基于“量-質-域-流”的山西省水資源承載力評價

李佳佳，張 龍

(1.山西省水利發展中心，山西 太原 030002；2.山西冶金巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

水資源承載力是反映地區水資源可持續發展的重要指標[1]，在十六字治水方針和四水四定政策背景下，區域水資源承載力是地區高質量發展的重要基礎。2020年黃河流域公布超載地區，山西省占黃河流域超載地區的61%。解決山西省水資源超載問題是山西高質量發展的重要環節，因此山西省水資源承載力研究是十分必要的。

1 研究區水資源概況

1956—2016年山西省多年平均水資源總量為118.6861億m3，山西人均水資源占有量為340m3，不到全國水平的1/5。以2021年數據為例，2021年全國水資源量為29638.2億m3，用水量為5920.2億m3，山西省2021年水資源量為207.9億m3，用水量為72.6億m3，水資源量僅占全國的0.7%，用水量僅占全國的1.2%，可見山西省水資源十分短缺。

2011—2021年山西省平均用水量為74.0億m3，其中農業用水43.6億m3，工業用水13.8億m3，生活用水13.0億m3，生態用水3.6億m3。如圖1所示，從歷年變化趨勢分析，用水量呈微弱下降趨勢。農業用水量呈下降態勢，但歷年農業用水比例均高于用水總量的55%。工業用水量呈下降態勢，生活用水量和生態用水量呈上升態勢。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究數據來源于《中國統計年鑒》《山西統計年鑒》《山西省水資源公報》《山西省生態環境狀況公報》。

2.2 研究方法

2.2.1“量-質-域-流”內涵

傳統水資源承載力研究多數集中在水量、水質方面。2017年王建華等人從水量、水質、水域空間、水流狀態4個維度闡述了水資源承載力的內涵，并構建了水資源承載力指標體系和評判準則[1][3-4]。

2.2.2評價指標構建

水資源承載力研究基本方法有經驗公式法、指標體系評價法[5-11]、系統分析法[12]。本研究采取指標體系評價法，遵循系統性、代表性、層次性、可獲得性、特點突出性的原則，從“量-質-域-流”4個方面選取17個指標構建山西省水資源承載力評價體系(見表1)。

表1 山西省水資源承載力評價指標體系

2.2.3評價指標權重確定

為避免單一方法賦權造成較大誤差，本研究采用層次分析法(AHP)和熵權法相結合確定各評價指標的權重，層次分析法(AHP)是一種主觀賦權法，熵權法是一種客觀賦權法，這樣既可以降低主觀因素的干擾，又能避免熵權法確定的指標與實際不符的情況，提高指標權重的精確度[7]。

(1)層次分析法(AHP)

層次分析法AHP是一種層次權重決策分析方法，運用于多個學科領域。計算過程如下：

①建立判斷矩陣。通過專家量化打分法1—9分進行指標相對重要性判斷，建立判斷矩陣U=(μij)n×n。μij為第i個指標相對于第j個指標的重要程度量化值。

②通過層次排序，推求判斷矩陣的最大特征值λmax和特征向量ω，并進行一致性檢驗。

③如果一致性比率CR<0.1或者λmax=n，對求得的特征向量ω進行標準歸一化處理，得到的向量ωj為各評價指標的權重。

(2)熵權法

熵權法通過利用各指標的信息差異程度計算熵權，其計算結果與指標的樣本數量和樣本信息相關，當樣本信息越多，不確定性就越小，熵權也就越小[5]。主要計算過程如下：

①樣本信息標準化和歸一化處理。

(1)

(2)

式中，xij、αij、αij′—第j個指標第i年的原始樣本數據、標準化后的數據、歸一化后的數據；xjmax、xjmin—第j個指標的最大值和最小值；m—樣本數量(評價指標年份數)；n—評價指標個數。

②計算評價指標熵值。

(3)

③計算評價指標熵權。

(4)

④組合權重計算

(5)

2.2.4水資源承載力評價模型TOPSIS模型

TOPSIS模型核心原理是通過計算評價指標與最優、最劣理想解之間的距離，對評價指標進行優劣排序，主要計算過程如下：

(1)構建初始矩陣，將初始矩陣標準化處理。將評價指標樣本構建成一個m×n的初始矩陣，然后通過式(1)的方法將初始矩陣標準化處理后得到矩陣A=(αij)m×n。

(2)構建加權矩陣。式(5)確定的權重，與標準化后得到的矩陣A=(αij)m×n通過Z=PA加權計算，得到矩陣Z=(zij)m×n。

(6)

(4)計算評價指標與最優解和最劣解之間的歐式距離

(7)

(5)計算貼近度

(8)

