基于層次分析法和變異系數(shù)法的酒泉市水資源承載能力分析評價研究

姜 鋒，張百祖

（1.甘肅省水文站，蘭州 730000；2.甘肅省酒泉水文站，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

水資源是影響人類社會生存和發(fā)展的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性資源，是生命之基，一個區(qū)域的水資源狀況是制約與影響地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的重要因素。作為一種可再生資源，水資源的數(shù)量是有限的，使用得當可以可持續(xù)利用，使用不當則會造成資源枯竭，生態(tài)環(huán)境惡化等問題，因此，研究某個區(qū)域的水資源承載能力對指導地區(qū)水資源優(yōu)化配置、水資源規(guī)劃具有重要意義，對實現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展的提供重要的理論支撐。從習近平總書記在中央財經(jīng)領(lǐng)導小組第五次會議上提出“十六字”治水思路，到總書記在深入推動黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展座談會講話中提出“四水四定”的治水方針，無不體現(xiàn)了國家對中國水資源現(xiàn)狀的深刻認識以及對水資源開發(fā)利用發(fā)展路徑的明確判斷。中國的各個地區(qū)均有不同程度的土地、人口、經(jīng)濟與水資源不相匹的問題，協(xié)同推進“四水四定”是實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵，其中水資源是紐帶，如何合理開發(fā)利用水資源——“適度”是關(guān)鍵。

資源承載能力的研究源于土地資源承載能力[1]，20世紀70年代以來全球資源消耗加劇、生態(tài)環(huán)境惡化、土地開發(fā)利用過度等現(xiàn)象出現(xiàn)后專家和學者們開始了這方面的研究[2]。水資源與土地資源同屬自然資源，與土地資源一樣，無序的開發(fā)利用會造成資源浪費和枯竭，最終影響人類社會的可持續(xù)發(fā)展，而如果考慮到資源的適度利用，則會使資源與人口、經(jīng)濟等社會發(fā)展形成一個良性的循環(huán)體系[1]，取得最大的資源利用效益和經(jīng)濟社會發(fā)展效益，實現(xiàn)區(qū)域的健康可持續(xù)發(fā)展。近年來，隨著水資源越來越受到國家和社會各界的關(guān)注，水資源承載能力成為了一項研究熱點，根據(jù)研究需求，水資源承載能力的研究主要有3個體系，即水資源開發(fā)規(guī)模論、水資源支持持續(xù)發(fā)展能力論、水資源承載最大人口論[3]。張華安等[4]以石羊河流域為例，采用工業(yè)、生活、生態(tài)和農(nóng)業(yè)多目標優(yōu)化的方法，分析研究了石羊河流域2020年的水資源承載力；黃昌碩等[2]從“經(jīng)濟社會—水資源—生態(tài)環(huán)境”系統(tǒng)互饋機理岀發(fā)，采用系統(tǒng)動力學等多種方法，建立水資源承載力定量動態(tài)預測模型，為流域水資源管理工作提供指導借鑒；宗鑫[5]利用系統(tǒng)動力學方法，構(gòu)建了甘肅省水資源承載能力SD 模型，對甘肅省水資源承載能力和結(jié)構(gòu)性需水進行預測。可以發(fā)現(xiàn)，對于西北內(nèi)陸缺水地區(qū)來說，人口密度較小、經(jīng)濟社會發(fā)展水平落后于東南沿海地區(qū)，人口和經(jīng)濟社會發(fā)展仍有較大潛力，承載力較大，而水資源的開發(fā)和利用是制約地區(qū)發(fā)展的重要因素。

本文以水資源開發(fā)規(guī)模論為基礎(chǔ)，構(gòu)建酒泉市水資源承載能力指標體系，通過層次分析法和變異系數(shù)法[6]對酒泉市的水資源承載能力進行量化計算，評價其水資源承載能力的相對大小，對比2種方法的優(yōu)缺點，探索提升區(qū)域水資源承載能力的途徑，為區(qū)域水資源管理和發(fā)展規(guī)劃提供指導。

