寧夏地區水資源承載力動態變化及驅動因子和未來情形分析

張曉東，金 礦

(1.重慶旅游職業學院，重慶 409099；2.西南大學地理科學學院，重慶 400715)

承載力是一個物理概念，指的是物體在不產生任何破壞時所能夠承受的最大負荷[1]。1920年，Pearl和Reed最早將承載力的概念應用于生態學領域，認為地區的人口增長與生物量增長的Logistic equation對數方程相適應[2]。隨后承載力模型在人口、自然環境等領域得到了廣泛的關注和應用，產生了土地承載力和環境承載力的概念。20世紀80年代初，聯合國教科文組織最早提出了資源承載力的概念和模型[3]；在20世紀80年代末，相關概念被引入國內并于水資源緊密地聯系在一起。但是到目前為止，水資源承載力概念在水資源領域還沒有統一的定義，但大概可以歸納為3種觀點：第一種為水資源開發規模論[4]；第二種為水資源支持可持續發展能力論[5]；第三種為水資源承載最大人口論[6]。本文基于第二種觀點：認為水資源承載力是在維持生態環境良性循環的前提下，以一定的科技水平為依據，水資源支撐經濟社會可持續發展的最大能力[5]。

水資源承載力的研究是水資源可持續發展研究中不可或缺的一部分，但隨著目前水資源問題的日益突出，水資源保護被提到了前所未有的高度。當下國內對水資源承載力的研究主要集中在評價指標的構建和研究方法的選取兩個方面。評價指標的構建一般有DPSIR模型、“水資源-社會經濟-生態環境”復合系統等[7]。研究方法一般可歸納經驗法、指標體系評價法和系統分析法三類[8]，其中經驗法有類比分析、趨勢分析和定額分析等，指標體系法有模糊綜合評價、投影尋蹤等，系統分析法有多目標決策分析、系統動力學等。雖然目前關于水資源承載力的研究很多，但大都集中在水資承載“量”的研究，而對于更深層次的水資源承載力驅動因子研究和未來不同情景下水資源承載力變化情況的研究較少。

寧夏是處于我國西北地區，雖是絲綢之路經濟帶的重要節點，但河川徑流總量少、地區變化大、年內分配不均、年際變化大等問題日益突出，并且寧夏引黃灌區、中部干旱帶和南部山區的地理位置環境條件差距較大，嚴重制約著當地經濟與生態環境的可持續發展。所以科學合理的評價寧夏水資源和生態情況十分必要。基于此，本文首先利用主成分分析對寧夏整體和3個地區2004-2016年的水資源承載力水平進行分析并提取主成分；其次根據模糊層次分析法對驅動力的動態變化進行分析；最后結合最嚴格水資源管理制度及GM(1，1)模型，探討4種情景假設下的寧夏社會經濟發展模式。

1 研究區概況

寧夏回族自治區，位于北緯35°14′～39°23′,東經104°17′～107°39′之間，全境海拔1 000 m以上。地勢南高北低、南北狹長。北部引黃灌區地勢平坦土壤肥沃；中部干旱帶降水稀少，風大沙多；南部山區溝壑林立，陰濕高寒。南北相距約456 km，東西相距約250 km，總面積多達6.6 萬km2。深居西北內陸高原，屬于典型的大陸性半濕潤半干旱氣候，具有春多風沙、夏少酷暑、秋涼較早、冬寒較長、雪雨稀少、日照充足、蒸發強烈等特點。全年平均氣溫在5～9 ℃之間，年平均降水量300 mm左右[9]，寧夏具體地理位置圖如圖1所示。

圖1 寧夏地理位置圖

2 研究方法

2.1 水資源承載力

(1)指標選取。水資源系統較為復雜，其影響因素涉及社會、經濟和生態環境等多個方面[10]。根據本文對水資源承載力的定義，遵循科學性、系統性、綜合性和層次性等基本原則[11]，在參考專家意見及相關研究成果[12-14]的基礎上，結合寧夏地區自身水資源特點選取“水資源—社會經濟—生態環境”評價指標體系，如表1所示。數據均來源于寧夏及各地市2004-2016年的水資源公報及2005-2017年的統計年鑒。

