基于熵權的模糊綜合評價模型的廣西水資源承載力空間分異研究

戴明宏, 王臘春, 魏興萍

(1.南京大學 地理與海洋科學學院, 南京 210023; 2.重慶師范大學 地理與旅游學院GIS應用研究重慶市重點實驗室，重慶 400047)

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基于熵權的模糊綜合評價模型的廣西水資源承載力空間分異研究

戴明宏1, 王臘春1, 魏興萍2

(1.南京大學 地理與海洋科學學院, 南京 210023; 2.重慶師范大學 地理與旅游學院GIS應用研究重慶市重點實驗室，重慶 400047)

水資源承載力評價是水資源安全管理的基礎。以喀斯特典型省份廣西壯族自治區為研究對象，選取評價指標并用熵權法賦權，構建模糊綜合評價模型，對2013年廣西各地市水資源承載力進行綜合評價分析。評價結果顯示：2013年廣西水資源承載力狀況總體較好，其中桂林市、柳州市處于理想可承載狀態，貴港市處于不可承載狀態，其他地市均處于可承載狀態。從各子系統來看，供需子系統總體狀況較好，防城港市的供需子系統評價指數最高，南寧市和貴港市的評價指數最低；生態環境子系統評價指數普遍較低，桂林市的評價指數最高；社會經濟子系統方面，柳州市、桂林市和防城港市評價指數最高，而貴港市的評價指數最低。評價結果對廣西及各地市水資源規劃和水資源可持續開發利用具有一定的借鑒和參考價值。

水資源承載力; 模糊綜合評價模型; 熵權法; 空間分異

水資源是基礎性自然資源和戰略性經濟資源，水資源承載力是水資源安全的重要度量[1-2]，也是水資源管理的基礎。隨著經濟的快速發展和城鄉居民生活水平的大幅提高，水資源短缺形勢日益嚴峻，水資源已成為制約區域環境與社會經濟可持續發展的重要障礙因素。因此，實現區域的可持續發展，在很大程度上取決于對水資源的可持續開發利用，其關鍵就是保護水資源開發利用不超過其最大承載能力，提高水資源的再生能力。

水資源承載力是指在一定的社會經濟條件下，水資源可最大供給工農業生產、人民生活和生態環境保護等用水的能力[3-5]。相對于國外，國內水資源承載力研究開展較晚，但相關研究發展迅速。國內學者從水資源承載力的概念和內涵出發，針對不同區域的水資源特點進行水資源承載力評價，研究區域主要集中于西北干旱區、華北缺水區、西南喀斯特地區、城市等[6-9]，評價方法由過去單一、靜態的評價分析發展為綜合、動態的評價模型，如模糊綜合評價模型、系統動力學方法、物元模型和數據包絡分析等[10-12]。水資源承載力評價涉及資源、環境、社會經濟等多方面因素，文章選取喀斯特典型省份廣西壯族自治區為研究對象，從水資源供需、社會經濟和生態環境3個子系統中選取評價指標，并用熵權法賦權，構建水資源承載力模糊綜合評價模型，對2013年廣西各地市水資源承載力進行綜合評價分析，以期為廣西各地市水資源合理開發利用和可持續發展提供決策依據。

1　研究區概況

廣西地處中國西南沿海，位于104°26′—112°04′E，20°54′—26°24′N，由南寧市、柳州市、桂林市等14個地級市組成，面積23.7萬km2?？λ固氐孛矎V布，占全省總面積的37.8%。強烈的巖溶作用形成了獨特的水文地質環境，溶蝕裂隙、管道發育，地表水和地下水轉化迅速，地表水極易滲漏進入地下，造成地表水資源匱乏，工程性缺水問題突出，而在現有技術條件下喀斯特地區地下水資源開發利用難度大，成本高，利用程度有限。全區屬亞熱帶季風氣候區，水系發達，雨量豐沛，2013年全省水資源總量為2 057億m3，人均水資源量為3 894 m3/人，高于全國平均水平。然而經濟增長迅速，2013年經濟增長10.2%，隨著經濟的迅速發展、城鎮化進程的加快和居民生活水平的大幅提高，水資源需求量急劇增加，2013年全省用水量較上年增加了3.7億m3，導致水資源、水環境壓力迅速增加，水資源短缺和水污染問題日益突出。其中，省會南寧2013年人均水資源量僅為2 203 m3/人，遠低于全省值3 794 m3/人；全省24個水源地水質監測顯示水質達標率為87.5%，水資源安全受到一定程度威脅。此外，水資源利用效率較低，水資源浪費問題仍然突出，全省萬元GDP用水量為248 m3，大大高于全國平均水平(109 m3)。

