貴州高原水環境承載力時空演化分析

尚海龍，撒慧麗

(凱里學院旅游學院，貴州 凱里 556011)

0 引 言

水環境作為社會、經濟系統賴以存在與發展的基本因素，其承載能力狀況對區域發展具有重要作用[1]。隨著區域水資源供需矛盾的日趨突出，水資源分布不均與水環境污染已成為制約社會經濟健康發展的“瓶頸”[2]。高效保育水資源，科學提升與調控區域水環境承載力，已經成為欠發達區域生態保護與高質量發展亟需解決的重要問題。

水環境承載力(Water Environmental Carrying Capacity，WECC)是指一定時期、某種水環境狀態下，具體區域范圍內水環境對人類社會經濟活動支持能力的閾值[3]。它是評價區域可持續發展的重要依據和有效方式[4]，其也可以作為衡量區域社會經濟與生態環境協調程度的一種判據[5]。目前，關于水環境承載力的研究，國外文獻較少，主要參見于可持續發展相關成果中[6- 8]。國內對于水環境承載力的研究方興未艾，現已成為水科學領域的熱點問題之一，專家學者主要從研究方法[9-11]、評價指標體系構建[12-14]和測度模型[15-17]等維度對于流域[12，18-19]、湖庫[13，20-21]、城市[5，14，22]等區域的水環境承載力進行研究。縱覽已有成果，為區域進行水資源保護與優化配置提供了科學依據，對于促進自然—經濟—社會系統的可持續發展具有重要的啟發意義和實踐價值。但是，學術界關于水環境承載力概念和方法體系的統一認知問題尚未解決，且實證研究領域亟待拓寬，比如探討高原高原水環境承載力的學術文獻仍尚屬鮮見。

有鑒于此，本文以西南典型巖溶區貴州高原為研究區域，運用連續年份統計數據，構建水環境承載力評價指標體系與測算模型，對水環境承載力進行測算、判定與分析，并揭示其動態變化規律及主要影響因素，以期為協調高原經濟增長與水環境保育關系提供一定參考。

1 研究區概況

貴州高原(103°31′N～109°30′E，24°30′E～29°13′N)位于長江和珠江水系交錯地帶，為兩大水系上游地區的重要生態屏障。它地處云貴高原東斜坡地帶，是西南巖溶地區的主體與中心，地勢西高東低，山地廣布，平均海拔在1 100 m左右，包含畢節、六盤水、安順等9個地州市。境內碳酸鹽巖分布面積12.96萬km2，占國土總面積的71.7%，是世界上巖溶面積最集中、最典型、最復雜的區域之一。受亞熱帶高原山地季風氣候影響，降水多集中于夏季，多年平均降水量達1 100～1 300 mm，相對濕度在70%以上，多年水資源總量均值為985.25億m3，人均擁有水資源2 676 m3，不僅是國內降水量比較豐富的地區，而且也是年變率較小的地區。但由于受特殊的地形地貌與強烈發育的巖溶限制，地表水開發利用難度較大，地下水賦存條件復雜多樣。21世紀以來，水資源平均利用率僅為10.07%，致使工程性、資源性及水質性缺水問題十分突出，這對貴州高原與長江、珠江上游地帶經濟社會可持續發展具有較大制約作用。

2 研究方法與數據來源

2.1 評價指標體系構建

影響水環境承載力的因子復雜多樣，指標分布主要涉及社會經濟、水資源和水生態方面。這3大子系統在不斷交互作用(見圖1)[22]中逐漸形成了一個綜合性復雜系統。以此為前提，構建貴州高原水環境承載力評價指標體系，是進行水環境承載力評價的核心。

圖1 水環境承載力3大子系統相互關系與作用機制

本研究依據國家發展改革委印發的《綠色發展指標體系》和《生態文明建設考核目標體系》、貴州省新聞辦發布的《貴州省生態文明建設目標評價考核辦法(試行)》等文件，在參考水環境承載力權威研究文獻[5，22-25]基礎上，充分考慮研究區生態環境與水資源發展現狀，并遵循科學性、代表性、相對獨立性與數據可得性原則，從3大子系統中整合了使用頻率較高的具體評價指標，經過合并與剔除，最終構建了貴州高原水環境承載力指標體系(見表1)。社會經濟子系統包含人均GDP、城鎮化水平、人口密度等5個具體指標，主要表征研究區人口狀況、產業結構及經濟發展水平；水資源子系統包括人均水資源量、水資源開發利用率、單位GDP用水量等6個具體指標，主要表征研究區水資源稟賦、供需平衡與開發利用情況；水生態子系統包含污水處理率、森林覆蓋率、水功能區水質達標率等7個具體指標，主要表征研究區水環境質量、污染與防治狀況。

