基于多層次模糊綜合評價視角的廣東省水資源承載力研究

鄭 煒

十八屆三中全會提出：“建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預警機制，對水土資源、環(huán)境容量和海洋資源超載區(qū)域?qū)嵭邢拗菩源胧保抑泄仓醒搿鴦赵喊l(fā)布的《關(guān)于加快推進生態(tài)文明建設的意見》也再次強調(diào)要“嚴守資源環(huán)境生態(tài)紅線，將各類開發(fā)活動限制在資源環(huán)境承載能力之內(nèi)”。水資源是人類生存與發(fā)展的不可缺少的重要資源，對促進區(qū)域經(jīng)濟、人口與資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展意義重大，歷來是政府和科學界關(guān)注的焦點問題。然而，隨著經(jīng)濟的發(fā)展、工業(yè)與生活用水量的增加以及浪費的加劇等，大多數(shù)地區(qū)出現(xiàn)了水資源短缺、水污染嚴重、生態(tài)惡化和飲水安全威脅等問題，使得水資源的利用與社會發(fā)展的矛盾更為突顯。國內(nèi)外對水資源承載力的評價方法主要有綜合評價法、系統(tǒng)動力學法、多目標決策法等［1－6］，而利用評價法最終的目的在于以下3個方面：分析水資源承載力如何均衡水資源在生態(tài)、生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)中的分配［7－11］；分析其對保持、維持河流的生態(tài)作用，防止生態(tài)的惡化［12－16］；運用水資源承載力來保證區(qū)域社會發(fā)展需要［17－20］。

廣東省是中國經(jīng)濟最為發(fā)達、最具有發(fā)展?jié)摿Φ牡貐^(qū)之一，近幾年，隨著工業(yè)化、城市化進程的大規(guī)模發(fā)展以及居民生活水平的提高，工業(yè)用水量、居民生活用水量逐年增大，其水資源問題逐漸演變成區(qū)域性難題，環(huán)境的不斷破壞，承載力的不斷弱化，致使水環(huán)境事故時有發(fā)生，如2011年化州市高嶺土廠事件、2012年增城河事件、2015年練江水事件等。為解決水資源問題，廣東省加大對水利工程規(guī)模的投資，優(yōu)先發(fā)展民生水利，確保落實執(zhí)行最嚴格的水資源管理制度的主要目標和各項任務，為“十三五”水利改革與發(fā)展奠定堅實的踐行基礎(chǔ)。鑒于此，本研究以廣東省為研究對象，試圖從水資源、生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展狀況3方面構(gòu)建水資源承載力評價指標體系，對廣東省2008－2015年水資源承載力的具體實況進行定量分析，為政府部門評價水資源狀況，科學管理水資源提供依據(jù)。

1　研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源與方法

1.1　研究區(qū)概況

廣東省位于中國大陸最南端，2個副省級市，19個地級市，23個縣級市，總面積17.98萬km2，大陸岸線長3 368.1 km，流域面積在100 km2以上的各級干支流614條，流入海河流93條。據(jù)2015年《廣東省水資源公報》數(shù)據(jù)顯示，2015年水資源總量為1 933.4億m3，雨量充足，年平均降水量為1 500～2 000 mm。以2015年統(tǒng)計數(shù)據(jù)為準，全省人口10 849萬，GDP達7.28萬億元，是中國經(jīng)濟規(guī)模最大，經(jīng)濟綜合競爭力、金融實力最強省份。由于廣東省正處于工業(yè)化、城市化、快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的時期，水資源的有限供給與無限利用之間的矛盾十分突出。因此，以水資源管理部門的業(yè)務需求為出發(fā)點，開展水資源承載力水平研究，并將此作為確定廣東省未來發(fā)展規(guī)模和速度的重要判據(jù)，實現(xiàn)人口、資源、環(huán)境與社會經(jīng)濟的可持續(xù)和諧發(fā)展。

1.2　數(shù)據(jù)來源

各行業(yè)用水量等數(shù)據(jù)均來源于 《廣東省水資源公報》和廣東省人民政府網(wǎng)站。GDP等社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于《廣東省統(tǒng)計年鑒》。