2　研究方法

2.1研究方法及數據來源

B=A°R

(1)

(2)

熵權法是根據數據的離散程度確定權重的一種方法，能夠避免主觀人為的干擾。由于不同評價指標對水資源承載力的影響不同，在評價過程中，某項指標的變異程度越大，對水資源承載力的影響越大。因此，為了使評價結果更加客觀、真實，本文采用熵權法確定指標權重，權重矩陣為A=(a1,a2,…,ai)。

主要數據來源于《2013年廣西壯族自治區水資源公報》、《2013年廣西壯族自治區環境狀況公報》和《2014年廣西壯族自治區統計年鑒》。

2.2評價指標體系構建

作為喀斯特典型省份，獨特的地表—地下“二元水文結構”導致工程性缺水問題突出，生態環境脆弱，加之近年來廣西社會經濟的快速發展和居民生活水平的大幅提高，勢必對水資源帶來巨大壓力。為能夠全面真實地反映廣西水資源承載力的空間分異和喀斯特生態環境的特殊性，選取指標時綜合考慮了研究對象的水資源供需狀況、生態環境質量和社會經濟發展狀況，將水資源承載力系統分為水資源供需、生態環境和社會經濟3個子系統，共選取16個評價指標，構建廣西水資源承載力評價指標體系(表1)，并用熵權法計算出各指標及其子系統的權重，具體計算步驟如下：

首先，對各評價指標進行非負化處理。設第i時段子系統中第j個影響因子的值為Xij(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)。為避免求熵值時對數的無意義，進行以下處理：

(3)

其次，計算第i時段第j個影響因子占所有時段該因子和的比重(Pij)：

(4)

第三，求子系統中各指標的權重(wj)：

(5)

表1　2013年廣西各地區水資源承載力評價指標體系及其權重

注：人口數量為公安戶籍數。

2.3評價模型及計算

水資源承載力評價指數的具體計算過程如下：

(1) 評判矩陣R的計算。評判矩陣R中rij可通過評價因素的實際數值對照各因素的分級指標(表2)來計算。為了消除各等級之間數值差別不大而等級相差一級的跳躍現象，對隸屬函數進行模糊化處理[18]。對于v2級即中間區間，令其落在區間中點的隸屬度為1，兩側邊緣點的隸屬度為0.5，中間點向兩側線性遞減處理。對于v1和v3兩側區間，則令距臨界值越遠，屬于兩側等級的隸屬度越大，在臨界值上屬于兩側等級的隸屬度各為0.5，按上述設想構造各評價等級隸屬函數的計算式。v1和v2級的臨界值為k1，v2和v3的臨界值為k3，v2等級區間中點為k2，k2=(k1+k3)/2。對于u3,u6,u13,u14,u15,u16負向指標，各評語等級相對隸屬度函數(μ)計算公式為：

(6)

(7)

(8)

對于u1,u2,u4,u5,u7,u8,u9,u10,u11,u12正向指標，各評語等級相對隸屬度函數的計算公式只需將公式(6)—(8)右端ui區間號“≤”改為“≥”，將“<”改為“>”計算。

表22013年廣西各地區水資源承載力綜合評價因素的分級指標

目標層準則層因素層分級標準v1v2v3水資源承載力綜合評價指標體系供需指標u1u2u3u4u5u6人均水資源量/(m3/人)徑流系數水資源開發利用率/%地下水資源比例/%人均供水量/(m3/人)萬元GDP用水量/m3>6000>0.6<15>30>600<2006000～30000.6～0.415～2530～20600～400200～300<3000<0.4>25<20<400>300生態環境指標u7u8u9u10森林覆蓋率/%生態環境用水率/%水源達標率/%污水處理率/%>60>2>80>9060～402～180～5090～70<40<1<50<70社會經濟指標u11u12u13u14u15u16人均GDP/(元/人)城鎮化率/%農田灌溉用水率/%居民生活用水率/%工業用水率/%人口密度/(人·km-2)>50000>30<50<5<10<20050000～2000030～2050～605～910～20200～400<20000<20>60>9>20>400評分值αj0.950.500.05