表1 貴州高原水環境承載力評價指標體系

2.2 改進的熵值法

由于影響水環境承載力的因素眾多，且各因素之間的關系較復雜；所以，合理確定指標體系中各指標的權重，是準確評價水環境承載力的關鍵。為使指標權重更為科學、精確，本研究采用改進的熵值法測算子系統與具體指標的標權重(如表1所示)。該方法主要通過數據標準化變換，避免了主觀確定的人為因素帶來的偏差，是一種客觀賦值方法[26]。具體步驟如下：

(1)數據標準化處理采用Z-Score法對各具體指標原始值進行標準差標準化。其中，經濟數據根據貴州省歷年統計年鑒提供的價格指數進行換算，使其成為可以比較的數值。即

(1)

(2)

(2)計算第j項指標下第i功能團指標值的比重

(3)

按式(3)對構造的判斷矩陣做無量綱化處理，得到標準矩陣為Y=|yij|n×m。

(3)計算第j項指標熵值

(4)

式中，k>0；Ej≥0。如果yij對于給定的j全部相等，那么

(5)

此時Ej取極大值。即

(6)

根據式(6)，設k=1/lnm，于是就得到0≤Ej≤1。于是，定義冗余度系數為1-Ej，當1-Ej越大時，指標越重要。

(4)計算j項指標的信息權重

(7)

式中，Ej為i項指標的信息熵；1-Ej為冗余度；m為評價年數；l為具體指標個數。

2.3 水環境承載力評價模型

根據式(7)測算的權重與式(8)、式(9)的處理數據，運用式(10)[27]能夠獲取水環境子系統承載力。在此基礎上，采用“模加和”法可求水環境綜合承載力評價指數[28]。即

(8)

(9)

(10)

(11)

表2 水環境承載力判斷標準

2.4 數據來源

統計資料：根據《貴州統計年鑒》、《貴州省水資源公報》、《貴州省生態環境狀況公報》、貴州省宏觀經濟數據庫及地州市《統計年鑒》與《水資源公報》獲取基礎數據，進行整理與計算。矢量數據：研究區邊界矢量來源于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站(底圖無修改)，通過運用ArcGIS10.2軟件將地理單元的矢量數據與水環境承載力數據進行空間分析，生成水環境承載力空間分異圖。

3 結果與分析

以2008年～2017年研究區水環境指標變量處理數據為基礎(見表2)，運用改進的熵值法與水環境承載力評價模型，測算貴州高原社會經濟承載力、水資源承載力、水生態承載力與水環境承載力(見圖2～3)。

圖2 貴州高原水環境承載力子系統評價結果

圖3 貴州高原水環境承載力綜合評價結果

3.1 貴州高原水環境承載力時間維度演化分析

根據貴州高原水環境承載力測算結果(見圖2～3)，對研究區水環境承載力的時間維度演化狀況進行深入分析，結果發現：

(1)3大子系統承載力發展不均衡，綜合評價指數呈現波動上升趨勢。2008年～2017年社會經濟承載力、水資源承載力與水生態承載力指數年均增長率分別為21.26%、32.98%與10.49%。社會經濟承載力指數2008年～2014年波動上升，2015年～2017年呈現持續上升趨勢，研究期時段平均值為0.116，總體水平不高。這對水生態環境保育和修復產生一定的制約作用。水資源承載力指數2009年～2010年出現較大波動。特別是2009年達到最低值(0.06)，2011年～2017年呈現較快增長趨勢，研究期時段平均值為0.186，綜合水平顯著增強。這為社會經濟承載力提升與水資源供需矛盾緩解奠定了良好的自然資源基礎；但山地廣布、巖溶發育典型的地貌，高原面漏水性強、蓄水不易，成為制約水資源承載力增強的重要因素。水生態承載力指數除2014年出現波降外，整個時間序列均呈現快速上升趨勢，研究時段平均值為0.143，發展水平較高；但水環境污染依然較為嚴重，且保護措施與補償機制不完善，成為水環境質量改善的主要脅迫因素。

(2)高原水環境承載力表現為緩慢增長與較快增長兩個時段，總體發展水平較低。測算結果顯示(見圖3)，2008年～2017年貴州高原水環境承載力指數呈現波動上升趨勢，其變化范圍在0.03～0.29之間，2014年成為緩慢增長與較快增長兩個時期的分界線。2008年～2014年水環境承載力處于不可承載階段、呈現崩潰狀態，2015年～2017年處于弱可承載階段、呈現脆弱狀態。究其原因，其一，第三產業占GDP比例、人均水資源量、水功能區水質達標率等影響因子對于高原水環境承載力發展水平產生較大制約作用；其二，社會經濟子系統承載力滯后于水資源子系統與水生態子系統，研究區經濟實力不足對脆弱的巖溶區生態環境保育產生了較大影響。

