官冬杰,蘇 印,左太安,蘇維詞
(1. 重慶交通大學 河海學院,重慶 400074;2. 畢節學院 地理與生命科學學院,貴州 畢節 551700 3.重慶師范大學 地理與旅游學院,重慶400047;4.貴州科學院 山地資源研究所,貴州 貴陽 550001)
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貴州省畢節市水資源生態承載力動態變化評價
官冬杰1,蘇 印1,左太安2,蘇維詞3,4
(1. 重慶交通大學 河海學院,重慶 400074;2. 畢節學院 地理與生命科學學院,貴州 畢節 551700 3.重慶師范大學 地理與旅游學院,重慶400047;4.貴州科學院 山地資源研究所,貴州 貴陽 550001)
通過因子分析法篩選出一套相對完整的反映喀斯特地區水資源生態承載力動態變化趨勢的評價指標體系,用熵權法對指標進行賦權,并通過構建灰色關聯模型對貴州省畢節市2005—2010 年的水資源生態承載力的狀況作了客觀的評價。結果表明:2005—2010 年,畢節市水資源生態承載力相對較好,與最佳水平狀況的關聯度都保持在0.85以上,2007年的水資源生態承載力相對水平達到最高,此后水資源生態承載力便開始逐年下降,人口和經濟發展是水資源生態承載力的兩大壓力因素。
環境工程;水資源生態承載力;因子分析法;熵權法;灰色關聯法
水資源生態承載力是一個國家或地區持續發展過程中各種自然資源承載力的重要組成部分,且往往是水資源緊缺和貧水地區制約人類社會發展的“瓶頸”因素, 它對一個國家或地區綜合發展和可持續發展有著至關重要的影響[1-3]。作為可持續發展研究和水資源安全戰略研究中的一個基礎課題, 水資源生態承載力研究已引起學術界高度關注并成為當前水資源科學中的一個重點和熱點研究問題[4-5]。
對于區域水資源生態承載力[6](Regional Water Carrying Capacity)的理論研究,國際上單項研究的成果較少,大多將其納入可持續發展理論中。如美國的URS公司對佛羅里達Keys流域的承載力進行了研究[7];H.M.Jonathan[8]從供水的角度對城市水資源生態承載力進行了相關研究,并將其納入城市發展規劃當中;Rijibermanj[9]在研究城市水資源評價和管理體系中將承載力作為城市水資源保障的衡量標準;M.J.Haddadin[10]和A.H.Hrlich[11]著重研究了農業生產區域水資源農業承載力,將此作為區域發展潛力的一項衡量標準。
國內這方面研究起步較晚。20 世紀70 年代初水資源定義被提出后,為了更具體和量化,同時隨著水問題的日益突出,國內學者加強了對水資源管理的研究。施雅風,等[12]采用常規趨勢法對新疆烏魯木齊河流域的水資源生態承載力進行了研究;許有鵬[13]采用模糊分析方法對新疆和田河流域的水資源生態承載力進行了研究;徐中民[14]采用情景基礎的多目標分析法研究了黑河流域水資源生態承載力。總體上看,我國大陸地區的水資源生態承載力研究一般偏重于應用和量化方法的研究,而對概念的系統探討較少,目前對水資源生態承載力的評價方面,主要存在著評價指標體系的建立過于隨意,指標的形成方法和具體的指標體系過于簡單,沒有給出分析和篩選框架,評價指標的選擇沒有針對性等問題。
綜上所述,筆者以貴州省畢節市為例,基于研究區域特色和水文特征,選擇與水資源生態承載力密切相關的指標,運用因子分析法對指標體系進行分析和篩選,去除重復性因子,建立一套能反映畢節地域特色的水資源生態承載力評價指標體系。同時,利用熵權法賦予指標權重,采用灰色系統理論提出的灰色關聯度分析的方法,尋求系統中各子系統(或因素)之間的協調關系,對畢節市2005—2010年的水資源開發利用與社會經濟之間的協調程度進行評價,為城市發展和水資源開發利用提供依據。
畢節市是典型的巖溶山區,位于貴州省西北部,其主要植被類型是亞熱帶常綠闊葉林,市區大部分屬于北亞熱帶溫涼濕潤氣候,年平均氣溫10.5~15 ℃,年平均降水量848.6~1 394.4 mm,地下水系十分發育,而地表水系卻不完整,常干涸無水,分屬長江流域和珠江流域兩大水系,是烏江、赤水河、北盤江的重要發源地之一(圖1)。

