云南石漠化區水資源承載力評價

李季孝，符裕紅，張代杰，丁劍宏

（1.云南省水利水電科學研究院，昆明 650228；2.貴州師范學院，貴陽 550018； 3.貴州省貴陽市花溪區水利局，貴陽 550025）

0 引言

水資源是萬物賴以生存的基礎，不僅是工農業生產，也是人類生活及生態環境所必需的資源[1]；水資源承載力則是反映水資源與社會經濟、生態環境之間是否協調的重要指標[2]。在喀斯特地區，流域可溶性的雙重含水介質，以及地表地下二元流場所組成的獨特水文地質結構及其產生的功能效應，使得其水系發育，水文動態上存在與非喀斯特流域的巨大差異[3-4]，通常表現為地表水滲漏嚴重、干旱缺水、水土流失、持水保水能力差等生態特征[4-5]，水資源問題已成為制約喀斯特地區社會經濟可持續發展的重要因素之一。

【研究進展】國外的水資源承載力研究主要集中于從城市供水和農業生產方面[6-7]，國內的水資源承載力研究大多集中于非喀斯特區，并主要基于大尺度的區域或流域開展[1,8-9]。目前，針對喀斯特地區的水資源承載力，王在高等[10]研究了巖溶區水資源承載力的評價指標體系構建，賀中華等[11]、鹿坤[12]、袁子勇等[13]分別運用不同方法對喀斯特水資源承載能力進行了評價分析，指出喀斯特區河流內部存在流域不閉合現象，水資源分布不均、利用難度大，局部地區資源相對短缺的現象[11-13]；賀中華[14]、周亮廣等[15]以貴州省貴陽市為例，對喀斯特水資源承載力進行了評價研究，指出水資源的短缺，限制了區域的發展[14-15]。【切入點】針對喀斯特地區水資源承載力的研究，解決人口、資源、經濟、社會之間的關系勢在必行；與此同時，喀斯特水資源承載力大多圍繞貴州省開展，而云南省喀斯特區域總面積達11.09萬km2[16]，占全省面積的28.14%，占比近1/3，喀斯特面積為全國巖溶面積的第二位[17]，也是中國石漠化治理的重點省份之一[18]，在該方面卻未有報道。【擬解決的關鍵問題】黨的十七大報告提出了“建設生態文明”，十八大以來，以習近平同志為核心的黨中央創立了習近平生態文明思想[19]，并形成建設中國特色社會主義“五位一體”的總體布局。如今，隨著人口增加、社會經濟飛速發展，導致人類對水資源的需求量持續加大，隨之而來的水資源短缺、水生態破壞、水質惡化等一系列問題[1]亟待解決；特別是喀斯特地區，人口、資源、經濟、社會之間的協調重要而緊迫，全面正確的進行石漠化地區的水資源承載力評價，是石漠化地區發展的必然和關鍵。【研究意義】因此，開展云南石漠化區水資源承載力評價，是對“生態文明思想”的深入貫徹，也是研究區域人口、資源、社會、經濟之間關系的重要途徑，從而為云南石漠化區水資源的科學規劃、合理利用、有效開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區選擇

云南省位于北緯21°8′—29°15′，東經97°31′—106°11′之間，地勢呈西北高、東南低，自北向南呈階梯狀逐級下降，屬山地高原地形，山地面積占全省總面積的88.64%。云南省喀斯特區主要分布在元江以北的滇東片區、滇西北、滇西保山至滄源片區，涉及11個州市的65個縣（區或市），其中以昆明、昭通、曲靖、文山、玉溪、紅河、麗江、迪慶、臨滄、保山、大理等巖溶區分布面積最大[20]。

參照云南省石漠化程度面積分布情況[20]，以各區域強度、極強度石漠化分布面積及石漠化總面積為依據，對11個州市進行面積大小排序，選取排名靠前且與其他區域面積差異較大的前6個區域作為典型代表區域進行評價。分別為：文山（83.18 萬hm2）、曲靖（44.45 萬hm2）、昭通（33.82 萬hm2）、紅河（32.68萬hm2）、麗江（30.52 萬hm2）、迪慶（21.31 萬hm2）。