貼近度Ci取值范圍為0-1，取值越接近1，表明第i年的水資源承載能力越接近最優方案，最終按照各評價年份接近度由大到小進行排序。

2.2.5障礙因子診斷

障礙因子診斷是為了判斷區域水資源承載力主要影響指標，從而為提高水資源承載力提供可靠的建議。計算步驟如下：

(1)計算評價指標的貢獻度Fj

Fj=PP*

(9)

(2)計算評價指標偏離度Gj

Gj=1-αij

(10)

(3)計算評價指標障礙度Hj

(11)

3 計算結果與分析

3.1 評價指標權重計算結果及分析

本次研究利用層次分析法(AHP)和熵權法分別計算評價指標權重，并根據式(5)計算組合權重，計算結果見表2，如圖2所示。從計算結果分析，層次分析法(AHP)和熵權法計算權重基本趨勢是一致的。從維度上分析，熵權法水量和水質權重較大，層次分析法(AHP)水量和水域權重較大。從權重上來說，人均水資源量最大，森林覆蓋率和廢水排放量最小，這與山西省水資源短缺的現狀是相符合的。兩種方法計算結果稍有差距，本研究采用兩者計算的組合權重作為各評價指標的最終權重，權重占比較大的幾個評價指標為人均水資源量、產水模數、人均用水量、水功能區達標率、氨氮、萬元工業增加值用水量。

表2 評價指標權重計算結果表

圖2 評價指標權重計算結果雷達圖

3.2 水資源承載力計算結果及分析

結合以往的研究基礎[8]，將貼近度Ci劃分為5個等級，(0，0.25]、(0.25，0.4]、(0.4，0.7]、(0.7，0.8]、(0.8，1.0]分別代表Ⅴ級(嚴重超載)、Ⅳ級(超載)、Ⅲ級(臨界)、Ⅱ級(弱可承載)、Ⅰ級(可承載)。根據計算結果(見表3)，2011—2021年山西省水資源承載能力呈緩慢上升趨勢，界于Ⅳ級(超載)、Ⅲ級(臨界)之間。

表3 2011—2021年山西省水資源承載力評價結果表

2011—2015年水資源承載能力都是超載，2016—2021年除2017年以外都是臨界值，說明山西省水資源承載能力得到一定的提升。根據分析權重占比較大的評級指標歷年數據，2011—2015年山西省水資源超載能力均處于超載狀態是由于萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量較大、廢水中氨氮排放量較高、水功能區達標率較低引起的，反映出2011—2015年山西省經濟發展模式沒有達到高質量發展。2016—2021年隨著水功能區達標率的提高，氨氮排放量減少，萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量逐年減少，水資源承載能力得到一定改善。2015—2017年山西省水資源超載能力出現較大變化，是由于人均水資源量和水功能區達標率變化較大引起的。2011—2021年山西省水資源承載力評價結果見表3。

3.3 水資源承載力障礙因子診斷及分析

根據式(9)—(11)，山西省水資源承載能力障礙因子主要為人均水資源量、人均用水量、產水模數、萬元工業增加值用水量、水資源開發利用率、萬元GDP用水量、水功能區達標率，與權重占比較大的指標基本相同。人均水資源量為最大的障礙因子，說明山西省天然水資源稟賦不夠，人均用水量、萬元工業增加值用水量等障礙因子說明山西省用水結構和用水效率存在一定的問題。從維度上分析，水量和水質仍是影響水資源承載力的主要因子，水域和水流對水資源承載力影響相對較小。主要障礙度因子計算結果見表4

表4 主要障礙度因子計算結果表

4 結論及建議

4.1 結論

(1)通過分析山西省水資源情況，山西省水資源面臨水資源量短缺、供水結構亟待完善、用水結構中農業用水占比偏大等問題。

(2)根據水資源承載力評價結果分析，2011—2021年山西省水資源承載能力呈緩慢上升趨勢，界于Ⅳ級(超載)、Ⅲ級(臨界)之間。

(3)根據障礙因子診斷結果，人均水資源量、人均用水量、產水模數、萬元工業增加值用水量、水資源開發利用率、萬元GDP用水量、水功能區達標率評價指標是影響山西省水資源承載力的主要指標，水量和水質仍是影響水資源承載力的主要因子，水域和水流對水資源承載力影響相對較小。

4.2 建議

(1)本研究從整體上分析山西省水資源承載能力，忽略了區域差異性，下一步將從行政區劃分角度、流域劃分角度，從不同承載力研究方法，研究山西省水資源超載能力，為山西省水資源管理提供可靠的參考。

(2)通過分析山西省水資源承載能力，水資源承載能力雖然有一定的提升，但是仍然面臨著很多挑戰。山西省需要從優化產業布局，完善水資源配置、健全水資源管理體系、加強再生水利用、節約用水、水源置換、關井壓采等方面全方位、多措施強力推進超載治理。