珠江流域水資源承載力評價及風險識別

周雪欣，羅 昊

(珠江水資源保護科學研究所，廣東 廣州 510635)

水是生命之源、生產之要、生命之基。中國人多水少，水資源時空分布不均，與生產力布局不相匹配，破解水資源配置與經濟社會發展需求不相適應的矛盾，是新階段中國發展面臨的重大戰略問題。水資源承載力的科學評價是水資源優化配置和可持續開發利用的基礎和條件，對實現水資源空間均衡具有重要意義。

關于水資源承載力研究的文獻，以構建綜合評價指標體系并進行綜合測算最為豐富。從研究指標來看，主要圍繞水資源、社會、經濟、生態環境等四方面；從研究方法來看，主要運用模糊綜合評判[1-2]、TOPSIS模型法[3-5]、主成分分析法[6-7]、PSR模型法[8-9]、生態足跡[10-11]、狀態空間法[12]、VIKOR法[13]等；從研究對象來看，主要集中在省域[3、4、8、12]、市域[2、7、13]、流域[1、6、14]、區域[10、15]層面。在珠江流域范圍內，眾多學者已開展相關研究，王菲等[16]從水量、水質兩方面開展粵港澳大灣區水資源承載力評價，李洋等[17]采用相對水資源承載力的研究方法對廣西區水資源承載力開展研究，王萬賓等[18]利用縣域地表水資源量及用水量數據估算云南省縣域水資源承載能力。此外，縣域水資源承載能力評價、第三次全國水資源調查評價等工作成果，也為本研究提供了參考。

本研究以珠江流域為研究對象，構建了包括水資源、社會、經濟、生態環境等四方面的指標體系，采用主客觀組合賦權TOPSIS模型法對流域水資源承載力進行研究，并用熱點分析方法識別流域內水資源承載高風險區域，為完善流域水資源配置體系，促進水資源空間均衡提供參考。

1 研究區概況

珠江是中國的七大江河之一，地理位置在東經102°14′～115°53′、北緯21°31′～26°49′，由西江、北江、東江和珠江三角洲諸河組成，涉及云南、貴州、廣西、廣東、湖南、江西6省(自治區)和香港、澳門特別行政區，總面積45.37萬km2，其中中國境內面積44.21萬km2。本次研究范圍僅針對流域內涉及的6省(自治區)。

珠江流域地處熱帶、亞熱帶季風氣候區，氣候溫和，雨量豐沛。2018年流域水資源總量為3 358.63億m3，流域內降水量分布極其不均，水資源總量空間變幅大。2018年流域6省(自治區)總人口1.36億人，平均人口密度307人/km2，為全國平均人口密度2.1倍，地區生產總值10.93萬億元，占同期全國國內生產總值的12%。流域內經濟發展水平極不平衡，水資源開發利用程度不均，水資源供給與保障能力不足。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究涉及珠江流域6省(自治區)46城的2018年水資源、社會、經濟等指標數據，主要來源于各省統計年鑒及水資源公報。

2.2 研究方法

2.2.1指標體系構建

綜合考慮流域水資源特征、社會經濟發展情況及生態環境等因素，選取13項指標，從目標層、標準層和指標層3個層面構建了水資源承載力評價指標體系，具體見表1。

表1 水資源承載力指標體系

續表1 水資源承載力指標體系

2.2.2指標權重的確定

a)主觀權重。主觀權重采用序關系分析法確定，主要步驟如下。

步驟一專家對上述13項評價指標按照重要程度進行排序：e1>e2>…>en，為相鄰指標(ek-1與ek)的重要性程度之比rk賦值，賦值標準見表2。

表2 rk賦值

步驟二計算相對重要度最低指標的主觀權重：

(1)

式中n——評價指標的總數。

步驟三推遞出其他指標的主觀權重：

(2)

b)客觀權重。客觀權重采用熵權法確定，主要步驟如下。

步驟一根據評價指標構建原始矩陣：

(3)

步驟二評價指標標準化處理。正向指標的標準化公式為：

(4)

負向指標的標準化公式為：

(5)