1.3　研究方法

運用層次分析法及模糊綜合評價法，在分析水資源與生態(tài)環(huán)境以及社會經(jīng)濟關(guān)系的基礎(chǔ)上，遵循評價指標原則，結(jié)合廣東省自身特點，建立各個層次的代表指標，進行模糊化和綜合評分，研究廣東省水資源承載狀況、變化趨勢及主要影響因素。

1.3.1模糊綜合評價法 模糊綜合評價模型是根據(jù)隸屬度理論將定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，由于不需要考慮數(shù)據(jù)分布變量之間的特性，所以更能夠全面反映區(qū)域水資源狀況。基本原理［21］如下。

首先，建立水資源承載力評價的指標集U＝｛u1，u2，…，un｝和評語集 V＝｛v1，v2，…，vm｝兩個有限論域，其中U代表綜合評判因子，V代表評論集。

其次，從U到V的模糊映射R，表示為：

其中R矩陣的第i行向量表示Ui在V上的評判。

再次，如對各評判因數(shù)的權(quán)重級為A＝［a1，a2，…，am］（A 是論域 U 上的一個模糊子集，0≤ai≤1，利用模糊綜合算法進行變換，求得論域V

上的一個模糊子集，即綜合評判結(jié)果：

B=A×R=［b1，b2，…，bn］

1.3.2多層次模糊評價法 對水資源承載力評價必須具備兩個步驟：第一，單獨對水資源、生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟3個子系統(tǒng)進行模糊綜合評價，計算出各子系統(tǒng)在評價年份的評價指數(shù)；第二，對廣東省水資源承載力進行模糊綜合評價，得出承載力綜合評價指數(shù)。 評判因素 U 由｛U1，U2，U3，U4，U5，U6｝，｛U7，U8，U9，U10｝ 和 ｛U11，U12，U13，U14，U15，U16｝構(gòu)成，對應評語集 V＝｛V1，V2，V3｝＝｛弱，中，強｝。其中，V3級表現(xiàn)為水資源承載能力較強，水資源供給對區(qū)域發(fā)展具有一定的保障作用；V1級表明水資源承載力接近飽和值，開發(fā)利用潛力小。因此，必須防止水資源短缺，以免制約國民經(jīng)濟發(fā)展；V2級位居前兩者間，表明水資源開發(fā)利用具有一定規(guī)模，而且必須合理開發(fā)利用。

1.3.3水資源承載力評價指數(shù)的具體計算步驟

1）評判矩陣R。為了避免等級間的細微差別，將隸屬度平滑化、模糊化［22］。對于V2級，隸屬度的中點為1，相鄰兩個等級的隸屬度為0.5。V1和V2，V2和V3的臨界值是K1、K3，其中間值是K2，因此，K2＝（K1×K3）/2。

2）各子系統(tǒng)評價指數(shù)。令B＝A×R，其中bj=，則評語等級集合為各等級賦值為 V＝｛0.05，0.50，0.95｝， 按照加權(quán)平均原則計算2008－2015年水資源子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)和社會經(jīng)濟子系統(tǒng)的評價指數(shù)。

3）綜合評價指數(shù)。水資源承載力綜合評價指標是衡量水資源承載力的程度狀況，通過計算各子系統(tǒng)評價指標的加權(quán)平均值，計算出水資源承載力的綜合評價指數(shù)。評價指數(shù)越高，水資源承載力越強。

2　結(jié)果與分析

2.1　評價指標體系和評價等級的構(gòu)建

在參照國家水資源供需平衡分析指標和學者們研究［1－22］的基礎(chǔ)上，針對廣東省的水資源現(xiàn)狀、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和社會經(jīng)濟發(fā)展狀況，篩選出與水資源可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的16個指標作為評價依據(jù)，組成廣東省水資源承載力評價指標體系框架，如圖1所示。

根據(jù)相關(guān)研究成果、廣東省自然生態(tài)環(huán)境特征以及社會經(jīng)濟發(fā)展狀況，擬定廣東省水資源承載力5個評價等級標準（表1）。

圖1　廣東省水資源承載力評價指標體系框架

表1　廣東省水資源承載力評價指數(shù)標準

2.2　水資源多層次模糊綜合評價

通過熵權(quán)法確定各評價指標的權(quán)重，其次運用多層次模糊綜合評價方法對廣東省2008－2015年的水資源承載力進行評價和排序，最終求得整體綜合評價結(jié)果。

