引大入秦工程受水區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)

關(guān)鍵詞：熵權(quán)TOPSIS;耦合協(xié)調(diào)度；障礙度；水資源承載力；引大入秦工程

半干旱區(qū)引大人秦工程的建成運(yùn)行，為受水區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)水資源支撐。但隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，造成引大入秦工程實(shí)際引水量長(zhǎng)期達(dá)不到許可水量，水資源得不到充分利用，供水效益得不到充分發(fā)揮，因而有必要對(duì)受水區(qū)水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，這對(duì)推動(dòng)受水區(qū)水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于水資源承載力的評(píng)價(jià)研究成果已有很多，評(píng)價(jià)水資源承載力常用的方法有常規(guī)趨勢(shì)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法和主成分分析法等。例如：賈建輝等通過(guò)模擬不同方案的中山市水資源承載力，運(yùn)用常規(guī)趨勢(shì)法進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明節(jié)水型城市綜合優(yōu)化方案可有效解決中山市水資源供需不平衡問(wèn)題：任高珊等運(yùn)用模糊綜合評(píng)判模型分析了榆林市水資源承載力，結(jié)果表明該市水資源承載力較小，開(kāi)發(fā)潛力不大；Yang等提出了基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的改進(jìn)水資源承載力評(píng)價(jià)方法，對(duì)鐵嶺市不同情景下的水資源狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)：Liu等建立了基于主成分分析的水資源承載力評(píng)價(jià)體系，并對(duì)其閾值進(jìn)行了研究，建立的水資源承載力評(píng)價(jià)體系較傳統(tǒng)體系更加科學(xué)。上述研究存在一些不足，如涉及的社會(huì)因子少、信息利用率低、模型參數(shù)不易調(diào)控和不能進(jìn)行縱向比較等。TOPSIS模型計(jì)算簡(jiǎn)單、能夠充分利用原始數(shù)據(jù)信息，還可以進(jìn)行橫向和縱向比較，同時(shí)熵權(quán)能根據(jù)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)求得權(quán)重，客觀真實(shí)地反映情況，但TOPSIS模型僅通過(guò)歐氏距離來(lái)衡量評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案的貼近程度會(huì)得到片面的評(píng)價(jià)結(jié)果。因此，本研究引入研究不同子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)發(fā)展水平的耦合協(xié)調(diào)度模型，同時(shí)為了確定水資源承載力提升的障礙因素，引入障礙度模型。

為了判斷引大人秦工程受水區(qū)水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境3個(gè)子系統(tǒng)之間能否可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展，構(gòu)建水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境多要素評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用熵權(quán)TOPSIS、耦合協(xié)調(diào)度和障礙度模型綜合評(píng)價(jià)引大人秦工程受水區(qū)水資源承載力，以期為推動(dòng)受水區(qū)水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考。

1研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

引大入秦工程地處甘肅西部的崇山峻嶺地帶，是一項(xiàng)大型自流引水灌溉工程。該工程將青海省境內(nèi)的大通河水引到蘭州市以北的秦王川地區(qū)，以解決該地區(qū)的干旱缺水問(wèn)題。引大工程受水范圍包括永登縣、蘭州新區(qū)、皋蘭縣、景泰縣和白銀區(qū)5個(gè)縣（區(qū)）的大部分區(qū)域，受益人口200多萬(wàn)。現(xiàn)已建成運(yùn)行的總干渠及分干渠有5條，干支渠長(zhǎng)達(dá)1265km;總干渠從天?？h境內(nèi)的天堂寺渠首引水，全長(zhǎng)87km，3座倒虹吸總長(zhǎng)1.72km。1994年工程建成通水，至今已累計(jì)向灌區(qū)及周邊城鎮(zhèn)供水29億m3。

本文所用數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《甘肅省水資源公報(bào)》《甘肅統(tǒng)計(jì)年鑒》及5個(gè)縣（區(qū)）《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》等。

2研究方法

2.1指標(biāo)體系構(gòu)建

本文以2017-2021年為研究期，以引大人秦工程受水區(qū)為研究區(qū)，參考唐家凱等、左其亭等的研究成果，構(gòu)建包含目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層共17個(gè)指標(biāo)的引大入秦工程受水區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

2.2熵權(quán)TOPSIS模型

熵權(quán)TOPSIS模型可以避免傳統(tǒng)TOPSIS法中主觀因素對(duì)權(quán)重計(jì)算的影響，使水資源承載力動(dòng)態(tài)及變化趨勢(shì)被客觀地反映出來(lái)。計(jì)算步驟：1）構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)矩陣；2）確定指標(biāo)權(quán)重；3）構(gòu)建基于熵權(quán)的評(píng)價(jià)矩陣；4）確定正、負(fù)理想解；5）計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象與正、負(fù)理想解的距離；6）計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與理想解的貼近度。具體步驟見(jiàn)文獻(xiàn)。

