基于DPSR 模型的溫宿縣水資源承載力評價

張 乾，張永福

（新疆大學地理與遙感科學學院/教育部綠洲生態(tài)重點實驗室，烏魯木齊 830046）

全球淡水資源的蓄存量十分有限，僅占全球總水量的2.5%，且淡水資源大部分儲存在極地冰帽和冰川中［1］。關于水資源承載力的定義研究者給出了解釋，大致可以分為水資源開發(fā)規(guī)模論、水資源可承載最大人口論、水資源支撐社會經濟系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展能力論［2］。經過多年的發(fā)展，有關水資源承載力的評價理論體系日趨完善［3-5］。李治軍等［6］通過社會經濟、水資源、生態(tài)環(huán)境3 個方面構建指標體系分析長春市水資源承載力，通過熵權法和變異系數法組合賦權的方式確定指標的權重，再通過TOPSIS 模型來計算水資源承載力，研究認為2011—2019 年長春市水資源承載力整體呈上升趨勢。閔慶文等［7］基于模糊數學理論進行山西省河津市水資源承載力研究，選取了人均水資源可利用量、人均實際供水量、水資源利用率、耕地灌溉率、供水模數、需水模數、生活用水定額、生態(tài)用水率8 個主要因素作為評價因素分析出了該市水資源承載力現狀不理想，存在諸多用水困境，并結合當地政策進行了梳理，針對性地指出造成水資源困境的直接、間接因素。吳丹等［8］采用匹配性評價法、灰關聯分析法與耦合協(xié)調度模型，評價黃河中游地區(qū)水資源與經濟協(xié)調發(fā)展能力并明晰了其時空分異特征，研究表明黃河中游地區(qū)水資源與經濟協(xié)調發(fā)展能力呈穩(wěn)定增長態(tài)勢，河南省水資源與經濟協(xié)調發(fā)展能力最高。本研究基于DPSR 模型分析溫宿縣水資源承載力，選取4 個子系統(tǒng)14 個指標組成指標體系，為達到客觀要求，采用標準化處理和均方差決策法分別確定各指標在子系統(tǒng)和綜合體系中的權重，再計算出各子系統(tǒng)的承載力指數和綜合承載力指數，以期為水資源承載力方面的研究提供參考。

1 研究區(qū)概況與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

溫宿縣隸屬新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)，位于西部天山中段的托木爾峰南麓，塔里木盆地西北邊緣。地處北緯40°52—42°15′，東經79°28′—81°30′，東西長171 km，南北寬158 km，東與拜城縣、新和縣交界，南和阿克蘇市毗鄰，西隔托什干河與烏什縣相望，北同新疆伊犁哈薩克自治州的昭蘇縣接壤?？偯娣e1.46 萬km2。下轄8 個鎮(zhèn)、5 個鄉(xiāng)。2019 年，溫宿縣戶籍人口為268 688 人，主要有維吾爾族、漢族、柯爾克孜族等28 個民族。2021 年全縣地方生產總值99.32 億元。溫宿縣地勢北高南低，地形崎嶇，冰川密布，具有獨特的冰蝕地貌。溫宿縣屬典型的大陸性氣候［9］。礦產資源豐富，已初步探明礦種31種。

溫宿縣水資源較為充沛，2010 年在阿克蘇地區(qū)七縣兩市水資源總量中占42%，且比例逐年上升，境內有五大灌區(qū)，分別為臺蘭河灌區(qū)、庫托河灌區(qū)、巴依里克灌區(qū)、博孜墩灌區(qū)、吾斯塘布依灌區(qū)，其中主要的是西部的庫托河灌區(qū)和東部的臺蘭河灌區(qū)。

1.2 數據來源

數據主要來源于阿克蘇地區(qū)、溫宿縣2010—2020 年統(tǒng)計年鑒、水資源公報、部分調研數據。

2 研究方法

2.1 DPSR 模型

基于DPSR 模型研究溫宿縣水資源承載力，DPSR 模型即驅動力-壓力-狀態(tài)-響應模型，是生態(tài)環(huán)境科學中比較常用的研究方法［10-14］，該研究方法主要聚焦于人與自然相互作用的內在邏輯和外在關系，人類從自然獲取生存所需的一切資源并且向自然中釋放各種活動產物，進而改變自身所處自然環(huán)境，而自然環(huán)境的改變又作用于人類本身，為了對抗或加強這種作用，人類從政策、經濟、文化等方面做出改變，來響應這種變化從而達到一種循環(huán)，具體分為4 個指標類型，見表1。

表1 溫宿縣水資源承載力評價指標體系

2.2 極差標準化處理

由于指標體系中各指標單位不同、性質各異，故將其進行標準化處理，本研究采用極差標準化方法，處理后結果處于（0，1），從而進行比較分析，具體算式如下。

2.3 均方差決策法計算指標權重

關于體系化指標的權重確定有許多經典方法，為避免賦權過程的主觀性，如專家評價法等，本研究采用均方差決策法計算各指標權重，以達到充分客觀的要求，該方法的原理借鑒了信息熵的設計，指標的變化程度越小，信息熵越大，權重越小，具體計算式如下。

1）求隨機變量的均值：

2）求隨機變量的均方差：

3）求隨機變量的權重系數：

式中，n為年份，i= 1,2,3,…,n；m為評價指標數，j= 1,2,3,…,m；Zij為第i年中第j個指標的標準化值；Yj為j項指標的權重值；Xi表示第i項指標。

2.4 水資源承載力

由于已對各指標進行標準化處理并求出各指標對應權重，為了綜合評價各指標的影響程度又保證相對客觀的評價結果，將各指標的標準化指數賦予權重后的累計值作為水資源承載力指數，計算式如下。

