黃河流域水資源承載力評價及障礙因素研究

唐家凱 丁文廣 李瑋麗 劉興德

摘 要：采用黃河流域九省（區(qū)）2004—2018年統(tǒng)計資料，從水資源、社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境4個方面構(gòu)建水資源承載力評價指標(biāo)體系，運用熵權(quán)法和層次分析法獲得各指標(biāo)權(quán)重，利用綜合評價模型評價黃河流域水資源承載力，并利用障礙度函數(shù)定量診斷影響黃河流域水資源承載力提升的主要障礙因素。研究結(jié)果表明：2004—2018年，黃河流域水資源承載力呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，整體向良好方向發(fā)展，空間上呈現(xiàn)明顯的波動特征且差異性明顯，但省（區(qū)）間的差距呈現(xiàn)逐年變小趨勢;黃河流域水資源承載力受水資源的過度開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境破壞雙重制約，人均水資源量、水資源開發(fā)程度是制約黃河流域九省（區(qū)）水資源承載力提升的主要障礙因素。建議有關(guān)部門完善黃河流域用水方式轉(zhuǎn)變和水資源管理方面的制度，推動黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展。

關(guān)鍵詞：水資源承載力;熵權(quán)法;層次分析法;障礙度函數(shù);黃河流域

中圖分類號：TV213.4;TV882.1 文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.014

引用格式：唐家凱，丁文廣，李瑋麗，等.黃河流域水資源承載力評價及障礙因素研究[J].人民黃河，2021，43（7）：73-77.

Abstract： According to the data of the nine provinces and administrative regions in the Yellow River basin from 2004 to 2018， this paper constructed an evaluation index system for water resources carrying capacity from the four aspects of water resources， society， economy， and ecological environment. In addition， the entropy weight method and analytic hierarchy process were applied to generate comprehensive index weights; the water resources carrying capacity of the Yellow River basin was evaluated by using the comprehensive evaluation model; and the major obstacles to the improvement of the water resources carrying capacity of the basin were quantitatively identified by the obstacle degree function. The results show that： a）from 2004 to 2018， the water resources carrying capacity of the Yellow River basin presents a slow upward trend， with an overall orderly pattern; b） obvious spatial fluctuation characteristics and differences are found， while the gaps between the investigated provinces and regions decrease on a yearly basis; c）the water resources carrying capacity of the nine provinces and regions in the Yellow River basin has been impaired by the following major factors of over-exploitation and utilization of water resources and destruction of the ecological environment， as well as the amount of water resources per capita and degree of water resources development. Based on the results， relevant authorities should improve the transformation of water use patterns and institutions of water resources management in the Yellow River basin， thus promoting the ecological protection of the Yellow River basin and achieving high-quality development.

Key words： water resources carrying capacity; entropy weight method; analytic hierarchy process; obstacle degree function; Yellow River basin

水資源承載力評價是促進區(qū)域生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟健康、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，是對水資源在時間和空間上的一個度量尺度[1]。長期以來，黃河流域面臨自然生態(tài)脆弱、水環(huán)境污染、水資源短缺等愈來愈緊迫的水問題挑戰(zhàn)[2]。繼2019年黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略提出后，黃河流域發(fā)展再次成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點[3-4]。因此，對黃河流域水資源承載力及內(nèi)因進行研究，對于區(qū)域水資源科學(xué)管理、維持區(qū)域生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[5]。

