基于層次分析法和變異系數法的酒泉市水資源承載能力分析評價研究

姜 鋒，張百祖

（1.甘肅省水文站，蘭州 730000；2.甘肅省酒泉水文站，甘肅 嘉峪關 735100）

水資源是影響人類社會生存和發展的基礎性、戰略性資源，是生命之基，一個區域的水資源狀況是制約與影響地區經濟社會發展的重要因素。作為一種可再生資源，水資源的數量是有限的，使用得當可以可持續利用，使用不當則會造成資源枯竭，生態環境惡化等問題，因此，研究某個區域的水資源承載能力對指導地區水資源優化配置、水資源規劃具有重要意義，對實現人與自然和諧發展的提供重要的理論支撐。從習近平總書記在中央財經領導小組第五次會議上提出“十六字”治水思路，到總書記在深入推動黃河流域生態保護和高質量發展座談會講話中提出“四水四定”的治水方針，無不體現了國家對中國水資源現狀的深刻認識以及對水資源開發利用發展路徑的明確判斷。中國的各個地區均有不同程度的土地、人口、經濟與水資源不相匹的問題，協同推進“四水四定”是實現區域經濟社會協調發展的關鍵，其中水資源是紐帶，如何合理開發利用水資源——“適度”是關鍵。

資源承載能力的研究源于土地資源承載能力[1]，20世紀70年代以來全球資源消耗加劇、生態環境惡化、土地開發利用過度等現象出現后專家和學者們開始了這方面的研究[2]。水資源與土地資源同屬自然資源，與土地資源一樣，無序的開發利用會造成資源浪費和枯竭，最終影響人類社會的可持續發展，而如果考慮到資源的適度利用，則會使資源與人口、經濟等社會發展形成一個良性的循環體系[1]，取得最大的資源利用效益和經濟社會發展效益，實現區域的健康可持續發展。近年來，隨著水資源越來越受到國家和社會各界的關注，水資源承載能力成為了一項研究熱點，根據研究需求，水資源承載能力的研究主要有3個體系，即水資源開發規模論、水資源支持持續發展能力論、水資源承載最大人口論[3]。張華安等[4]以石羊河流域為例，采用工業、生活、生態和農業多目標優化的方法，分析研究了石羊河流域2020年的水資源承載力；黃昌碩等[2]從“經濟社會—水資源—生態環境”系統互饋機理岀發，采用系統動力學等多種方法，建立水資源承載力定量動態預測模型，為流域水資源管理工作提供指導借鑒；宗鑫[5]利用系統動力學方法，構建了甘肅省水資源承載能力SD 模型，對甘肅省水資源承載能力和結構性需水進行預測。可以發現，對于西北內陸缺水地區來說，人口密度較小、經濟社會發展水平落后于東南沿海地區，人口和經濟社會發展仍有較大潛力，承載力較大，而水資源的開發和利用是制約地區發展的重要因素。

本文以水資源開發規模論為基礎，構建酒泉市水資源承載能力指標體系，通過層次分析法和變異系數法[6]對酒泉市的水資源承載能力進行量化計算，評價其水資源承載能力的相對大小，對比2種方法的優缺點，探索提升區域水資源承載能力的途徑，為區域水資源管理和發展規劃提供指導。

1 區域概況

酒泉市是甘肅省最大的地級城市，與內蒙古自治區、新疆維吾爾族自治區、青海省均有接壤，是河西走廊地區的重要交通要道，也是絲綢之路經濟帶上的重要城市。酒泉市整體地勢南高北低，南部為祁連山地區，層峰疊嶂，海拔3 000～5 000 m，4 000 m 以上的地區有現代冰川分布，是河流的發源地，山間有盆地，如蘇干湖盆地、昌馬堡盆地、酒泉盆地等。酒泉市境內河流屬內陸河流域的疏勒河、黑河、哈爾騰河3 大水系，水資源量年際變化差異明顯，年內分布不均，多年平均降水量81.8 mm，多年平均水資源總量14.98 億m3，水資源可利用總量30.39 億m3，人均水資源占有量1 329 m3，畝均水資源占有量383 m3，雖略高于甘肅省平均水平，但沙漠綠洲生態環境脆弱，需要大量的水資源維持，且酒泉市為甘肅省農業大市，灌溉農業的發展使河流的地表徑流完全受人為控制，人類活動對當地生態環境演化、經濟發展的影響前所未有，水資源開發利用程度高，水資源短缺已是制約當地經濟社會發展的重要原因。