圖1 畢節市流域Fig.1 Drainage map of Bijie
區域內水運動及其變化規律特殊,水資源開發利用困難。隨著畢節試驗區工農業的結構調整和城鎮化進程的加快,生產、生活、生態用水等各方面對水資源的需求日益加劇。對此,如何加強對水資源的開發利用、優化配置、節約保護和科學管理,實現以水資源的可持續利用支撐,成為當前迫切需要解決的問題。
2.1 評價指標體系的建立
貴州省畢節市是典型的巖溶山區,巖溶生態環境脆弱,這種脆弱性首先表現在生態系統基礎—土壤薄瘠,單位面積的綠色產量低,環境能提供的食物養活人口數量少,即環境承載力低。其次,在這貧瘠的土壤上,分布的植被較少,植被結構簡單,一旦遭到破壞,環境隨之迅急惡化,恢復比較困難。同時,巖溶地區因其特殊的地質地貌而具有獨特的水資源形成與分布規律,不僅地表水資源貧乏,而且水資源的時空分布不均,巖溶干旱現象嚴重,當地百姓形容為“地表水貴如油,地下水嘩嘩流”便是其真實的寫照。所以,巖溶的這種特殊生境,再加上人類對自然資源不合理的開發和利用,對巖溶地區水資源生態承載力的大小有著重要的影響,水資源系統對社會、經濟的發展支撐能力的“闞值”相對較小[15]。根據巖溶環境的特殊性,從水資源系統的供需方面和畢節市可持續發展規劃,考慮社會、經濟和環境等方面的因素,以及資料的連續性和可獲得性,以地區社會穩定發展、經濟可持續發展和環境質量的逐步改善等為綜合目標[16],從以下幾個方面出發:
1)水資源的數量、質量及開發利用程度[17]。由于自然地理條件的不同,水資源在數量上都有其獨特的時空分布規律,在質量上也有所差異,水資源的開發利用程度及方式也會影響可以用來進行社會生產的可利用水資源的數量。基于此選擇水資源總量、年降水量、地表水量、地下水量、II類水質(按照地表水環境質量標準分為Ⅰ類、Ⅱ類 、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類)、水資源利用率、公共供水綜合生產能力、總供水量作為評價指標。
2) 需水利用水水平。不同歷史時期或同一歷史時期不同地區都具有不同的生產力水平。在不同的生產力水平下利用單方水可生產不同數量及不同質量的工農業產品,在研究某一地區的水資源承載能力時必須估測現狀與未來的利用水平。因此選擇農業用水總量、工業用水總量、林牧漁畜用水量、城鎮公共用水量、居民生活用水量、生態環境用水量、總用水量作為評價指標。
3) 人口與勞動力。社會生產的主體是人,水資源承載能力的對象也是人,因此人口和勞動力與水資源承載能力具有互相影響的關系,從而選擇人口、人均水資源占有量作為評價指標。
4) 消費水平與結構。消費水平及結構層次將決定水資源承載能力的大小。因此選取國內生產總值、固定資產投資、農村居民平均消費、城鎮居民平均消費、人均日生活用水量、耗水量作為評價指標。
據此,筆者選擇公共供水生產能力、蓄水總量、國內生產總值、固定資產投資、農業用水總量、工業用水總量、耗水量、農村居民平均消費、城鎮居民平均消費、人均日生活用水量、生活用水總量、人口等指標(圖2),作為畢節市水資源生態承載力評價指標體系。