近年來，關(guān)于水資源承載力評價的研究主要集中在評價指標(biāo)體系設(shè)計、模型構(gòu)建及影響因素等方面，由于不同學(xué)者對水資源承載力的理解不同，因此研究的重點不同。王晶等[6]采用PSR-MDS模型對河北省水資源承載力進行評價;焦隆等[7]利用DPSIR模型和水足跡理論，對廣西省桂林市2013—2017年水資源承載力進行評價;鄧樂樂等[8]通過主成分分析法和熵權(quán)法獲得指標(biāo)權(quán)重，并利用模糊綜合評判和集對分析評價模型對漢江流域水資源承載力進行評價;林龍圳等[9]運用熵權(quán)法和TOPSIS模型研究得出庫布齊沙漠地區(qū)2013—2018年的水資源承載力等級水平較低;肖雨琳等[10]從水資源、生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟方面構(gòu)建了水資源承載力評價指標(biāo)體系，并運用模糊層次綜合評價方法，發(fā)現(xiàn)贛南地區(qū)水資源承載力水平較高，生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟正朝著好的方向發(fā)展;夏瑋靜等[11]從經(jīng)濟壓力、人口壓力、承載壓力及協(xié)調(diào)指數(shù)4個層面構(gòu)建了水資源承載力評價指標(biāo)體系，并運用熵權(quán)法對陜西省水資源承載力進行了研究;周侃等[12]構(gòu)建了柵格尺度水資源承載力評價指標(biāo)體系，并評價了寧夏西海固地區(qū)柵格尺度的水資源承載力;何剛等[13]從水資源、社會經(jīng)濟、生態(tài)3個層面研究了長江經(jīng)濟帶的水資源承載力;蘇敏杰等[14]從水資源、經(jīng)濟社會和生態(tài)系統(tǒng)3個方面分析了云南省2006—2015年的水資源承載力。綜上所述，水資源承載力系統(tǒng)是一個涵蓋區(qū)域自然-經(jīng)濟-社會的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，有關(guān)學(xué)者圍繞水資源、社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境這4方面選取評價指標(biāo)開展的研究較多。

筆者基于水環(huán)境-社會-經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)耦合理論，構(gòu)建黃河流域水資源承載力評價指標(biāo)體系，運用熵權(quán)法和層次分析法獲得指標(biāo)綜合權(quán)重，對黃河流域九省（區(qū)）2004—2018年水資源承載力進行綜合評價，并結(jié)合障礙度函數(shù)研究黃河流域水資源承載力提升的障礙因素，以期為流域水資源管理及社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)水資源概況

黃河是我國第二大河，流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南、山東9個省（區(qū)）。黃河流域降水量主要集中在5—9月，地表水供水量285.55億m3，地下水供水量137.18億m3，總供水量422.73億m3，向流域外供水量89.35億m3，合計供水量512.08億m3。2019年黃河流域人口總數(shù)為3.24億，占全國總?cè)丝诘?3.31%。人均水資源量647 m3，不到全國人均水資源量的30%，水資源開發(fā)利用與社會經(jīng)濟發(fā)展矛盾突出。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

水資源承載力具有自然和社會雙重屬性[15]，因此可將流域水資源承載力系統(tǒng)視為區(qū)域自然-經(jīng)濟-社會復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[16]。筆者遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、數(shù)據(jù)易獲取性、可比性與可操作性等原則，在張寧寧等[17]、羅清[18]研究基礎(chǔ)上，參照全國水資源供需評價指標(biāo)體系，構(gòu)建黃河流域水資源承載力評價指標(biāo)體系。目標(biāo)層為黃河流域水資源承載力，準(zhǔn)則層為水資源子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)，指標(biāo)層為21個具體指標(biāo)（見表1）。

2.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要來源于2004—2018年的《中國統(tǒng)計年鑒》《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》以及青海、甘肅、寧夏、四川、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東9個省（區(qū)）2004—2018年統(tǒng)計年鑒。

2.3 研究方法

科學(xué)合理判定和計算評價指標(biāo)權(quán)重對所研究目標(biāo)量化結(jié)果可信度具有重要作用[19]。獲得指標(biāo)權(quán)重常見的方法有主成分分析法[20]、層次分析法[21]、熵權(quán)法[22]、模糊綜合評判法[23]等。熵權(quán)法利用樣本數(shù)據(jù)在各評價對象中的差異性來確定權(quán)重，是一種常見的客觀賦權(quán)法，主觀因素影響相對較小，評價結(jié)果具有較高的可信度[24]。為了消除數(shù)據(jù)數(shù)量級和量綱的影響，本文采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對指標(biāo)數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。標(biāo)準(zhǔn)化處理公式為

