江西省水資源承載力評價及障礙因子診斷

(南昌大學 管理學院，江西 南昌 330031)

1 研究背景

許多學者對水資源承載力進行了研究。水資源承載力是區域生態環境建設和確定社會經濟健康發展方向的基礎，是對水資源在時間和空間上的一個度量尺度[1]。社會經濟發展與水資源承載力有著密不可分的關系，水資源承載力可以促進地區經濟的發展，也可制約、滯后其發展。分析水資源承載力可以闡述特定區域中社會經濟、人口、水資源三者之間的關系，要實現對水資源的合理利用以及優化配置，不僅需要對水資源承載力進行分析，還需要進一步對水資源的供需狀況進行預測，進而實現區域社會經濟和自然資源的協調發展。20世紀90年代，我國學者開始涉足水資源承載力的研究，雖然眾多學者對水資源承載力進行了深入研究，但是還未形成完整的理論和方法體系，仍需不斷地發展和完善[2]。因此，研究水資源承載力對區域的可持續發展和水資源的合理利用具有重要的現實意義和理論意義。

近年來，國內外學者針對區域水資源承載力開展的研究，在定性和定量方面都有較大進展。傅春[3]等在討論水資源承載力概念及其內涵的基礎上，通過對江西省各行各業的需水進行預測，從人口和經濟承載力2個方面闡述、分析和評價了江西省水資源承載能力，分析了影響江西省水資源可持續利用的因素并且提出了解決措施。邢軍[4]等將因子分析與模糊綜合評判方法相結合，定性和定量地評價了合肥市水資源承載力，得出了影響水資源承載力的主要影響因素，為水資源管理提出了相關的理論依據。肖迎迎[5]等采用主成分分析法，選取9個指標建立了指標體系，通過分析，得到了影響榆林市水資源承載力的四大主成分，對榆林市各區域水資源可持續利用狀況進行了綜合評價，并提出了加強榆林市水資源可持續發展的建議。項瓊[6]以研究區域內7個縣市為對象，利用模型形成決策矩陣、確定權重、建立加權決策矩陣、計算各評價對象與理想解的相對貼近度，由此得到了不同區域水資源承載力水平。戴昌軍[7]等，針對武漢市的實際情況，運用水足跡研究方法定量評價了水資源盈余情況，評價結果可為有效緩解水資源的短缺情況提供技術支撐。覃紹一[8]等采取倒算法對四川省的水資源承載力進行了初探，預測結果有助于用水不合理的地區有針對性地進行改進。

鄒進[9]等首先提出了承載單元這一概念，并以昆明市的水資源承載力為評價對象，應用“二元水循環”理論建立了質量能結構下的指標體系，用以對昆明市的水資源承載力做出評價?？灯G[10]等改進了灰色關聯模型，同時根據灰色系統理論建立了變權灰色關聯模型，并根據水資源承載力系統的不確定性來構建指標體系，對區域水資源承載力進行分析進而提供了合理利用的科學依據。潘興瑤[11]等建立了區域水資源承載力指標數據庫，并在GIS技術和模糊綜合評判模型的基礎上，建立了區域水資源承載力綜合評價模型，最終對區域內水資源承載力的空間差異進行了深入分析。郭倩[12]等綜合考慮了影響水資源系統的五大因素，通過研究水資源系統的內在機理，構建了基于DPSIRM概念框架的評價指標體系，將模擬退火算法與耦合SA-PP模型用于對云南省水資源承載力的綜合評價，并將評價結果作為區域水資源規劃與管理的科學決策依據。

本研究依據的理論觀點是在水資源總量有限的基礎上，合理分配和有效利用水資源，使其與經濟、生態環境協調發展，達到水資源開發利用的最大規模[3]。當前，關于水資源承載力的評價研究還沒有比較統一和成熟的方法。采用的主要評價方法為綜合指數法、相對評價法、系統動力學方法以及多目標分析方法。其中融合了情景分析的多目標分析方法可以考慮人類不同目標和價值取向，融入決策者的思想，比較適合于涉及社會、經濟、生態、資源的趨于復雜系統的水資源承載能力的研究，故本文采用TOPSIS方法對江西省水資源承載力進行評價研究[13-14]。

本文選取了制約江西省水資源可持續發展的主要因素，以此構建江西省水資源承載力評價指標體系。應用客觀確權法——熵權法對各指標賦權；在此基礎上，結合多目標決策的TOPSIS法，對江西省2006～2015年的水資源承載力進行了評價，以期為今后江西省水資源開發利用提供科學的決策性依據。本文研究結果對于采取措施提高江西省水資源承載力，加強江西省經濟社會與水資源的可持續發展，將具有重要的現實意義。

2 評價指標體系的構建

2.1 指標選取原則

影響水資源承載力的因素是多樣的，比如：人均水資源量、人均供水量、耕地灌溉率、萬元國內生產總值用水量以及生態環境用水率等。因此，對水資源承載力綜合評價指標的確定與選取，應遵循完整性原則、可得性原則、層次性原則、差異性原則以及動態性原則等原則。