本文按貼近度大小將水資源承載力分為5個(gè)等級(jí)：低級(jí)[0，0.3）、警戒[0.3，0.4）、中級(jí)[0.4，0.5）、良好[0.5，0.6）、優(yōu)秀[0.6，1.0]。

2.3耦合協(xié)調(diào)度模型

耦合協(xié)調(diào)度模型用于評(píng)價(jià)各子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r。耦合協(xié)調(diào)度越大，表示各子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)發(fā)展水平越高，具體步驟見(jiàn)文獻(xiàn)。本文將耦合協(xié)調(diào)度劃分為失調(diào)[0，0.4）、瀕臨失調(diào)[0.4，0.5）、勉強(qiáng)協(xié)調(diào)[0.5，0.6）、初級(jí)協(xié)調(diào)[0.6，0.7）、中級(jí)協(xié)調(diào)[0.7，0.8）、良好協(xié)調(diào)[0.8，0.9）、優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)[0.9，1.0]5個(gè)等級(jí)。

2.4障礙度模型

障礙度模型是通過(guò)計(jì)算指標(biāo)與最優(yōu)值之間的偏離度來(lái)確定每個(gè)指標(biāo)阻礙程度的一種數(shù)學(xué)模型，該模型運(yùn)算量小且不易受主觀因素影響，但不能反映評(píng)價(jià)對(duì)象的動(dòng)態(tài)變化。具體步驟見(jiàn)文獻(xiàn)。

3結(jié)果與分析

3.1水資源承載力時(shí)間維度分析

2017-2021年引大人秦工程受水區(qū)水資源承載力貼近度總體呈小幅波動(dòng)上升趨勢(shì)（見(jiàn)圖1）。2017年白銀區(qū)、蘭州新區(qū)、景泰縣、永登縣和皋蘭縣水資源承載力貼近度分別為0.65、0.78、0.22、0.25和0.36，2021年該值分別為0.66、0.79、0.24、0.26和0.54，上升幅度分別為1.5%、1.3%、9%、4%和50%。水資源承載力等級(jí)只有皋蘭縣由警戒等級(jí)上升至良好等級(jí)，其他4個(gè)縣（區(qū)）均保持不變，即永登縣和景泰縣處于低級(jí)．蘭州新區(qū)和白銀區(qū)處于優(yōu)秀等級(jí)。2017-2021年皋蘭縣水資源承載力貼近度先升后降，上升幅度最大，其原因是皋蘭縣近幾年人均水資源量、人均GDP、綠化覆蓋率和生態(tài)用水率等正向指標(biāo)均逐年上升，人均用水量、單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值用水量和化學(xué)需氧量等逆向指標(biāo)有所下降；白銀區(qū)貼近度先升后降再升，整體增大，先上升的原因是2018年白銀市獲批建設(shè)蘭白國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)，人均GDP大幅上升，但由于區(qū)域水資源短缺問(wèn)題未得到根本解決，制約著農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境的發(fā)展，因此水資源承載力出現(xiàn)下降現(xiàn)象。

2017-2021年，引大人秦工程受水區(qū)水資源、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)承載力水平低于社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的。根據(jù)《甘肅省實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度辦法》要求，2021年各縣（區(qū)）全面貫徹落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度，水資源保護(hù)力度持續(xù)加大，因此未來(lái)引大入秦工程受水區(qū)生態(tài)環(huán)境將得到明顯改善，水資源承載力也將持續(xù)提升。

3.2水資源承載力空間維度分析

2017-2021年，引大人秦工程受水區(qū)水資源承載力貼近度均值由0.45增長(zhǎng)到0.50，提高了11.11%，受水區(qū)各縣（區(qū)）貼近度均值由大到小排序?yàn)樘m州新區(qū)（0.78）gt;白銀區(qū)（0.70）gt;皋蘭縣（0.54）gt;永登縣（0.25）gt;景泰縣（0.22）。蘭州新區(qū)、白銀區(qū)和皋蘭縣水資源承載力等級(jí)分別為優(yōu)秀、優(yōu)秀和良好，原因是這3個(gè)縣（區(qū)）地理位置較為優(yōu)越，對(duì)科教、環(huán)衛(wèi)和生態(tài)保護(hù)等方面投入較大，基礎(chǔ)設(shè)施較為完善，水資源利用效率較高，人均GDP、每公頃農(nóng)田灌溉用水量和生態(tài)用水率也較高，使得水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境3個(gè)子系統(tǒng)間的發(fā)展更加協(xié)調(diào)；永登縣和景泰縣的水資源承載力等級(jí)為低級(jí)，原因是這2個(gè)縣受地理位置和環(huán)境的限制，基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)條件尚不完善，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源保護(hù)利用方面的協(xié)調(diào)能力較低。