2 評價體系的構建

國內外專家學者對水資源承載能力沒有統一明確的定義，本文根據學者施雅風[7]的定義進行分析研究，即水資源承載能力是一個區域的水資源在一定社會經濟發展階段，在保障社會和生態的前提下，能夠最大承載農業、工業、人口和城市規模的能力，是隨著經濟社會和科學技術的發展變化而變化的。本文通過綜合指標體系法對水資源承載能力進行量化計算，從而判斷一個地區的水資源承載能力的相對大小。首先將影響水資源承載能力的多項指標通過建立各自不同的數學模型進行量化計算，確定相應的評分，并通過層次分析法和變異系數法確定不同指標的權重，最終確定區域的水資源承載力。

評價體系構建了水資源自然凜賦、經濟社會對水資源和環境對水資源3個子評價體系（見表1）。其中水資源量自然凜賦子評價體系包括人均自產水資源量、畝均自產水資源量、產水模數3個指標；經濟社會對水資源子評價體系包括人均用水量、萬元GDP 用水量、萬元工業增加值用水量、城鎮居民人均綜合用水量、農村居民人均生活用水量、農田灌溉畝均用水量6個指標；生態環境對水資源子評價體系選擇廢污水排放量1個指標。子評價體系之間相互制約相互影響，系統客觀的反映了地區的水資源承載能力。

2.1 構建指標模型

影響水資源承載能力的指標均有量綱且單位不一致，需對其進行歸一化處理，處理方法有極值標準化法、標準值法、對數函數法[6]等，前2 種方法假定了指標與承載能力之間是線性關系，但并非每一項指標都符合這種關系，本文結合單項指標的“差—及格—良好—最優”標準所對應數據的變化趨勢選擇對數函數關系來進行標準化，構建承載力數學計算模型，確定相應指標的評分。即：

式中：y為因變量，即相應的指標評分；x為自變量，即初始指標值；a和b均為模型參數。

2.2 指標權重確定

2.2.1 層次分析法

層次分析法是水資源評價指標體系最常用的方法之一，本文通過美國著名運籌學家Saaty的9標度法[8]對同一層次兩兩指標之間的相互關系構建判斷矩陣，得出兩指標之間的相對重要程度（aij和aji)，即：

指標權重確定分為3個步驟：

（1）通過歸一化處理，計算A的最大特征值λmax和特征向量W。

（2）一致性判斷：

式中：RI代表平均隨機一致性指標，與判斷矩陣的階n有關，是一個統計常數；CI為一致性指標；CR為一致性比例，僅當CR＜0.1時才可通過檢驗。

（3）通過檢驗后，最大特征值λmax所對應的特征向量W的各個分量即為該層級各指標對應權重。

2.2.2 變異系數法

原理：指標取值差異越大的指標是越難以實現的指標，越能反映被評價單位的差距。即：

式中：vi為第i項指標的變異系數；σi為第i項指標的標準差；xi為第i項指標的平均數；Wi為指標權重。

2.3 綜合承載能力計算

根據各項指標的承載力評分和指標權重，計算區域的綜合承載能力。

式中：Wi為指標權重；Ei為各單項指標承載力評分。

評價等級劃分見表2[9]。

表2 評價等級劃分Tab.2 The table of evaluation level classification

3 水資源承載能力評價分析

3.1 評價指標體系與指標模型構建

本文單項指標的承載度評價標準分為最差、及格、良好、優秀4 個等級，分別賦分為0、0.6、0.8、1.0 分，依據國家級生態市建設指標、國家生態文明建設示范市指標、考核指標、國際公認的部分標準以及參考相關學者已有成果[6,10,11]，綜合考慮構建不同指標的數學計算模型，見表3。指標越大承載力越大為正向指標（表示為“+”)，指標越小承載力越大為負向指標（表示為“-”)，本文所選10 個單項指標中正向指標6個，負向指標4個。