1 區(qū)域概況

酒泉市是甘肅省最大的地級城市，與內(nèi)蒙古自治區(qū)、新疆維吾爾族自治區(qū)、青海省均有接壤，是河西走廊地區(qū)的重要交通要道，也是絲綢之路經(jīng)濟帶上的重要城市。酒泉市整體地勢南高北低，南部為祁連山地區(qū)，層峰疊嶂，海拔3 000～5 000 m，4 000 m 以上的地區(qū)有現(xiàn)代冰川分布，是河流的發(fā)源地，山間有盆地，如蘇干湖盆地、昌馬堡盆地、酒泉盆地等。酒泉市境內(nèi)河流屬內(nèi)陸河流域的疏勒河、黑河、哈爾騰河3 大水系，水資源量年際變化差異明顯，年內(nèi)分布不均，多年平均降水量81.8 mm，多年平均水資源總量14.98 億m3，水資源可利用總量30.39 億m3，人均水資源占有量1 329 m3，畝均水資源占有量383 m3，雖略高于甘肅省平均水平，但沙漠綠洲生態(tài)環(huán)境脆弱，需要大量的水資源維持，且酒泉市為甘肅省農(nóng)業(yè)大市，灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展使河流的地表徑流完全受人為控制，人類活動對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境演化、經(jīng)濟發(fā)展的影響前所未有，水資源開發(fā)利用程度高，水資源短缺已是制約當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展的重要原因。

2 評價體系的構(gòu)建

國內(nèi)外專家學者對水資源承載能力沒有統(tǒng)一明確的定義，本文根據(jù)學者施雅風[7]的定義進行分析研究，即水資源承載能力是一個區(qū)域的水資源在一定社會經(jīng)濟發(fā)展階段，在保障社會和生態(tài)的前提下，能夠最大承載農(nóng)業(yè)、工業(yè)、人口和城市規(guī)模的能力，是隨著經(jīng)濟社會和科學技術(shù)的發(fā)展變化而變化的。本文通過綜合指標體系法對水資源承載能力進行量化計算，從而判斷一個地區(qū)的水資源承載能力的相對大小。首先將影響水資源承載能力的多項指標通過建立各自不同的數(shù)學模型進行量化計算，確定相應的評分，并通過層次分析法和變異系數(shù)法確定不同指標的權(quán)重，最終確定區(qū)域的水資源承載力。

評價體系構(gòu)建了水資源自然凜賦、經(jīng)濟社會對水資源和環(huán)境對水資源3個子評價體系（見表1）。其中水資源量自然凜賦子評價體系包括人均自產(chǎn)水資源量、畝均自產(chǎn)水資源量、產(chǎn)水模數(shù)3個指標；經(jīng)濟社會對水資源子評價體系包括人均用水量、萬元GDP 用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、城鎮(zhèn)居民人均綜合用水量、農(nóng)村居民人均生活用水量、農(nóng)田灌溉畝均用水量6個指標；生態(tài)環(huán)境對水資源子評價體系選擇廢污水排放量1個指標。子評價體系之間相互制約相互影響，系統(tǒng)客觀的反映了地區(qū)的水資源承載能力。

2.1 構(gòu)建指標模型

影響水資源承載能力的指標均有量綱且單位不一致，需對其進行歸一化處理，處理方法有極值標準化法、標準值法、對數(shù)函數(shù)法[6]等，前2 種方法假定了指標與承載能力之間是線性關(guān)系，但并非每一項指標都符合這種關(guān)系，本文結(jié)合單項指標的“差—及格—良好—最優(yōu)”標準所對應數(shù)據(jù)的變化趨勢選擇對數(shù)函數(shù)關(guān)系來進行標準化，構(gòu)建承載力數(shù)學計算模型，確定相應指標的評分。即：