2.2.1確定各評價指標的權(quán)重 根據(jù)水資源承載力評價指標體系建立因素集 X＝｛B1，B2，B3｝＝｛水資源系統(tǒng)，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，社會經(jīng)濟系統(tǒng)｝。應用熵權(quán)法計算得出各系統(tǒng)及指標的權(quán)重（表2）。

2.2.2確定評語集等級指標值 根據(jù)廣東省地域特點和現(xiàn)有研究成果，對評語集中各指標的V1、V2、V3值進行劃分（表3）。

2.2.3單因素模糊評價法 根據(jù)確定的隸屬函數(shù)，計算隸屬關(guān)系矩陣，可得2008－2015年水資源子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)和社會經(jīng)濟子系統(tǒng)承載力評價結(jié)果，分別如表4、表5及表6所示。

表2　水資源承載力評價指標權(quán)重

表3　綜合評價因素的分級指標

表4　廣東省水資源子系統(tǒng)承載力評價結(jié)果

表5　廣東省生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)承載力評價結(jié)果

表6　廣東省社會經(jīng)濟子系統(tǒng)承載力評價結(jié)果

2.2.4模糊綜合評價 通過上述計算，對各子系統(tǒng)的評價指標進行評價，得到加權(quán)平均值后的水資源承載力綜合評價結(jié)果（表7）。各子系統(tǒng)及綜合評價的結(jié)果見圖3。

表7　廣東省水資源承載力評價結(jié)果

圖3　廣東省水資源承載力各子系統(tǒng)評價指數(shù)和綜合評價指數(shù)

2.3　評價結(jié)果

如圖3所示，廣東省水資源承載力呈上升趨勢，但增長幅度較小，波動較大。2008－2015年均處于良好承載狀態(tài)（0.586 8～0.629 0）。 綜合評價指標呈上升趨勢，說明水資源系統(tǒng)可為廣東省社會經(jīng)濟發(fā)展提供基本保障。2009年水資源綜合評價指標呈明顯下降趨勢，預示著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展給水資源承載力帶來了巨大壓力。每個子系統(tǒng)的變化較為復雜，其中2008－2015年水資源子系統(tǒng)的評價指數(shù)波動較大，區(qū)間為 0.517 3～0.642 1，2008－2011 年呈現(xiàn)較大降幅，2011－2014年呈現(xiàn)倒U形變化趨勢；生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)評價指數(shù)總體上呈上升趨勢，在2008－2011年持續(xù)上升，2011年達到最高值 0.537 4，之后出現(xiàn)下降；社會經(jīng)濟子系統(tǒng)的評價指數(shù)總體上呈波動緩慢上升趨勢，波動區(qū)間在 0.678 1～0.733 8。

3　小結(jié)與討論

3.1　水資源子系統(tǒng)

2008－2015年廣東省水資源子系統(tǒng)評價指數(shù)有明顯的波動現(xiàn)象，呈不穩(wěn)定狀態(tài)，對生態(tài)環(huán)境平衡及社會經(jīng)濟發(fā)展有明顯的制約作用。一方面，農(nóng)業(yè)耗水量逐漸減少，工業(yè)水資源利用率不斷提高，水資源子系統(tǒng)壓力有了一定的緩解，但隨著人口密度的增大、人均用水量的不斷攀升，水資源子系統(tǒng)壓力越來越大。另一方面，水資源子系統(tǒng)的波動不但受人口密度的迅速增長和經(jīng)濟的快速發(fā)展影響，同時還受降水量年際變化的影響，如2009、2011、2014年降水量偏低，水資源總量減少，使得水資源子系統(tǒng)評價指數(shù)的上下波動。

水資源子系統(tǒng)評價指數(shù)雖呈現(xiàn)波動下降，但水資源的承載力總量仍較高。廣東省地下水資源豐富但利用率較低，2008－2015年水資源開發(fā)利用率最高僅有28%，最低則只有20%，說明隨著科技水平的提高，開發(fā)利用地下水資源將會緩解水資源供需矛盾問題，進而提高廣東省水資源承載力。

3.2　生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)