3.3子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度分析

2017-2021年，引大人秦工程受水區(qū)的水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境3個(gè)子系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)度先升后降。耦合協(xié)調(diào)度由2017年的0.797（中等協(xié)調(diào)等級(jí)）波動(dòng)上升至2018年的0.802（良好協(xié)調(diào)等級(jí)），2019-2021年耦合協(xié)調(diào)度分別為0.801、0.800和0.800，始終維持在良好協(xié)調(diào)等級(jí)。早期引大入秦工程受水區(qū)的環(huán)境保護(hù)不足，當(dāng)?shù)鼐用竦墓?jié)水意識(shí)較差，水資源利用效率較低且浪費(fèi)嚴(yán)重，一些產(chǎn)業(yè)耗水量大，使得引大人秦工程受水區(qū)水資源子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)關(guān)系失衡。隨著近年來(lái)我國(guó)對(duì)生態(tài)文明建設(shè)和環(huán)境保護(hù)重視程度不斷提高，引大人秦工程受水區(qū)水資源子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)程度得到穩(wěn)步提升。

3.4水資源承載力障礙度分析

根據(jù)障礙度由大到小排序，選取前6位的障礙因素作為2017-2021年阻礙引大人秦工程受水區(qū)水資源承載力的主要因素，分別為產(chǎn)水模數(shù)（C1）、人均水資源量（C2）、單位耕地水資源量（C3）、降水量（C4）、建成區(qū)綠化覆蓋率（C16）和生態(tài)用水率（C17）（見(jiàn)表2）。

4討論

本研究結(jié)果表明：引大人秦工程受水區(qū)水資源承載力水平呈緩慢上升趨勢(shì)，水資源、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的承載力水平低于社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的，這與吳明艷等的研究結(jié)果一致。產(chǎn)水模數(shù)C1、人均水資源量C2、單位耕地水資源量C3和降水量C4是引大人秦工程受水區(qū)水資源承載力的主要障礙因素（均屬于水資源子系統(tǒng)），其他兩個(gè)子系統(tǒng)的指標(biāo)障礙度相對(duì)較小，這與李景等的研究結(jié)果一致。這4個(gè)主要障礙因素的障礙度之間差距不大，主要障礙因素集中在水量方面，表明水資源短缺是受水區(qū)發(fā)展的最大短板。2017-2021年白銀區(qū)、蘭州新區(qū)以及永登縣的障礙因素均為廢污水年排放總量，建議推進(jìn)污染治理工作，構(gòu)建與地區(qū)發(fā)展水平相匹配的污水治理體系，以生態(tài)文明建設(shè)和宜居城市建設(shè)為抓手，完善污水處理設(shè)施建設(shè)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展相協(xié)調(diào)。因此，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)減少水資源消耗及水環(huán)境污染是實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。綜上所述，為了提高引大人秦工程受水區(qū)水資源承載力和生態(tài)環(huán)境整體可持續(xù)性，需要通過(guò)提高水資源利用率和廢水回用率、加大水污染治理力度、落實(shí)節(jié)水措施等來(lái)提升水資源子系統(tǒng)的承載能力。

本研究采用熵權(quán)TOPSIS．耦合協(xié)調(diào)度和障礙度模型，主要根據(jù)所構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行水資源承載力分析，雖然避免了主觀因素對(duì)權(quán)重計(jì)算的影響，但是指標(biāo)選取和對(duì)指標(biāo)評(píng)價(jià)依據(jù)的設(shè)定有較大的主觀性，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況之間存在一定的偏差，故今后需繼續(xù)開(kāi)展這方面的研究。

5結(jié)論

1） 2017-2021年引大入秦工程受水區(qū)水資源承載力水平呈緩慢上升趨勢(shì)，水資源承載力貼近度由0.45增長(zhǎng)到0.50，提高了11.11%，水資源承載力水平由中級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)榱己玫燃?jí)。2017-2021年，水資源和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)承載力水平低于社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)承載力水平。

2） 2017-2021年蘭州新區(qū)、白銀區(qū)、皋蘭縣、景泰縣和永登縣的水資源承載力貼近度均值分別為0.78、0.70、0.54、0.22和0.25，說(shuō)明蘭州新區(qū)、白銀區(qū)和皋蘭縣的水資源承載力等級(jí)分別為優(yōu)秀、優(yōu)秀和良好，永登縣和景泰縣水資源承載力等級(jí)為低級(jí)。

3）引大入秦工程受水區(qū)水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境3個(gè)子系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)度在2017-2021年間先升后降，耦合協(xié)調(diào)度等級(jí)由中等協(xié)調(diào)等級(jí)上升為良好協(xié)調(diào)等級(jí)。

4）產(chǎn)水模數(shù)、人均水資源量、單位耕地水資源量、降水量、建成區(qū)綠化覆蓋率和生態(tài)用水率是阻礙引大人秦工程受水區(qū)水資源承載力提升的主要因素。