基于WSR方法論和熵值-耦合協調度的水資源承載力綜合評價
----以河北省水資源承載力研究為例

王大本，馮石崗

(河北工業大學經濟管理學院，天津 300401)

“十九大”報告指出：建設生態文明是中華民族永續發展的千年大計。水資源的環境保護事關人民群眾切身利益，事關全面建成小康社會，事關實現中華民族偉大復興中國夢。當前，對水資源承載力(water resource carrying capacity)研究已成為可持續發展和水資源安全戰略研究中的基礎性課題之一，并已成為當前水資源科學中研究的重點和熱點[1]，特別是對于水資源匱乏但需求量較大的河北省來說，加強對本地區水資源承載力水平的綜合研究，對于進一步做好本地區水資源科學利用與經濟社會發展之間的協調程度都具有十分重要的理論和現實意義。

1　水資源承載力相關研究概述

水資源承載力屬于復雜的系統工程，對其概念研究主要有3個方向：從“水資源的最大支撐能力”角度研究。例如：施雅風等(1992年)[2]認為：水資源承載力是指某一地區的水資源，在一定社會歷史和科學技術發展階段，在不破壞社會和生態系統時，最大可承載的農業、工業、城市規模和人口的能力；Harris J M等(1999年)[3]將農業生產區域水資源農業承載力作為區域發展潛力的一項衡量標準。從“水資源的最大開發容量”角度研究。例如：許有鵬(1993年)[4]認為：水資源承載力是指在一定的技術經濟水平和社會生產條件下，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。阮本青等(1998年)[5]認為水資源承載力是在保證正常的社會文化準則的物質生活水平下，一定區域自身水資源量用直接或間接方式表現的資源所能持續供養的人口數量。從“水資源對經濟社會發展最大支撐規模”角度研究。例如：劉佳駿等(2011年)[6]認為區域水資源承載力是指：一定區域上的水資源可支撐的社會、經濟、生態環境協調發展的規模。左其亭(2017年)[7]認為水資源承載力是指，一定區域、一定時段，維系生態系統良性循環，水資源系統支撐經濟社會發展的最大規模。

對水資源承載力的定量計算，主要有：常規趨勢法，例如：高彥春等(1997年)[8]利用閾限分析和模糊綜合評判模型對漢中盆地平壩區水資源開發和利用情況進行了分析；Falkenmark等(2010年)[9]運用簡單的數學計算對全球或一些發展中國家的水資源的使用限度進行了研究；綜合評價法，例如：卜楠楠等(2012年)[10]運用AHP法和模糊判斷法對浙江省水資源承載力進行評價；施開放等(2013年)[11]基于熵權法和可拓模型法，對重慶三峽庫區水土資源承載力進行評價；邢軍等(2014)[12]運用因子分析法和模糊綜合評判方法對水資源承載力進行評價；系統分析法，例如：王西琴(2014年)[13]運用系統動力學研究方法對常州市水生態承載力進行模擬優化；孫亞飛等(2015年)[14]運用層次分析法對遼河干流水環境承載力情況進行評價；楊琳琳等(2016年)[16]基于BP神經網絡模型對新疆水資源承載力情景進行分析。綜上，依據“水資源最大支撐能力”或“水資源最大開發容量”概念描述水資源承載力比較直觀，但不能反映可支撐的社會經濟的規模以及滿足生態環境的良性發展程度，“最大支撐規模”能夠體現水資源與經濟社會發展的關系。雖然常規趨勢法方法簡單、便于操作，但只是從水資源的供需角度進行分析，忽視了水資源與經濟、社會等系統的關系；綜合評價法能夠從經濟、社會、水資源等角度選取指標體系，并運用豐富的數學模型進行定量研究，但指標選取過程系統性不足；系統分析法能夠較為全面的分析水資源與經濟社會發展的相互關系，但參數變量較難掌握，不利于推廣和應用。

水資源承載力需要立足于“最大支撐規?！边@一概念構建評價體系；對其進行數理模型的科學分析和評價，要便于理解、操作簡單、易于推廣。為此，本文基于系統論的WSR方法論，運用熵值法和耦合協調度，建立起“WSR—熵值—耦合協調度”水資源承載力的研究方法，并應用于河北省水資源承載力評價具體實例，通過對結果的分析，為解決區域水資源規劃和科學管理提供決策依據。