與其他子系統(tǒng)相比，廣東省生態(tài)環(huán)境脆弱度較強，環(huán)境承載力低。2008－2015年廣東省生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)評價指數(shù)呈上升趨勢（從0.4343增長到0.5263），表明生態(tài)環(huán)境持續(xù)得到改善，對水資源承載力貢獻率不斷提高。

2008年以來廣東省積極實施了退耕還林和植樹造林等生態(tài)環(huán)境保護建設工程，取得良好的生態(tài)效應，森林覆蓋率由2008年的56.30%提高到2015年的58.88%。同時，不斷加強水環(huán)境基礎(chǔ)設施建設，城市污水處理率逐年迅速上升，由2008年的45.8%提高到 2015年的 93.2%。但 2008－2015年全省COD（化學耗氧量）排放量持續(xù)上升，由96萬t上升到161萬t，對水環(huán)境造成巨大影響。生態(tài)用水方面，主要依賴大氣降水，占總用水量的比重偏低，對水資源承載力影響較小。

3.3　社會經(jīng)濟子系統(tǒng)

總體來看，社會經(jīng)濟子系統(tǒng)的評價指數(shù)總體上呈波動緩慢上升趨勢 （由 0.678 1上升到 0.773 8），表明社會經(jīng)濟的發(fā)展給廣東省水資源開發(fā)利用帶來了較大的收益。2008－2015年，廣東省人均GDP達67503 元，增長率為8.7%，2009 和 2010 年高達13.5%，遠高于全國平均水平。經(jīng)濟的快速發(fā)展直接導致了農(nóng)業(yè)、工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)用水量的急劇增加。雖然單位GDP產(chǎn)值用水量不斷下降，但工業(yè)用水總量仍然較高，2008－2015年工業(yè)用水率年均占28%，始終處于較高的位置。此外，廣東省作為中國社會經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)域，經(jīng)濟發(fā)展的集聚效應導致廣東省人口總量迅速增加，人口密度迅速攀升，2015年人口密度突破600人／km2。人口總量的增加和人口密度的攀升，一方面使居民生活用水量激增，人年均用水量由2008年的410 m3迅速增長到2015年的486 m3；另一方面，人均供水量、人均水資源量呈現(xiàn)減弱趨勢。隨著人口的快速增長，水資源的壓力越來越大，水資源供需矛盾日益突出。

3.4　水資源承載力

2008－2015年廣東省水資源承載力整體上呈上升趨勢，但上升幅度不大，且出現(xiàn)上下波動的現(xiàn)象，水資源承載力系統(tǒng)呈現(xiàn)出良性發(fā)展態(tài)勢。通過分析水資源承載力與水資源、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟子系統(tǒng)的變化趨勢，生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)對水資源承載能力的貢獻率相對較小；社會經(jīng)濟系統(tǒng)對提高水資源承載力起著重要作用，是提高水資源承載力的主要驅(qū)動因素；水資源系統(tǒng)是影響水資源承載力變化的主要決定要件。2008－2015年，廣東省積極進行社會建設，大力發(fā)展經(jīng)濟，廣東省的經(jīng)濟有了較大的發(fā)展，對水資源承載力的提高起到了關(guān)鍵作用，然而，2015年與2008年相比，在水資源子系統(tǒng)貢獻率的持續(xù)波動和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)對水資源承載力產(chǎn)生壓力的綜合作用下，全省水資源承載力的綜合評價指數(shù)僅提高了 0.021 3。

3.5　建議

評價結(jié)果與廣東省水資源實際情況相吻合，表明多級模糊綜合評價模型具有良好的實際應用價值。廣東省雖作為中國經(jīng)濟發(fā)展的模范區(qū)域，但由于人口密度的迅速增長和經(jīng)濟的高速發(fā)展，正在給水資源系統(tǒng)施加越來越大的壓力，從而導致全省的水資源承載力發(fā)生變化，其改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是提高水資源承載力的主要驅(qū)動因素。現(xiàn)階段，廣東省應采取綜合措施提高水資源的利用效率，加大水利設施建設力度。第一，強化節(jié)約用水宣傳工作，提高人民節(jié)水意識；第二，合理分配水資源，促進人口、經(jīng)濟與水資源均衡發(fā)展；第三，提高污水處理技術(shù)，加強污水治理；第四，開發(fā)清潔新能源，循環(huán)利用水資源。

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