(2)主成分分析法。主成分分析法目前在水資源領域應用較多，它主要是通過將降維的思想在原始指標數據中找出彼此

表1 水資源承載力指標

之間不相關，但能夠代表原始指標信息的幾個主成分，有效地避免主觀隨意性。它的一般步驟[9]為：①收集指標變量資料；②為了消除量綱影響，進行標準化處理；③進行相關系數矩陣的計算；④計算特征值和特征向量；⑤計算各主成分的貢獻率和累積貢獻率；⑥確定主成分個數，一般選取累積貢獻率85%以上或者特征值大于1的主成分；⑦由幾個主成分進行綜合評價。

2.2 生態脆弱性評價

(1)指標選取。采用綜合指數法來反映生態脆弱性，生態脆弱性(各指標的得分)是指經過模糊層次分析法計算的權重和極差進行標準化處理后的指標。考慮到寧夏地區地理位置特點，對外界干擾敏感結合收集的數據反應生態脆弱性的評價指標，搭建自然----經濟社會----結果表現的綜合評價指標體系[15,16]，如表2所示。

(2)模糊層次分析法。模糊層次分析法[17,18]根據多目標評價問題的性質和總目標，將問題本身按層次進行分解，構成一個由下到上的層次結構。它的一般步驟為：①確定因素之間的因果關系，建立多層次遞階的結構模型；②因素兩兩對比，建立模糊判斷矩陣；③確定各要素之間的相對重要度；④綜合評價。

表2 生態脆弱性指標

2.3 GM(1，1)預測模型

灰色預測是通過原始數據的生成處理來尋找系統變化的規律，從而建立灰色模型對系統未來的發展趨勢進行定量預測。本文以寧夏地區2004-2014年的農業水土資源安全指數為原始數據，對2015-2020年的安全指數進行預測。具體步驟如下[19]：

(1)原始數據：

X(0)={x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(N)}

(1)

一次累加：

X(1)={x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(N)}

(2)

(3)

(2)構造累加數據矩陣B和常數項向量Y：

(4)

(5)

(3)利用最小二乘法求解參數：

(6)

(4)將參數帶入方程：

(7)

(5)預測值：

x(0)(k)=x(1)(k)-x(1)(k-1)

(8)

(6)模型診斷：

ε(0)(t)=x(0)(t)-x(0)′(t)

(9)

(10)

式中：ε(0)(t)為殘差值；q(t)為相對誤差值；x(0)′(t)為模型計算值。

灰色預測結果精度標準見表3。

表3 灰色預測精度等級參照表

2.4 技術路線

本文的技術路線圖如圖2所示。

圖2 技術路線圖

3 結果與分析

3.1 水資源承載力

3.1.1 寧夏整體

對寧夏整體水資源承載指標進行主成分分析，得到這主成分的特征值及貢獻率(表4)。對于主成分個數的選取一般情況下考慮兩個方面，一是特征值大于1，二是累計貢獻率大于85%。對于本研究兩個條件不能同時滿足，所以主要考慮第二個方面。前3個主成分的累計貢獻率已經達到了86.09%，滿足要求，可以反映原始指標的信息，選取為第一、第二、第三主成分，并以此進一步分析寧夏地區水資源承載力變化狀況。

表4 主成分特征值和累積貢獻率

由表5可知，X1、X2、X3、X4與第一主成分相關性很大，反映了水資源系統；X5、X6、X7、X8與第二主成分相關性很大，反映了社會經濟系統；X9、X10、X11、X12與第三主成分相關性很大，反映了生態環境系統。而這3個系統正好與本文建立指標的原則相匹配，也反映了指標建立的合理性，所以說水資源狀況、社會經濟發展和生態環境保護可歸納為影響寧夏地區水資源承載力的主要因素。

