長(zhǎng)江上游流域水資源承載力及其障礙因子研究

周建中，朱龍軍，呂 昊，曾小凡，賈本軍

(華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 研究背景

長(zhǎng)江上游流域水資源總量和地表水資源量占到了整個(gè)長(zhǎng)江流域的四成，影響著整個(gè)長(zhǎng)江流域的水資源變化，對(duì)全國(guó)的水資源發(fā)展戰(zhàn)略有著重要的影響。長(zhǎng)江上游水資源安全有著舉足輕重的地位，探明其發(fā)展?fàn)顩r則是保障水資源系統(tǒng)安全健康的重要前提。故通過(guò)引入水資源承載力概念來(lái)評(píng)價(jià)長(zhǎng)江上游流域的水資源整體發(fā)展?fàn)顩r，進(jìn)而評(píng)估長(zhǎng)江上游水資源的安全情勢(shì)，為流域的可持續(xù)發(fā)展提供有力保障[2]。

2 計(jì)算方法

水資源承載力是衡量水資源可持續(xù)利用的重要命題，具有極高模糊性，通常涉及到水資源的數(shù)量、質(zhì)量及開(kāi)發(fā)利用程度等多個(gè)因素的影響[3]。模糊分析法則能夠全面系統(tǒng)地覆蓋各個(gè)要素，且能夠?qū)⑾到y(tǒng)中單獨(dú)的各因子聯(lián)系起來(lái)[4]。具體評(píng)判方法如下：

取2組有限論域U={u1，u2，…，um}，V={v1，v2，…，vm}，U為綜合評(píng)價(jià)因素集，V為模糊評(píng)判集，將評(píng)價(jià)等級(jí)V1、V2的臨界值定為k1，V2和V3等級(jí)的臨界值定位k3，k2為V2區(qū)間的中點(diǎn)值。

當(dāng)k1>k2>k3則為

(1)

(2)

(3)

對(duì)于k1

Ri=(ri1，ri2，ri3，ri4…，rim)為對(duì)第i個(gè)因素ui的單因素評(píng)判結(jié)果。

以各評(píng)價(jià)因子對(duì)水資源承載力影響的程度，分別對(duì)賦予其權(quán)重，并令權(quán)重矩陣A=(a1，a2，…，am)。其中，ai分別對(duì)應(yīng)vi的權(quán)重系數(shù)，為得到各個(gè)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，并充分考慮個(gè)指標(biāo)權(quán)重，引入矩陣

B=A×R

(4)

式中，B為綜合評(píng)判結(jié)果，可以將評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)整體承載力的影響具體量化并最終得到綜合的評(píng)分值。

3 結(jié)果計(jì)算與分析

3.1 現(xiàn)狀年水資源承載力計(jì)算

長(zhǎng)江上游流域水資源系統(tǒng)復(fù)雜多變，本文為了探求長(zhǎng)江上游流域的水資源承載力選取了水資源承載力常用評(píng)價(jià)體系中的水資源利用率、人均生活用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量，萬(wàn)元GDP用水量、人口密度、農(nóng)業(yè)用水率、人均水資源量和生態(tài)用水率，并結(jié)合已有文獻(xiàn)資料與相關(guān)專家的建議進(jìn)行等級(jí)分級(jí)與確定權(quán)重(見(jiàn)表1)。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

依據(jù)選定的評(píng)價(jià)因子對(duì)長(zhǎng)江上游流域水資源承載力的影響強(qiáng)弱程度將其影響能力劃分為三等，為V1，V2，V3(見(jiàn)表2)。令V3=0.05表示其處于較差的狀況下，水資源承載力接近極限值；V1=0.95則表示其情況較好，具有進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的潛力；V2=0.5介于前面兩者間，說(shuō)明地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用具有相當(dāng)規(guī)模，但是依舊有開(kāi)發(fā)潛力。通過(guò)查閱相關(guān)研究報(bào)告[4-8]確定本文中權(quán)重值定為A=[0.08，0.17，0.17，0.17，0.13，0.13，0.08，0.08]。

表2 臨界值

計(jì)算2005年～2017年實(shí)測(cè)年長(zhǎng)江上游水資源承載力變化情況如表3所示。

表3 2005年～2017年水資源承載力綜合評(píng)分

由表3可見(jiàn)，水資源承載力在2010年之后惡化勢(shì)頭得到了極大改善，并逐步趨于平穩(wěn)發(fā)展。

3.2 預(yù)測(cè)年水資源承載力計(jì)算

為了探求未來(lái)長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)江上游水資源承載力整體發(fā)展趨勢(shì)，利用現(xiàn)有能夠收集到的數(shù)據(jù)在matlab中利用NAR動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)。NAR神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種用來(lái)模擬時(shí)間序列的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)典型的NAR神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要由輸入層、隱含層和輸出層及輸入和輸出的延時(shí)構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)的輸出取決于當(dāng)前的輸入和過(guò)去的輸出，NAR模型方程為

y(t)=f(y(t-1)，…y(t-d))