圖2 畢節市水資源生態承載力評價指標體系Fig.2 Evaluation index system of water resources carrying capacity in Bijie
2.2 評價指標的選擇
因子分析法是一種揭示大樣本、多變量數據中各個變量之間內在關系的一種方法,其主要作用是降低觀測空間的維數,以獲取主要的信息。筆者對影響水資源生態承載力的多個指標,用因子分析法進行篩選、合并那些帶有重復信息的指標,最終給出與水資源生態承載力有密切聯系的評價指標。其步驟為:①對數據進行標準化處理;②求出樣本的相關系數矩陣;③計算其特征值、主成分的貢獻率及累積貢獻率;④求出主成分荷載,確定主成分個數;⑤對因子載荷矩陣實行方差最大正交旋轉。具體操作可借助SPSS軟件進行統計計算,選出能反映絕大部分信息(通常特征值大于1)的前t個主因子(表1,表2)。

表1 總方差分解

表2 旋轉后的因子載荷矩陣
(續表2)

指標公因子1234X40.4490.4390.7030.175X5-0.774-0.5830.101-0.163X60.4290.0930.8970.010X70.3180.397-0.1430.828X80.874-0.1450.410-0.025X9-0.2150.5770.6730.121X10-0.982-0.0010.180-0.001X11-0.929-0.225-0.01-0.264X12-0.058-0.9710.0910.107X130.095-0.9480.0970.284X140.281-0.1970.5600.740X15-0.372-0.7930.163-0.453X160.8380.1000.4970.201X170.2720.9040.1360.297X180.8610.1670.4130.244X190.8470.0320.4340.220X200.8380.2490.4630.092X210.909-0.0710.2880.269X220.8730.3160.3570.053X23-0.344-0.830-0.314-0.044
對于第1公因子中載荷較大的有:X8,X10,X11,X16,X18,X19,X20,X21,X22;
對于第2公因子中載荷較大的有:X1,X12,X13,X17;
對于第3公因子中載荷較大的有:X3,X6;
對于第4公因子中載荷較大的有:X7。
從承載體 (水資源系統)對被承載對象(社會經濟系統) 的客觀承載力本身來考察,水資源系統代表了承載媒體的客觀承載能力大小,其分值越大,表示水資源現實承載力越高;屬于“效益型” 指標;社會經濟系統代表了被承載對象的壓力大小,其分值越大,表示水資源系統所受壓力越大,水資源現實承載力越低,屬于“成本型”指標。在上述篩選出的指標當中屬于“效益型” 指標的有:X1,X3,X6,X7,X17;屬于“成本型”指標的有:X8,X10,X11,X12,X13,X16,X18,X19,X20,X21,X22。如表3[18-20]。

表3 畢節市水資源生態承載力評價指標
2.3 賦予評價指標權重
在信息論中,熵是對不確定性的一種度量。信息量越大,不確定性就越小,熵也就越小;信息量越小,不確定性越大,熵也越大[21-22]。采用熵權法可以較大程度地克服主觀因素賦值所造成的偏差,是評價指標的權重確定更趨科學、合理。使用熵權法確定權重主要步驟如下。
2.3.1 原始數據矩陣進行標準化
設m個評價指標,n個評價對象得到的原始數據矩陣為:
(1)
標準化矩陣后得到:
R=(rij)m×n
(2)
式中:rij為第j個評價對象在第i個評價指標上的標準值,rij∈[0,1]。其中對收益性指標而言,有:
(3)
而對成本性指標而言,有:
(4)
2.3.2 定義熵
在有m個指標,n個評估對象的評估問題中,第i個指標的熵定義為:
(5)

2.3.3 定義熵權
定義了第i個指標的熵之后,可得到第i個指標的熵權定義,即:
(6)

根據式(1)~式(6),將篩選出的指標值代入得到權重值如表4。
表4 畢節市水資源生態承載力評價指標權重值
Table 4 Evaluation index weight of water resources carrying capacity in Bijie

