基于TOPSIS及耦合協調度的湖南省2009-2018年水資源承載力綜合評價

陽斌成, 張家其, 羅偉聰, 喻興潔, 張興苗

(衡陽師范學院 地理與旅游學院, 湖南 衡陽 421002)

水是人類生存與社會經濟發展不可替代的基礎性資源[1]，然而，因城鎮化快速推進、人口高度集聚、工農業高速發展，水資源需求的空間差異愈發明顯，在中國水資源時空分布本就不均的格局背景下，水資源供需矛盾更為突出。近年來，在“兩山理論”引領下，保護與改善環境就是發展生產力的理念深入人心，如何合理使用水資源，防止水污染成為國家關注的重點。2016年水利部印發《關于做好建立全國水資源承載能力監測預警機制工作的通知》要求對水資源承載狀態進行評價，3 a內建立全國縣域水資源承載力監測預警機制；2020年自然資源部印發《資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價指南(試行)》指出水資源承載能力是資源環境承載力中基本組成部分之一。由此可見，水資源承載力已經成為影響區域可持續發展核心要素之一[2]。

國外研究主要集中于水資源管理[3]、水安全[4]、水資源與可持續發展[5]方向。國內研究最早由新疆軟科學研究小組提出水資源承載力的概念[6]，隨后眾多學者對水資源承載力的概念與內涵進行了深入討論[7-9]，關于如何量化水資源對社會經濟發展與生態環境保護的基礎性作用研究成為熱點話題[10-11]。現今，水資源承載力已從水資源單系統逐漸走向水資源—社會經濟—生態環境多系統研究，研究角度從靜態單一指標體系評價發展到動態多元評價[12]，但由于水資源承載力是一個復雜、開放的巨系統，同時良好的生態環境又為社會經濟發展提供載體，為水資源提供保障與更新能力；而社會經濟發展水平直接影響科技投入與公眾意識，繼而影響區域水資源利用效率與節水意識，為生態環境保護提供更有力的經濟支撐與制度保障。因此，水資源承載研究要加強跨區域多要素綜合研究[13]。此外，關于水資源承載力的評價方法眾多，但這些方法在應用過程中各有優缺點，例如常規趨勢法容易忽略各指標的相互關系[14]，模糊綜合評價法在運算過程中易遺失信息，而利用主成分分析法得到的綜合評價結果可比性差[15]，系統動力學則因參變量和數學方程結構復雜，對數據要求高。另外在確定指標權重方面，層次分析法存在主觀性過強的問題。為此，本研究采用熵權-TOPSIS法進行水資源承載力評價，并開展水資源—社會經濟—生態環境的耦合協調發展探究，以此凸顯指標的差異性及評價結果的客觀、可比性，注重水資源與社會經濟、生態環境各指標之間的相互聯動關系，為區域制定水資源、社會經濟發展和生態環境協調發展政策提供理論參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

湖南省地處亞熱帶季風區，多年平均降水量1 450 mm。2018年人均水資源量1 952 m3，高于全國平均水平，水資源總量相對豐富。湖南省被列入長江經濟帶國家重要戰略發展區域，該地域具有承接南北，聯通東西的重要地位，環長株潭城市群更是長江經濟帶發展格局中“三極”的重要組成部分。區內武陵山區與洞庭湖為長江流域重要生態安全屏障，湘江流域和洞庭湖生態保護修復工程試點被列入全國第三批山水林田湖草生態保護修復工程，為長江經濟帶發展提供涵養水源、調蓄洪水的重要生態系統服務功能。然而，該地域一方面因季風不穩定及地形等因素影響，降水時空分布不均；而另一方面，洞庭湖平原為中國九大商品糧基地之一，且湘江流域是中國重要的有色金屬冶煉基地，工農業需水量與污水排放量巨大，這種水資源供需矛盾嚴重威脅區域水資源與糧食安全。因此，無論是從長江經濟帶一盤棋格局出發，還是湖南省各市州高質量協同發展的角度來看，實現研究區水資源、社會經濟與生態環境協調發展意義重大。

