基于物元分析模型的巖溶地區縣域“二元”水生態承載力演變過程研究

左太安，張鳳太，于世杰，楊 慶

(1.重慶第二師范學院旅游與服務管理學院，重慶 400065；2.重慶理工大學管理學院，重慶 400054)

隨著水資源、水環境和水生態等系列問題的日益復雜化及其綜合管理的需要[1]，要求學者從更高的角度去審視水生態系統相對于人類社會經濟的承載力問題，實現水資源、水環境和水生態的保護和恢復以及區域社會可持續的發展[2-3]。水生態承載力最早是由國內學者李靖等[4]提出，以水生態系統與經濟社會協調發展為主要內涵，涵蓋水量、水質、水生態綜合要素的承載力理念[5]，實質為同時滿足水資源承載力和水環境承載力的復合承載力[6]。自2009年以來，水生態承載力研究在概念、指標體系、測度模型等方面均取得了長足進展。不同領域的專家學者運用生態足跡[7-8]、系統動力學[9]、物元分析[10]、模糊綜合評價[11]、多目標優化[12]等方法對水生態承載力進行了深入的研究。研究方法的不斷完善和進步推動著水生態承載力的研究，由最初基于不同需求的水資源或水環境因素的承載力研究到現今的“自然-經濟-社會”復合生態系統，由靜態定量研究到現今的多時空多尺度的動態模擬預測研究，更加注重生態系統的整體性、持續性和協調性，已成為評價區域可持續發展能力的重要依據。

目前的水生態承載力研究大多集中在較發達的城市和西部干旱地區，針對西南巖溶貧困縣的水生態承載力研究還比較少[13]。西南巖溶區雖然在傳統意義上屬于水資源豐富區，但在“二元三維”結構的影響下，地表水與地下水相連通，降水滲漏嚴重造成地表徑流系數低，且地表水資源量波動性較大，而地下徑流發育，地下水資源豐富但開發難度較大，直接限制了工農業、生活用水的供給量，降低巖溶地區水生態承載能力[7,14]。王先慶等[15]基于生態足跡理論，構建了巖溶地區水資源生態承載力評價指標體系，指出六盤水現有的用水比例不利于生態環境的改善，需要進一步提高用水效率；呂添貴等[16]模擬了貴陽市的水資源承載力動態變化過程，指出貴陽市水資源承載盈余狀態與現實水資源缺水情況相背離，主要受喀斯特地區的自然生態機制和人文社會機制的共同影響；左太安等[6]采用物元分析模型，構建了省域尺度的“二元”水生態承載力評價指標體系，指出單位面積地表水資源量、生態用水率、河流水質達標率等指標成為制約貴州省“二元”水生態承載力等級提升的因子。

綜上所述，在巖溶地區“二元三維”結構的影響下，巖溶地區的水生態系統非常復雜，水生態承載力涉及的影響因素具有不確定性，評價指標與承載力等級之間存在復雜的非線性關系[17]，至今未能形成統一的通用性強的評價指標體系。從評價方法來看，主要是將分散的評價指標通過模型集合，計算綜合承載力分值來評估該地區的承載力水平，缺點是容易遺漏單個指標的承載力影響[18-19]。從研究尺度來看，主要是省或地區(市)為研究單位，以縣(區)為研究單位的成果非常少。為此，本研究結合前期的研究成果，基于物元分析模型，構建縣域尺度的“二元”水生態承載力評價指標體系，對“二元”水生態承載力的動態演變過程進行研究，為中國巖溶地區的水資源安全、生態安全以及環境建設提供有益的參考。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