3.1 評價方法
灰色關聯法對于一個系統發展變化態勢提供了量化的度量,非常適合動態(Dynamic)的歷程分析。如果兩個因素變化的態勢是一致的,即同步變化程度較高,則可以認為兩者關聯較大;反之,則兩者關聯較小。因此,灰色關聯法能夠作為中長期城市規劃限制規模的承載力的量化方法;能夠給出短期的城市發展方案和水資源開發利用方案;能夠用于對某一特定時期的水資源-社會經濟系統對下一時期人口增長和經濟發展的承載能力或水資源開發利用與社會經濟之間的協調程度進行評價。
筆者基于灰色關聯法對畢節喀斯特地區2005—2010年的水資源生態承載力進行評價建模,灰色關聯法[23-24]的綜合評價具體步驟如下。
3.1.1 對評價指標序列進行數據處理
由于各個評價指標的含義和目的不同,導致其值的量綱和數量級也不一定相同。為了便于分析,保證各數據具有等效性和同序性,需要對原始數據進行處理,使之無量綱化和歸一化。數據處理的方法很多,筆者采用初值化的處理方法,即對一個數列所有數據均除以它的第一個數,從而得到一個新數列的方法。這個新數列表明原始數列中的不同時刻的值相對于第一個時刻值的倍數,該數列有共同起點,無量綱。
3.1.2 構造理想對象,確定理想指標序列
對不同指標而言,好壞的標準各不相同,有的以值大為好,有的則以值小為佳,將每種指標的最佳值作為理想對象的指標,便可構造理想對象,獲得理想指標序列。
3.1.3 計算指標關聯系數
計算公式為:
(7)
(8)

3.1.4 計算關聯度
比較序列Zi(k)與參考序列Z0(k)的關聯程度是通過N個關聯系數來反映的,與各個指標的權重加權就可得到Zi(k)與Z0(k)的關聯度,計算公式為:
(9)
3.2 計算結果和分析
將表3中的指標數據代入灰色關聯法,得到表5、表6。

表5 畢節市水資源生態承載力評價指標標準化值
(續表5)

指標年份200520062007200820092010X1811.001.211.521.732.06X1911.812.794.336.5611.27X2011.041.051.171.201.23X2110.951.121.221.802.19X2211.181.341.501.621.79

表6 畢節市水資源生態承載力評價指標關聯系數ξ值(ρ=0.5)
水資源生態承載力的好壞是相對的,沒有絕對的標準。在2005—2010年的6年時間里,與水資源生態承載力相關的評價指標的最佳理想序列為:Z0(k)={1.38,1.16,1.22,1.00,0.91,0.64,0.46,0.33,0.38,1.00,1.48,1.00,1.00,1.00,0.95,1.00 }。
從表6的評價指標關聯系數ξ值可以很明顯的看出:在經濟結構系統指標方面(X18~X22),從2007年以后關聯系數ξ值都在降低,到2010年降至最低。說明經濟發展速度越來越快,對水資源承載力已經構成了很大的壓力;而社會結構系統指標方面(X16~X17),從2005年到2010年間關聯系數ξ值并沒有發生很大的波動,對水資源承載力的影響不是很大;需水結構系統方面(X8~X13),農業用水逐年增加,居民生活用水有所減少,說明對于農業節水技術的投入有待加強,水價的調控起了一定的積極作用;從供水系統方面來看(X1~X7),供水關聯系數ξ值在逐漸升高,水資源的來源有逐步轉好的趨勢,說明在水資源開源方面工作做得比較充分。但是我們也應該看到雖然供水環境有所好轉,但是水資源承載力的整體趨勢是下降的(圖3)。