1.2 數據來源

本文所用的數據主要來源于2009—2018年的《湖南省水資源公報》《湖南省統計年鑒》，部分數據來源于各地市統計年鑒、環境公報、國民經濟和社會發展統計公報等，其中對個別指標數據缺失采用加權均值法進行賦值補缺，為降低不同指標量綱對研究可靠性的影響，對指標進行無量綱化處理。在數據篩選方面，考慮湖南省屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，水資源開發利用主要以地表水資源為主，而降水的不穩定會導致水資源承載力在年際之間出現波動，為體現這一外在影響因素，故選取2009(枯水年)，2012(豐水年)，2015(平偏豐)，2018年(平偏枯)4個典型年份進行分析。

2 研究方法

2.1 水資源承載力影響因素構成分析

水資源承載力的研究對象是水資源，水資源是水資源承載力的主體，人類及其生存的經濟社會和生態環境系統是水資源承載力的客體[16]。水資源子系統對社會經濟子系統與生態環境子系統具有支撐作用，水資源子系統為社會經濟子系統平穩發展提供生產生活所需水量，同時也為生態環境子系統提供環境及其他生物生存所需生態用水。社會經濟子系統在發展的過程中利用自然資源滿足其發展需求，同時排放污染物進入生態環境子系統，雖然生態環境具有消納污染的能力，但當污染物的濃度到達區域生態環境所能承受的最大限度，就會對生態環境造成不可逆的損害。另外，社會經濟發展對區域的土地利用需求具有權衡性。例如，20世紀中期，人類為謀求更多耕地，對洞庭湖進行圍墾，大量的水域空間被侵占成耕地，導致區域生態系統退化，嚴重影響區域水資源涵養、凈化與更新能力。此外，基于湖南省季風性氣候降水變率大，導致旱澇災害頻繁，汛期水資源難以利用等問題，考慮合理修建水利工程對湖南省水旱災害防御與水資源調配具有重要作用，進而顯著提升水資源承載力。

綜上所述，水資源承載力影響因素主要可以歸納為4個方面：水資源可利用量、水質狀況、水域空間面積、水利工程。

(1) 從水資源承載力角度分析，水資源可利用量是指以總取耗水量為基礎，結合區域經濟發展與科技水平，本區域一定時期內可一次性利用的最大水量，但取耗水量越大并不代表水資源承載力越大，還應結合區域產業結構與用水效率綜合判斷[17]。因此區域水資源本底與水資源開發利用狀況是其主要影響因素。

(2) 水質狀況主要受生態環境基底與排污技術影響。良好的生態環境為水資源質量提供保障，從而促進社會經濟發展。另一方面，社會經濟發展促進科技進步，尤其是節水排污技術的創新又可以為生態環境保護提供更好的技術支持。

(3) 足夠的水域空間、森林覆蓋面積不僅為水循環的產、匯流提供自然空間，而且為水體的納污自凈提供場所，是水生態系統健康運行的基本要素[18]。

(4) 水利工程的合理修建一方面能夠防洪排澇，調蓄汛期洪水，保障旱情期間社會經濟發展與生態環境用水安全：另一方面可以增加水域空間，調節局部小氣候。

2.2 水資源承載力綜合評價指標體系構建

現今水資源承載力評價體系的構建多從區域水資源本底、人類活動造成的負面壓力以及生態環境破壞等角度選取指標[19]，較少考慮產業結構優化以及區域科技發展水平等因素對水資源承載力的正面影響。對此，本文借鑒田培等[20]研究成果，以自然本底為基礎，結合人類活動的正負影響兩個方面構建水資源—社會經濟—生態環境綜合承載力評價指標體系(表1)。

表1 湖南省水資源承載力評價指標體系

其中選擇人均水資源量、供水模數、產水模數、年降水量等指標反映區域水資源本底狀況，選取人均用水量、水資源開發利用率反映區域水資源利用壓力狀況，并結合湖南省亞熱帶季風氣候降水變率大特征，以大中型水庫年末蓄水量反映區域水資源調節保障能力。社會經濟子系統主要體現區域社會經濟發展狀況以及對水資源需求壓力，結合《湖南省國民經濟和社會發展“十三五”規劃綱要》與《“十三五”水資源消耗總量和強度雙控行動工作方案》，從宏觀層面選擇城鎮化水平、人均GDP反映社會經濟發展狀況；需水壓力則從人口密度、人口自然增長率、人均用水量、工農業用水量等指標來反映；產業結構與科技發展水平采用第三產業比重、R&D研發經費比重為代表性指標。