式中：di為標(biāo)準(zhǔn)化后的第i個指標(biāo)值;xi為第i個原始指標(biāo)值;xmax、xmin分別為第i個原始指標(biāo)的最大值、最小值。

黃河流域水資源承載力指數(shù)計算公式為

式中：U為水資源承載力指數(shù)，表征水資源承載力的大小;wi為第i個指標(biāo)的權(quán)重。

運用熵權(quán)法和層次分析法相結(jié)合的方法獲得指標(biāo)綜合權(quán)重，在一定程度上可以規(guī)避分別使用層次分析法和熵權(quán)法的不足，從而獲得更為科學(xué)的指標(biāo)權(quán)重[25]。

障礙度函數(shù)[26]常被用來診斷影響事物發(fā)展的障礙因素，其主要涉及貢獻度、指標(biāo)偏離度、障礙度3個衡量因子，根據(jù)障礙度大小可以確定影響水資源承載力提升的主要障礙因素。貢獻度Fi和指標(biāo)偏離度Ii計算公式分別為

式中：qj為第j個準(zhǔn)則層的權(quán)重。

第i個指標(biāo)對水資源承載力的障礙度Pi為

3 結(jié)果與分析

運用熵權(quán)法和層次分析法相結(jié)合的方法，得到黃河流域水資源承載力評價指標(biāo)權(quán)重（見表1）。按照行政區(qū)劃，將青海、甘肅、寧夏、四川4個省（區(qū)）劃為上游地區(qū)，內(nèi)蒙古、陜西和山西3個省（區(qū)）劃為中游地區(qū)，河南和山東2個省劃為下游地區(qū)。將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)代入式（2）得到2004—2018年黃河流域及上游、中游、下游地區(qū)水資源承載力指數(shù)（見圖1和表2）。

3.1 黃河流域水資源承載力指數(shù)時間演化分析

由圖1和表2可知，2004—2018年黃河流域9個省（區(qū)）水資源承載力指數(shù)均呈上升趨勢，全流域、上游和中游地區(qū)的水資源承載力指數(shù)較為接近，均明顯大于下游地區(qū)的水資源承載力指數(shù)。黃河流域的水資源承載力指數(shù)由2004年的0.323增大到2018年的0.474，增大了46.7%，整體向良好方向發(fā)展。上游地區(qū)的青海、四川、甘肅、寧夏4個省（區(qū)）水資源承載力指數(shù)2018年分別為0.607、0.620、0.414、0.401，比2004年分別增大49.5%、49.8%、62.4%、61.7%。中游地區(qū)的內(nèi)蒙古、陜西、山西3個省（區(qū)）水資源承載力指數(shù)2018年分別為0.482、0.495、0.421，比2004年分別增大36.3%、34.5%、38.5%。下游地區(qū)的河南和山東2個省水資源承載力指數(shù)2018年分別為0.406、0.422，比2004年分別增大49.3%、47.0%。

3.2 黃河流域水資源承載力空間演化分析

由表2可知，2004—2018年黃河流域上、中、下游地區(qū)水資源承載力指數(shù)呈現(xiàn)明顯的波動特征，省（區(qū)）間差異性明顯，但差異呈逐年變小趨勢。2004年，9省（區(qū)）的水資源承載力指數(shù)存在明顯的分界，上游地區(qū)明顯大于中游和下游地區(qū)，由大到小排序依次為四川（0.414）、青海（0.406）、陜西（0.368）、內(nèi)蒙古（0.352）、山西（0.304）、山東（0.287）、河南（0.272）、甘肅（0.255）、寧夏（0.248）。2010年，9個省（區(qū)）的水資源承載力指數(shù)均有所增大，但省（區(qū)）間差異性仍比較明顯，水資源承載力指數(shù)由大到小排序依次為青海（0.511）、四川（0.498）、陜西（0.443）、內(nèi)蒙古（0.398）、山西（0.357）、山東（0.341）、河南（0.329）、寧夏（0.324）、甘肅（0.317）。2015年，9個省（區(qū)）的水資源承載力指數(shù)總體上均有所增大，省（區(qū)）間差異性有所減小，水資源承載力指數(shù)由大到小排序依次為四川（0.536）、青海（0.515）、陜西（0.463）、內(nèi)蒙古（0.456）、山西（0.394）、山東（0.378）、寧夏（0.366）、甘肅（0.358）、河南（0.348）。2018年，9個省（區(qū)）的水資源承載力指數(shù)均進一步增大，省（區(qū)）間差異明顯縮小，水資源承載力指數(shù)由大到小排序依次為四川（0.620）、青海（0.607）、陜西（0.495）、內(nèi)蒙古（0.482）、山東（0.422）、山西（0.421）、甘肅（0.414）、河南（0.406）、寧夏（0.401）。