(9)

式中：vj——各評價等級；αj——各評價等級的賦值。

(3) 計算水資源承載力綜合評價指數。對上一步計算得到的各子系統評價指數進行綜合評價，按公式(9)進行加權平均，計算出水資源承載力的綜合評價指數L。水資源承載力綜合評價指數是衡量水資源承載程度的綜合性指標，評價指數越高，水資源承載力的狀況越好。

根據相關研究成果[5]，并結合廣西各地市自然生態環境及社會經濟發展狀況，確定綜合評價指數分級標準(表3)，將水資源承載力劃分為3種類型：不可承載、可承載、理想可承載。

表3水資源承載力評價指數分級標準

L狀態狀態含義描述[0～0.4]不可承載水資源供需矛盾突出,水資源供給無法滿足生產生活的需要[0.4～0.6]可承載水資源供需矛盾緩解,水污染得到治理,區域節水措施較完善,能滿足生產和居民生活需要[0.6～1.0]理想可承載水資源成為該區域發展的優勢資源,并與生態、經濟、社會協調發展

3　評價結果

總體上看，2013年廣西水資源承載力狀況較好，除貴港市外，其余13個地市都處于可承載或理想可承載狀態，但各地市由于在水資源供需狀況、生態環境和社會經濟發展方面存在較大差異，其水資源承載能力具有明顯的空間分異性(圖1—2)。其中，桂林市的水資源承載力綜合評價指數最高(L=0.73)，其次為柳州市(L=0.61)，兩市的水資源承載力均處于理想可承載狀態；而貴港市2013年水資源承載力綜合評價指數為全省最低(L=0.36)，處于不可承載狀態。

從各子系統的評價指數來看，也出現了一定的空間分異性(圖1)。供需子系統的評價結果顯示，防城港市的供需子系統評價指數最高，為0.75；貴港市的指數最低，為0.29。在生態環境子系統評價結果中，桂林市生態環境子系統評價指數最高，為0.82；其他13個地市的評價指數均低于0.6，其中欽州市的生態環境子系統評價指數最低，僅為0.36。社會經濟子系統評價方面，全省的社會經濟子系統評價指數總體較低，其中貴港市和玉林市的評價指數最低，均低于0.3，柳州市的評價指數最高，為0.61。

圖12013年廣西各地區水資源承載力綜合評價指數及各子系統評價指數

圖22013年廣西各地市水資源承載力類型分區

從全省各地市水資源承載力評價指數分級標準來看，貴港市的水資源承載力綜合評價指數全省最低(0.36)，屬不可承載區。桂林市和柳州市的水資源承載力綜合評價指數分別為0.73，0.61，屬于理想可承載區。南寧市、梧州市、北海市、防城港市、欽州市、玉林市、百色市、賀州市、河池市、來賓市和崇左市屬于可承載區(L∈[0.4～0.6])。

4　討論與結論

4.1討 論

4.1.1供需子系統空間分異分析2013年廣西供需子系統總體狀況較好(圖1)。廣西位于珠江水系中上游地區，河網密布，水系發達，內有紅水河、柳江、桂江等河流。2013年為平水年，水資源總量較為豐富，全省降水量為1 696 mm，水資源總量為2 057億m3，人均水資源量為3 894 m3/人，高于全國同期平均值2 055 m3/人。

從供需子系統的空間分異來看，南寧市和貴港市的供需子系統評價指數分別為0.41，0.29，其他地市供需子系統評價指數均高于0.45，防城港市的評價指數最高，為0.75。南寧市水資源總量豐富，然而作為廣西的省會城市，經濟發展迅速，經濟發展的“集聚效應”導致人口聚集，人口總量位居全省首位，導致人均水資源量和人均供水量均低于全省平均值，水資源供需矛盾突出。貴港市人口增長迅速，2013年全市人口自然增長率為8.25‰，比全省平均水平高0.32‰，人均水資源量和人均供水量均低于全省平均值，人口的迅速增長導致水足跡迅速增加，給水資源帶來巨大壓力；另一方面，貴港市經濟發展迅速，經濟增長率高達8.2%，而萬元GDP用水量較高(422 m3)，低效的水資源利用更加重了水資源短缺問題。防城港市的供需子系統評價指數最高，由于瀕臨海洋，受西南季風氣候影響更明顯，降水量最多，為2 913 mm，徑流系數高達0.65，由于人口數量為全省最低，人均水資源量高達12 681 m3/人，高于全省平均水平4 998 m3/人。