生態環境子系統是針對水資源再生與水生態環境狀況，考慮到數據的可獲取性原則，采用生態環境用水率、環保產業年收入、每萬人造林面積、來代表人類活動對生態環境的正面影響；采用污水處理率、萬元GDP污水排放量來表示水生態環境的污染及治理狀況。

2.3 指標數據標準化

評價指標有正向指標與負向指標之分，正向指標具有極大值屬性，負向指標具有極小值屬性，要分別對其指標數據進行標準化處理：

正向指標：

xij=(rij-minrj)/(maxrj-minrj)

(1)

負向指標：

xij= (maxrj-rij)/(maxrj-minrj)

(2)

式中：rij(i=1,…,n;j=1,…,m)為第i年第j個指標值;n,m分別為年份數和指標數; maxrj,minxrj分別為第j個指標的最大值、最小值。

設研究區域水資源承載力的原始評價矩陣為：

(3)

2.4 熵權-TOPSIS法

熵權法依據數據的離散程度對指標賦權，即根據各指標所含信息有序程度的差異性來確定指標權重，是相對客觀賦權方法[21]。TOPSIS法即優劣解距離法，能充分利用原始數據的信息，其結果能精確地反映各評價方案之間的差距，實現評價目標的優劣排序。目前熵權-TOPSIS法多用于評價類研究，計算方法與過程詳參考李星等[22]研究。

2.5 耦合協調度模型

耦合協調模型通常被用來衡量系統之間的協調發展關系[23]。通過該模型，可以清晰地看出水資源承載力下的社會經濟子系統、生態子系統與水資源子系統之間的協調發展關系，能夠對未來湖南省水資源的合理利用起到借鑒作用。計算公式如下：

(4)

T=αU1+βU2+λU3

(5)

(6)

式中：D是耦合協調度;C是系統耦合度；T為三元系統的綜合評價值；U1，U2，U3分別為三元系統各自評價值；α，β，λ為待定系數，且α+β+λ=1。本文認為水資源、社會經濟、生態環境三者同樣重要，所以α=β=λ=1/3。

結合湖南省水資源—社會經濟—生態環境實際情況，參考相關研究[24]，耦合協調發展狀態劃分為5類(表2)。

表2 湖南省水資源承載力復合系統耦合協調發展狀態劃分

3 結果與分析

3.1 水資源承載力分析

3.1.1 水資源承載力時間演變分析 湖南省水資源承載力10 a間呈下降—上升的“U”型態勢，期間水資源承載力增長了0.39，且各子系統具有明顯的階段性特征(圖1)。 ①2009—2011年水資源承載力下降，該階段降水量為建國后最小值，進而影響水資源本底，同時生產方式較為粗放，造成了嚴重水污染問題； ②2012—2015年水資源承載力穩步上升，2012年國務院出臺《實行最嚴格水資源管理制度的意見》，加之“湘江流域三年整治計劃”的成功實施，使得水資源承載力得到提升；③2016年長江經濟帶高質量發展戰略提出，湖南積極踐行“共抓大保護、不搞大開發”理念，促使生態環境持續改善，綠色發展指數居全國第8位，進而助推水資源承載力增長明顯。

圖1 2009-2018年湖南省水資源承載力評價值

3.1.2 各市州水資源承載力空間特征分析 根據各地區自然地理要素差異，考慮區劃應用性及行政管理一致性，結合《湖南省國民經濟和社會發展“十三五”規劃綱要》，將湖南省分為大湘西地區(邵陽、婁底、懷化、張家界、湘西州)、長株潭地區(長沙、株洲、湘潭)、湘南地區(衡陽、永州、郴州)與洞庭湖區(常德、益陽、岳陽)，以此開展水資源承載力空間分析。10 a間水資源承載力區域均值增長率達3.8%，但各市州空間差異較為明顯，具體表現為：大湘西地區>長株潭地區>湘南地區>洞庭湖區，呈現出兩側高、中間低的“U”型特征(圖2)。此研究結果與Wang等[25]、劉文等[26]人認為湖南省水資源承載力東西部高于中間的空間分布特征的研究結果相一致。究其原因，大湘西地區植被覆蓋度高、人類活動影響相對較小、且旅游這類綠色產業發展較好，因而水資源承載力明顯高于其他3個地區；長株潭地區社會經濟發展狀況最好，科技與環保投入較多，居民節水意識較強，因此水資源承載力較高；湘南地區水資源本底較為豐富，但金屬冶煉工業聚集，工業需水量大，且工業污染較為嚴重，水資源承載力處于中等水平；洞庭湖區為中國主要的商品糧基地，且人口稠密，生產生活需水巨大，同時又屬降水低值區，水資源本底較差，水資源—社會經濟—生態環境系統共同作用導致該區水資源承載力低于湖南省其他地區。