從表6和圖3可知，主成分的得分有正有負，但是這種主成分值僅代表每年水資源承載力在整體種所處的位置，并不表示確定的水資源承載力大小。其中，綜合得分與水資源承載力大小成正比。

表5 主成分載荷矩陣

表6 主成分得分及排序

圖3 寧夏主成分變化趨勢圖

總體來看，寧夏水資源承載力在2004-2016年間呈現穩定上升趨勢。主要原因是寧夏地區大力提高用水效率，萬元GDP用水量不斷下降，水資源開發利用率不斷提高。從2010年開始水資源系統開始穩定在Ⅱ等級(較好)以上，指標體系不斷變好。2015年開始進入Ⅰ等級(良好)，發展狀況很好。這主要得益于寧夏近幾年不斷發展經濟的同時，大力開展節水增效措施(見表7)。

表7 水資源承載力評價標準

另外，第一主成分和第二主成分與總的變化趨勢相近，都呈現上升趨勢，第一主成分是主控因子，貢獻率達到了47.83%；第二主成分為次控因子，貢獻率為22.61%，對水資源承載力的影響較大。也即水資源系統和社會經濟系統的發展對寧夏地區水資源承載力的壓力較大。而第三主成分變化較復雜，一直處于上下波動狀態，這就說明水質代表率和人均污水排放是寧夏地區發展的薄弱環節，這方面發展的不均衡違背了區域可持續發展的耗水需求，限制了寧夏地區的水資源承載力的進一步提高。

3.1.2 三個地區

為了更深入的了解寧夏地區2004-2016年間的水資源承載力變化情況，在寧夏整體分析的基礎上，將寧夏分為北部引黃灌區、中部干旱帶和南部山區3個部分進行分別研究。同樣的，本文選取累計貢獻率達到85%的幾個成分，如表8所示。從表8可以看出，3個地區都選取了兩個主成分，這與寧夏整體分析時有所不同。其中水資源系統的貢獻率基本都在55%以上，社會經濟系統的貢獻率也都在25%以上，生態環境系統貢獻率較小未能進入主成分的選取。在此基礎上，計算3個地區的得分和排名情況(表9)。

表8 寧夏3個地區主成分特征值和累計貢獻率

從表9和圖4可知，北部引黃灌區的水資源承載力表現極好，一直呈現穩定上升趨勢，且增幅較大，這主要是由于寧夏北部引黃灌區地勢平坦、土壤肥沃、水資源充沛，再加上經濟效益好、水資源利用效率較高等特點；中部干旱帶的水資源承載力除了2005和2006年、2012和2013年波動以外，整體與北部引黃灌區一致，保持穩步上升趨勢，只是上升幅度較引黃灌區較小，這主要得益于中部干旱帶在水資源短缺的情形下灌溉技術的發展，節水灌溉面積不斷擴大，用水效率不斷提高。南部山區從整體上看雖然也處于上升趨勢，但幅度非常小，明顯不如北部引黃灌區和中部干旱帶。這主要是由于南部山區主要是西海固地區，年均降水量僅300 mm，蒸發量卻達到2 000 mm以上，曾被聯合國糧食開發署確定為最不適宜人類生存的地區之一。水資源短缺的情況再加上水土流失嚴重科技文化落后等現狀，水資源承載力一直處于極低狀態。

