王 麗,畢佳成,向 龍,陳 星
(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,陜西 西安 710071)
基于“五水共治”規(guī)劃的水資源承載力評(píng)估
王麗1,畢佳成2,向龍1,陳星1
(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京210098; 2.西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,陜西 西安710071)
摘要:為了評(píng)價(jià)“五水共治”綜合規(guī)劃實(shí)施后水資源承載力變化情況,以臨海市為研究對(duì)象,選取了17項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用主成分分析法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行降維處理,建立水資源承載力變化驅(qū)動(dòng)因子的多元線性回歸模型,提取水資源自然支持力、社會(huì)生活水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平3個(gè)子系統(tǒng)的主成分,并用熵值法對(duì)子系統(tǒng)賦權(quán),計(jì)算水資源承載力綜合得分,并進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:“五水共治”綜合規(guī)劃實(shí)施后,臨海市水資源承載力有明顯提高,治污、開(kāi)源、節(jié)流是提升水資源承載力的主要因素。
關(guān)鍵詞:五水共治;水資源承載力;主成分分析;熵值法;臨海市
水資源承載力研究起源于20世紀(jì)80年代末,迄今為止學(xué)術(shù)界對(duì)于水資源承載力的概念尚未做出統(tǒng)一明確的界定。施雅風(fēng)等[1-2]認(rèn)為水資源承載力是某一地區(qū)的水資源在一定社會(huì)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展階段在不破壞社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)時(shí)最大可承載的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市規(guī)模和人口水平。國(guó)內(nèi)外常用的水資源承載力評(píng)價(jià)方法主要有主成分分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、常規(guī)趨勢(shì)法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法、多目標(biāo)決策分析法。李林等[3]運(yùn)用最小二乘建模,借助主成分分析法與其他數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析法,提取變量主成分,避免了變量之間的多重相關(guān)性;趙楠等[4]使用主成分綜合分析法對(duì)北京市的水資源承載力進(jìn)行指數(shù)化分析,得到水資源承載壓力度;邵磊等[5]基于主成分分析法建立了太原市水資源承載力模型,計(jì)算出太原市水資源承載力的演變趨勢(shì);季妤等[6]繼續(xù)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行討論,在得到評(píng)價(jià)結(jié)果后,應(yīng)用聚類(lèi)分析法對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。這些方法各具特點(diǎn),應(yīng)用過(guò)程中難免存在缺陷。模糊綜合評(píng)判法的取大取小計(jì)算方法將會(huì)丟失部分有用信息,因?yàn)樵u(píng)價(jià)因素越多,失誤的可能性越大,使模型利用率偏低。筆者針對(duì)參數(shù)變量之間信息交叉的問(wèn)題,采用主成分分析法,通過(guò)降維對(duì)高維變量進(jìn)行簡(jiǎn)化綜合,并采用熵值法確定權(quán)重,以避免主觀隨意性。
浙江省委省政府響應(yīng)黨的十八大提出的把水生態(tài)文明建設(shè)放在突出位置的號(hào)召,首次提出積極推廣“治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節(jié)水”的“五水共治”工作,以實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。筆者以《臨海市“五水共治”綜合規(guī)劃》為基礎(chǔ),劃分水資源自然支持力、社會(huì)生活水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平3個(gè)子系統(tǒng),采用主成分分析法提取各個(gè)方面的主成分,運(yùn)用熵值法優(yōu)化各子系統(tǒng)的權(quán)重,評(píng)估臨海市水資源承載綜合能力,判斷“五水共治”的實(shí)施能否提高臨海市水資源承載力。
1“五水共治”與水資源承載力
1.1“五水共治”的含義
“五水共治”是指治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節(jié)水,以實(shí)現(xiàn)人水和諧的生態(tài)文明建設(shè)為目標(biāo),把保護(hù)水資源的可持續(xù)利用與區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的新需求有機(jī)結(jié)合起來(lái),采取工程和非工程措施,以治水為突破口倒逼經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型,保障社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展,促進(jìn)節(jié)能減排工作。
1.2“五水共治”與水資源承載力之間的關(guān)系
水資源承載力反映了區(qū)域資源、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)之間的動(dòng)態(tài)變化,以未來(lái)人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展為著眼點(diǎn),強(qiáng)調(diào)資源生態(tài)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的相互制約、相互依存的關(guān)系?!拔逅仓巍焙诵氖峭ㄟ^(guò)“五水”工程實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè),即,治污,嚴(yán)格控制河道排污量,改善水質(zhì);保供,提高水資源開(kāi)發(fā)利用率,促進(jìn)開(kāi)源;抓節(jié),實(shí)行用水總量用水效率控制,杜絕浪費(fèi);防洪排澇,嚴(yán)格保障城市水安全達(dá)標(biāo)建設(shè)。
