從可持續(xù)水資源能力、用水效率和水環(huán)境承載三方面選取指標，對西安市2015年的水資源承載力進行多目標分析。這些研究豐富了水資源環(huán)境承載力的相關理論，為后續(xù)研究提供了指引?，F(xiàn)有研究不足有：①未將水資源環(huán)境承載力的內在機制融入指標體系的建立；②缺乏對水資源環(huán)境系統(tǒng)的綜合研究；③對水資源或水環(huán)境承載力動態(tài)預測較少。

水資源環(huán)境承載力在測度中普遍因復雜性和不確定性的存在，使其動態(tài)變化難以準確把握，因此若能進行未來變化趨勢的預測，可使得相關部門在水資源環(huán)境動態(tài)監(jiān)管過程中進行調控[5]。因水資源環(huán)境承載力的概念與有限資源壓力和可持續(xù)發(fā)展的概念密切相關，本文將水資源-水環(huán)境-社會-經濟納入同一框架內進行綜合研究。從水資源、水環(huán)境、社會和經濟四個方面構建西安市水資源環(huán)境承載力指標體系，引入TOPSIS法、模糊綜合評判法實證分析西安市水資源環(huán)境承載力，通過GM（1,1）模型預測未來兩年（2021和2022年）西安市水資源環(huán)境承載力發(fā)展狀況，為提高西安市水資源環(huán)境承載力提供科學依據，也為區(qū)域水資源環(huán)境承載力研究提供新思路。

1 西安市水資源環(huán)境承載力評估指標體系構建

1.1 水資源環(huán)境承載力系統(tǒng)

水資源環(huán)境承載力是指在特定時間、特定區(qū)域內，在保持區(qū)域水資源結構符合可持續(xù)發(fā)展需要，水環(huán)境功能維持穩(wěn)態(tài)效應的情況下，水資源環(huán)境系統(tǒng)能承受人類各種社會經濟活動的能力。在水資源環(huán)境承載力系統(tǒng)中，水資源、水環(huán)境、社會和經濟四大子系統(tǒng)相互制約、互相影響，有復雜的內在聯(lián)系（見圖1）[6-8]。

圖1 水資源環(huán)境承載力系統(tǒng)概念模型

其中，社會和經濟兩個子系統(tǒng)必須依靠水資源的支撐來提供能量，其對水資源的消耗必將產生污染并對水環(huán)境子系統(tǒng)造成影響；當社會和經濟子系統(tǒng)的發(fā)展施加給水資源、水環(huán)境產生的壓力超限時，水資源和水環(huán)境子系統(tǒng)的承載力水平會降低，限制社會和經濟的可持續(xù)發(fā)展；當社會和經濟子系統(tǒng)發(fā)展過程中注重提高環(huán)保意識、水環(huán)境治理能力時，必將有效改善并提高水環(huán)境子系統(tǒng)承載力；當水資源子系統(tǒng)優(yōu)化水資源結構、提高節(jié)水意識時，也將提高水資源承載力。

1.2 指標體系建立

水資源環(huán)境承載力是由人類生活生產系統(tǒng)與水資源環(huán)境等自然物質系統(tǒng)相互作用形成的[9]，是評估水資源環(huán)境與社會經濟協(xié)調度的重要標準，反映了人與環(huán)境相互作用的界面[10]。根據西安市水資源環(huán)境承載力及區(qū)域特點，采用頻數(shù)統(tǒng)計方法對國內外相關文獻的100多項指標進行分析，同時參考資源環(huán)境、水資源和水環(huán)境承載力指標體系及相關研究成果，結合西安市實際，從水資源、水環(huán)境、社會和經濟4個維度中選取了24個指標，構建指標體系（圖2）。

圖2 西安市水資源環(huán)境承載力指標體系

1.3 數(shù)據來源

本文關于年降水量、人均日生活用水量、化學需氧量去除量、污水處理廠處理能力、人口密度、第二、三產業(yè)比重等指標數(shù)據來源于2007—2021年《西安統(tǒng)計年鑒》、2010—2020年《西安市水資源公報》、2014—2019年《西安市生態(tài)環(huán)境狀況公報》、2014—2019年《西安市國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》等。

2 研究方法

2.1 評估方法

2.1.1 TOPSIS評估法

TOPSIS法以定義目標空間中的某一測度為起點，通過計算其靠近/偏離正負理想解的程度來評估承載力，是解決多要素復雜系統(tǒng)的方法之一。模型構建步驟如下：

步驟1：標準化評估矩陣（X′）的構建：

式（1）~（3）中：X—初始評估矩陣；xij—第i個指標第j年的初始值；—第i個指標第j年的標準化值；i=1, 2, …, m,j=1, 2, …, n, m為評估指標數(shù)、n為評估年份數(shù)。