表3 各項指標的數學計算模型Tab.3 Mathematical calculation models for various indicators

3.2 指標權重分析

通過層次分析法和變異系數法對影響水資源承載能力的10 項指標進行了指標權重分析。其中層次分析法是水資源承載能力分析中廣泛使用的一種方法，是一種定性定量兼有的決策分析手段，它通過建立層次結構，構造判斷矩陣確定指標權重，由于該方法是通過Saaty 的9 標度法將兩兩指標間的重要程度進行量化，使得層次分析法確定的指標權重具有一定的主觀因素影響。因此，本文又引入了變異系數法，根據指標的差異程度大小，判斷指標在評價體系中的重要程度，這種方法僅與指標自身的變化情況有關，具有一定的客觀性。2 種方法確定的指標權重見表4。

表4 層次分析法和變異系數法確定各指標權重Tab.4 Analytic hierarchy process and coefficient of variation method for determining the weights of each indicator

4 水資源承載能力評價

4.1 單項指標的承載力評價結果

查閱《甘肅省水資源公報》《甘肅省統計年鑒》等相關資料，統計酒泉市2010-2021年各項指標的原始數據，通過本研究確定的各項指標數學模型，得出各單項指標歷年的承載力，見表5，單項指標承載力值為負數時，認為不可承載，承載力記為“0”，計算承載力值大于1，認為完全可承載，承載力記為“1”。

表5 單項指標的承載力評價結果Tab.5 Evaluation results of bearing capacity of individual indicators

從圖1 可以看出，2010-2021 年，酒泉市的人均自產水資源量的承載力呈先緩慢增長2018 年后開始下降，與酒泉市的歷年水資源量變化情況一致；畝均自產水資源量承載力呈緩慢下降趨勢；產水模數的承載力為0，人均用水量的承載力為1；萬元GDP 用水量的承載力呈逐年上升趨勢；萬元工業增加值用水量承載力變化較為復雜，2010-2012年下降，2013-2014 年上升，2015-2016 年下降，2017 年以后呈上升趨勢；城鎮居民人均生活用水量的承載力較為穩定，近10 a 的變化較小；2010-2019 年農村居民人均生活用水量承載力穩定，2020-2021 年承載力顯著上升；2010-2017 年農田灌溉畝均用水量的承載力為0，2018 年后承載力緩慢上升；廢污水排放量的承載力多年來較為穩定。

圖1 單項指標承載力變化趨勢Fig.1 Change trend of single indicator bearing capacity

4.2 酒泉市水資源承載能力評價

根據表4 和表5 計算的各單項指標權重和承載力，量化分析酒泉市近10 a 的水資源承載能力，不同分析法得到的水資源承載力結果見表6和圖2。

圖2 酒泉市水資源承載力變化趨勢線Fig.2 Trend line of water resource carrying capacity in Jiuquan City

表6 酒泉市水資源承載能力量化評價Tab.6 Quantitative evaluation form of water resource carrying capacity in Jiuquan City

從表6 和圖2 看出，層次分析法評價得出的酒泉市力承載能力小于變異系數法的評價結果。層次分析法結果表明，2010-2021年，酒泉市水資源承載能力等級均為Ⅱ級，水資源輕度超載，多年來變化趨勢不太明顯；變異系數法表明，2010、2013、2014、2018-2021 年酒泉市水資源承載力等級為Ⅲ級，水資源瀕臨超載，其余年份酒泉市的水資源承載力等級為Ⅱ級，水資源輕度超載。

