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(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和確定社會經(jīng)濟健康發(fā)展方向的基礎(chǔ)，是對水資源在時間和空間上的一個度量尺度[1]。社會經(jīng)濟發(fā)展與水資源承載力有著密不可分的關(guān)系，水資源承載力可以促進地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，也可制約、滯后其發(fā)展。分析水資源承載力可以闡述特定區(qū)域中社會經(jīng)濟、人口、水資源三者之間的關(guān)系，要實現(xiàn)對水資源的合理利用以及優(yōu)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(yù)測，進而實現(xiàn)區(qū)域社會經(jīng)濟和自然資源的協(xié)調(diào)發(fā)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(fā)展和完善[2]。因此，研究水資源承載力對區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展和水資源的合理利用具有重要的現(xiàn)實意義和理論意義。

近年來，國內(nèi)外學者針對區(qū)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(nèi)涵的基礎(chǔ)上，通過對江西省各行各業(yè)的需水進行預(yù)測，從人口和經(jīng)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(xù)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(jié)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(guān)的理論依據(jù)。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(qū)域水資源可持續(xù)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(xù)發(fā)展的建議。項瓊[6]以研究區(qū)域內(nèi)7個縣市為對象，利用模型形成決策矩陣、確定權(quán)重、建立加權(quán)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(qū)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(jié)果可為有效緩解水資源的短缺情況提供技術(shù)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(yù)測結(jié)果有助于用水不合理的地區(qū)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(yīng)用“二元水循環(huán)”理論建立了質(zhì)量能結(jié)構(gòu)下的指標體系，用以對昆明市的水資源承載力做出評價。康艷[10]等改進了灰色關(guān)聯(lián)模型，同時根據(jù)灰色系統(tǒng)理論建立了變權(quán)灰色關(guān)聯(lián)模型，并根據(jù)水資源承載力系統(tǒng)的不確定性來構(gòu)建指標體系，對區(qū)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(jù)。潘興瑤[11]等建立了區(qū)域水資源承載力指標數(shù)據(jù)庫，并在GIS技術(shù)和模糊綜合評判模型的基礎(chǔ)上，建立了區(qū)域水資源承載力綜合評價模型，最終對區(qū)域內(nèi)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(tǒng)的五大因素，通過研究水資源系統(tǒng)的內(nèi)在機理，構(gòu)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(jié)果作為區(qū)域水資源規(guī)劃與管理的科學決策依據(jù)。

本研究依據(jù)的理論觀點是在水資源總量有限的基礎(chǔ)上，合理分配和有效利用水資源，使其與經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，達到水資源開發(fā)利用的最大規(guī)模[3]。當前，關(guān)于水資源承載力的評價研究還沒有比較統(tǒng)一和成熟的方法。采用的主要評價方法為綜合指數(shù)法、相對評價法、系統(tǒng)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(jīng)濟、生態(tài)、資源的趨于復(fù)雜系統(tǒng)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(xù)發(fā)展的主要因素，以此構(gòu)建江西省水資源承載力評價指標體系。應(yīng)用客觀確權(quán)法——熵權(quán)法對各指標賦權(quán)；在此基礎(chǔ)上，結(jié)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(fā)利用提供科學的決策性依據(jù)。本文研究結(jié)果對于采取措施提高江西省水資源承載力，加強江西省經(jīng)濟社會與水資源的可持續(xù)發(fā)展，將具有重要的現(xiàn)實意義。

2 評價指標體系的構(gòu)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(nèi)生產(chǎn)總值用水量以及生態(tài)環(huán)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(yīng)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(tài)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(chǔ)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(tǒng)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(fā)利用方式不同的基礎(chǔ)上，主要從經(jīng)濟、生態(tài)以及水資源3個方面進行了評價指標的選擇，構(gòu)建了評價指標體系，如表1所示。

3 評價模型的建立

3.1 數(shù)據(jù)處理

對數(shù)據(jù)進行標準化[15]處理。公式如下：

(1)

式中，Xij為指標的原始統(tǒng)計數(shù)據(jù)；Pij為標準化后的變量數(shù)據(jù)。

3.2 熵權(quán)法確權(quán)

申農(nóng)將熵引入信息論，且熵權(quán)法當前已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)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(quán)重就越高[19]。利用熵權(quán)法確權(quán)，

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(quán)法確定權(quán)重的方法描述如下。

(1) 求各指標的信息熵。設(shè)標準化后的值為Pij，則一組數(shù)據(jù)的信息熵為

(2)

若Pij=0，則limPijlnPij=0

(2) 計算各指標的權(quán)重。

(3)