威寧縣位于貴州省西部的烏蒙山區，其西、南、北三面與云南省交界，地處東經103°36′～104°05′，北緯26°30′～27°25′，總面積6 298.73 km2；地勢從東南向西北緩平抬升，有較完整的高原平地，平均海拔2 200 m，是貴州省面積最大、海拔最高的縣；地形地貌復雜，生態環境脆弱，巖溶面積4 401 km2，占全縣國土面積的69%，是全國巖溶地區石漠化綜合治理的首批試點縣；屬亞熱帶季風濕潤氣候，有低緯度西部高原季風氣候特征，雨量較充沛且雨熱同季，多年平均氣溫10.9℃，多年平均降水量903.6 mm，多集中于5—8月份，平均產流系數為0.46，人均水資源量為1 902.93 m3/人；為烏江、橫江的發源地，牛欄江的西源和東源，珠江的北源，是長江和珠江的重要分水嶺和生態屏障；縣城西北的貴州草海國家級自然保護區總面積120.00 km2，正常蓄水面積為22.39 km2，是貴州省最大的高原天然淡水湖泊。此外，威寧縣是典型的少數民族聚居區，有19個少數民族居住于此，少數民族人口占總人口的23.11%，同時也是國家扶貧開發工作重點縣和貴州省深度貧困縣。

1.2 物元分析模型

物元分析模型由國內學者蔡文教授創立，主要以形式化的模型研究事物拓展的可拓性和開拓規律，解決不相容的復雜問題，能較全面地反映事物質量的綜合水平。物元分析模型考慮了事物質量的不確定性及模糊性，能夠定性和定量分析現實世界中水資源與水環境的矛盾問題，已在水資源承載力和水環境承載力評價中得到廣泛的應用。“二元”水生態承載力的影響因素較多，其評價過程是一個復雜、多層次、信息不完善、指標不相容的綜合評價過程[20]，具有一定的模糊性，可基于物元分析模型建立水生態承載力的多指標參數的等級評價體系。基本思路是：首先，選取“二元”水生態承載力相關的評價指標及其特征值作為待評價物元；第二，根據評價標準確定評價指標的經典域和節域，經典域和節域決定了評價結果的科學性；第三，根據各指標的權重及物元分析方法，計算關聯函數和關聯度，物元模型的關聯度將邏輯值從模糊數學的[0,l]閉區間拓展到(∞,+∞)實數軸后，比模糊數學的隸屬度所代表的內涵更為豐富，能揭示更多的分異信息[21]；最后，通過模型集成綜合關聯度，并確定承載力等級。由于篇幅原因，具體研究方法不再贅述，可參考文獻[6]。

2 巖溶地區縣域“二元”水生態承載力評價指標體系構建

2.1 評價指標及權重

水生態承載力具有復合性和動態性的屬性。復合型表現為評價內容不僅包含水生態系統本身的承載力狀況，也包括經濟、社會系統承載力狀況；動態性表現為水生態系統與社會經濟系統之間的動態平衡。因此，本研究基于水生態承載力的內涵，并借鑒國內的相關研究成果[22-24]，對前期研究成果“巖溶地區‘二元’水生態承載力評價指標體系”進行優化，主要表現在：①研究尺度的變化，由原來的省域尺度改變為縣域尺度，評價指標由17個增加為20個；②考慮到巖溶地區“二元三維”結構的影響下，地表水與地下水相連通，地表水資源量波動性較大的特征，增加了“水庫蓄水動態變化量”的指標；③考慮到威寧草海地處威寧縣城周邊，且是貴州省最大的高原天然淡水湖泊，增加“湖泊水質等級(草海)”的指標；④為凸顯水生態系統與社會經濟系統的關系，增加了“人均綜合用水量”和“供水普及率”指標；⑤參照《生態縣、生態市、生態省建設指標(試行)》規范指標的選取，并考慮到數據的可獲取性，將原“河流水質達標率”指標替換為“全年III類水質以上河長占比”指標，將原“工業廢水排放達標率”替換為“工業用水重復利用率”和“城鎮污水處理率指標”，并刪除了“工業固體廢物綜合利用率”指標，具體評價指標見表1。此外，以2006—2017年的具體特征值為依據，將初始數據進行標準化處理，然后采用客觀的熵權法確定權重，減少了人為主觀性對評價結果的干擾，鑒于篇幅有限，具體計算方法不再贅述。