(3)2009年～2010年高原水環境承載力發生波降，主要是局部干旱所致。2009年7月～2010年3月川黔滇及渝部分地區大旱導致貴州高原水資源供應嚴重短缺，引起水環境承載力速降。本次西南大旱是全球變暖背景下極端氣候事件增多的典型案例，主要源于青藏高原熱力強迫與厄爾尼諾現象影響，云貴川地區較長時間受副熱帶高壓控制，旱情持續時間較長與危害程度較大，加劇了水資源供供需矛盾。

3.2 貴州高原水環境承載力空間格局演化分析

根據式(10)、(11)測算出2008年、2011年、2015年與2017年貴州高原9個地級市(州)單元的水環境承載力E值，通過ArcGIS 10.2軟件將E值與地州市邊界矢量數據進行空間鏈接，分別生成2008年、2011年、2015年與2017年水環境承載力空間分布圖(見圖4～7)。

圖4 2008年貴州高原水環境承載力狀態空間分布

圖5 2011年貴州高原水環境承載力狀態空間分布

圖6 2014年貴州高原水環境承載力狀態空間分布

圖7 2017年貴州高原水環境承載力狀態空間分布

根據貴州高原地州市水環境承載力測算結果(圖4～7)，對水環境承載力的空間維度演化狀況進行深入分析，結果發現：

(1)貴州高原水環境承載力異質性突出，地域分異較明顯。其一，黔東、黔中地區水環境承載力發展水平略優于黔西地區，分異的主導因素是經濟基礎；其二，3個民族自治州水環境承載力發展水平不均衡，黔南州最差，黔西南州居中，黔東南州最優，分異的主導因素為水資源稟賦；其三，巖溶地貌面積比例較高的地州市水環境承載力較低，分異主導因素是巖溶作用。據統計貴陽市、畢節市、安順市、黔南州巖溶面積比例超過70%，而黔西南州與黔東南州比例較低，特別是黔東南州僅為23.20%[30]。

(2)貴州高原區域水環境承載力均呈現緩慢增長趨勢。水環境承載力指數從2008年發展水平最低的貴陽市(0.08)上升至2017年發展水平最高的黔東南州(0.28)，近10年大部分單元經歷了不可承載、弱可承載兩個階段，發展水平實現了由崩潰到脆弱狀態的轉變。當前，除黔西地區3市外，其他各地州市水環境承載力狀態均為脆弱。

(3)貴州高原水環境承載力整體呈現“崩潰狀態均衡、崩潰狀態主導、崩潰與脆弱狀態交錯和脆弱狀態主導”的格局演化特征。2008年9個地州市水環境承載力均顯示崩潰狀態，且指數偏低，整體呈現崩潰狀態均衡的發展格局；2011年8個地州市呈現崩潰狀態，僅黔東南州進入弱可承載階段，整體為崩潰主導的發展格局；2014年5個地州市表現崩潰狀態、4個地州市為脆弱狀態，整體呈現崩潰與脆弱交錯的發展格局；2017年6個地州市呈現脆弱狀態、3個地州市仍處于不可承載階段，整體呈現脆弱主導的發展格局，水環境承載力之間的差距漸趨縮小。

以上分析結果反映出貴州高原水環境承載力空間格局演化與經濟社會發展實力及水資源稟賦密切相關。經濟實力雄厚的區域生態文明建設實踐效益顯著，在綠色發展與低碳發展進程中，較好地促進了水環境與社會經濟的可持續發展。而水資源稟賦不足，工業污染較為嚴重的區域，亟待在發展中緩解、調控水生態環境與經濟建設的矛盾，從而實現巖溶區生態系統的良性循環。

4 結 語

本文通過構建貴州高原水環境承載力評價指標體系，運用計量模型測算了2008年～2017年水環境承載力指數，并對其演化趨勢及影響因素進行分析，得出以下結論：貴州高原水環境承載力指數呈現緩慢波動上升趨勢。水環境承載力經歷了不可承載到弱可承載2個階段，其中水環境承載力在不可承載階段持續時間較長，在弱可承載階段持續時間短、且增速較快。當前，水環境承載力整體發展水平處于脆弱狀態；貴州高原水環境承載力地域分異明顯，水環境承載力空間維度表現為“崩潰狀態均衡、崩潰狀態主導、崩潰與脆弱狀態交錯、脆弱狀態主導”的格局演化特征；社會經濟子系統承載力滯后于水資源子系統與水生態子系統，對貴州高原水環境承載力發展水平提升脅迫作用較突出。為此，提出貴州高原水環境承載力提升策略。即：加快生態省、生態市建設步伐，強化巖溶區水環境治理，解決“兩江”流域上游生產污染問題；大力發展生態經濟、旅游經濟與低碳經濟，創新節水科技，推進水源保護區生態文明建設；全面深入推行“河長制”，嚴格完善水環境保育措施。