基于模糊綜合評價的漢江上游水資源承載力評價

肖薇薇，余石俊

（1.安康學院 旅游與資源環境學院，陜西 安康 725000；2.安康市漢江水資源保護與利用工程技術研究中心，陜西 安康 725000；3.湖北師范大學 城市與環境學院，湖北 黃石 435002）

0 引言

水資源承載力能夠反映水資源對社會經濟的支撐作用。科學評估一個地區的水資源承載力，有利于實現區域水資源的可持續利用。目前，針對水資源承載力的研究包含多個維度。從水資源承載力的定義看，惠泱河等［1］將水資源承載力定義為在某地區的水資源在某一歷史發展階段下，以可預見的技術、經濟和社會發展水平為依據，在不影響生態系統的前提下，水資源對一個地區社會經濟發展的最大支撐能力；左其亭［2］認為水資源承載力是水資源對人類及其經濟社會系統和生態系統發展所能承受的最大規模；高偉等［3］提出了基于不同水質水資源量供需的分質水資源承載力概念，并開展了流域分質水資源承載力評估與預警的實證研究。從研究方法看，趙強等［4-5］運用模糊綜合評價法對山東省、漢江流域的水資源承載力進行評價分析，也有使用熵權法、集中分析法、TOPSIS模型及生態足跡法等方法開展評價研究［6-10］。從研究區域看，多數學者是從流域和區域等視角進行研究，如夏軍等［11］對西北干旱區的流域水循環模擬、生態需水研究等問題進行了分析；夏瑋靜等［12］通過構建綜合評價模型，發現陜西省各流域水資源承載能力的差異較為明顯。從水資源承載力的發展態勢看，部分學者對水資源承載力進行了一定的預測評估［13-14］。

漢江上游作為我國“南水北調”中線工程和“引漢濟渭”工程的核心水源區，其水資源承載力變化狀況對跨流域調水具有重大影響。基于此，本研究通過構建水資源承載力的評價指標體系，對2010—2020年漢江上游地區的水資源承載力進行評價，以期為漢江上游地區水資源的可持續開發利用提供理論依據。

1 研究概況與方法

1.1 研究區概況

漢江是長江最大的支流，地處秦巴山區，境內地勢起伏較大，河網密布，屬亞熱帶大陸性季風氣候，全年溫差較小，境內自然資源豐富，生態環境質量較高，經濟發展潛力較大。漢江上游區域（圖1）主要包括陜西省南部的漢中市和安康市，漢江上游的年徑流量達245億m3，每年計劃“南水北調”工程調水130億m3，“引漢濟渭”工程調水15億m3。

圖1 研究區示意圖

1.2 數據來源

本研究的數據主要來源于2011—2021年《陜西省統計年鑒》《安康市統計年鑒》《漢中市統計年鑒》及2010—2020年《陜西省水資源公報》，以安康市和漢中市兩地的平均數據開展漢江上游地區水資源承載力研究。

1.3 研究方法

1.3.1 熵權法 本研究采用客觀性較強的熵權法計算指標權重，熵權法是以指標的信息熵為基礎，根據指標信息熵的大小確定指標權重［15］。應用SPSSPRO軟件計算指標權重。

1.3.2 模糊綜合評價法 模糊綜合評價［16-17］方法充分考慮了與評價對象相關的各種因素以及各種因素之間的關系，該方法能夠從多方面、多因素等角度評估水資源承載力，有利于客觀、系統地反映區域水資源狀況。模糊綜合評價法基本步驟為：（1）建立評價指標的因素集U和評語集V；（2）建立模糊關系矩陣R；（3）計算權重向量A；（4）模糊綜合評價，計算公式如下：

式（1）中：A為因素集上的模糊子集，A={a1，a2, …，an}，其中ai為U對A的隸屬度，表示單個指標Ui在評定指標中所起作用的大小，ai的取值范圍為［0，1］；B是評價等級V上的模糊子集，B={b1，b2, …，bm}，其中bj為等級Vj對綜合評價得到的模糊子集B的隸屬度，bj的取值范圍為［0，1］。模糊算子采用加權平均型算子，評價矩陣R如下所示：

式（2）中：rij為ui的評價對等級Vj的隸屬度，因此，矩陣R中的第i行Ri={ri1，ri2，…，rim}是對第i個指標Ui的單個指標評價的結果，評價因素的權重A代表各指標對綜合評價重要性的權重，因此，滿足。