式中：y為因變量，即相應的指標評分；x為自變量，即初始指標值；a和b均為模型參數(shù)。

2.2 指標權(quán)重確定

2.2.1 層次分析法

層次分析法是水資源評價指標體系最常用的方法之一，本文通過美國著名運籌學家Saaty的9標度法[8]對同一層次兩兩指標之間的相互關(guān)系構(gòu)建判斷矩陣，得出兩指標之間的相對重要程度（aij和aji)，即：

指標權(quán)重確定分為3個步驟：

（1）通過歸一化處理，計算A的最大特征值λmax和特征向量W。

（2）一致性判斷：

式中：RI代表平均隨機一致性指標，與判斷矩陣的階n有關(guān)，是一個統(tǒng)計常數(shù)；CI為一致性指標；CR為一致性比例，僅當CR＜0.1時才可通過檢驗。

（3）通過檢驗后，最大特征值λmax所對應的特征向量W的各個分量即為該層級各指標對應權(quán)重。

2.2.2 變異系數(shù)法

原理：指標取值差異越大的指標是越難以實現(xiàn)的指標，越能反映被評價單位的差距。即：

式中：vi為第i項指標的變異系數(shù)；σi為第i項指標的標準差；xi為第i項指標的平均數(shù)；Wi為指標權(quán)重。

2.3 綜合承載能力計算

根據(jù)各項指標的承載力評分和指標權(quán)重，計算區(qū)域的綜合承載能力。

式中：Wi為指標權(quán)重；Ei為各單項指標承載力評分。

評價等級劃分見表2[9]。

表2 評價等級劃分Tab.2 The table of evaluation level classification

3 水資源承載能力評價分析

3.1 評價指標體系與指標模型構(gòu)建

本文單項指標的承載度評價標準分為最差、及格、良好、優(yōu)秀4 個等級，分別賦分為0、0.6、0.8、1.0 分，依據(jù)國家級生態(tài)市建設(shè)指標、國家生態(tài)文明建設(shè)示范市指標、考核指標、國際公認的部分標準以及參考相關(guān)學者已有成果[6,10,11]，綜合考慮構(gòu)建不同指標的數(shù)學計算模型，見表3。指標越大承載力越大為正向指標（表示為“+”)，指標越小承載力越大為負向指標（表示為“-”)，本文所選10 個單項指標中正向指標6個，負向指標4個。

表3 各項指標的數(shù)學計算模型Tab.3 Mathematical calculation models for various indicators

3.2 指標權(quán)重分析

通過層次分析法和變異系數(shù)法對影響水資源承載能力的10 項指標進行了指標權(quán)重分析。其中層次分析法是水資源承載能力分析中廣泛使用的一種方法，是一種定性定量兼有的決策分析手段，它通過建立層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)造判斷矩陣確定指標權(quán)重，由于該方法是通過Saaty 的9 標度法將兩兩指標間的重要程度進行量化，使得層次分析法確定的指標權(quán)重具有一定的主觀因素影響。因此，本文又引入了變異系數(shù)法，根據(jù)指標的差異程度大小，判斷指標在評價體系中的重要程度，這種方法僅與指標自身的變化情況有關(guān)，具有一定的客觀性。2 種方法確定的指標權(quán)重見表4。

表4 層次分析法和變異系數(shù)法確定各指標權(quán)重Tab.4 Analytic hierarchy process and coefficient of variation method for determining the weights of each indicator

4 水資源承載能力評價

4.1 單項指標的承載力評價結(jié)果

查閱《甘肅省水資源公報》《甘肅省統(tǒng)計年鑒》等相關(guān)資料，統(tǒng)計酒泉市2010-2021年各項指標的原始數(shù)據(jù)，通過本研究確定的各項指標數(shù)學模型，得出各單項指標歷年的承載力，見表5，單項指標承載力值為負數(shù)時，認為不可承載，承載力記為“0”，計算承載力值大于1，認為完全可承載，承載力記為“1”。