式中，K為指標個數(shù)。

將評價指標構(gòu)成判斷矩陣來確定各指標的權(quán)重，能在一定程度上避免人為因素在權(quán)重計算中的干擾，使得評價結(jié)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(jù)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(xiàn)有的對象中進行相對優(yōu)劣的評價[20]。

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

(4)

(2) 數(shù)據(jù)歸一化。

(5)

(3) 將歸一化后的矩陣與各指標的權(quán)重相乘，即可得到加權(quán)決策矩陣。

(4) 確定理想向量。

(6)

(5) 評價最優(yōu)方案和最劣方案以及接近度。

最優(yōu)方案：

(7)

最劣方案：

(8)

其接近度Cj為

(9)

(6) 排序。將最終結(jié)果按照相近接近度大小進行排序，越接近1，則水平越優(yōu)；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(diào)整區(qū)域耕地利用行為，實現(xiàn)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(tǒng)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(quán)重；Xij表示第i個單項指標所屬的第j個準則層的權(quán)重；xij代表標準化后的指標數(shù)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(shù)據(jù)來源

本文以江西省2006～2015的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)來自江西省統(tǒng)計年鑒以及《江西省水資源公報》，該區(qū)域的原始評價指標數(shù)據(jù)如表2所列。

4.2 模型計算

(1) 權(quán)重計算。利用熵權(quán)法對指標權(quán)重進行計算，各評價指標權(quán)重如表3所列。

(2) 接近度Ci。接近度的評價結(jié)果列于表4。

4.3 結(jié)果分析

根據(jù)表4列出的數(shù)據(jù)，繪制出了江西省2006～2015年水資源承載力評價結(jié)果折線圖，如圖1所示。

從表3各指標權(quán)重可以看出，相比其余6個指標,耗水率、供水模數(shù)和水資源開發(fā)程度占據(jù)著較大的權(quán)重，所以這3個指標對水資源承載力影響較大，應(yīng)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(shù)據(jù)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(quán)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(jié)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(jié)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(nèi)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(fā)[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(shù)據(jù)可以看出：由于2009年的水資源開發(fā)程度較2008年有很大幅度的增長，從而間接導(dǎo)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(diào)整，實現(xiàn)水資源的健康可持續(xù)發(fā)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(jù)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(xiàn)在萬元GDP用水量、產(chǎn)水模數(shù)、供水模數(shù)和水資源開發(fā)程度。

由表5可以看出：綜合2006～2015年指標變化態(tài)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(chǎn)水模數(shù)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(fā)現(xiàn)：水資源開發(fā)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(jīng)濟和社會因素，與水資源因素相比，障礙度較小。其中，生態(tài)環(huán)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(jié)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(jīng)濟呈上升趨勢，經(jīng)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(tài)勢，但是增長速度緩慢。根據(jù)障礙因子進行分析，萬元GDP用水量、產(chǎn)水模數(shù)、供水模數(shù)、水資源開發(fā)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(jié)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(yīng)整改措施，提升江西省的水資源承載力，實現(xiàn)水資源與社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展。為此，建議今后在水資源的配置和合理利用方面應(yīng)采取以下措施。

(1) 加強水利工程建設(shè)，挖掘水資源開發(fā)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(yīng)求的問題。政府應(yīng)該提高對水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(xiàn)生態(tài)與社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展。

(2) 探索“節(jié)約型”發(fā)展道路，加強水資源的合理利用。要想降低用水量，節(jié)約工作非常必要。江西省必須從節(jié)約和保護入手，對節(jié)水工藝進行發(fā)展改進，發(fā)展高科技節(jié)水技術(shù)，制定相應(yīng)的節(jié)水戰(zhàn)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(tǒng)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(guī)劃與管理，實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。① 在行政手段方面，以萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值用水量為重要指標，建立分地區(qū)、分產(chǎn)業(yè)的水資源配置方案；② 在經(jīng)濟手段方面，制定合適的水價，以其為經(jīng)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(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整力度，保證對高利用率、高附加值、低耗水、低污染的產(chǎn)業(yè)水資源可持續(xù)供應(yīng)，實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。

5 結(jié) 論

(1) 本文使用了熵權(quán)法與TOPSIS、障礙度模型相結(jié)合的方法對水資源承載力進行了評價研究。分析評價結(jié)果表明：江西省水資源承載力仍有待開發(fā)，尚有很大的開發(fā)空間。評價結(jié)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(xù)的相關(guān)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(quán)法確權(quán)，極大程度地避免了人為因素的干擾，使評價結(jié)果具有更高的準確性。

(3) 受數(shù)據(jù)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(xù)完善。