表1 巖溶地區縣域“二元”水生態承載力評價指標體系及其權重

2.2 經典域、節域的確定

經典域與節域的確定直接影響到評價結果的科學性，是物元分析模型進行事物等級評價的關鍵環節。本研究以國家環保總局制定的《生態縣、生態市、生態省建設指標(試行)》為主要依據，參考西南地區各省份各個指標的平均水平，利用專家評價法、調查測量法確定巖溶地區縣域“二元”水生態承載力評價等級、經典域和節域(R01、R02、R03、R04、Rp)。主要將“二元”水生態承載力劃分為4個評價等級，即良好承載(Ⅰ級)、可承載(Ⅱ級)、弱可承載(Ⅲ級)和不可承載(Ⅳ級)。

3 威寧縣“二元”水生態承載力動態變化過程分析

3.1 威寧縣“二元”水生態承載力待評價物元

巖溶地區縣域“二元”水生態承載力的評價指標體系包含水生態系統、經濟系統和社會系統指標。指標特征值主要來源于2006—2017年《威寧彝族回族苗族自治縣統計年鑒》、2006—2017年《畢節市統計年鑒》、2006—2017年《畢節市水資源公報》和2006—2017年《畢節市生態環境狀況公報》。依據指標特征值，確定2006—2017年威寧縣“二元”水生態承載力待評價物元矩陣，見表2。

表2 2006—2017年威寧縣“二元”水生態承載力待評價物元矩陣

3.2 承載力評價與結果分析

3.2.1確定各評價指標的關聯度

根據物元分析模型的關聯度公式及待評價物元特征值，計算得出威寧縣“二元”水生態承載力各評價指標的關聯度，具體見表3。這里以徑流系數指標為例，2006年威寧縣的地表徑流系數為0.33，計算各相應評價等級的關聯度分別為：k(v1)1=-0.4475、k(v1)2=0.1050、k(v1)3=-0.0868、k(v1)4=-0.2840，k(v1)2>0>k(v1)3>k(v1)4>k(v1)1，可以判定該評價指標屬于“可承載”等級。同理，可以計算并確定其他指標的關聯度和相應等級。

表3 威寧縣“二元”水生態承載力評價指標關聯度

續表3 威寧縣“二元”水生態承載力評價指標關聯度

3.2.2計算綜合關聯度并確定等級

根據物元分析模型的綜合關聯度公式、各指標對應的權重以及各指標對應的關聯度，計算得出該年份“二元”水生態承載力各相應等級的綜合關聯度。以2006年威寧縣“二元”水生態承載力綜合關聯度為例，計算得出K1(p2006)=-0.2007、K2(p2006)=-0.1027、K3(p2006)=-0.0373、K4(p2006)=-0.3652，即0>K3(p2006)>K2(p2006)>K1(p2006)>K4(p2006)，由此可以判定2006年威寧縣“二元”水生態承載力屬于“弱承載”等級，但不完全符合“弱承載”的標準，而是相對于其他評價等級更傾向于“弱承載”等級。同理，確定出2007—2017年威寧縣“二元”水生態承載力等級，見表4。

表4 威寧縣“二元”水生態承載力等級

3.2.3結果分析

根據威寧縣“二元”水生態承載力的綜合關聯度數量值和評定的承載力等級，可以看出以下情況。

a)2006—2017年威寧縣“二元”水生態承載力水平不斷提升。除2006、2011年評定為“弱承載”水平外，2007—2010年、2012—2013年、2017年，評定為“可承載”水平，2014—2016年，更是評定為“良好承載”水平。對照評價物元指標的數值(表2)及物元模型關聯度(表3)，經濟系統和社會系統的部分指標對威寧縣水生態承載力的提升具有重要的貢獻。如萬元GDP用水量(c10指標)由2006年的430.97 m3/萬元降低為2017年的53.32 m3/萬元，承載力等級由Ⅲ級/弱承載升級為Ⅰ級/良好承載；城鎮污水處理率(c20指標)由2007年的45.63%提升為2017年的94.27%，承載力等級由Ⅳ級/不可承載升級為Ⅰ級/良好承載。說明隨著社會經濟的發展，科學技術的進步以及人們對水生態環境的重視是巖溶地區“二元”水生態承載力不斷提升的重要原因。