表5 單項指標的承載力評價結(jié)果Tab.5 Evaluation results of bearing capacity of individual indicators

從圖1 可以看出，2010-2021 年，酒泉市的人均自產(chǎn)水資源量的承載力呈先緩慢增長2018 年后開始下降，與酒泉市的歷年水資源量變化情況一致；畝均自產(chǎn)水資源量承載力呈緩慢下降趨勢；產(chǎn)水模數(shù)的承載力為0，人均用水量的承載力為1；萬元GDP 用水量的承載力呈逐年上升趨勢；萬元工業(yè)增加值用水量承載力變化較為復雜，2010-2012年下降，2013-2014 年上升，2015-2016 年下降，2017 年以后呈上升趨勢；城鎮(zhèn)居民人均生活用水量的承載力較為穩(wěn)定，近10 a 的變化較?。?010-2019 年農(nóng)村居民人均生活用水量承載力穩(wěn)定，2020-2021 年承載力顯著上升；2010-2017 年農(nóng)田灌溉畝均用水量的承載力為0，2018 年后承載力緩慢上升；廢污水排放量的承載力多年來較為穩(wěn)定。

圖1 單項指標承載力變化趨勢Fig.1 Change trend of single indicator bearing capacity

4.2 酒泉市水資源承載能力評價

根據(jù)表4 和表5 計算的各單項指標權(quán)重和承載力，量化分析酒泉市近10 a 的水資源承載能力，不同分析法得到的水資源承載力結(jié)果見表6和圖2。

圖2 酒泉市水資源承載力變化趨勢線Fig.2 Trend line of water resource carrying capacity in Jiuquan City

表6 酒泉市水資源承載能力量化評價Tab.6 Quantitative evaluation form of water resource carrying capacity in Jiuquan City

從表6 和圖2 看出，層次分析法評價得出的酒泉市力承載能力小于變異系數(shù)法的評價結(jié)果。層次分析法結(jié)果表明，2010-2021年，酒泉市水資源承載能力等級均為Ⅱ級，水資源輕度超載，多年來變化趨勢不太明顯；變異系數(shù)法表明，2010、2013、2014、2018-2021 年酒泉市水資源承載力等級為Ⅲ級，水資源瀕臨超載，其余年份酒泉市的水資源承載力等級為Ⅱ級，水資源輕度超載。

從評價體系分析，單項指標權(quán)重是影響評價成果的重要因素，因此，進一步對比分析單項指標對變異系數(shù)法和層次分析法的評價結(jié)果影響。層次分析法的人均自產(chǎn)水資源量、畝均自產(chǎn)水資源量、產(chǎn)水模數(shù)和廢污水排放量的指標權(quán)重較高，指標總權(quán)重為0.79，廢污水排放量在近10 a的變化趨勢均較為平緩，其余3 項指標均從2019 年起有較為顯著的變化，圖2 顯示層次分析法評價結(jié)果從2019 年起有顯著變化，但變化幅度較小，評價等級仍為Ⅱ級，這3項指標均為自然凜賦指標，判斷層次分析法對酒泉市水資源承載力評價更偏重于自然凜賦，在人口、耕地率變化不大時，經(jīng)濟社會對水資源承載力的影響程度較小。變異系數(shù)法的人均自產(chǎn)水資源量、畝均自產(chǎn)水資源量、萬元工業(yè)增加值用水量、農(nóng)村居民生活人均日用水量4 項指標的權(quán)重較高，指標總權(quán)重為0.57。從圖1中看出，萬元工業(yè)增加值單項指標承載力在2013-2014 年、2017-2021 年發(fā)生2 次較為明顯的變化，人均自產(chǎn)水資源量、畝均自產(chǎn)水資源量、農(nóng)村居民生活人均日用水量在2020-2021年變化明顯，4 者綜合作用主導了變異系數(shù)法的評價成果，4項指標中2 項為自然凜賦、2 項為經(jīng)濟社會指標，涉及影響水資源承載能力的2大子體系，且指標權(quán)重占比相近，認為較層次分析法，變異系數(shù)法的指標權(quán)重分析和評價體系構(gòu)建更加綜合全面。此外，2020 年以來，國家正式實施《用水統(tǒng)計調(diào)查制度》，用水統(tǒng)計調(diào)查對象的精細化和統(tǒng)計手段的創(chuàng)新使全國的用水統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量和統(tǒng)計分析水平均有顯著提高，與以往的水資源開發(fā)利用調(diào)查評價相比，2020 年之后的地區(qū)水資源開發(fā)利用評價應有較明顯的變化。綜合分析，認為本次酒泉市水資源承載能力評價，變異系數(shù)法的評價結(jié)果更符合酒泉市的實際情況。