2　基于WSR方法論的水資源承載力綜合評價指標體系

2.1　水資源承載力綜合評價的WSR理論模型

從“最大支撐規?！苯嵌妊芯克Y源承載力體現著“生態、技術和社會經濟”[16]三個主要內涵。生態內涵指水資源綜合效用具有生態極限，相對于水資源開發利用量超過可更新水資源量、水資源生態多樣性等要素，水資源污染物狀況與人類的活動密切相關，是影響水資源生態內涵的核心要素。技術內涵是指水資源承載力問題的解決與水平的提高有賴于科學技術和管理水平。社會經濟內涵是指特定時期與區域的社會經濟系統超過了水資源的最大利用量及廢物最大排放量。

而這3個內涵正好與WSR方法論中的“物理”、“事理”、“人理”3個方面相對應。WSR方法論中的“物理”、“事理”思想作為系統工程學中的名詞，最早由錢學森、徐國志和李耀滋在20世紀70年代不斷總結提煉而成，20世紀80年代由顧基發和朱志昌共同發展為“物理—事理—人理”系統方法論思想。其中“生態內涵”與“W物理層面”相對應，并將污染物作為體現“生態內涵”的“W物理層面”子系統；“技術內涵”與“S事理層面”相對應，并將技術管理作為體現“技術內涵”的“S事理層面”子系統；“社會經濟內涵”與“R人理層面”相對應，并將“使用消費”作為體現“社會經濟內涵”的“R人理層面”子系統，如圖1。

圖1　水資源承載力WSR框架模型Fig.1 The WSR framework of water resource carrying capacity

2.2　水資源承載力綜合評價指標體系構建

以WSR框架模型為理論基礎，按照系統性、代表性、可量化等原則，以計算數據為基礎，選取了26個指標構建了區域水資源承載力綜合評價指標體系，如表1所示。

3　通過熵值耦合法對水資源承載力進行綜合評價

3.1　通過熵值法對指標體系進行綜合評價

熵值法是利用指定指標的信息熵值來判斷該指標的有效性和價值。設有m個待評價年度，n項評價指標，形成原始指標數據矩陣X=(Xij)m×n，對于某項指標Xj，指標值Xij的差距越大，信息熵就越大，則該指標在綜合評價中權重越大，所起的作用越大；如果某項指標的指標值全部相等，則該指標在綜合評價中不起作用[17]，具體計算步驟如下：

(1)指標非負數化處理。對于越大越好的指標(正指標)：

(1)

(2)指標非負數化處理。對于越小越好的指標(負指標)：

(2)

為了方便起見，仍記非負化處理后的數據為Xij。

(3)計算第j項指標下第i個方案占該指標的比重：

(3)

(4)計算第j項指標的熵值：

其中k>0，ej≥0，常數k與樣本數m有關，一般令k=1/lnm，0≤e≤1。

(5)計算第j項指標的差異系數。對于第j項指標，指標值Xij的差異越大，對方案評價的作用越大，熵值就越?。?/p>

gj=1-ej

則：gj越大指標越重要。

(6)求權重：

(6)

(7)計算各方案的綜合得分：

(7)

3.2　系統耦合

耦合度(Coupling degree)是用來描述系統或系統內部要素之間相互作用、彼此影響的程度；耦合協調度(Coupling co-ordinative degree)是度量系統或系統內部要素之間在發展過程中彼此和諧一致的程度，體現了系統由無序走向有序的趨勢[18]。耦合度雖然能夠說明要素之間的關系強弱，但不表明關系強弱是好是壞，為此，本文可以根據耦合協調度模型研究水資源承載力系統內的“污染物”、“技術管理”、“使用消費”3個子系統的耦合協調度水平，以評價各子系統的循環狀況，計算步驟如下。

(1)計算各子系統綜合效益。根據廖重斌[19]、劉定惠[20]等、張玉萍[21]等的相關研究，結合本文的研究實際，以及耦合協調度模型，推演出水資源承載力的3個子系統的綜合評價函數分別見公式(8)～(10)：

(8)

(9)

(10)

(2)計算3個系統的耦合度。根據劉耀彬等[22]，楊忍等[23]，文先明等[24]已有研究推演出3個子系統相互作用耦合度，見公式(11)～(12)。式中，C表示系統的耦合度，范圍是0≤C≤1，C越接近1，表示各子系統耦合度越大。

(11)

(12)

(3)計算耦合協調度。通過3個子系統的權重和效益，計算出整體系統的綜合評價指數T，然后再借助系統的耦合度C，計算出三個系統的耦合協調度D，見公式(13)，其中，α、β、θ分別為各子系統的權重。

(13)