實(shí)施“五水共治”工程,通過(guò)限制用水總量和提升用水效率,并且提高城鎮(zhèn)污水處理率,減少河道排污量,改善河道水質(zhì),通過(guò)改善水系統(tǒng)循環(huán)功能,提高水資源自然支持力子系統(tǒng)。
實(shí)施“五水共治”工程,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型,有助于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。通過(guò)用水總量和用水效率控制,限制和關(guān)閉高耗水高污染型企業(yè),鼓勵(lì)建設(shè)高科技、節(jié)能型、環(huán)保型企業(yè),對(duì)提升經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)起到關(guān)鍵作用。
因此,“五水共治”是基于水資源承載力來(lái)實(shí)施的,后者是前者要達(dá)到的目的,前者是后者的實(shí)現(xiàn)途徑。
2評(píng)價(jià)方法的選擇
2.1主成分分析法
主成分分析法體是在保證原始數(shù)據(jù)信息損失最小的前提下,把原來(lái)多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)綜合指標(biāo)的一種統(tǒng)計(jì)分析方法[7-8]。綜合指標(biāo)不僅保留了主要信息,而且彼此之間相互獨(dú)立,相對(duì)于原始變量更具有優(yōu)越性,使得進(jìn)行評(píng)價(jià)工作時(shí)更易抓住主要矛盾。主成分分析步驟如下:
a. 設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象,m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)形成m×n矩陣,將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。
(1)
b. 計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣R=(rij)m×n,rij為指標(biāo)i與指標(biāo)j之間的相關(guān)系數(shù)。
(2)
(3)
2.2熵值法
熵值法作為一種客觀綜合評(píng)價(jià)方法,主要是根據(jù)各指標(biāo)的信息量大小來(lái)確定其權(quán)重。如果指標(biāo)的信息量越小,該指標(biāo)提供的信息量則越大,在綜合評(píng)價(jià)中所起作用也就越大,權(quán)重就越高[9]。本文采用熵值法確定影響水資源承載力的水資源自然支持力、社會(huì)生活水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平3個(gè)子系統(tǒng)的權(quán)重,能夠最大限度地消除水資源承載力評(píng)價(jià)中的不確定性。熵值法計(jì)算步驟如下:
a. 建立7年17個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣R=(xij)7×17,進(jìn)行歸一化處理,對(duì)于正指標(biāo),按式(4)進(jìn)行處理,對(duì)于逆指標(biāo),按式(5)進(jìn)行處理。
(4)
(5)
b. 計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值,其中,若yij=0,則ej=0,且0≤ej≤1。
(6)
c. 計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重wj。
(7)
2.3主成分分析法和熵值法聯(lián)合
采用主成分分析法和熵值法聯(lián)合求解,能夠較客觀地反映研究區(qū)的水資源承載力變化情況,避免變量之間的信息量重復(fù)和權(quán)重選擇的主觀隨意性,比較準(zhǔn)確地反映層次分析中的最后綜合得分F。
(8)
3典型區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)
3.1研究區(qū)概況
圖1 臨海市規(guī)劃年人口預(yù)測(cè)趨勢(shì)
圖2 臨海市不同年份人均GDP和用水量趨勢(shì)
臨海市按照“全面建設(shè)三大示范,實(shí)現(xiàn)千年古城新崛起”的戰(zhàn)略,主攻東部海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展示范區(qū),全力建設(shè)中心城市,這就要求臨海市在追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)注重水資源的保障。根據(jù)《臺(tái)州市水資源公報(bào)》(2013年),臨海市水資源較為豐富,多年平均降雨量1 685 mm,但水資源時(shí)空分布不均勻,加上地形地勢(shì)原因,臨海市局部水資源問(wèn)題突出:降雨多時(shí),要迅速排除雨水以保證防洪安全;降雨少時(shí),則局部地區(qū)干旱缺水。2013年臨海市污水排放量達(dá)到3 530萬(wàn)t,COD、NH3-N入河量分別為18 845.8 t和2 007.7 t,城區(qū)和東部平原地區(qū)污染物超標(biāo)嚴(yán)重,尤其東部沿海地處平原區(qū),水體流動(dòng)性差,水質(zhì)超標(biāo)率100%,百里大河、桃渚港水質(zhì)均為劣V類(lèi)。近幾年臨海市水資源承載力逐漸下降。臨海市規(guī)劃年的人口、人均GDP、用水量預(yù)測(cè)見(jiàn)圖1~2,根據(jù)《臨海市“五水共治”綜合規(guī)劃》要求,擬解決臨海市“治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節(jié)水”問(wèn)題,提高水資源承載力,開(kāi)展臨海市生態(tài)文明建設(shè)。筆者通過(guò)評(píng)價(jià)規(guī)劃前后水資源與社會(huì)人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境、水資源開(kāi)發(fā)利用狀況之間的協(xié)調(diào)程度,評(píng)價(jià)規(guī)劃年臨海市水資源是否能夠保證區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。