負向評價指標的隸屬度函數（ri）計算公式如下：

式（3）～（5）中：k1是 等 級V1和V2的 閾 值，k3是等級V2和V3的閾值，V2等級區間的中點是k2，其數值為（k1+k3）/2。

正向指標的隸屬函數計算公式將上式中右端ri的區間中的“≤”更改為“≥”，將“＜”更改為“＞”即可。為了更直觀地反映各級水資源承載力的評價狀況，本研究采用1分制對評判等級取不同的評分值，對評價等級的評分值分別取a1＝0.95、a2=0.5、a3=0.05。經過數量化處理，能更直觀地反映各等級對水資源承載力的影響程度。通過隸屬度函數與各評價等級的評分值計算水資源承載力綜合評分值F。F值越高，表明水資源的承載能力越大，反之，水資源的承載能力越小。

式（6）中：bj為評價結果對應的評語等級的隸屬度；aj為各等級的評分值。

2 漢江上游水資源承載力評價

2.1 評價指標體系構建

在遵循系統性原則和區域性原則下，結合漢江上游地區的實際情況，從社會經濟子系統、水資源子系統和生態環境子系統3個準則層面構建了評價指標體系，采用熵權法計算得出各項指標的權重，如表1所示。

表1 漢江上游水資源承載力評價指標體系及指標權重

從表1可以得出，在準則層中，社會經濟子系統的權重最大，為0.47564；水資源子系統權重最小，為0.21324；生態環境子系統權重是0.31112。在指標層中，人口自然增長率和森林覆蓋率的權重超過了0.1，說明這2項指標是影響水資源承載力的重要因素；城鎮化率的權重為0.071，人均GDP、GDP增長率權重均為0.066，人均水資源量權重為0.063，產水模數權重為0.062，說明水資源總量、經濟和城鎮化發展對水資源承載力具有比較明顯的影響；生態用水率的權重為0.072，也體現了生態環境質量的改善可以提高水資源承載力；而萬元GDP用水量以及單位面積廢水排放量等指標的權重小于0.05，說明這些指標對水資源承載力的影響程度相對較低。

2.2 指標分級處理

在構建水資源承載力評價體系后，需要確定各個指標的分級標準及相應的取值范圍，本研究結合漢江上游的實際情況和原始數據，將漢江上游水資源承載力的單個指標劃分為3個等級［V1，V2，V3］，并確定了相應的指標分級標準，如表2所示。

表2 水資源承載力評價指標分級標準

V1代表該區域的水資源承載力較強、處于優良等級，水資源具有較大的開發空間；V3代表該區域水資源承載力較差、處于脆弱等級，易出現水資源供不應求的現象，并嚴重制約社會經濟的發展；V2級為臨界級，介于V1級和V3級之間，表明水資源承載力已達到一定的規模，尚能有效支持區域的發展，后續若持續擴大開發利用程度，將會導致水生態環境系統遭受威脅和破壞；若采取科學合理的措施，區域水資源承載力會有所提升。

2.3 水資源承載力等級劃分及綜合評價結果

在綜合評分值的基礎上，結合前人研究的等級劃分［18］以及漢江上游的具體情況，對水資源承載力進行等級劃分，將水資源承載力分為Ⅰ級（高）、Ⅱ級（較高）、Ⅲ級（一般）、Ⅳ級（較低）和Ⅴ級（低）5個等級，如表3所示。

表3 水資源承載力等級劃分

結合式（1）～（6），計算隸屬關系矩陣、進行模糊綜合評價，計算結果如圖2和表4所示。

表4 漢江上游水資源承載力綜合評分值

2.3.1 社會經濟子系統評價結果 由圖2a可知，2010—2020年社會經濟子系統綜合評分值呈小幅波動上升趨勢，說明社會經濟發展為水資源開發利用帶來了一定的效益，其中人均GDP、人口自然增長率、人均用水量、萬元GDP用水量以及城鎮化率等指標數據的變化，促進了經濟子系統綜合評分值的波動上升。

社會經濟子系統在2012年的綜合評分值最低，為0.409，在2020年最高，為0.665。漢江上游地區2010、2011和2013年的GDP增長率超過20%，較快的經濟增速促使工業農業用水量有所增加。漢江上游地處秦巴山區，經濟發展潛力較大，隨著社會經濟的發展，城鎮化率由35.84%增長至50.44%，人均用水量從352.8 m3增長到403.8 m3，水資源壓力有所增大。