2.2 綜合評價指標體系的確定

本文遵循以上原則，在前人研究的基礎上，綜合考慮了使用頻率較高的評價指標，并考慮到了江西省水資源及其利用的特點，通過對江西省水資源系統及各影響因素進行綜合分析，參照全國水資源供需分析中的指標體系，在充分考慮江西省水資源自然儲存量的差異及其開發利用方式不同的基礎上，主要從經濟、生態以及水資源3個方面進行了評價指標的選擇，構建了評價指標體系，如表1所示。

3 評價模型的建立

3.1 數據處理

對數據進行標準化[15]處理。公式如下：

(1)

式中，Xij為指標的原始統計數據；Pij為標準化后的變量數據。

3.2 熵權法確權

申農將熵引入信息論，且熵權法當前已經在多個領域得到了非常廣泛的應用[16-18]。如果指標的信息熵越小，該指標提供的信息量越大，在評價中起的作用越大，則該指標的權重就越高[19]。利用熵權法確權，

表1 水資源綜合評價指標體系Tab.1 Comprehensive evaluation indicator system for water resources

可以極大程度地克服人為因素的影響。

熵權法確定權重的方法描述如下。

(1) 求各指標的信息熵。設標準化后的值為Pij，則一組數據的信息熵為

(2)

若Pij=0，則limPijlnPij=0

(2) 計算各指標的權重。

(3)

式中，K為指標個數。

將評價指標構成判斷矩陣來確定各指標的權重，能在一定程度上避免人為因素在權重計算中的干擾，使得評價結果更加合理。

3.3 TOPSIS模型

TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)法是根據有限個評價對象與理想化目標的接近程度進行排序的方法，是在現有的對象中進行相對優劣的評價[20]。

(1) 構建決策矩陣。假設多指標決策問題有n個樣本，k個方案，其指標集、方案集構成多目標決策矩陣，即：

(4)

(2) 數據歸一化。

(5)

(3) 將歸一化后的矩陣與各指標的權重相乘，即可得到加權決策矩陣。

(4) 確定理想向量。

(6)

(5) 評價最優方案和最劣方案以及接近度。

最優方案：

(7)

最劣方案：

(8)

其接近度Cj為

(9)

(6) 排序。將最終結果按照相近接近度大小進行排序，越接近1，則水平越優；越接近0，則水平越劣[21]。

3.4 障礙度模型

運用障礙度模型評價耕地利用績效并分析與診斷影響耕地利用績效的障礙因子，對于調整區域耕地利用行為，實現耕地高效有序的使用具有重要意義。因此，運用障礙度模型來分別測算江西省水資源承載力因子層和指標層的障礙度，并診斷其主要障礙因素，可以有效地提高耕地利用系統的健康水平。障礙因素診斷主要涉及3個衡量指標，即因子貢獻度、指標偏離度和障礙度。

(1) 確定因子貢獻度Fi，指標偏離度Ii。

Fi=Wi×Xij

(10)

Ii=1-xij

(11)

式中，Wi表示第i個單項指標的權重；Xij表示第i個單項指標所屬的第j個準則層的權重；xij代表標準化后的指標數值。

(2) 第i個指標對水資源承載力的障礙度Pi。

(12)

(3) 計算各準則層指標對水資源承載力的障礙度Ui。

Ui=∑Pij

(13)

4 江西省水資源承載力實證分析

4.1 數據來源

本文以江西省2006～2015的數據為基礎數據，選取了8個指標對水資源承載力進行分析。研究中所用的原始數據來自江西省統計年鑒以及《江西省水資源公報》，該區域的原始評價指標數據如表2所列。

4.2 模型計算

(1) 權重計算。利用熵權法對指標權重進行計算，各評價指標權重如表3所列。

(2) 接近度Ci。接近度的評價結果列于表4。

4.3 結果分析

根據表4列出的數據，繪制出了江西省2006～2015年水資源承載力評價結果折線圖，如圖1所示。

從表3各指標權重可以看出，相比其余6個指標,耗水率、供水模數和水資源開發程度占據著較大的權重，所以這3個指標對水資源承載力影響較大，應著重對其進行改善。

表2 江西省水資源承載力評價指標的原始數據Tab.2 Raw data of evaluation indicators for water resources carrying capacity in Jiangxi Province

表3 水資源承載力各評價指標權重Tab.3 Weight of each evaluation index of water resources carrying capacity

表4 江西省水資源承載力評價結果Tab.4 Evaluation results of water resources carrying capacity in Jiangxi Province

圖1 江西省2006～2015年水資源承載力評價結果折線圖Fig.1 The line chart of water resources carrying capacity evaluation in Jiangxi Province from 2006 to 2015

圖1中的實線為2006～2015年江西省水資源承載力的折線圖，虛線為趨勢圖。由圖1可以看出：2006年得分最低，2015年得分最高，2009年增長速度最快。雖然江西省2006～2015年水資源承載力變化曲線有波動，但總體而言仍呈上升的趨勢，總體評分值不斷增大，至2015年，達到了10 a內的最大值。2015年的水資源承載力得分是2006年的2.80倍，即水資源承載力呈上升的趨勢。表明江西省的水資源承載力還有待開發[15]。

