基于PSR-MSD模型的長江經濟帶水資源承載力評價研究

楊康煜　王妮菲　黃歌

摘要：水資源承載力是現有水資源能夠持續支撐某地區歷史發展階段最大規模的能力和限度。本文采用PSR模型識別并建立了一套分為壓力、狀態、反應三個準則層包含17個指標涵蓋了人口、產業、排污、水資源等多個方面的邏輯關系嚴密的指標體系。運用MSD模型計算各指標權重并得出水資源承載力綜合評價值，繪出了2014—2018年間武漢市水資源承載力時空動態變化的曲線圖以分析發展趨勢。數據表明，武漢市的水資源承載力整體呈現逐年上升的態勢，其中水資源壓力層承載力變化較大。

Abstract： Water resources carrying capacity is the ability and limit of existing water resources to continue to support the largest scale of historical development in a region. This paper uses the PSR model to identify and establish a set of three criteria including pressure， state， and response. The 17 indicators cover the quantitative relationship system of population， industry， sewage， water resources and other aspects. The MSD model is used to calculate the weight of each index and the comprehensive evaluation value of water resources carrying capacity is obtained. The time-space dynamics of Wuhan water resources carrying capacity during 2014-2018 is plotted to analyze the development trend. The data show that the overall water resources carrying capacity of Wuhan City has been increasing year by year， and the bearing capacity of water resources pressure layer has changed greatly.

關鍵詞：PSR模型;均方差決策模型;長江經濟帶;水資源承載力

Key words： PSR model;mean square error decision model;Yangtze River Economic Belt;water resources carrying capacity

中圖分類號：TV213.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）05-0290-04

0? 引言

2018年4月26日，習近平在武漢主持召開深入推動長江經濟帶發展座談會，指出要把修復長江生態環境擺在壓倒性位置，共抓大保護、不搞大開發，努力把長江經濟帶建設成為生態更優美、交通更順暢、經濟更協調、市場更統一、機制更科學的黃金經濟帶。在長江經濟帶戰略背景下，武漢市將持續推進水生態文明建設，嚴格按照《武漢市水生態文明建設規劃》，高點站位擘畫“一核、兩軸、四片、百湖”的水生態建設總格局，確保水生態文明建設“一個城市一張藍圖繪到底”。

水資源承載力是城市水環境承載力的演化進程之一，集中反映了一個城市在有限的資源條件下的發展程度和發展規模的最大限度，是自然資源與經濟社會發展相適應的重要指標。對于衡量現階段武漢市自然資源利用與經濟發展相適應程度具有重要的指引作用。

目前對于水資源承載力的研究，主要集中在供需平衡理論、多目標決策分析理論、系統動力學理論、熵權理論等。其中具有代表性的研究方法如主成分分析法[3]，但該方法的難點在于降維算法的確定。動態聚類法[4]，缺點在于在樣本量較大時，往往會產生聚類分析的偏差，從而影響評價結果。熵權模型[6，7]可避免在計算各個指標權重時產生的人為干擾，但該方法的缺點在于基于熵權的承載力表現為一個宏觀層面的結果，對于各個子系統的分析結果難以得知。MSD決策法[9-12]是一種客觀賦權方法，國內已有學者用于評價地區區域資源承載力，如張玥、鄭瑋鋒使用均方差決策模型評價廈門市的區域承載力[9];歐弢、廖順寬等人采用均方差決策模型確定綜合承載力權重，然后再借助GIS空間分析技術計算區域資源環境綜合承載力[11]。也有學者使用均方差決策模型進行資源可持續利用評價，如王莉芳、周妹和運用均方差決策模型對2007-2012年天津市水資源可持續利用進行評價[10];劉春艷、馮艷玲運用層次分析法構建土地資源承載力的綜合評價指標體系，用均方差權值決策法確定各指標權重，對吉林市的土地資源承載力狀況進行實證分析評價[12]。該方法可以解決決策方法存在的主觀性誤差，同時也在一定程度上擺脫了個別客觀賦權法存在的局限，且具有簡便直觀的特點，可以用于全面的反應水資源承載力狀況。