步驟2 ： 構建基于熵權的評估矩陣（Z=X′·wi，其中wi為第i項指標的權重，權重采用熵權法確定），并確定正理想解（z+）和負理想解（z-）：

步驟3：采用歐式計算法確定指標到正、負理想解的距離，計算公式為：

步驟4：計算綜合評估值Tj，Tj∈（0, 1]。值越接近1表示該年水資源環(huán)境承載力越接近最優(yōu)承載力水平，越接近0表示水資源環(huán)境承載力越接近最劣承載力水平。計算公式為：

2.1.2 模糊綜合評判法

模糊綜合評判的理論基礎來源于模糊數(shù)學，利用模糊變換原理及隸屬度理論將定性評估轉化為定量評估，從而解決人們主觀難以確定的問題。模型構建步驟如下[11]：

步驟2：使用“半梯形分布”構造各評估等級的隸屬函數(shù)。評估等級集分為等。并確定指標對不同等級的隸屬度rij，計算模糊關系矩陣R;

步驟3 ： 構建模糊綜合評估矩陣Z（Z=R·W）?！啊ぁ睘槟：阕?，本文選擇根據權重值大小平衡所有評估因素的M（·，+）模糊算子進行計算，使評估結果更為合理[12]。

步驟4：計算綜合評估值并采用加權平均法確定隸屬等級：

式中：j=1,0.8,0.6,0.4,0.2為各評估等級I，II，III，IV，V的秩。

2.2 預測方法

本研究利用灰色預測模型（即GM（1,1）模型），根據西安市水資源環(huán)境承載力指標體系中各相關因素對水資源環(huán)境系統(tǒng)的影響程度，建立模型并求解。步驟如下：

步驟4：通過對x?()1求導得到：

步驟5：計算相對誤差e(t)：

步驟6：檢驗模型[13]。后驗差比C值檢驗模型精度，越小越好，一般C＜0.35精度等級好，0.35≤C＜0.5精度合格，0.5≤C＜0.65勉強合格，C≥0.65不合格；小誤差概率p＜0.7模型不合格，0.7≤p＜0.8模型勉強合格，0.8≤p＜0.95模型合格，p≥0.95模型精度很好。

2.3 評估與預測結果劃分標準

本文在客觀地TOPSIS法和主觀的模糊綜合評判法分別求綜合評估值的基礎上，通過加權平均求取綜合得分。并參考國家標準、相關準則及研究成果，根據西安市實際，將水資源環(huán)境承載力指標劃分為5個等級：I、II、III、IV和V。同時結合信號燈將承載狀態(tài)與信號燈相對應，將其劃分超載類型[14]。具體評估結果劃分標準如表1所示。

表1 西安市水資源環(huán)境承載力評估與預測結果劃分標準

3 實證研究

3.1 數(shù)據處理與權重計算

對標準化后的數(shù)據進行指標的信度分析來檢驗其穩(wěn)定性和可靠性，避免個人主觀判斷對指標選擇的影響[15]?；谠紨?shù)據的完整性與可獲取性對比，本文選取西安市2006—2020年共15年的統(tǒng)計數(shù)據，采用SPSS軟件對數(shù)據標準化，并利用克朗巴哈（Cronbach）α系數(shù)分析指標體系的信度[16]，結果表明，西安市水資源環(huán)境承載力指標體系的Cronbachα系數(shù)為0.902，＞0.9（若α≥0.9，指標體系十分可信；0.7≤α＜0.9，指標體系可接受；0.5≤α＜0.7，指標體系需修改；α＜0.5，指標體系需重新構建），表明所選指標體系具有較高的內在信度，能夠較為客觀地評估西安市水資源環(huán)境承載力。由熵權法求得水資源子系統(tǒng)各指標權重（表2）。

表2 西安市水資源環(huán)境承載力評價指標權重

3.2 水資源環(huán)境承載力評估結果及分析

基于2006—2020年西安市水資源環(huán)境相關數(shù)據，以TOPSIS評估法、模糊綜合評判法作為理論基礎，實證研究西安市水資源環(huán)境承載力狀況，研究結果如圖3所示。

圖3 2006—2020年西安市水資源環(huán)境及各子系統(tǒng)承載力變化趨勢

3.2.1 水資源環(huán)境承載力分析

如圖3所示，從超載類型變化看，按照水資源環(huán)境承載力評估結果劃分標準，西安市水資源環(huán)境承載力超載類型時間節(jié)點性明顯，整體趨勢向好，但漲幅不大。2006—2008年為超載水平，2009—2018年為臨界超載水平，2019年上升為不超載，但2020年又降為臨界超載水平。其中，2008年承載力水平最低，最低達到0.3521。隨后，呈小幅持續(xù)增長，并在2019年承載力水平達到最高，最高為0.8051。