5 結(jié)論和展望

基于水資源承載力單項指標數(shù)學模型，分析評價了2010-2021 年酒泉市人均自產(chǎn)水資源量、畝均自產(chǎn)水資源量、產(chǎn)水模數(shù)、人均用水量、萬元GDP 用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、城鎮(zhèn)居民人均綜合用水量、農(nóng)村居民人均生活用水量、農(nóng)田灌溉畝均用水量、廢污水排放量10 項指標的水資源承載力變化情況，并結(jié)合層次分析法和變異系數(shù)法，對酒泉市水資源承載力進行量化評價，最終得出以下結(jié)論。

（1）2010-2021年酒泉市的人均自產(chǎn)水資源量、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、農(nóng)村居民人均生活用水量、農(nóng)田灌溉畝均用水量等5項指標的變化較為顯著，對全市的水資源承載能力有較大的影響。

（2）層次分析法結(jié)果表明，2010-2021年，酒泉市水資源承載能力等級為Ⅱ級，水資源輕度超載。

（3）變異系數(shù)法分析結(jié)果表明，2010、2013、2014、2018-2021年酒泉市水資源承載力等級為Ⅲ級，水資源瀕臨超載，其余年份酒泉市的水資源承載力等級為Ⅱ級，水資源輕度超載。

（4）結(jié)合水資源承載力各單項指標的權(quán)重占比和變化趨勢分析以及近年來國家、地方的水資源開發(fā)利用發(fā)展路徑和管理制度，認為變異系數(shù)法的分析結(jié)果更接近酒泉市水資源承載能力實際情況。

依據(jù)本文的分析評價結(jié)果，近年來酒泉市的水資源承載能力仍瀕臨超載，作為水資源嚴重短缺的城市，建議從以下方面著手提高全市的水資源承載能力。

（1）提高工業(yè)用水效率和工業(yè)用水重復利用率。從單項指標承載力評價結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，酒泉市的萬元工業(yè)增加值用水量仍處于較低水平，承載力較差，說明酒泉市的工業(yè)節(jié)水仍存在較大潛力，需通過優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、進行工業(yè)節(jié)水改造、嚴控高耗水行業(yè)用水增量、鼓勵使用再生水等策略來提高全市工業(yè)用水效率。

（2）大力發(fā)展高效節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)，嚴格灌溉用水制度，實施農(nóng)業(yè)用水精細化管理。酒泉市為典型的農(nóng)業(yè)城市，農(nóng)業(yè)用水量占全市總用水量的85%以上，因此，提高農(nóng)業(yè)用水效率、大幅度減小農(nóng)業(yè)用水是提高酒泉市水資源承載能力的重要手段。

（3）促進地方經(jīng)濟發(fā)展模式轉(zhuǎn)變，強化水資源剛性約束要求，實施最嚴格水資源管理考核制度，加大節(jié)水宣傳，提高公民和企業(yè)節(jié)約用水意識，有效提升水資源調(diào)蓄、雨洪資源利用能力。