(5)

式中，y(t)為神經(jīng)網(wǎng)輸出；d為延時(shí)階數(shù)；f為用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的非線性函數(shù)[9]，在以目前發(fā)展現(xiàn)狀為基礎(chǔ)的理想發(fā)展情況下進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以得到預(yù)測(cè)年份的結(jié)果(見(jiàn)表4)。

表4 預(yù)測(cè)年份水資源承載力計(jì)算結(jié)果

由表3與表4可以看出：長(zhǎng)江上游流域在2010年之前水資源承載力處于逐年下降的趨勢(shì)，在2010年開(kāi)始有所改善。2010年國(guó)務(wù)院下發(fā)了《關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》(中發(fā)(2011)1號(hào))以及《關(guān)于實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度的意見(jiàn)》(國(guó)發(fā)(2012)3號(hào))兩大重要水資源管理工作綱領(lǐng)性文件，這可能是水資源承載力在2010年發(fā)生快速改變的重要原因。通過(guò)水資源承載力的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)結(jié)果可以推斷如果繼續(xù)保持對(duì)水資源的重視，長(zhǎng)江上游的承載力在臨近2030年達(dá)到全民小康的社會(huì)進(jìn)程中水資源承載力也會(huì)逐漸發(fā)展到平穩(wěn)階段。

3.3 障礙度計(jì)算

為了探討長(zhǎng)江上游流域水資源承載力發(fā)展變化過(guò)程中，各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)流域水資源承載力的阻礙程度，引入了障礙度的相關(guān)概念來(lái)進(jìn)行分析探討[10]。障礙度表示單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)水資源承載力的影響值，該指標(biāo)是水資源承載能力診斷的目的和結(jié)果，障礙度計(jì)算公式如下，即

(6)

x′ij=(xij+xmin)/(xmin+xmax)

(7)

為了對(duì)長(zhǎng)江上游地區(qū)的水資源承載力的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行干預(yù)，使其在未來(lái)時(shí)間中處于更好的水平，本文對(duì)水資源承載力的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行障礙度分析，分析得到的結(jié)果如圖1所示。

圖1 2005年～2035年各指標(biāo)障礙度

由圖1可以看出，障礙度較高指標(biāo)(指標(biāo)2、3、4、5、6)在實(shí)測(cè)年份中萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量障礙度多年增量最大，由2005年0.117 0增長(zhǎng)至2017年0.193 2；人均生活用水量對(duì)水資源承載力的阻礙作用顯著減少，由2005年0.203 3減少至2017年0.146 2。

從長(zhǎng)時(shí)間序列計(jì)算結(jié)果可以看出，人均生活用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量、萬(wàn)元GDP用水量、人口密度和農(nóng)業(yè)用水率對(duì)研究區(qū)域的水資源承載力阻礙程度一直處于相對(duì)較高水平。對(duì)于人均水資源量和農(nóng)業(yè)用水率兩者在進(jìn)入21世紀(jì)后隨著人們的節(jié)水意識(shí)增強(qiáng)和節(jié)水措施技術(shù)提升，這兩因素對(duì)水資源承載力的制約作用逐年減少。由于長(zhǎng)江上游經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，特別是工業(yè)的發(fā)展，萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量與萬(wàn)元GDP用水量對(duì)于水資源承載力的阻礙作用經(jīng)歷了先降后升的變化；而人口密度和人均水資源量在近20年時(shí)間里對(duì)于水資源承載力的阻礙作用一直處于較為穩(wěn)定的相對(duì)低影響狀態(tài)。

4 結(jié) 論

(1)在實(shí)測(cè)年份中，長(zhǎng)江上游水資源承載力急劇惡化勢(shì)頭在2010年得到了有效遏止并逐漸向好，綜合評(píng)分值由2005年0.448 8降至2010年0.326 2的歷史最低值，于2017年增長(zhǎng)至0.352 1。

(2)在預(yù)測(cè)年份中，長(zhǎng)江上游的水資源承載力發(fā)展處于平穩(wěn)發(fā)展的趨勢(shì)，通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，最終的評(píng)分值在0.465 0附近達(dá)到發(fā)展極限。經(jīng)過(guò)20 余年的發(fā)展恢復(fù)，長(zhǎng)江上游水資源承載力達(dá)到甚至略微超過(guò)了2005年的初值。

(3)在2010年之前，對(duì)長(zhǎng)江上游流域水資源承載力阻礙程度最大的指標(biāo)是人均生活用水量，2017年其障礙度相較于2005年下降接近50%。2010年后萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量和萬(wàn)元GDP用水量對(duì)水資源承載力的抑制作用逐漸增強(qiáng)，成為阻礙程度最大的兩種因素，并分別在2017年與2019達(dá)到峰值0.193 2和0.194 6；雖然在后續(xù)年份有所下降，但下降幅度較小仍然處于相對(duì)高位。