4.1.2生態環境子系統空間分異分析整體上，廣西各地市生態環境子系統評價指數較低。作為典型喀斯特省份，喀斯特土地面積比重為35.1%，2013年全省石漠化和潛在石漠化土地面積占國土總面積的17.7%。而喀斯特地區基巖裸露，植被嗜鈣石生，生態環境脆弱性強，且破壞后極難恢復，加之人類不合理活動導致水土流失嚴重，地表或土壤中含有污染物時也會隨水流匯入河網污染地表河流或通過落水洞、溶蝕裂隙和天窗等進入地下河造成污染，且污染一旦形成很難治理[19-20]。

從生態環境子系統的空間分異來看，桂林市的評價指數最高，為0.82，其他地市評價指數均低于0.6，欽州市評價指數最低，僅為0.36。作為世界著名的旅游城市和文化名城，桂林市制定了嚴格的生態環境保護政策，全市生態環境保護狀況較好，森林覆蓋率高達70.59%，生態環境用水率為全省最高，達3%。同時由于旅游發展依賴于環境，居民的環保意識相對較高。另外，桂林市積極防治水污染，擁有城市污水處理廠4個，污水處理率為92.3%。而欽州市作為臨海工業城市，工業對經濟增長的貢獻率高達39%，工業發展的同時不可避免的帶來生態環境的破壞，如欽州市水源地水質達標率和森林覆蓋率低于全省平均值，臨海造紙廠等重污染企業排污極易引發海洋環境污染，威脅海洋生態安全，必須嚴格控制污染排放強度，提高污水處理率。

4.1.3社會經濟子系統空間分異分析2013年全省社會經濟子系統評價指數總體較低，且空間分異明顯。除柳州市、桂林市、防城港市外，其余地市社會經濟子系統評價指數均低于0.5。從全省來看，廣西各地市人口密度普遍較高，2013年人口平均密度為229人/km2，遠高于全國平均人口密度的142人/km2。廣西經濟發展水平相對較低，在全國處于中游偏下的水平，2013年人均GDP僅為26 326元/人，遠低于全國平均水平41 804.72元/人。

從社會經濟子系統的空間分異來看，柳州市評價指數最高，為0.61，桂林市和防城港市的評價指數分別為0.57，0.59，貴港市的評價指數僅為0.28。作為廣西最大的工業城市，2013年工業總產值占全省工業總產值的21%，人均GDP為53 982元/人，城鎮化率為33.7%，居全省前列；且人口增長率較低，2013年全市人口自然增長率和人口密度均低于全省平均水平，人口數量得到了較好控制。防城港是中國西部第一大港口，同時也是連接中國與東盟各國的交通樞紐，2013年貨物吞吐量達1.06億t，防城港市作為新興的港口工業城市，人均GDP達5.6萬元/人，居于全省首位，且農田灌溉用水和人口密度均低于全省平均值。貴港市的社會經濟子系統評價指數最低，主要原因在于區內人口尤其是非農業人口眾多，給水資源帶來了巨大壓力。2013年貴港市總人口超過500萬，人口密度高達508人/km2，而人均GDP僅為1.38萬元/人，非農業人口比重僅為12.6%。

4.1.4水資源承載力空間分異分析從圖1—2可以看出，2013年全省水資源承載力狀況總體較好(L∈[0.35～0.75])。廣西位于珠江水系中上游，區內河流眾多，水資源豐富，另有龍灘水庫等39座大型水庫和169座中型水庫，2013年底總蓄水量達256.4億m3，豐富的水資源為廣西各地市的社會經濟發展提供了充足的保障。

從水資源承載力的空間分異來看，廣西水資源承載力劃分為3大類型區(圖2)：

(1) 理想可承載區。主要有桂林市和柳州市兩個地區，該類型區內水資源較為豐富，有漓江、湘江、潯江、柳江等河流，人均水資源量高于4 500 m3/人，徑流系數位居全省首位，且水資源開發利用率低，不足13%，水資源開發潛力巨大，供需子系統評價指數位于全省前列；另一方面，桂林市和柳州市經濟發展水平高，非農業人口較少，城鎮化率高于全省平均水平，人均GDP為全省最高，且污水處理率高達90%以上，生態環境子系統和社會經濟子系統評價指數均為全省最高。因此，該區內水資源承載能力較大，屬理想可承載區。