不同時段的水資源承載力綜合得分值曲線的斜率表明：水資源承載力雖然在增加，但是增長速度卻變得緩慢。前期(2008～2009年)的增長速度最快，是后期(2011～2015年)的11.34倍，是中期(2009～2010年)的64.50倍，這顯示出雖然水資源承載力后期在增加，但是進一步利用的潛力在減小。由原始數據可以看出：由于2009年的水資源開發程度較2008年有很大幅度的增長，從而間接導致了2009年水資源承載力的大幅度增長。

4.4 障礙因子診斷

水資源承載力的障礙因子診斷包含著對影響水資源承載力因素的梳理，找出威脅水資源安全的病灶所在。因此，本文進一步對水資源承載力影響因素進行診斷，以便政府對影響水資源承載力的行為進行調整，實現水資源的健康可持續發展。表5為江西省水資源承載力指標層主要障礙因子障礙度。

障礙度是根據障礙度模型中的公式計算得出的江西省水資源承載力指標層對目標層的障礙因子障礙度。本文將障礙度羅列出來，從表5中可以很直觀地看出，水資源類的指標對承載力的障礙度最高，4個指標均排在前列。在指標層障礙因子中，主要表現在萬元GDP用水量、產水模數、供水模數和水資源開發程度。

由表5可以看出：綜合2006～2015年指標變化態勢來看，萬元GDP用水量對水資源承載力的障礙度在逐年減小，呈下降的趨勢；產水模數的障礙度呈“W”型變化，研究末期的16.02%要高于研究初期的15.34%，仍為影響水資源承載力的較大因素。通過分析發現：水資源開發程度在2015年成為影響水資源承載力的主要障礙因素，并且在2010年時超過了20%。這些因素仍然威脅著水資源的安全，都是威脅水資源承載力的主要障礙因素。

表5 江西省水資源承載力指標層主要障礙因子障礙度Tab.5 Main barrier factors of the water resources carrying capacity index in Jiangxi Province %

對于經濟和社會因素，與水資源因素相比，障礙度較小。其中，生態環境用水率呈先減小后增大的趨勢，2015年障礙度幾乎是2009年的2倍，仍需改善；耗水率障礙度基本上呈上升的趨勢，在2015年達到了9.59%。該結果表明：江西省的水資源耗水量高，水資源利用效率降低；人均GDP障礙度呈大幅下降趨勢，由2006年的8.71%下降到2015年的6.33%。該趨勢表明，江西省的整體經濟呈上升趨勢，經濟水平得以提高，這對水資源承載力的保障和提高有積極的作用。

綜上所述，江西省水資源承載力近些年來雖然處于逐年增長的態勢，但是增長速度緩慢。根據障礙因子進行分析，萬元GDP用水量、產水模數、供水模數、水資源開發程度4個指標對水資源承載力的影響較大，故從水資源配置和節約用水2個方面提出了改進措施，改善4個指標以提高水資源承載力。因此，必須積極采取相應整改措施，提升江西省的水資源承載力，實現水資源與社會經濟的協調發展。為此，建議今后在水資源的配置和合理利用方面應采取以下措施。

(1) 加強水利工程建設，挖掘水資源開發潛力。隨著居民消費水平的增長，對水資源的需求會逐步增長，所以要從源頭上解決水資源供不應求的問題。政府應該提高對水利基礎設施建設的財政支出，大力興建水利工程，確保破解水資源供需不平衡的局面，實現生態與社會經濟的協調發展。

(2) 探索“節約型”發展道路，加強水資源的合理利用。要想降低用水量，節約工作非常必要。江西省必須從節約和保護入手，對節水工藝進行發展改進，發展高科技節水技術，制定相應的節水戰略措施，合理配置水資源；同時控制用水總量，充分利用雨洪資源，統籌考慮污水處理的再利用，以此來緩解江西省的水資源短缺問題，提升江西省的水資源承載力。

(3) 加強水資源規劃與管理，實現水資源的優化配置。① 在行政手段方面，以萬元國內生產總值用水量為重要指標，建立分地區、分產業的水資源配置方案；② 在經濟手段方面，制定合適的水價，以其為經濟杠桿建立水資源短缺的憂患意識；③ 在社會手段方面，加大對產業結構的調整力度，保證對高利用率、高附加值、低耗水、低污染的產業水資源可持續供應，實現水資源的優化配置。

5 結 論

(1) 本文使用了熵權法與TOPSIS、障礙度模型相結合的方法對水資源承載力進行了評價研究。分析評價結果表明：江西省水資源承載力仍有待開發，尚有很大的開發空間。評價結果可為江西省水資源承載力的提高提供更科學的理論支持，對后續的相關研究也將具有一定的參考價值。

(2) 本研究在研究方法上運用了熵權法確權，極大程度地避免了人為因素的干擾，使評價結果具有更高的準確性。

(3) 受數據可得性的影響，本研究在指標的選取與指標體系的建立上可能并不全面，因此，在今后的研究中仍需繼續完善。