3.2指標(biāo)體系的構(gòu)建
筆者對(duì)臨海市水資源承載力指標(biāo)的選擇,充分考慮區(qū)域特點(diǎn)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不平衡和水資源開(kāi)發(fā)利用程度,具體遵循以下幾個(gè)方面原則:科學(xué)性,整體性,動(dòng)態(tài)性,定性分析與定量分析相結(jié)合,簡(jiǎn)明、實(shí)用、可行[10]。構(gòu)建的臨海市水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見(jiàn)表1。
表1 臨海市水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
3.3基于熵值的主成分分析
筆者構(gòu)造了水資源自然支持力、社會(huì)生活水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平3個(gè)子系統(tǒng),以水資源自然支持力子系統(tǒng)為例,利用SPSS 19.0對(duì)子系統(tǒng)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣,求得相關(guān)矩陣的特征值與貢獻(xiàn)率,結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出,前2個(gè)主成分的特征值大于1,且累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到90.35%,因此選取主成分F1、F2進(jìn)行分析,這兩個(gè)主成分可以反映水資源指標(biāo)的大部分信息,對(duì)應(yīng)的兩個(gè)特征值分別為2.468、2.050。
表2 水資源子系統(tǒng)主成分特征值、貢獻(xiàn)率
通過(guò)SPSS 19.0進(jìn)一步計(jì)算旋轉(zhuǎn)主成分載荷矩陣。主成分載荷反映了主成分與變量之間的相關(guān)關(guān)系,特征值λ1和λ2的特征根向量即主成分因子得分,兩個(gè)主成分與各指標(biāo)的關(guān)系式為
(9)
0.042X14-0.155X15
(10)
將主成分F11和F12與客觀權(quán)重相乘,得到水資源自然支持力的綜合評(píng)價(jià)值。采用同樣的方法和步驟對(duì)其他2個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行主成分分析,得到社會(huì)生活水平子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平子系統(tǒng)的主成分均為2個(gè)。根據(jù)最大熵值法確定3個(gè)子系統(tǒng)在研究區(qū)水資源承載力中的權(quán)重值WA:水資源自然支持力子系統(tǒng)權(quán)重W1為0.281,社會(huì)生活水平子系統(tǒng)W2為0.206,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平子系統(tǒng)W3為0. 513,則水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算公式為
FZ=0.281F1+0.206F2+0.513F3
(11)
水資源承載力綜合評(píng)價(jià)值數(shù)FZ與水資源自然支持力評(píng)價(jià)指數(shù)F1、社會(huì)生活水平評(píng)價(jià)值數(shù)F2和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平評(píng)價(jià)值數(shù)F3有關(guān)。根據(jù)上述計(jì)算方法得到臨海市水資源承載力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,見(jiàn)表3和圖3。
表3 臨海市水資源承載力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果
圖3 臨海市水資源承載力評(píng)價(jià)指數(shù)值
3.4評(píng)價(jià)結(jié)果分析
主成分得分的正負(fù)代表自然支持能力、社會(huì)生活水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相對(duì)水平,正值表示處在平均水平之上,負(fù)值表示處在平均水平之下,綜合得分值越大,水資源承載力越大,說(shuō)明社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水資源開(kāi)發(fā)利用狀況、生態(tài)環(huán)境之間的協(xié)調(diào)程度越好。
根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,得出以下結(jié)論:
a. “五水共治”綜合規(guī)劃提升了水資源承載力。2007—2013年,隨著人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,臨海市用水量日益激增,水資源承載力逐漸降低。2013—2030年,“五水共治”實(shí)施之后,通過(guò)提高城鎮(zhèn)污水處理率,消除黑臭河道,改善生態(tài)環(huán)境,水域功能達(dá)標(biāo)率從73%提到高100%,同時(shí)提升水資源開(kāi)發(fā)利用程度,增加可供水量1.15億m3,水資源自然支持力增大,從而能夠更好地為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供保障。到2030年,臨海市GDP達(dá)到1525億元,總?cè)丝谶_(dá)到165萬(wàn)人,相對(duì)于2013年,分別增加了673億元、46.55萬(wàn)人。
b. “治污水”、“保供水”和“抓節(jié)水”是提升水資源自然支持力的關(guān)鍵。隨著社會(huì)生活水平的提升、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,用水量大幅提升,環(huán)境污染日益嚴(yán)重,導(dǎo)致水資源自然支持力快速下降,評(píng)價(jià)指數(shù)從2007年的3.208降到2012年的-1.507。面對(duì)嚴(yán)峻形勢(shì),浙江省臨海市實(shí)施“五水共治,治污先行”,城鎮(zhèn)污水處理率從2012年的56%提高到2030年的98%,可供水量增加到4.72億m3,用水總量控制在4.72億m3,因此水資源自然支持力回升到1.923,為實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的水資源基礎(chǔ)。