1? 水資源承載力PSR模型

PSR模型指Pressure（壓力）—State（狀態）—Response（反應），包括三個部分：其中壓力指標表征引起狀態變化的因素，主要是導致不可持續發展的經濟發展模式和環境現狀;狀態代表由于壓力影響而產生的變化，而這些變化的性質一般與壓力的性質相反，并且同一性質的狀態指標會與壓力指標呈現正相關的變化關系;反應表示造成壓力指標的主體在察覺到狀態產生變化后所采取的應對措施[1]。PSR模型最早用于研究資源利用和可持續發展用以評價世界環境狀況，可以建立一套邏輯上相互關聯、完整的指標體系，具有很強的通用性和代表性。

本文僅就水資源一種資源在局部地區的開發利用和可持續發展狀況作為研究重點，采用PSR模型識別并建立一套邏輯關系嚴密的指標體系，并針對武漢市發展和水資源現狀對所識別的指標體系進行約簡[4]。參考前人研究成果并綜合多個方面因素，選取17個指標構建水資源承載力評價指標體系，詳見表1所示。

①壓力層指標。主要包括污水排放量、工業用水量、農業用水量等對武漢市水資源造成承載壓力的指標，概括了人口、產業、排污、城鎮化發展四個方面。

②狀態層指標。主要包括供水模數、人均水資源量、水資源總量等可以反映武漢市水資源現狀和社會經濟發展現狀的指標。

③反應層指標。主要包括污水廠集中處理率、水力發電量、再生水利用量等保護水資源可持續發展的措施且能產生的效益的度量指標。

2? 水資源承載力MSD模型

MSD模型指Mean Squared Difference（均方差決策模型）。均方差決策模型，是一種確定權重因子的客觀加權方法，均方差決策模型可以避免出于主觀因素而出現的主觀隨意性，讓結果更具有代表性和權威性。

均方差決策分析法作為一種決定多指標綜合評價指標體系中指標權系數的客觀賦權法，可以作為本文中對水資源承載力評價的方法，用以解決水資源承載力評價指標體系的賦權問題和評價方法問題。

2.1 無量綱化處理

本文中，水資源承載力對應一個目標層即M={M}，下分三個準則層即，準則層中分17個指標其屬性值為Cij（i=1，2，…，n;j=1，2…，m），由于不同的指標具有不同的量綱和量綱單位，為避免影響最終的決策結果，先將各指標進行無量綱化處理。

對于正向指標，如污水處理廠集中處理率、人均綠地面積等：

i=1，2，…，n;j=1，2，…，m? ? ? ?（1）

對于逆向指標，如污水排放量、城鎮化率、人口密

度等：

i=1，2，…，n;j=1，2，…，m? ? ? ?（2）

式中，yij為準則層i的第j個指標的標準化值，Cij為準則層i的第j個指標的現狀值。max Cj和min Cj分別為指標Cj的最大值和最小值。m和n表示i和j可取集合中的所有數字序列。

2.2 MSD法決策步驟

①求隨機變量yij的均值：

②求yj的均方差：

③求指標yj的權重：

2.3 承載力綜合評價指標計算

采用綜合指數法用以計算3個準則層的水資源承載力綜合評價值。

計算公式如下：

式中，yij為隨機變量，wj為權重。

2.4 評價等級確定

由均方差決策模型計算出的權重數值是一個在0到1之間的數，評價標準按數值的大小進行等級分級，數值越大說明水資源承載力越強，參考其他學者的評價模式，可將評價等級分為如下五個等級，見表2所示。

3? 實例分析

3.1 研究區概況

長江經濟帶是指長江附近的經濟圈，長江經濟帶包括上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川、云南、貴州等11個省市。占地面積約205萬平方公里，總人口和產值超過全國的40%，擁有中國東部、西部和中部三大主要地區，有獨特的優勢和巨大的發展潛力，改革開放以來長江經濟帶對外開放已發展成為綜合實力最強、戰略支撐力最強的地區之一。