表9 寧夏3個地區水資源承載力綜合得分

圖4 3個寧夏地區得分變化趨勢圖

3.2 驅動力生態脆弱性分析

3.2.1 寧夏地區生態脆弱性與水資源承載力的關系

生態脆弱性的特征主要有土層貧瘠，生態敏感性高，水土流失嚴重、生態惡化、經濟落后、糧食缺乏等。水資源承載力的評價目的是為了揭示有限的水資源與人口、生態環境和社會經濟發展之間的關系，以便合理充分的利用水資源，促進可持續發展。所以生態發展對于水資源的可持續利用影響非常重要，雖然在主成分分析中生態環境系統排在水資源系統和社會經濟系統之后的第三位，但它的影響不容忽視。特別是2017年黨的十九大報告強調“必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念”，生態環境生產力理論得到了越來越多的實踐驗證、理論認可和民意認同。

寧夏深居西北內陸高原，東、北、西三面分別被毛烏素、烏蘭布和騰格里三大沙漠包圍，生態環境惡劣；并且當地本就脆弱的生態環境易受到人類活動的影響。所以科學合理的評價當地生態脆弱性的變化情況有利于協調寧夏地區今后生態建設與社會經濟共同發展，從而促進當地水資源承載力的進一步提高。

3.2.2 生態脆弱性分析

根據寧夏生態脆弱性指標體系和模糊層次分析法計算得到寧夏地區2004-2016年生態脆弱度，具體如圖5所示。從圖5可知，寧夏地區2004-2016年間生態脆弱性呈波動上升趨勢，水資源承載力呈穩定上升趨勢。說明在水資源承載力的良性發展是以犧牲部分生態環境為代價的。

圖5 生態脆弱性及水資源承載力趨勢

自1999年11月中央提出西部大開發戰略到2010年間，寧夏基礎設施建設突飛猛進，其中建設了大型農業水利工程和供水工程，建成大型灌區24處，大中小型水庫223座，灌溉耕地由13.3 萬hm2增加到40 萬hm2；率先啟動節水型社會建設并實施水權轉換工程；人均GDP與全國相對差距明顯縮小等。雖然這段時間寧夏地區經濟快速增長，農業高速增長，工業化擴大，水資源承載力不斷提高；但由于寧夏處于西北內陸，缺乏高科技產業鏈，粗放的高投入低產出的增長方式加大了經濟發展和生態環境之間的不和諧，使得生態脆弱性不斷加大。

2011年，寧夏政府在生態環境保護大會中指出，加強生態環境保護，加快建設天藍地美的美麗寧夏。隨后開展了一系列生態保護措施，加強生態環境保護工作。其中林地面積達到217.75 萬hm2，森林覆蓋率達到11.89%，提高了2個百分點；水土流失初步治理程度接近40%,沙化面積減少2 584 萬hm2等。雖然寧夏地區在2011-2013年間生態保護工作取得了良好成效，但期間的生態脆弱性處于波動狀態。這是由于2011-2013年處于一個過渡期，雖然有一系列的改革措施，但成效并未立即表現。隨著生態保護力度的逐漸加大，從2014年開始，生態脆弱性開始下降，而此時寧夏的水資源承載力仍保持穩定上升；這說明寧夏在改善生態環境的同時，水資源系統和社會經濟系統也得到了良性發展。

3.2.3 基于生態脆弱性的影響因素

由表2可知，自然因素和結果表現對于寧夏地區生態脆弱性的影響較大，而社會成因影響較小。分析各指標層的權重可知，各因素對生態脆弱性的影響大小排序為森林覆蓋率>生態用水率>農業依賴度>年降水量>人均GDP>恩格爾系數。森林覆蓋率反映了森林資源的豐富程度和生態平衡狀況，生態用水率強調了生態保護力度，農業依賴度反應產業結構的調整方向，降水量是水資源狀況的重要體現，人均GDP和恩格爾系數則反映了社會經濟發展與生態環境承載力之間的關系。例如在生態脆弱性極高的2010年左右，過高的農業依賴度不僅影響了森林覆蓋率，而且擠占了本就不多的生態用水量；雖然促進了經濟的發展，增加了人均GDP和恩格爾系數，但粗放式的利用方式導致資源極度浪費，使得人與資源的矛盾突出(見圖6)。