c. 經(jīng)濟(jì)發(fā)展是影響資源、生態(tài)的關(guān)鍵因素。經(jīng)濟(jì)發(fā)展子系統(tǒng)的權(quán)重為0.513,社會(huì)生活子系統(tǒng)的權(quán)重為0.206, 水資源承載力是集資源生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)為一體的系統(tǒng),三者相互制約、相互關(guān)聯(lián),資源生態(tài)是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ),經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平反映資源生態(tài)狀況,因此要保障水資源承載力,就必須提高資源生態(tài)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展之間的協(xié)調(diào)程度。
4結(jié)語(yǔ)
采用利用主成分分析法和熵值法對(duì)規(guī)劃條件下的水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),分析水資源承載力的變化趨勢(shì),并對(duì)其變化原因進(jìn)行解釋,得出用水量激增、水質(zhì)惡化是導(dǎo)致水資源自然承載力降低的主要原因。通過(guò)實(shí)施“五水共治”,用水總量得到控制,環(huán)境功能區(qū)達(dá)標(biāo)率提升,水資源開(kāi)發(fā)利用率增加,從“開(kāi)源”、“節(jié)流”、“納污”3個(gè)方面解決水資源“超載”問(wèn)題??梢?jiàn),“五水共治”綜合規(guī)劃能夠提高水資源承載力,實(shí)現(xiàn)資源生態(tài)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
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Evaluation of water resources carrying capacity based on plan of co-governance on five water categories
WANG Li1, BI Jiacheng2, XIANG Long1, CHEN Xing1
(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.CollegeofComputer,XidianUniversity,Xi’an710071,China)
Abstract:In order to evaluate the changes of water resources carrying capacity after co-governance on five water categories was put into effect, taking Linhai City as an example, 17 evaluation indices were selected to construct the evaluation index system of water resources carrying capacity, the method of principal component analysis was used to reduce the dimension of the evaluation index, and a multivariate linear regression model for corresponding driving factors of water resources carrying capacity was set up. Three principal components of water resources natural support capacity, level of social life, and economic development level were extracted, and the entropy value method was used to determine the weight of subsystem, calculate and analyze the composite scores of water resources carrying capacity. The results show that the water resources carrying capacity in Linhai City has an obviously increasing trend after the plan of co-governance on five water categories was carried out, and anti-polluting,seeking for new water supply, saving water consumption are the main factors of improving the water resources carrying capacity.
Key words:co-governance on five water categories;water resources carrying capacity; principal component analysis;entropy value method; Linhai City
DOI:10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.005
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(51209071);江蘇省科技支撐項(xiàng)目(BE211697)
作者簡(jiǎn)介:王麗(1990—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)樗Y源規(guī)劃與管理。E-mail:1063686702@qq.com 通信作者:陳星,講師。E-mail:chenxing@hhu.edu.cn
中圖分類(lèi)號(hào):TV213.4
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1004-6933(2016)02-0021-05
(收稿日期:2015-08-05編輯:彭桃英)