(2) 不可承載區。主要包括貴港市，該類型區內人口眾多，人均水資源量僅為2 393 m3/人，而農業、工業和城市居民用水多，水資源開發利用率高達31%，屬于不可持續的水資源利用模式，一旦發生極端干旱，很可能導致嚴重的缺水問題。加之經濟發展落后、城鎮化率低，僅為12.6%，供需子系統和社會經濟子系統評價指數為全省最低，水資源承載能力不足，難以為社會經濟發展提供充足保障。

(3) 可承載區。這類地區包括南寧市、梧州市、北海市、防城港市、欽州市、玉林市、百色市、賀州市、河池市、來賓市和崇左市，該類型區內水資源總量較豐富，人均水資源量為4 985 m3/人，能夠為社會經濟發展提供基礎保障。但是，各地市經濟發展和人口增長迅速，工農業用水和居民生活用水量逐年增加，2013年平均水資源開發利用率高達23%，遠高于桂林市和柳州市，水資源支撐社會經濟發展的潛力空間有限。但隨著科技的發展和節水能力的提高，水資源的承載空間將進一步擴展。

4.2結 論

(1) 2013年廣西壯族自治區水資源承載力狀況總體較好，其中桂林市、柳州市處于理想可承載狀態，貴港市處于不可承載狀態，其他地市均處于可承載狀態。

(2) 從各子系統來看，供需子系統總體狀況較好，防城港市的供需子系統評價指數最高，南寧市和貴港市的評價指數最低；生態環境子系統評價指數普遍較低，桂林市的評價指數最高；社會經濟子系統評價指數總體較低，柳州市、桂林市和防城港市的社會經濟子系統評價指數最高，貴港市的評價指數最低。

(3) 評價結果對各地市水資源規劃和水資源可持續開發利用具有一定的借鑒和參考價值，未來廣西應合理控制人口，提高節水意識，加強污水處理及廢水回用，以提高水資源承載能力，實現水資源的高效、可持續利用。

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Spatial Difference of Water Resource Carrying Capacity of Guangxi Using Fussy Comprehensive Evaluation Model Based on Entropy Weight Method

DAI Minghong1, WANG Lachun1, WEI Xingping2

(1.SchoolofGeographicandOceanographicSciences,NanjingUniversity,Nanjing210093,China; 2.KeyLaboratoryofGISApplication,CollegeofGeographyandTourism,ChongqingNormalUniversity,Chongqing400047,China)

Water resource carrying capacity evaluation is the basis of water security management. Selecting Guangxi Province, a typical karst region as the study area, we selected the evaluation indices from three sub-systems: water resource, socio-economic and ecological environment. The fuzzy comprehensive evaluation model of water resource carrying capacity was constructed to evaluate water resource carrying capacity of Guangxi in 2013 using entropy weight method. It was shown that the overall water resource carrying capacity in Guangxi in 2013 was in good condition. The water resource carrying capacity of Guilin City and Liuzhou City are in an ideal state. The water resource carrying capacity of Guigang City is in a non-carrying state. Other cities are in a carrying state. Seeing each subsystem, the overall water resource subsystem is in good condition, among which the highest index of water resource subsystem evaluation is found in Fangchenggang City, and the lowest one is observed in Nanning City and Guigang City. The ecological subsystem evaluation index is generally low, among which the highest index is found in Guilin City. The highest index of socio-economic subsystem evaluation is observed in Liuzhou City, Guilin City and Fangchenggang City, while the lowest is observed in Guigang City. The evaluation results of this method can help water resource planning and sustainable development and utilization in Guangxi and other regions.

water resource carrying capacity; fussy comprehensive evaluation model; entropy eight method; spatial difference

2015-03-18

2015-03-30

國家自然科學基金“喀斯特地區人類活動主導下的生態環境變化與流域水文循環響應耦合機理研究”(41371045);“巖溶槽谷區水土流失特征及機理研究”(41202135)

戴明宏(1989—),女,山東萊州人,碩士研究生,研究方向為巖溶地區水資源開發、區域可持續發展。E-mail:daiminghong89@126.com

王臘春(1963—),男,江蘇金壇人,教授,博導,主要從事水文水資源研究。E-mail:wang6312@263.net.cn

TV213

A

1005-3409(2016)01-0193-07