式中，Mi表示第i個評價因素的承載力綜合指數，Yj表示第j個指標的權重，Zij表示第i年第j個指標的標準化值。

將綜合承載力指數按照0.2 來進行分級，0.8～1.0 為Ⅰ級、0.6～0.8 為Ⅱ級、0.4～0.6 為Ⅲ級、0.2～0.4 為Ⅳ級、0～0.2 為Ⅴ級。

3 結果與分析

通過計算得到溫宿縣水資源承載力評價指標體系標準化指數（表2），進一步得到溫宿縣水資源承載力評價指標體系分系統(tǒng)權重和體系權重（表3、表4）。

表2 溫宿縣水資源承載力評價指標體系標準化指數

表3 溫宿縣水資源承載力評價指標體系子系統(tǒng)權重

表4 溫宿縣水資源承載力評價指標體系權重

由表3 可知，當把每個子系統(tǒng)單獨計算權重時，驅動力系統(tǒng)中的5 個指標權重相近，均在0.200 0 附近，指標權重較為均衡，其中權重最大的是第二產業(yè)增長率，這是由于溫宿縣二、三產業(yè)生產總值浮動較大的緣故；壓力系統(tǒng)中的3 個指標權重相近，其中水資源開發(fā)利用率權重最大；狀態(tài)系統(tǒng)中3 個指標權重均在0.300 0 以上，其中灌溉水利用系數的權重最大；響應系統(tǒng)中3 個指標權重相差較大，其中人均供水量權重最高，為0.408 2。

由表4 可知，綜合所有指標權重，驅動力系統(tǒng)整體權重偏低，壓力系統(tǒng)整體權重較高，但所有指標的權重整體波動較小，其中直接涉及到水資源的指標水資源開發(fā)利用率、地表水用水量及比例、灌溉水利用系數和污水處理率的權重都較大。

從表5 分析，驅動力系統(tǒng)承載力指數從2010—2019 年處于波動變化趨勢，2018 年出現了最低值，為0.225 5，2019 年迅速上升，這是因為驅動力指標中的二、三產業(yè)增長率在這兩年呈現較大變化。

表5 溫宿縣水資源承載力指數

2010—2015 年壓力系統(tǒng)承載力指數變化趨勢比較平緩，2016—2018 年該指數大幅度降低，2019年開始快速升高。驅動力系統(tǒng)承載力指數在2015年也出現較大幅度的降低。在驅動力-壓力系統(tǒng)影響下，狀態(tài)子系統(tǒng)承載力指數變化比較明顯且稍顯滯后，2010—2014 年狀態(tài)子系統(tǒng)承載力指數呈穩(wěn)定上升趨勢，在2016 年達到峰值后快速降低，2017 年以后又快速升高。

2010—2015 年響應子系統(tǒng)承載力指數變化呈比較平緩的趨勢，2015 年后一直呈波動升高趨勢，尤其是從2017 年開始上升趨勢更明顯。結合4 個子系統(tǒng)后的綜合水資源承載力指數，2010—2016 年變化趨勢較為平緩，2017—2019 年呈波動變化趨勢。

綜合承載力指數按照0.2 來進行分級，分級結果見表6。

表6 溫宿縣水資源承載力指數分級

從以上分析可以看出，2015 年前水資源承載力較為穩(wěn)定，2015 年后水資源承載力指數變化較大且有上升趨勢，一方面是因為社會經濟的發(fā)展，各單位各行業(yè)用水效率提高，水資源分配更加科學合理，浪費相對減少，另一方面從2015 年開始阿克蘇地區(qū)為了落實水資源管理“三條紅線”控制指標開始實行嚴格的水資源管理制度，并于2018 年出臺了各縣市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)，各產業(yè)、各流域用水總量控制方案和分解細則，并結合非法開荒治理、渠道治理、退減灌溉耕地等一系列措施來提高水資源利用效率。尤其是年均1 400 hm2以上的耕地退減灌溉節(jié)約集約利用了大量水資源，并且在2010—2019 年農業(yè)部門實施了約44 700 hm2高標準農田建設，其中高效節(jié)水工程通過將粗獷式的大水漫灌模式改為精確滴灌模式，實施面積在35 000 hm2以上，結余水量超過1.1 億m2。與此同時，林糧間作、套作模式使部分耕地、林地蒸騰減少，利用率提高，灌溉用水量下降，也起到了一定作用，在各行業(yè)、地區(qū)用水量上升的條件下使得水資源承載力向好發(fā)展，綜合調控成果顯著。

4 小結

本研究運用DPSR 模型對溫宿縣2010—2019 年水資源承載力進行研究，結果表明，2015 年前溫宿縣水資源承載力發(fā)展趨勢較為平緩，水資源利用效率與社會經濟發(fā)展處于較為平衡的狀態(tài)，2015 年后水資源承載力呈波動上升趨勢，主要原因包含2 個方面。①2015 年開始阿克蘇地區(qū)層面用水政策收緊，對水資源的規(guī)劃分配更加嚴格科學，且出臺了相應政策對各地方、各產業(yè)單位、各類用水量進行嚴密的監(jiān)督。②2010—2019 年溫宿縣國土、農業(yè)、水利相關部門落實了一系列土地、水利工程，使得農業(yè)用水量減少較為明顯，農業(yè)灌溉效率提高，并且集約節(jié)約優(yōu)先供水給優(yōu)質耕地，逐步退出部分低質量耕地，使得用水效率得到提高。

針對以上研究成果，實現水資源的科學規(guī)劃、合理配置和可持續(xù)利用是保障經濟和可持續(xù)發(fā)展的基礎，合理的政策導向是提高水資源承載力較為直接的方法。