3.3 未來水資源承載力預測

以寧夏地區2004-2016年水資源承載力值為原始數據，在現有發展情形下利用GM(1,1)模型預測未來2020、2025、2030年預測結果。由于原始數據存在負值，而灰色預測要求數據序列為正，本文從2010年開始預測，得到α=-0.063 5，μ=0.596 1，可以進行中長期的預測。由表10知，平均相對誤差為5.9%，處于勉強和合格兩個等級之間，方差比和小誤差概率分別為41.57%和89.51%，均處于合格和好之間，整體來說GM(1，1)灰色預測結果是可信的。2020、2025和2030年的預測值分別為1.42%、1.67%和1.84%，都處于上升狀態。雖然水資源承載力狀態良性發展，但隨著“水資源紅線”的制定和生態環境的惡化，寧夏水資源安全問題不容忽視。

圖6 驅動因子雷達圖

表10 水資源承載力預測值%

年份2010201120122013201420152016202020252030預測值0.100.350.310.690.751.091.151.421.671.84實際值0.100.320.290.740.701.021.10---相對誤差/%09.46.9-6.87.16.94.5---

3.4 寧夏未來發展規劃及預測

根據《寧夏十三五規劃》，生態方面，到2020年新增造林面積41.3 萬hm2，治理荒漠化土地33.3 萬hm2，每年治理水土流失面積800 km2，森林覆蓋率達到15.8%，到2025年森林覆蓋率達到17%。氣候變化方面，單位GDP能耗下降14%，萬元GDP用水量下降18%，單位GDP二氧化碳排放強度下降17%等。

在寧夏未來發展規劃的基礎上，對未來水平年3種情景假設下的水資源承載力進行預測[20]。情景1：生活污水排放量增加趨勢得到控制，河流水質改善較大；情景2：生活污水排放量減少，河流水質改善明顯；情景3：生活污水排放量減少，河流水質改善明顯，生態環境改善較好。從表11可以看出，情景1下可持續性不高，情景2可持續性較好，情景3可持續性最高，但收到生態環境保護影響較大，發展速度相對情景2較慢。從圖7可知，由灰色預測值基本處于情景2和情景3之間，未來水資源承載力發展趨勢良好。

表11 不同情景預測結果

圖7 不同情景下水資源承載力預測結果

4 結 語

本文首先基于主成分分析法將寧夏分為整體和北部引黃灌區、中部干旱帶、南部山區3個地區進行了水資源承載力的分析，其次利用模糊層次分析法對寧夏生態脆弱性進行了探究分析，最后利用GM(1，1)和未來不同的情景模式對水資源承載力進行了預測。主要結果如下：

(1)通過主成分分析，將12個原始指標降維為3個主成分(整體)和2個主成分(3個地區)，建立寧夏水資源承載力評價模型。其中，北部引黃灌區和寧夏整體變化趨勢相近，在2004-2016年呈現穩定增加趨勢；中部干旱帶雖然也呈上升趨勢，但變化幅度不如寧夏整體和北部引黃灌區；南部山區波動較大，雖然也表現為一定增加，但效果很小。

(2)生態脆弱性增加會影響水資源承載力的良性發展。寧夏地區2004-2016年間生態脆弱性呈波動增加趨勢，水資源承載力表現為穩定上升，說明在水資源承載力的良性發展是以犧牲部分生態環境為代價的。同時各因素對生態脆弱性的影響大小排序為森林覆蓋率>生態用水率>農業依賴度>年降水量>人均GDP>恩格爾系數。

(3)在水資源承載力綜合評價的基礎上，建立GM(1，1)灰色預測模型，并結合最嚴格水資源管理制度和生態環境治理行動等，探討了未來水平年4種情景假設下的寧夏水資源承載力發展模式。表明未來寧夏地區水資源承載力狀態發展良好，效果排序為情景3>現狀>情景2>情景1。