1.2 評價方法

通過建立研究區域的水資源承載力評價指標體系，采用模糊層次分析法（FAHP）與模糊綜合評判法進行綜合評價[21-22]，避免了選擇指數的盲目性及創建模型的復雜性，分別從定性和定量的角度全面地對研究區域對象進行科學合理的評價。

1.2.1 評價指標體系構建

評價指標的選擇需要與水資源利用息息相關；隨著社會的進步、經濟的發展、人口的膨脹，人口、環境、資源間的矛盾日益突出；參考前人的研究成果[10-11,16,22-23]，在指標評價體系建立及指標選擇過程中，主要遵循科學性、完整性、區域性及可操作性原則。

1）科學性原則。以科學理論為指導，定性與定量相結合來正確反映水資源系統及其要素間的數量特征關系。

2）完整性原則。充分考慮區域的社會、經濟、環境對于水資源的利用存在直接影響；完善評價體系及指標選擇。

3）區域性原則。評價體系及指標除能反映區域化水資源承載力的共性，同時兼顧巖溶區的特殊性。

4）可操作性原則。指標選擇除滿足上述原則外，需要具有可操作性，能夠滿足定量化評價。

針對云南省石漠化區的特點，石漠化強、水土流失嚴重，土地石漠化嚴重制約著區域社會經濟的可持續發展，經濟社會發展不平衡，大多數區域以農業發展為主、兼有工業發展，部分區域以旅游業為重，少部分邊境區域以進出口貿易相對發達。云南省水資源豐沛，但時空分布不均；目前，云南省水資源利用效率總體處于較低水平，區域水資源開發利用差異大[24]。基于此，制定云南省石漠化區水資源評價體系，以A作為評價體系的目標層，確定與社會、經濟、環境及水資源等的子系統作為準則層B，各子系統下的選擇代表性的指標作為指標層C。

社會發展的準則層B1包括人口自然增長率、總人口、人口密度3個指標；主要用來反映各地區人口現狀及增長對水資源的影響。經濟發展的準則層B2包括人均生產總值、進出口總值、工業總產值、農業總產值4個指標；主要用來反映各地區經濟發展動力及其地區經濟結構優化程度。對于水環境保護準則層B3包括石漠化面積、水土流失面積、濕地面積、造林面積、水利設施面積、森林覆蓋率、城市污水處理率、工業廢水處理量8個指標；主要用來反映生態環境的石漠化程度、水土流失治理情況、綠化程度、水利設施情況、廢水處理重視程度、污水處理能力。水資源準則層B4包括降水量、供水總量、地表水資源量、地下水資源量、用水總量、農業用水、工業用水、生活用水、生態用水、灌溉率10個指標；主要用來反映各地區的水資源保障、供給和利用基本情況（見圖1）。

圖1 云南石漠化區水資源承載力評價體系Fig.1 The water resources target appraisal system of rock desertification areas in Yunnan provinc

1.2.2 數據來源

為了能更好地體現目前區域水資源承載力的實際狀況，評價期選擇為2018年。所用的指標數據分別來源于《2018年中國統計年鑒》、《2018年中國水資源公報》、《2018年云南省統計年鑒》、《2018年水資源公報》[23,25-27]。

1.2.3 指標權重計算

根據重要性二元對比原理，在評價體系中，將準則層B 作為一級指標層，指標層C 作為二級指標層進行對比判別，形成二元對比矩陣，計算指標層指標的權重值[21-22,28-29]，具體如下：

若指標層Bk/Ck與Bl/Cl進行二元對比，規定其排序標度ekl、elk在（0，0.5，1）中取值。

若Bk/Ck比Bl/Cl重要，則ekl=1，elk=0

若Bk/Ck與Bl/Cl同樣重要，則ekl=elk=0.5

針對上述一、二級指標層的各具體指標，其決策集的重要性二元對比計算矩陣E為：

權重計算：W＝（w1,w2,…,wm）；0≤wi≤1，滿足

1.2.4 評價模型矩陣

設定2個有限論域：

綜合評判因素集合D={d1,d2,…,dm}；評語組成集合V={V1,V2,…,Vm}。評判矩陣R[9,28]：

模糊變換：評判結果F＝W·R；F則為V上的模糊子集。

式中：fi為等級Vj對綜合評定所得模糊子集F的隸屬度，表示綜合評判結果；rij為因素di的評價對等級Vj的隸屬度，矩陣R中第i行Ri=（ri1,ri2,…,rin），即為對第i個因素di的單因素評判結果。