從綜合評估等級和各指標變化趨勢看，2006—2008年，西安市水資源環(huán)境承載力綜合評估值介于0.3521~0.3857，處于IV級（橙燈）區(qū)間；2009年起西安市水資源環(huán)境承載力綜合評估值上升較為明顯，2009—2014年一直保持在III級（黃燈）狀態(tài)，2015—2020年基本保持為II級（藍燈）區(qū)間或以上，在2019年達到I級（綠燈）區(qū)間。綜合評估值不斷上升，表明水資源環(huán)境承載力能夠為西安市社會經濟發(fā)展提供基礎保障。但2008、2012、2018和2020年這4年水資源環(huán)境承載力綜合評估值出現(xiàn)微弱下降，究其原因，社會和經濟的快速發(fā)展對水資源子系統(tǒng)承載力帶來更大壓力，水資源保障能力的提高仍無法滿足這種飛速發(fā)展對水資源日益增長的需求。

3.2.2 子系統(tǒng)承載力分析

（1）水資源子系統(tǒng)評估結果分析：從各指標變化趨勢和評估等級看（圖3），2006—2020年西安市水資源子系統(tǒng)的綜合評估值波動頻繁，在2013年達到最小值0.4127，而后又出現(xiàn)上升，并變成幅度較小的波動，2020年達到最大值0.8083。評估等級基本都是II級或III級，僅在2020年達到最高級I級，信號燈則徘徊在黃/藍燈之間，直到2020年信號燈變?yōu)榱司G燈。

從該子系統(tǒng)內部看，2006—2020年，年降水量在423.9~723.6 mm波動。地表水資源量和產水模數(shù)在近15年時間內分別增加了0.96億m3和0.1053萬m3/km2。人均日生活用水量從2006年的126.5 L上升到2020年的176.38 L，雖上升幅度不大，但對水資源子系統(tǒng)的綜合評分仍存在影響。工業(yè)取水量從2012年的15424.89萬t迅速增加到2013年的最高值44480.28萬t，是水資源子系統(tǒng)綜合得分快速從2012年的0.4927下降到2013年的0.4127的原因之一。萬元GDP用水量在2006—2020年一直保持較為穩(wěn)定的下降趨勢。

（2）水環(huán)境子系統(tǒng)評估結果分析：從各指標變化趨勢和評估等級看（圖3），2006—2020年西安市水環(huán)境子系統(tǒng)的綜合評估值一直呈現(xiàn)上升的趨勢，綜合得分介于0.2412~0.8454。評估等級在2006—2009年處于IV級區(qū)間，2010—2014年處于III級區(qū)間，2015—2018年處于II級區(qū)間，2019—2020年上升為I級區(qū)間，信號燈則從2006年的橙燈一路上升為2020年的綠燈。

從該子系統(tǒng)內部看，廢水排放總量雖上升幅度不大，但也從2006年的36631.5萬t上升到了2020年的56581.24萬t，原因可能是西安市人口的增加和工業(yè)化水平的提高導致生活污水排放量和工業(yè)廢水排放量增加，但個別年份可能也會由于治理方案或政策等的實施，出現(xiàn)廢水排放總量的快速下降，如從2019年的96602.7萬t快速下降到2020年的56581.24萬t，下降幅度達40021.46萬t?；瘜W需氧量去除量和氨氮去除量在2006—2020年，分別增加了281518.45 t和26463.95 t。污水處理廠處理能力從2006年的41萬t/d一直持續(xù)上升到2020年的287.55萬t/d，上升了246.55萬t/d。而污水處理率和生態(tài)環(huán)境用水率雖然變化幅度不大，但是也一直處于不斷向好的良好發(fā)展態(tài)勢。

（3）社會子系統(tǒng)評估結果分析：從各指標變化趨勢和評估等級看（圖3），2006—2020年西安市社會子系統(tǒng)的綜合評估值呈大致上升的趨勢，綜合得分介于0.4230~0.7316。評估等級在2006—2012年間處于III級區(qū)間，從2013年至今處于II級區(qū)間，信號燈則也是從2006—2012年一直保持的黃燈上升為2013—2020年的藍燈。

從該子系統(tǒng)內部看，人口密度從2006年的745人/km2一直上升到2020年的969人/km2，上升了224人/km2；人口自然增長率從2006年的4.52‰一直上升到2020年的6.79‰，上升了2.27‰。城鎮(zhèn)居民家庭和農村居民家庭恩格爾系數(shù)分別從2006年的34.4%和36.8%下降為2020年的28.1%和28%，分別下降了6.3%和8.8%；萬人擁有醫(yī)療衛(wèi)生機構床位數(shù)從2006年的42張/萬人增加到2020年的76張/萬人，增加了34張/萬人。而人均公園綠地面積大致上也一直呈現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢，僅在2017—2018年出現(xiàn)小幅度的下降，這可能也是導致社會子系統(tǒng)在2017—2018年綜合得分下降的原因之一。