借鑒已有研究成果，確定的耦合協調度等級分類標準，見表2。

表2　耦合協調度等級分類標準Tab.2 The standard of classification of coupling co-ordinative degree

4　河北省水資源承載力綜合評價

4.1　研究區域概況

河北省多年平均 (1956-2000年)降水量531.7 mm，多年平均水資源總量204.69 億m3，為全國水資源總量28 412 億m3的0.72%。由于本身水資源貧乏，再加上不合理的污染、過度開發和低效率利用，使得水資源成為影響該地區可持續發展的制約因素。因此，有必要在對該地區水資源承載力進行科學評價的基礎上，對其進行科學管理和規劃。

4.2　數據來源及完善

研究數據來自于2006-2015年《中國統計年鑒》、《中國環境統計年鑒》、《中國水利統計年鑒》、《河北省經濟年鑒》等，另外，本文借助SPSS23.0統計軟件對個別缺失數據進行補充完善。

4.3　計算結果

首先，計算指標體系的權重和各年份的綜合得分。將數據代入公式(1)、(2)，進行非負化處理后，將數據代入公式(3)～(6)計算出各指標的“熵值(Ej)”和“權重”，見表1。在此基礎上，結合數據和權重代入公式(7)，計算出各年份水資源承載力“綜合指數(K)”，見表3。

其次，對系統進行耦合計算。將數據和各子系統內權重代入公式(8)～(10)，計算各子系統的綜合效益：“水資源污染物”f(x)、“水資源技術管理”g(y)、“水資源使用消費”h(z)，然后將結果代入公式(11)～(12)，計算3個子系統之間的耦合度(C)和耦合協調發展水平評價指數(T)，然后再將結果代入公式(13)，計算3個子系統之間的耦合協調度(D)，并根據耦合協調度等級分類標準確定每年河北省水資源承載力所處的協調發展類型，見表3。

表3　河北省水資源承載力綜合指數各子系統間耦合度和耦合協調度Tab.3 The comprehensive index coupling degree and coupling co-ordinative degreeamong subsystems of water resource carrying capacity in Hebei

4.4　結果分析

(1)河北省水資源承載力主要影響因素分析。在“水資源污染物”子系統中，指標：“X6：鉛排放總量占廢水排放總量比(%)”(權重：0.052)權重最高。當前鉛污染是高耗能、高熱量工業的典型代表，鉛排放指標的權重最高，說明了當前河北省的高污染、高耗能的工業結構是影響水資源自然生態承載力的重要影響因素。在對“水資源技術管理”子系統的分析中，指標“X9：工業廢水治理設施日均處理能力(萬t/d)”(權重：0.041)權重最大，一方面，反映了該地區提高科技治污水平的重要意義；另一方面，反映了科技治污水平是制約本地區水資源承載力技術管理內涵的重要因素。在對“水資源使用消費”子系統的分析中，排在前三位的指標分別是：“X18：萬元工業增加值用水量(m3/萬元)(權重：0.055)”；“X19：萬元工業增加值廢水排放量(萬t/萬元)(權重：0.052)”；“X17：萬元GDP用水量(m3/萬元)(權重：0.051)”?？梢?，相比較社會效益、生態效益，帶來巨大經濟效益的工業發展在河北省經濟社會發展過程中所占的比重依然較大。

(2)2006-2015年河北省水資源承載力發展狀況。10年中，河北省水資源承載力整體上呈上升趨勢，如圖2，包括：2006-2008年的迅速提高階段，2008年達到頂峰的0.535。這期間，河北省實施了兩次“引黃補淀”工程、配合全國開展了“水土保持監督執法專項行動”，配合“北京2008年奧運會”的順利召開，加強了環境保護和治理，都使得這期間區域內水資源承載力迅速上升；2008-2010年發展趨緩階段。由于傳統的產業結構，對水資源的高消耗、高污染，都使得這個階段水資源承載力整體上增長趨緩，2010年比2008年降低了0.006；2010-2011年快速發展階段。這期間河北省深入貫徹落實《中共中央國務院關于加快水利改革發展的決定》，有效地提高了區域內水資源承載力；2011-2014年穩步上升階段，2014年達到最高值0.756。這一時期，河北省全面貫徹黨的“十八大”提出的“五位一體”的總體布局，調結構、化產能，水資源承載力穩步上升。但是，隨著調結構，化產能進入到攻堅階段，水資源承載力處于新的調整時期，致使2015年比2014年下降了0.022。