式中xjmax——同指標下所有樣本的最大值；xjmin——同指標下所有樣本的最小值。

通過標準化處理形成標準化決策矩陣Y=(bij)m×n。

步驟三計算每個指標的熵值。

(6)

(7)

步驟四計算各項指標的客觀權重。

(8)

c)組合賦權。各項指標權重采用組合賦權法確定，常見的權重組合方法有加法和乘法合成2種方法。本文采用基于最小相對信息熵原理的乘法合成，具體計算方法如下：

(9)

2.2.3組合權重-TOPSIS評估模型

TOPSIS法是進行多目標分析的有效方法，其能充分利用原始數據的信息，精確反映各評價對象之間的聯系和差距。本文結合上述計算組合權重結果，采用組合權重-TOPSIS評估模型對流域各地市水資源承載力進行評估。具體計算步驟如下。

結合組合權重及標準化決策矩陣，構建加權決策矩陣：

Zij=wj×Yij

(10)

計算正負理想解：

(11)

(12)

計算各指標與正負理想解的歐氏距離：

(13)

(14)

水資源承載指數使用樣本最優解的相對貼近度表示，計算方法如下：

(15)

水資源承載指數Ai表示第i城市區域水資源承載力與最優的水資源承載力的靠近程度，取值范圍為[0,1]，當Ai越大時，表明評價對象越接近理想狀態，水資源承載力越優，反之越差。

2.2.4水資源承載力等級劃分

自然間斷點分級法(jenks)是一種根據數值統計分布規律分級和分類的統計方法，它能使類與類之間的不同最大化。為更直觀地反映流域內各區域水資源承載力差異，在ArcGIS支持下采用自然間斷點分級法(jenks)把流域內各市水資源承載指數進行分級，等級數值越小表示該區域水資源開發利用潛力越小，水資源壓力越大，用水越緊張。

2.2.5水資源承載力風險識別

a)全局空間自相關分析。為探究流域水資源承載力的整體空間分布特征，檢驗各地市間水資源承載指數是否存在空間相關性，利用ArcGIS空間統計工具，采用空間自相關(Global Moran’s I)方法進行分析。全局Moran’s I指數的取值范圍為[-1,1]，當Moran’s I >0表示流域各地市水資源承載力分布具有集聚態勢，且值越大這種集聚態勢越明顯；Moran’s I <0表示流域各地市水資源承載力分布具有空間差異性，且值越小差異越明顯；Moran’s I =0時，說明各地市水資源承載力分布具有隨機性。

b)熱點分析。水資源承載壓力大的地市具有高度集聚態勢，說明周邊地區均面臨較大的水資源承載壓力，通過小區域引調水緩解水資源短缺較難實現，該區域可能出現水資源承載力風險，需從流域層面提前謀劃，多措并舉，合理調配水資源，確保供水安全。為進一步測度水資源承載力局部空間聚類分布特征，更加準確、直觀、具體地分析流域水資源承載力空間分布情況，排查水資源承載力風險，在ArcGIS支持下開展熱點分析(Getis-Ord Gi*)。熱點分析工具可對數據集中的每一個要素計算Gi*統計，在99%、95%、90%等不同顯著性水平上識別水資源承載指數空間聚集性顯著程度、類型及區域位置，高值聚集稱為熱點，低值聚集稱為冷點。由于水資源承載指數Ai越大代表水資源承載力越優，因此冷熱點分析結果的解讀應為高值集聚為水資源承載力風險的冷點，低值聚集為水資源承載力風險的熱點。

3 研究結果與分析

3.1 計算結果

各指標權重計算結果見表3。計算結果顯示，權重排列前三的指標分別為人均水資源占有量、產水模數、城鎮化率。水資源承載指數計算結果見表4。水資源承載指數平均值為0.504，標準差為0.09。借鑒冉啟智等[12]、李乃強等[19]提出的等級劃分方法，基于各地市水資源承載指數，以反映流域內各區域水資源承載情況差異為目的，采用自然間斷點分級法把流域內各市水資源承載指數劃分為4級，具體分級標準見表5。流域水資源承載力評價等級劃分結果見圖1。