1.2.5 等級劃分及評判矩陣計算

對V1～V3等級用1 分制進行數量化：s1=0.05，s2=0.5，s3=0.95；數值越高，表示水資源承載能力越強[10]；綜合評分S計算式為：

對于評價因素d1，d2，…，dn，在V1～V3等級的隸屬函數的計算[9]；對于評價因素ui，若等級值的V越小，量化分數越高，直接用下式計算即可，若等級值的V越大，量化分數越高，則需將后計算式中右端ui區間的“≥”改為“≤”，將“＜”改為“＞”再進行計算：

2 結果與分析

2.1 水資源承載力指標權重值

根據重要性二元對比原理及模糊層次分析法（FAHP），建立并檢驗重要性的二元對比矩陣，計算各準則層、指標層相應矩陣的相對隸屬度向量，從而得出各評價指標的權重W：

2.2 水資源承載力評價指標分級與評判矩陣計算

為量化各地區的指標等級，以V=｛V1,V2,V3｝的評語集進行界定；其中，V1表示水資源狀況較差，水資源承載力已接近飽和值，開發利用潛力小，容易引發水資源短缺問題，并會制約區域社會經濟發展；V2介于V1和V3之間，表示水資源的開發利用達到一定程度，但仍有開發利用潛力；V3表示水資源狀況較好，水資源承載能力較大，水資源的供給能保障區域的發展，開發利用潛力大。令各評價因素的V1和V2等級的臨界值為k1；V2等級區間中點值為k2，且k2=(k1+k3)/2；V2和V3的臨界值為k3。指標數值的臨界值根據指標層C的具體指標數據來源中的全國最高值、最低值、平均水平值其進行參考界定k1、k2、k3的具體數值，并按照評語集V的界定判斷是“＞”或是“＜”，從而列出綜合評價指標分級值。針對指標層C，令各地區的指標數值集u=｛u1,u2,…u25｝，結合各地區評價指標的綜合評價指標分級值見表1。

根據指標等級1 分制的數量化值，結合評價矩陣，得到評判矩陣R中的rij值，表示某因素ui對應等級Vj的隸屬函數。評判矩陣計算結果如下：

表1 云南石漠化區綜合評價指標分級值Table1 The target graduation value of the synthetic evaluation of rock desertification areas in Yunnan Province

2.3 水資源承載力等級評價結果

根據W和R的矩陣數據，計算得到云南石漠化各分區水資源承載力的最終的評判結果矩陣及其綜合評價得分S，結果見表2。

表2 云南石漠化區水資源承載力評價結果Table2 Results on evaluation of water resources capacity of rock desertification areas in Yunnan Province

由表2可看出，從云南省各石漠化分區水資源承載力評價結果bj對評語集V的隸屬度情況來看，所有地區對V2的隸屬度相對V1與V3高，說明各區域相對于V2等級的可能性更大。其中，昭通對V1的隸屬度最高，為0.334，說明昭通地區水資源承載能力較低，水資源相對其他區域最差；V2等級除迪慶外，其他區域均在0.5 以上，說明云南省石漠化區對水資源存在一定程度的開發和利用，具有開發利用的潛力；對于V3的隸屬度麗江為0.249，為各區最大值，說明麗江水資源狀況較為良好，相對其他區域具有較大的承載能力和開發利用潛力。