（4）經濟子系統(tǒng)評估結果分析：從各指標變化趨勢和評估等級看（圖3），2006—2020年西安市經濟子系統(tǒng)的綜合評估值呈大致上升的趨勢，綜合得分介于0.2235~0.9368。評估等級在2006—2011年間處于IV級區(qū)間，2012—2014年處于III級區(qū)間，2015—2018年處于II級區(qū)間，2019—2020年上升到I級區(qū)間，信號燈則從2006年的橙燈上升為2020年的綠燈。

從該子系統(tǒng)內部看，人均國內生產總值從2006年的18567元/人增加到2020年的79181元/人，增加了60614元/人；城鎮(zhèn)和農村居民人均可支配收入從2006年到2020年，分別增加了32808元和11941元；第二產業(yè)比重和第三產業(yè)比重近15年的變動趨勢呈現(xiàn)出較明顯的對稱變化，如2012—2013年，第二產業(yè)比重增加了3.85%，第三產業(yè)比重減少了4.17%。節(jié)能環(huán)保支出近15年大致呈現(xiàn)出上升的趨勢，僅在2015—2016年和2019—2020年出現(xiàn)小幅度的下降，這也是經濟子系統(tǒng)綜合得分在這兩個區(qū)間降低的主要原因之一。

3.3 水資源環(huán)境承載力預測結果及分析

運用GM（1,1）模型對2006—2020年西安市水資源環(huán)境承載力進行預測，首先進行擬合，從圖4可以看出，預測結果與原始值擬合效果良好。其次，C值0.027＜0.35且p＞0.95，代表模型精度等級非常好。誤差計算見表3，模型相對誤差最大值0.102≤0.2，表示模型擬合效果達到要求。

表3 西安市水資源環(huán)境承載力原始值與預測值的相對誤差

圖4 西安市水資源環(huán)境承載力原始值與灰色預測值擬合趨勢

綜上所述，誤差要求合格，該模型可以預測西安市2021—2022年水資源環(huán)境承載力，并依次建立GM（1,1）模型預測水資源環(huán)境各子系統(tǒng)承載力。結合表4具體預測值來看，未來兩年水資源環(huán)境承載力是逐年遞增的，且都已達優(yōu)質水平；水資源子系統(tǒng)承載力水平堪憂，承載力在未來兩年居于藍色信號燈水平；水環(huán)境、社會和經濟子系統(tǒng)承載力是逐年遞增的。這說明雖然個別子系統(tǒng)的水平堪憂，但對西安市水資源環(huán)境承載力整體水平影響較低，水資源環(huán)境承載力穩(wěn)步邁向更好方向。未來西安市仍需重點關注水資源和社會子系統(tǒng)，將原本在經濟、生態(tài)、資源利用等方面取得的優(yōu)勢最大化，實現(xiàn)四大系統(tǒng)的共同發(fā)展。

表4 西安市水資源環(huán)境承載力預測值

4 主要結論

（1）該評估指標體系有別于承載力現(xiàn)狀評估，可以較好地反映西安市水資源環(huán)境承載力動態(tài)特征，對西安市水資源環(huán)境承載力研究具有很好的啟示。此外，TOPSIS法作為一種客觀地綜合評估模型，依賴于各指標的原始數(shù)據，將其與較主觀的模糊綜合評判法相結合，能充分反映水資源環(huán)境承載力現(xiàn)狀，運用GM（1,1）模型對水資源環(huán)境承載力發(fā)展趨勢進行預測，為監(jiān)管措施的制定提供參考，同時也對豐富水資源環(huán)境承載力評估與預測的方法體系具有一定的意義。

（2）總體而言，2006—2020年西安市水資源環(huán)境承載力綜合評估值呈波動上升態(tài)勢，時間節(jié)點性明顯，評估等級由IV級（橙燈）上升到II級（藍燈）；2021和2022年水資源環(huán)境承載力逐年遞增，且都已達優(yōu)質水平。就各子系統(tǒng)而言，2006—2020年，西安市水資源環(huán)境承載力各子系統(tǒng)的綜合評估值均有所上升，水資源、水環(huán)境和經濟3個子系統(tǒng)的評估等級均在2020年轉至I級（綠燈），社會子系統(tǒng)由III級（黃燈）轉至II級（藍燈），各子系統(tǒng)發(fā)展趨勢向好；2021和2022年，水環(huán)境和經濟子系統(tǒng)均保持I級（綠燈），社會子系統(tǒng)在2022年將由II級（藍燈）上升至I級（綠燈），水資源子系統(tǒng)水平仍堪憂，在未來兩年將繼續(xù)保持II級（藍燈）。