3.3 黃河流域水資源承載力障礙因素診斷

運用障礙度函數(shù)，計算得到黃河流域2004年、2010年、2015年、2018年水資源承載力評價指標(biāo)體系中21個指標(biāo)的障礙度。選取障礙度排名前9個指標(biāo)進行統(tǒng)計分析，主要障礙因素有人均水資源量、水資源開發(fā)程度、生態(tài)環(huán)境用水率、產(chǎn)水模數(shù)、森林覆蓋率、自然保護區(qū)面積占比、人均社會消費品零售總額、人均GDP、供水模數(shù)（見圖2）。根據(jù)圖2可知，人均水資源量、水資源開發(fā)程度障礙度最大，2018年分別為18.42%、16.96%，加強水資源合理利用是提升流域水資源承載力的主要途徑。森林覆蓋率障礙度先減小后增大，自然保護區(qū)面積占比、供水模數(shù)障礙度呈現(xiàn)增大趨勢，這3個障礙因素障礙度均低于10%，是今后提升黃河流域水資源承載力需重點考慮的因素。生態(tài)環(huán)境用水率、產(chǎn)水模數(shù)障礙度先增大后減小，人均社會消費品零售總額、人均GDP障礙度呈減小趨勢，說明這4個障礙因素總體上對黃河流域水資源承載力提升影響不大。

4 結(jié) 語

本文基于水資源-社會-經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)耦合理論框架模型，構(gòu)建了黃河流域水資源承載力評價指標(biāo)體系，采用熵權(quán)法和層次分析法獲得指標(biāo)綜合權(quán)重，對黃河流域九省（區(qū)）2004—2018年水資源承載力進行綜合評價。進一步利用障礙度函數(shù)，分析了影響黃河流域水資源承載力提升的主要障礙因素，主要結(jié)論如下。

（1）2004—2018年，黃河流域水資源承載力指數(shù)總體呈增大趨勢，由2004年的0.323增大到2018年的0.474，增大46.7%，流域整體水資源承載力朝良好方向發(fā)展;在空間上呈現(xiàn)明顯的波動特征，省（區(qū)）間差異明顯，但差異呈變小趨勢。

（2）黃河流域九省（區(qū)）水資源承載力提升受水資源過度開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境破壞雙重制約，主要受制于人均水資源量、水資源開發(fā)程度、生態(tài)環(huán)境用水率、產(chǎn)水模數(shù)、森林覆蓋率、自然保護區(qū)面積占比、人均社會消費品零售總額、人均GDP、供水模數(shù)這9個障礙因素。提高人均水資源量和水資源開發(fā)程度是提升黃河流域九省（區(qū)）水資源承載力的主要途徑。

因此，要確保黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展，首先要著力推動用水方式的轉(zhuǎn)變，黃河流域高耗水、高污染產(chǎn)業(yè)占比高，亟待加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，促進用水方式轉(zhuǎn)變，倒逼產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整;另外要促進合理分水和管住用水，以嚴(yán)格水資源管理制度確定的流域各省（區(qū)）用水總量控制指標(biāo)為約束，科學(xué)確定黃河流域的可分配水量，促進高效用水。

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