國務院辦公廳《長江經濟帶發展趨勢規劃綱要》將上海市、武漢市、重慶市列入超大城市。武漢市憑著優異的自然地理位列入長江經濟帶關鍵大城市。總體來看，武漢市的水資源較為充沛：現有水面總面積2117.6km2，約占全市國土面積1/4，其中，境內河流5km以上的有165條，水面面積471.31km2;全市列入保護目錄的湖泊有166個，水域藍線控制面積867.07km2;全市過境水總量6731億m3，水庫共264座（其中大型水庫3座、中型水庫6座），總庫容8.75億m3。2018年全市總用水量36.23億m3，按農業、工業、生活、生態環境統計，其中農業用水量8.97億m3，工業用水量14.93億m3，生活用水量11.89億m3，生態環境用水量0.44億m3，全市水資源總量35.16億m3，其中地表水、地下水重復計算量為6.70億m3，產水模數41.39萬m3/km2，全市人均用水量327m3。武漢市在長江經濟帶建設中的作用越來越重要，具有巨大的發展潛力和優勢，所以準確把握武漢市水資源承載力動態變化對于推進武漢市乃至整個長江經濟帶的“共抓大保護”戰略舉措具有重要意義。

3.2 PSR-MSD模型計算

本文研究數據均來自于2014年至2018年武漢市水務局所發布的《水資源公報》、《武漢市水環境狀況》及武漢市統計局所發布的《武漢市統計年鑒》等。首先對所得數據進行無量綱化處理，再運用均方差決策模型計算出各指標權重，見表3所示。

3.3 武漢市水資源承載力變化評價分析

已知各指標權重，根據上述承載力綜合評價指標計算方法計算武漢市2014-2018年各準則層承載力和武漢市水資源綜合承載力，見表4所示。再根據計算所得數據，繪出武漢市 2014-2018 年的水資源承載力變化趨勢，見圖1所示。

由表4及圖1結果可以看出：

①武漢市的水資源承載力整體呈現逐年上升的態勢。其中水資源壓力層承載力變化較大，主要是與近年來武漢市經濟的快速發展有關。武漢市的城鎮化率近年逐年增長，并且人口密度因高校不斷擴招、外來務工人員增多等多方面因素影響而不斷增大。武漢市的工業企業的污水排放在2014至2015年間并未得到切實有效的整改，工業污水排放尚未得到控制。隨著武漢市的快速發展，對水資源的需求和廢污水排放的壓力不斷加大。導致2014至2015年間，壓力層承載力大幅下降。在2015年以后，壓力層承載力明顯增長，其變化主要與武漢市水環境治理措施轉型有關。武漢市查處工業廢水亂排亂放的力度加大，嚴令整改環保設備不達標企業，推行“四水共治”水環境治理有效措施，將水治理工作作為工作重心，并且積極進行了產業結構轉型，提高了用水效率，改變了武漢市的城市水環境面貌。

②狀態層與反應層承載力都呈現不斷增長的趨勢，同時狀態層承載力略大于反映層承載力。以2016年兩準則層承載力大致相等為界限。在2016年以前，由于武漢市本身豐富的水資源和較為密集的水網系統，武漢市可以利用的自然水資源承載力較大，而使得狀態層承載力略大于反映層承載力。2016年以后，隨著各種環保措施力度加大和環保政策出臺，武漢市對于污水處理、水重復利用等方面投入增加，城市污水處理系統日趨完善。同時武漢市開始發展轉型、調整產業結構，走新型工業化道路，推行“四水共治”水治理模式，使得反應層承載力大于狀態層承載力。

4? 結語

武漢市的水資源承載力變化，主要與武漢市的社會經濟發展和水環境治理密切相關。隨著武漢市的發展愈加迅速，城市污水排放和水供需壓力將越來越大。所以積極投入建設城市基礎設施（城市水管網、污水處理系統等）、控制城市水污染水平和污水排放及維護現階段水環境治理成果等措施對于武漢市水生態文明建設具有重要意義。在長江經濟帶戰略背景下，武漢的未來發展必須一方面謀求促進經濟發展機遇以轉變和改善經濟發展，一方面也必須繼續促進環境的改善。環境保護要從基礎設施建設、環保技術發展創新和生態保護模式創新等角度入手，多維促進長江經濟區的經濟建設和環境協調，以實現共同的發展目標。

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