圖2　2006-2015年河北省水資源承載力綜合指數Fig.2 2006-2015 years Hebei comprehensive index of water resources carrying capacity

(3)2006-2015年河北省水資源承載力3個子系統各自發展狀況分析。10年中，河北省水資源承載力3個子系統各自發展指數整體上均呈上升趨勢，如圖3。其中：“污染物”子系統，除了2006-2007年和2009 -2010年呈下降趨勢外，其他年份均呈上升趨勢?！凹夹g管理”子系統整體上呈現上升趨勢，但由于受到污染物排放和經濟社會發展水平的制約，技術管理水平曲線波動較大。“使用消費”子系統整體上呈現上升趨勢，隨著一系列改革舉措的實施，以及水資源消費觀念的轉變，都在很大程度上影響了全社會對水資源的消費態度和行為。

圖3　2006-2015年河北省水資源承載力3個子系統綜合效益Fig.3 2006-2015 years Hebei water resources carrying capacity three subsystems comprehensive benefit

(4)2006-2015年河北省水資源承載力系統耦合協調度發展狀況分析。10年間，河北省水資源承載力系統耦合協調度水平總體上呈上升趨勢，如圖4，并且由2006-2007年的勉強協調階段，發展到2008-2010年的中級協調階段，再到2011-2015年的良好協調階段。隨著河北省實施的一系列保護環境政策法規，注重經濟發展方式的轉變，加強水資源綜合利用等措施，都使得水資源自我更新能力、科學治污水平、有效利用能力三者相互協調，存在著良性互動。但值得注意的是：2008-2010年期間，協調度水平出現了回落，2010年“污染物”和“技術管理”2個子系統也分別回落到各自的最低點，可見，這一階段的污染型產業結構，以及較低的科技治污能力都影響了河北省水資源承載力的整體水平。

圖4　2006-2015年河北省水資源承載力系統耦合協調度指數Fig.4 2006-2015 years Hebei coupling co-ordinative degree of water resources carrying capacity

5　結　語

河北省水資源承載力無論是綜合發展水平，還是系統整體的協調程度都呈現了良好的發展態勢，為繼續保持這一發展態勢，還應著力做好以下幾方面工作。

(1)提高工業用水效率，促進產業結構轉型升級。通過研究發現，產業結構不合理、水資源利用率不高仍是影響河北省水資源承載力的重要因素。為此，河北省應按照化解過剩產能的總體部署，積極引導省內鋼鐵、化工、煤炭等高耗水行業的產業結構調整，鼓勵企業積極研發、引進先進的節水技術，提高工業用水率。

(2)加強農業節水灌溉，加快農業現代化進程。河北省是農業大省，需水量大，應該進一步加快省內農業區節水灌溉工程建設和技術推廣，特別是在水資源短缺、經濟作物種植和農業規?；洜I地區，積極推廣噴管、滴灌、微灌等高效節水灌溉技術，同時，積極推進農村污水處理統一規劃、統一建設、統一管理。

(3)大力推進節水型城市建設，提高生活用水效率。相比較農業用水量、工業用水量、生態用水量來說，河北省生活用水量所占權重最大，達到0.049?？梢姡斍昂颖笔∩钣盟疇顩r對區域水資源承載力形成了較大的壓力。河北省應全面貫徹節水型城市建設方案，健全城市節水法規制度體系，加大力度推廣應用節水型設備和器具，實施階梯水價，嚴控水資源浪費。

(4)加強制度建設，堅持政府引導。建立健全水資源保護的體制機制是在現有科技水平的條件下，提高水資源承載力“技術管理內涵”的重要手段。河北省應當切實做好“工業生活取用水量核定”、“農業用水限額及水量核定”以及“農業用水以電折水計量”等工作，加強對水資源消費的科學管理。

(5)注重市場調節，促發節水內生動力。河北省應當充分運用市場調節手段，積極做好“水資源稅改革試點工作”，對特種行業、超計劃用水以及在地下水超采地區取用地下水，從高制定稅額標準，通過完善相關財稅政策、鼓勵金融機構提供優先信貸服務等方式，引導社會資本參與投資節水服務產業。

(6)加大宣傳力度，提升公眾節水意識。水資源承載力問題歸根結底是人們在使用水資源的過程中產生的，人們使用消費水資源的觀念和行為更加科學規范，是解決水資源承載力最根本的辦法。因此，河北省應當充分利用各種資源大力開展節水宣傳，鼓勵和引導公眾自覺參與愛水、節水、 護水行動，形成有利于節約用水的生活方式。

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