b)2006—2017年威寧縣“二元”水生態承載力主要集中在“可承載”等級，有7個年份，承載力等級并不高。究其原因：威寧縣境內巖溶地貌廣布，受地表與地下巖溶“二元”結構的影響，降雨漏失嚴重，地表徑流系數低，地下水資源豐富，但賦存規律復雜，利用難度大，致使水資源承載力較低；其次，受巖溶“二元”結構的影響，地表水與地下水形成聯動污染，降低了地表與地下水資源的納污能力，造成水環境生態承載力較低。

c)2006、2011年威寧縣“二元”水承載力為評價為“弱承載”。究其原因：2006、2011年為枯水年，降雨量較少，2011年西南地區還出現了百年一遇的大旱；此外，巖溶地區地表水具有支流少、切割深、坡降大等典型特征，在枯水年巖溶地區容易發生旱災，而在豐水年，由于地表水與地下水相通，地下水大量涌向地表，容易形成洪災，造成水資源承載力波動較大。由此說明“二元”水生態承載力等級不穩定，容易受到極端氣候變化的制約，仍需要進一步鞏固已取得的成果。

d)2014—2016年，威寧縣“二元”水生態承載力為“良好承載”等級，表明威寧縣“二元”水生態承載已呈現較好的水平，但值得注意的是0>K2(p2014)>K2(p2015)>K2(p2016)>-1，不完全符合“良好承載”的標準，是具備轉化為“良好承載”的條件。以c2(水庫蓄水動態變化量)指標為例，對照評價物元指標的數值(表2)及物元模型關聯度(表3)，威寧縣水庫蓄水動態變化量常年波動較大，2014年水庫蓄水增加952.00萬m3(Ⅲ級/弱承載)，2016年則迅速減少400.00萬m3(Ⅱ級/可承載)，水庫蓄水量的急劇波動不利于水資源的管理。同理，湖泊水質等級、工業用水重復利用率、人均水資源量、人均綜合用水量、供水普及率等指標是制約威寧縣“二元”水生態承載力轉化為“良好承載”最主要的因素，也是威寧縣今后需要關注的問題。

4 結語

為促進巖溶地區生態環境保護和經濟社會發展相協調，亟需以水生態承載力為抓手，系統評估巖溶地區水生態環境狀況與短板，演繹貧困地區水生態系統的支撐能力的演變過程，為巖溶地區的生態文明建設以及精準扶貧提供科學依據。從前人的研究成果來看，研究尺度主要是以省或地區(市)為研究單位，以縣(區)為研究單位的成果非常少。為此，本研究基于物元分析模型，構建了縣域尺度的“二元”水生態承載力評價指標體系，對巖溶地區的縣域“二元”水生態承載力量化評價做出初步探索，為巖溶地區的水資源安全、生態安全以及環境建設提供有益的參考。

本文是基于前期的研究成果完成的，除了研究尺度的改變外，還對“二元”水生態承載力評價體系進行了完善與優化，強調了水生態系統與經濟社會協調發展的主要內涵，凸顯巖溶地區“二元三維”結構特征，并模擬了長時間序列的威寧縣“二元”水生態承載力動態演變過程。此外，采用了更加客觀的熵權法確定評價指標的權重，減少了人為主觀性對評價結果的干擾。

基于物元分析模型開展縣域“二元”水生態承載力研究，可定量掌握長時間序列的縣域水生態承載力動態演變狀況，且評價結果與現實水生態承載力狀況基本吻合。此外，物元分析模型簡單易行，可操作性強，其關聯度分析可對每個評價指標進行定量分析，揭示了更多的分異信息，該研究方法可為西南地區同類型區縣提供參考。應注意的是，由于水生態承載力研究尚處于探索階段，還未形成統一科學的評價指標體系，如何科學地界定經典域、節域、評價等級以及如何量化各指標對最終結果作用方式和程度，仍是今后尚需進一步探索和完善的問題。