表3 各項指標組合權重

續表4 流域內各地市水資源承載指數計算結果

表5 水資源承載力等級劃分標準

圖1 流域水資源承載力評價等級劃分結果

3.2 流域水資源承載力分析

結果顯示，珠江流域整體水資源承載指數為0.504，水資源承載力級別為2級，表示流域整體水資源承載狀態一般，區域經濟社會發展仍處于水資源承載力的可載狀態。流域各區域水資源承載指數介于0.310～0.766，水資源承載狀況差異顯著，總體呈現中上游區域優于上游、中下游區域的空間格局。按主要水系劃分，珠江流域分為西江、北江、東江及珠江三角洲諸河等4個區域，珠江三角洲諸河區域水資源承載力等級以1級為主，表示該區域面臨較大的水資源承載壓力，東江流域水資源承載狀況亦不容樂觀，水資源承載力等級以1級、2級居多，北江流域水資源承載狀況相對良好，水資源承載力等級以3級為主，西江流域整體水資源承載狀況相對良好，但流域內各區域差異明顯，上游及中下游區域水資源承載力等級以2級為主，中上游水資源承載力等級達到3級。水資源承載指數最低的3個城市為深圳市、佛山市、廣州市，均位于珠江三角洲區域，3座城市發展勢頭強勁，人口密度過高且增長勢頭不減，給當地水資源承載帶來巨大壓力。

珠江流域水資源承載力差異顯著主要有兩大原因，一是流域內降水量分布極其不均，導致流域內水資源總量空間變幅大，總體上呈現出東西差異大、南北差異小、自東向西逐漸遞減的特點，流域西部地區水資源承載力較差正是由于地處河流上游源頭區，水資源稟賦條件差，開發利用難度大；二是流域內各區域社會經濟發展不平衡，珠江三角洲區域城鎮化快速發展，國土面積僅占流域6%，水資源總量僅占流域10%，承載了流域35%的人口，創造了流域60%的GDP，西部上游區域是云南省工農業經濟最發達，城市較集中區域，而流域中西部地區經濟較為落后，雖然人均水資源占有量豐富，但用水效率不高，人均GDP遠低于流域平均值，流域內出現水資源短缺與浪費使用并存現象。

3.3 水資源承載力風險識別

在ArcGIS支持下，對珠江流域水資源承載指數進行空間自相關(Global Moran’s I)分析，計算結果見表6。結果顯示，流域水資源承載指數p值小于顯著性水平0.05，即置信度大于95%，z得分顯著大于臨界值2.58，Moran’s I指數為0.43，表明水資源承載指數呈現空間集聚趨勢。

表6 珠江流域水資源承載力全局Moran’s I及其檢驗值

為進一步測度水資源承載力局部空間聚類分布特征，從不同置信水平的角度識別水資源承載指數的區域高低值特征，對珠江流域水資源承載指數開展冷熱點分析，分析結果見圖2。從承載力高風險區域來看，處于熱點-99%置信程度的城市有5個，分別為深圳市、東莞市、廣州市、佛山市、中山市，處于熱點-95%置信程度的城市為惠州市，處于冷點-95%置信程度的城市為邵陽市、懷化市，處于冷點-90%置信程度的城市為崇左市、防城港市、云浮市、永州市。分析結果顯示，流域絕大部份區域水資源承載力風險不顯著，高風險區域集中在珠江三角洲區域，該區域人口高度集聚，經濟社會快速發展，水資源供需矛盾突出。未來，珠三角廣東區域將加強與港澳地區的經濟、文化交流，建成富有活力和國際競爭力的一流灣區和世界級城市群，勢必要求更高的水資源利用水平和效率，更強的水資源供給能力，以支撐區域高質量發展。流域西部玉溪市雖然水資源承載力等級低，但熱點分析計算結果顯示z得分為1.34，p值為0.18，不是具有顯著統計學意義的熱點，因此該區域水資源承載力風險不顯著。