2.3.2 水資源子系統評價結果 由圖2b可知，2010—2020年水資源子系統綜合評分值波動明顯，呈微弱上升趨勢，其中2011—2016年呈下降趨勢，2017—2019年波動起伏，在2020年有所下降。該子系統的波動變化主要是由產水模數、人均水資源量及年降水量等指標數據的變化引起。城鎮人口密度增大、產水模數先降后升、人均生活用水量的增加以及水資源總量有限，上述因素疊加進一步加大了水資源子系統的壓力。此外，由于降水量具有不穩定性，降水量的年際變化也導致水資源總量發生波動變化，據《陜西省水資源公報》數據顯示：漢江上游地區2016年水資源總量為78.330億m3，較2015年下降了26.245億m3，水資源總量的驟減導致了人均水資源量也出現明顯下降，因此水資源子系統在2016年的綜合評分值最低，僅為0.185；2017—2019年水資源子系統承載力呈總體波動上升趨勢，2020年降水量和水資源總量較上年有所減少，因此該年的評分值有所下降。

圖2 漢江上游水資源承載力及各子系統綜合評分值

漢江上游流域的降水量較為充沛，水資源總量遠高于全國平均水平，這為“南水北調”提供了有力的保障。漢江上游地區的地下水資源較為豐富，但利用程度不高，2010—2020年水資源開發利用率最高為15.373%，最低僅為5.911%。

2.3.3 生態環境子系統評價結果 由圖2c可知，2010—2020年生態環境子系統綜合評分值呈顯著上升趨勢。生態用水率、森林覆蓋率和累計水土流失治理面積的變化促使生態環境子系統的綜合評分值逐年提升，這說明漢江上游地區近年來的生態環境治理取得了較好的成效，生態環境子系統在提高水資源承載力的貢獻逐漸增大。生態環境的好轉促進了水環境的改善，從而提高了“南水北調”水資源的質量。

在2010—2014年，該子系統的綜合評分值波動起伏比較明顯，與漢中市和安康市經濟發展速度過快有密切的關系。由于兩市的GDP增長率較高，對生態環境造成了一定的干擾和破壞。在2015—2020年，漢江上游地區的森林覆蓋率逐漸提高并超過了60%，生態環境用水量有所提升，單位面積廢水排放量的減少以及政府部門出臺《漢江生態經濟帶發展規劃》文件的舉措，上述均促進了生態環境子系統綜合評分值的提高。

2.3.4 水資源承載力綜合評價結果 根據圖2d和表4可以得出，2010—2020年漢江上游水資源承載力有5年處于較高級別（Ⅱ級），有6年處于一般級別（Ⅲ級）。漢江上游水資源承載力總體在一般和較高2個級別之間波動，具有一定的開發利用潛力，這為推動區域農業工業的發展、實現經濟高質量發展和推進生態文明建設提供了強大的動力。

由表4可得，漢江上游水資源承載力綜合評分值在2019年最高，2011年最低，二者相差0.357。結合圖2d發現，研究區水資源承載力整體呈上升趨勢，存在上下波動的現象。2010年以來，漢江上游地區GDP增速逐漸放緩，逐步提升經濟發展的質量，以生態優先、保護優先的思想促進社會經濟的發展。“十三五”規劃對于水資源保護與污水治理的政策更加細致，這為提高水資源承載力提供了重要的支撐，因此2017—2020年的水資源承載力綜合評分值逐漸提升，水資源承載力明顯提高。

由表4可知，2010—2018年漢江上游地區水資源承載力對V2的隸屬度高于V1和V3，這表明該地區的水資源承載力已達到一定的規模，尚能支持漢江上游地區的發展；2019—2020年水資源承載力對V1的隸屬度高于V2，表明研究區水資源承載力有所提高。

3 結論

本研究從社會經濟子系統、水資源子系統和生態環境子系統3個方面構建了包含16個指標的評價體系，采用模糊綜合評價法對漢江上游地區2010—2020年水資源承載力開展評價，得出結論如下：

（1）漢江上游地區水資源承載力總體上呈小幅波動上升趨勢，水資源承載力在Ⅱ級（較高）和Ⅲ級（一般）間波動，2019年的綜合評分值最高為0.679，2011年的綜合評分值最低為0.322，其中5年為較高級別，6年為一般級別，雖處于小幅上升趨勢，但與高水平承載力還存在一定的差距，具有較大的提升空間。

（2）由各個子系統可以得出，社會經濟子系統呈小幅波動上升趨勢；水資源子系統波動較大，呈微弱上升趨勢；生態環境子系統呈明顯的波動上升趨勢。在子系統之間，總體看來水資源子系統和生態環境子系統的綜合評分值相對高于社會經濟子系統，表明了水資源子系統和生態環境子系統在提高水資源承載力中發揮著日益重要的作用。