圖2 2009-2018年湖南省各市州水資源承載力變化特征

3.2 湖南省水資源承載力系統耦合協調度分析

3.2.1 耦合協調度時間特征 2009—2011年各子系統受旱情影響，水資源承載力出現下滑趨勢；2011年之后水資源承載力社會經濟子系統與生態環境子系統呈波動上升；2016—2018年上升趨勢最為明顯。此外，生態環境子系統提升最大，而水資源承載力系統中的水資源子系統一直處于不穩定狀態，尤其是2016—2018年與社會經濟、生態環境子系統呈現反相關，這在一定程度上制約了其他子系統甚至復合系統的發展。在這種情況下，深入探究水資源承載力子系統間的耦合協調度，將更有利于辨明水資源—社會經濟—生態環境系統是否協調發展。基于對2009—2018年湖南省各市州水資源、社會經濟、生態環境三大子系統耦合協調水平的測度可知，湖南省14個市州耦合協調度整體呈增長趨勢(圖3)。

(1) 2009—2012年湖南省水資源—社會經濟—生態環境耦合協調度整體呈下降趨勢，除洞庭湖區益陽市由中級下降為初級協調階段，其他市州較為穩定。2009—2012年益陽市工業用水量增加47.6%，同時生態環境用水量下降50%，社會經濟快速發展對生態環境造成了脅迫，繼而促使三系統耦合協調度下降。

圖3 2009-2018年水資源-社會經濟-生態環境耦合協調發展時空演變

(2) 2012—2015年耦合協調度有一定程度的上升，其中永州市系統耦合協調度由初級上升為中級協調，而湘潭市則由中級退化為初級協調。湘潭市“十二五”期間快速推進城市化，城市人口比重上升6.4%，城市人口密度上升，水資源需求迅速增長，從而對水資源子系統造成了巨大壓力；同時湘潭市萬元GDP污水排放量增加，說明產業結構調整面臨一定困難，因此雙重壓力下湘潭市耦合協調度出現下降趨勢。

(3) 2015—2018年耦合協調度出現明顯上升，除衡陽、邵陽、岳陽、湘潭等市仍處初級協調階段之外，其他市州均為中級協調階段。在湖南省踐行“兩型社會”與《湖南省湘江保護和治理第2個“三年行動計劃”(2016—2018年)實施方案》等政策大力推動下，湖南省各市州在抓社會經濟發展同時，注重生態環境保護，控制并減少水環境的污染，致使水資源—社會經濟—生態環境同步發展態勢明顯。

3.2.2 湖南省水資源承載力耦合協調度空間特征 2009—2018年，除湘潭外，湖南省各市州耦合協調度都有一定程度提高，耦合協調度增長最快的為常德市，下降最快的為湘潭市。總體而言，湖南省水資源—社會經濟—生態環境耦合協調度增長速度呈現：洞庭湖區>湘南地區>大湘西地區>長株潭地區的特征(表3)。2012年，長株潭地區、大湘西地區的湘西、懷化、張家界以及湘南地區的郴州等市處于中級協調發展階段，中部各市州都處于初級發展階段，形成了中間明顯低于兩側的“U”型空間格局；2012—2018年，常德、益陽、永州婁底等市耦合協調度出現大幅度提升，逐漸補齊中間短板，促使湖南省水資源—社會經濟—生態環境耦合協調空間格局走向整體協同發展態勢。