從評價體系分析，單項指標權重是影響評價成果的重要因素，因此，進一步對比分析單項指標對變異系數法和層次分析法的評價結果影響。層次分析法的人均自產水資源量、畝均自產水資源量、產水模數和廢污水排放量的指標權重較高，指標總權重為0.79，廢污水排放量在近10 a的變化趨勢均較為平緩，其余3 項指標均從2019 年起有較為顯著的變化，圖2 顯示層次分析法評價結果從2019 年起有顯著變化，但變化幅度較小，評價等級仍為Ⅱ級，這3項指標均為自然凜賦指標，判斷層次分析法對酒泉市水資源承載力評價更偏重于自然凜賦，在人口、耕地率變化不大時，經濟社會對水資源承載力的影響程度較小。變異系數法的人均自產水資源量、畝均自產水資源量、萬元工業增加值用水量、農村居民生活人均日用水量4 項指標的權重較高，指標總權重為0.57。從圖1中看出，萬元工業增加值單項指標承載力在2013-2014 年、2017-2021 年發生2 次較為明顯的變化，人均自產水資源量、畝均自產水資源量、農村居民生活人均日用水量在2020-2021年變化明顯，4 者綜合作用主導了變異系數法的評價成果，4項指標中2 項為自然凜賦、2 項為經濟社會指標，涉及影響水資源承載能力的2大子體系，且指標權重占比相近，認為較層次分析法，變異系數法的指標權重分析和評價體系構建更加綜合全面。此外，2020 年以來，國家正式實施《用水統計調查制度》，用水統計調查對象的精細化和統計手段的創新使全國的用水統計數據質量和統計分析水平均有顯著提高，與以往的水資源開發利用調查評價相比，2020 年之后的地區水資源開發利用評價應有較明顯的變化。綜合分析，認為本次酒泉市水資源承載能力評價，變異系數法的評價結果更符合酒泉市的實際情況。

5 結論和展望

基于水資源承載力單項指標數學模型，分析評價了2010-2021 年酒泉市人均自產水資源量、畝均自產水資源量、產水模數、人均用水量、萬元GDP 用水量、萬元工業增加值用水量、城鎮居民人均綜合用水量、農村居民人均生活用水量、農田灌溉畝均用水量、廢污水排放量10 項指標的水資源承載力變化情況，并結合層次分析法和變異系數法，對酒泉市水資源承載力進行量化評價，最終得出以下結論。

（1）2010-2021年酒泉市的人均自產水資源量、萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量、農村居民人均生活用水量、農田灌溉畝均用水量等5項指標的變化較為顯著，對全市的水資源承載能力有較大的影響。

（2）層次分析法結果表明，2010-2021年，酒泉市水資源承載能力等級為Ⅱ級，水資源輕度超載。

（3）變異系數法分析結果表明，2010、2013、2014、2018-2021年酒泉市水資源承載力等級為Ⅲ級，水資源瀕臨超載，其余年份酒泉市的水資源承載力等級為Ⅱ級，水資源輕度超載。

（4）結合水資源承載力各單項指標的權重占比和變化趨勢分析以及近年來國家、地方的水資源開發利用發展路徑和管理制度，認為變異系數法的分析結果更接近酒泉市水資源承載能力實際情況。

依據本文的分析評價結果，近年來酒泉市的水資源承載能力仍瀕臨超載，作為水資源嚴重短缺的城市，建議從以下方面著手提高全市的水資源承載能力。

（1）提高工業用水效率和工業用水重復利用率。從單項指標承載力評價結果可以發現，酒泉市的萬元工業增加值用水量仍處于較低水平，承載力較差，說明酒泉市的工業節水仍存在較大潛力，需通過優化產業結構、進行工業節水改造、嚴控高耗水行業用水增量、鼓勵使用再生水等策略來提高全市工業用水效率。

（2）大力發展高效節水灌溉農業，嚴格灌溉用水制度，實施農業用水精細化管理。酒泉市為典型的農業城市，農業用水量占全市總用水量的85%以上，因此，提高農業用水效率、大幅度減小農業用水是提高酒泉市水資源承載能力的重要手段。

（3）促進地方經濟發展模式轉變，強化水資源剛性約束要求，實施最嚴格水資源管理考核制度，加大節水宣傳，提高公民和企業節約用水意識，有效提升水資源調蓄、雨洪資源利用能力。