從綜合評分值S可知，文山、曲靖、昭通、紅河、麗江、迪慶6個典型區域的水資源承載能力綜合評分值依次分別為0.424、0.421、0.386、0.447、0.501、0.494，其中以麗江地區的0.501 最高，昭通地區的0.386 最小；將所有地區的綜合評分S值與V2等級的1 分制量化評分S2=0.5 進行單樣本T檢驗，結果表明地區綜合評分值與V2等級的評分值存在顯著差異（p＜0.05）。說明盡管評價區域從隸屬度上屬于V2等級的數值最高，但各地區間的綜合評分差異顯著；總體來說云南省石漠化區水資源開發利用達到一定的程度，但也有開發利用的潛力，而各個地區不同的評分值也客觀地體現了開發利用程度的差異，其中開發利用潛力表現最高的為麗江地區，表現最低的是昭通；該結論與從等級量化的隸屬度分析結果表現一致。

3 討論

研究利用模糊綜合層次分析法及模糊綜合評判的方法開展綜合評價，在眾多水資源承載能力評價方法[30]中屬于常用方法，對指標權重的確定客觀合理，能夠將所有指標進行全方位分析，克服了指標的孤立性和局限性正確、評價結果客觀科學有效。

在評價的6個區域中，文山州石漠化面積最廣、石漠化程度最高，工農業的發展在6個區域中不占優勢；曲靖是滇中城市經濟圈的核心區域，工農業發展均較其他區域發達，在環境保護方面，對城市的污水處理率較高；昭通是云南連接長江經濟帶和成渝經濟區的重要通道，人口眾多，人口自然增長率高于全省平均水平，工農業發展僅次于曲靖和紅河；紅河與越南接壤，水資源豐富，進出口總值在6個區域中占絕對優勢；麗江是國際知名旅游城市，石漠化面積及程度較低，主要以旅游業為主，對環境的保護及污水處理率較高；迪慶少數民族眾多，石漠化面積及程度在6個區域中最低，人口自然增長率較低，工農業在6個區域中處于劣勢。在所研究的6個典型區域中，水資源承載能力最高的地區為麗江，并不是石漠化面積及水土流失面積最小的迪慶地區；水資源承載能力表現最低的為昭通，而不是擁有石漠化面積和水土流失面積最大的文山地區；對于降水及水資源比較豐富的紅河地區來說卻沒有體現出水資源承載力的優勢。說明工農業的發展影響了水資源的利用，石漠化面積、水土流失面積、降水量及供水總量在一定程度上影響了石漠化區的水資源承載力，但他們卻不是影響水資源承載力的主要因素，喀斯特石漠化區的蓄水保水更加關鍵；通過統計年鑒和公報中的數據[23,25-27]對比，影響最重要的因素是人口自然增長率、城市污水處理率、森林覆蓋率，這與周亮廣等[15]在貴州省喀斯特地區的水資源承載力評價研究中所提到的影響因素相關關系有類似之處。

針對水資源的評價，大多研究都是以流域為單元或具體的省市為對象開展評價[9,21-22,28]，但針對生態恢復的重點區域而言，水資源的合理利用顯得更加重要和實際；如何合理有效地開發利用喀斯特地區的水資源是生態文明建設研究的重點和難點。喀斯特地區的水資源承載力的表現及影響因素的討論，另外一個角度也充分證明了生態文明建設的必要性和緊迫性，無論是喀斯特地區或非喀斯特地區，社會、經濟、政治、生態、文化都需要協同發展才能有效緩解人口、資源、環境間的關系，最終實現可持續發展的目標。

4 結論

云南石漠化區水資源承載能力區域間差異較大，綜合評分值在麗江地區呈現出最大值0.493，昭通地區呈現出最小值0.385；表明云南省石漠化區水資源開發和利用達到一定程度，但也存在開發利用潛力；經濟社會的進步離不開工農業的發展，更離不開良好的生態環境條件；各區域應結合當地的自然、社會、經濟等條件制定科學的規劃，不斷推進水資源的合理開發利用。

建議持續加強喀斯特石漠化生態恢復的力度、提高森林覆蓋率，充分發揮森林的水源涵養功能；加強蓄水保水工程建設，加大節水力度、提高城市污水處理率，建立科學高效的水資源配置方案，形成多渠道配合供水模式，全力確保水資源的合理開發利用。