表3 2009-2018年湖南省各市州耦合協調度變化

4 結論與建議

4.1 結 論

本文在構建湖南省水資源承載力指標體系的基礎上，運用熵權-TOPSIS模型與耦合協調度模型分析了湖南省水資源承載力與系統耦合協調度的時空特征。

(1) 從時間變化特征來看，2009—2018年湖南省水資源承載力評價值與耦合協調度整體呈增長態勢，14個市州水資源—社會經濟—生態環境耦合協調水平由初級階段進入中級階段。此外，水資源動態特征(降水)對本研究結果影響具有階段性，2012年之前枯水年份對水資源承載力負面影響較為明顯，然而隨著社會經濟的發展，特別是湖南省加大了對水利工程設施的投入，致使2012年后枯水年份對水資源承載力負面影響較小。

(2) 從空間變化特征而言，由于自然要素稟賦與社會經濟發展差異，湖南省水資源承載力及耦合協調度特征在空間上同樣出現不均衡，表現為兩側高于中間的“U”型格局，但隨著中部短板的補齊，耦合協調度發展態勢由不均衡逐漸轉變為整體協同。

(3) 從發展階段來看，2009—2012年，湖南省部分地區在發展社會經濟的過程中面臨產業調整難、生態保護壓力大等問題，對水資源、生態環境子系統造成了一定的負面影響，導致耦合協調度下降的趨勢。2012—2015年，隨著兩型社會的推進以及水資源保護力度的加大，湖南省水資源、生態環境質量逐漸恢復，水資源—社會經濟—生態環境協調發展逐步上升。2015—2018年，湖南省在積極踐行生態文明建設，積極融入長江經濟帶發展，以及湘江整治行動等一系列行動背景下，水資源承載力與水資源—社會經濟—生態環境耦合協調度快速提升。

(4) 根據《湖南省國民經濟和社會發展第十三個五年規劃》與《國家節水行動湖南省實施方案》，預計到2020年萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量較2015年分別降低30%和33.9%[27]。但依照現有發展情況，湖南省水資源承載力不足以支撐社會經濟發展，例如2019年萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量相較于2015年分別只下降了24%，19%，達不到十三五預期目標，同時對生態環境保護也會造成巨大壓力。因此，提高節水技術、推進產業升級能夠顯著提升湖南省水資源承載力，促進社會經濟平穩發展。同時值得關注的是《湖南省國民經濟和社會發展第十四個五年規劃》中提到，到“十四五”末長株潭都市圈建成人口達到1.50×107左右、經濟總量突破2.00×1012元的特大都市圈[28]，人口與產業高度集中，是否會對水資源承載能力構成巨大壓力值得深入探究。

4.2 建 議

針對湖南省各區劃水資源承載力時空特征及系統協調度情況，為進一步提升湖南省的水資源承載力，促進社會經濟發展，提出幾點建議。

(1) 長株潭地區作為湖南省社會經濟發展先行區，水資源承載力與耦合協調度較高，但存在人均水資源擁有量較低、人均用水量大等問題。應加快推進長株潭一體化發展，繼續優化產業結構，推進湘潭老工業基地調整改造。同時合理管控人口增長，繼續推進“兩型社會”建設。

(2) 湘南地區作為湖南省重要的有色金屬加工基地，水資源本底較好，但生產、生活用水量大，且水污染問題嚴重，從而導致水資源承載力與耦合協調度不高。應重點整治污染較大的工礦企業，加大節水排污科技投入，提高有色金屬深加工能力，延長產業鏈。

(3) 大湘西地區作為國家重點生態功能區與貧困連片地區，水資源承載力與耦合協調度均值最高，但存在水資源利用率與地區經濟發展水平較低等問題。因此，應積極穩妥推進新型城鎮化，完善公共交通布局，促進地區經濟發展。提高水資源的開發利用率，將資源優勢轉化為經濟優勢，但也應注意到該地區生態系統脆弱，在經濟發展的過程中應當注意生態環境的保護。

(4) 洞庭湖區作為重要的農產品基地，農業用水占比大。應注重提高農業用水效率，促進農業生產類型多元化，發展綠色生態農業。基于湖南省季風性氣候特點，應繼續完善水利工程的建設，同時充分抓住洞庭湖生態經濟區建設上升為國家級戰略的良好契機，推進流域生態治理和修復合作，促進水資源—社會經濟—生態環境協調發展。