圖3 畢節市2005—2010年水資源生態承載力與理想水資源生態承載力的關聯度 Fig.3 Comprehensive correlative degree of water resources carrying capacity in Bijie from 2005 to 2010
從圖3中看到2007年的關聯度最高,也就是說在2005—2010 年這6年的時間里,2007年的相對水資源生態承載力與6年里水資源生態承載力的最佳水平最相近。此后從2008年開始,水資源生態承載力水平逐漸降低并低于2005年、2006年的水平。主要原因是:一方面從2008年以后,隨著畢節試驗區經濟的飛速發展,國內生產總值、固定資產投資、耗水量、農村居民平均消費、城鎮居民平均消費都在迅速升高,同時由于畢節人口基數比較大,加之近年人口的流動性比較強,鄉鎮人口大量涌入畢節市區,導致市區人口數量進一步膨脹。而這些指標都屬于“成本型”指標類型,屬于經濟結構系統要素,對水資源系統構成壓力,即指標的數值越大,水資源生態承載力越低;相反,從2008年開始年降水總量、地表供水量、總供水量、公共供水綜合生產能力,基本維持不變或有所下降,這些屬于“效益型”的指標,對水資源系統提供支撐力,即指標的數值越大,水資源生態承載力越高;另一方面,在喀斯特水資源生態承載力系統中,經濟結構系統在4個子系統當中占據的權重比例最大,對水資源生態承載力影響的強度也最大。
綜合考慮了自然、社會、經濟和環境因素對水資源生態承載力的影響,運用因子分析法提取能夠比較完整反映地區特色的水資源生態承載力指標體系,然后用熵權法確定了評價指標的客觀權重,避免了人為賦權的主觀隨意性,采用與水資源生態承載力動態變化相適應的灰色關聯系統對貴州省畢節市水資源生態承載力進行了綜合分析和評價,得出了畢節市水資源生態承載力的動態變化趨勢,為今后的水資源利用提供一定的科學依據。
1)從貴州省畢節市2005—2010年的水資源生態承載力逐年動態變化趨勢來看,水資源承載能力從2007年開始逐年減弱,但整體水資源承載能力依然較強,與這6年當中的最佳水資源生態承載力水平都有較高的關聯度,都保持在0.85以上。
2)畢節市水資源總量比較豐富,水資源來源環境較好,但是對農業工業的節水技術投入較少,隨著經濟的快速發展,以致水資源供需關系方面逐漸轉變為供不應求。
3)經濟發展和未來人口數量是畢節市水資源生態承載力變化的最主要兩大壓力因素,隨著社會經濟的發展,這兩大因素對水資源生態承載力的壓力也逐年增大,如果不加大水資源的合理調配和水資源的循環利用,提高水資源的利用率,那么未來畢節市水資源狀況不容樂觀。
4)為了應對水資源生態承載力的進一步降低,應當合理調整用水結構,大力發展節水農業,改變工業布局,采用新的技術和設備,減少污染浪費,同時合理地調控水價。
筆者所討論的水資源生態承載力是基于喀斯特地區區域特征的角度出發的,評價指標體系是根據區域特色和畢節市實際情況確定的。在對其它區域和縣市進行研究時,應根據具體的區域和研究對象的規模和發展進行調整。通過因子分析法篩選出畢節市水資源生態承載力變化的影響指標,在所選定的載荷較大的指標當中包括了經濟、水資源量和需水用水的變化情況,能夠較全面地反映水資源生態承載力的變化狀況。但是,對于較大載荷指標選擇依據的標準可進一步進行研究。
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Dynamic Change Evaluation of Water Resources Ecological Carrying Capacity in Bijie City of Guizhou Province
Guan Dongjie1, Su Yin1, Zuo Taian2, Su Weici3,4
(1.School of River & Ocean Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. Geography & Life College, Bijie University, Bijie 551700, Guizhou, China; 3. Geography Science Institute,Chongqing Normal University, Chongqing 400047, China; 4. Institute of Mountain Resources of Guizhou Province, Guiyang 550001, Guizhou, China)
Through factor analysis, a relatively intact ecological carrying capacity of water resources in karst areas reflect changing trends in the evaluation system was selected. Entropy method is used to endow weight for different indices, grey analysis method is employed to carry on comprehensive evaluation of the Bijie City, Guizhou province. The results demonstrate that the carrying capacity of water resources in 2007 is of the highest level, carrying capacity level of water resources after 2007 is decreased yearly; population and economic developments are confirmed to be two pressed factors for the water resources carrying capacity.
environmental engineering; water resources ecological carrying capacity; factor analysis; entropy weight method; grey correlation method
10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.17
2013-12-29;
2014-02-27
國家自然科學基金項目(41201546,41261038);國家“十二五”科技支撐計劃專題項目(2011BAC02B02);國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAJ25B09);重慶市自然科學基金項目(cstc2012jjA20010);貴州省重大科技專項項目(黔科合重大專項字﹝2012﹞6015 號)
官冬杰(1980—),女,黑龍江富錦人,教授,博士,主要從事生態環境的評價與預警方面的研究。E-mail:guandongjie_2000@163.com。
P933
A
1674-0696(2015)02-077-08