圖2 流域水資源承載力風險熱點分析

為緩解流域水資源承載壓力，在“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水思路引領下，流域機構連同相關省(自治區)開展《珠江“十四五”水安全保障規劃》《粵港澳大灣區水安全保障規劃》等規劃編制工作，提前謀劃，積極推進珠江三角洲水資源配置工程、環北部灣水資源配置工程等一批標志性的引調水骨干工程和重大水源工程，對提高流域水資源統籌調配能力和供水安全保障能力具有重要意義。

4 結論與討論

4.1 結論

流域整體水資源承載指數為0.504，水資源承載力級別為2級，流域整體水資源承載狀態一般。流域各區域水資源承載指數介于0.310～0.766，水資源承載狀況差異顯著，總體呈現中上游區域優于上游、中下游區域的空間格局，其中珠江三角洲區域面臨較大的水資源承載壓力，東江流域水資源承載狀況亦不容樂觀。

流域水資源承載狀況分布具有高度集聚態勢，熱點分析結果顯示，流域絕大部份區域水資源承載力風險不顯著，深圳市、東莞市、廣州市、佛山市、中山市等5個城市處于熱點-99%置信程度區間，為水資源承載力高風險區域，均集中在珠江三角洲區域。

4.2 討論

由于水資源系統本身的復雜性、隨機性和模糊性以及影響水資源承載能力因素的多方面性、多層次性等，學術界對水資源承載力的內涵與表征尚有分歧，水資源承載力相關研究必然還存在諸多科學問題有待明晰。

本研究參考眾多研究成果，綜合考慮流域水資源特征、社會經濟發展情況及生態環境等因素，選用使用頻率高的13項指標開展評價，評價指標體系具有一定代表性，但未考慮過境可用水量等因素，存在不同準則層所含指標數量差異較大等問題，指標體系完整性有待提高。研究采用組合賦權-TOPSIS模型開展評價，從表3可以看出主觀權重、客觀權重存在差異，差異較大的指標為人均水資源占有量、生態環境用水率，主要由于水資源、生態環境2個準則層所含指標數量差異較大導致生態環境用水率主觀權重計算結果偏大，同時各地市人均水資源占有量差異大導致該項指標客觀權重過大。本研究采用基于最小相對信息熵原理的乘法合成綜合權重，有助于避免單一權重偏大直接影響評價結果，在一定程度上提高了評價結果的科學性與準確性。

本研究與相關研究對比，總體來看研究結果基本一致，但存在部分差異。王菲等[16]分析結果顯示粵港澳大灣區2018年水資源承載狀況總體為臨界狀態，其中深圳、東莞為超載，主要原因為兩市水質達標率較低、COD及氨氮超出其限排總量，導致水質要素評價結果為超載。本研究結果顯示粵港澳大灣區中，除肇慶水資源承載力相對良好，江門、惠州一般，其他地市均相對超載，與研究結果[16]基本相符。李洋等[17]研究結果顯示廣西水資源處于富余狀態，高承載區主要集中于桂北，中等承載區主要集中于桂西，低承載區主要集中于桂中和桂東南。本研究結果顯示流域各省(自治區)中，廣西水資源承載力總體較好，呈現桂中、桂東南低，桂西、桂北高的分布格局，與研究結果[17]基本相符。王萬賓等[18]研究結果顯示云南滇中地區(昆明、曲靖、玉溪)水資源承載率較高，與本研究結果基本一致。本研究水資源承載力評價結果及承載力分布格局與第三次水資源調查評價結果基本一致。

本研究主要采用2018年數據進行分析，近年來，流域機構及相關省(自治區)深入落實最嚴格水資源管理制度，開展水資源承載能力監測預警機制建設有關工作，研究挖掘流域水資源調配工程的供水潛力，大力推進跨流域跨區域重大引調水工程建設，有效提升了流域水資源承載能力。近幾年水資源公報數據顯示，珠江流域人均綜合用水量、萬元GDP用水量、耕地實際灌溉畝均用水量、人均生活用水量、萬元工業增加值用水量等多項重要用水指標呈現下降趨勢，流域用水效率明顯提高，與此同時，云南德厚、云南阿崗、湖南莽山等一批供水重大水利工程建成發揮效益，供水保障能力進一步提升，流域水資源承載能力穩步提高。