馮湘華，宋孝玉，晁智龍

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西西安710048；2.陜西省水文水資源勘測局，陜西西安710068)

當(dāng)前環(huán)境下，留住“綠水青山”已是民之所愿，國之所需，明確一個區(qū)域水資源承載力能夠更加恰合水資源管理制度的要求，并為之提供理論依據(jù)，以實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。水資源承載力概念的提出已有近30年[1]，通過其定義[2,3]可知，對水資源承載力的研究不但要著眼于當(dāng)下，更重要的是要著眼于可預(yù)見的未來，不但要反映同一時間水資源承載力的狀況，還要能反映不同時間水資源承載力的變化情況。目前，水資源承載力研究存在的問題在于，一方面大多是對區(qū)域水資源承載力現(xiàn)狀的描述，沒有一個較長的時間序列來反映水資源的變化過程，且缺少對未來可預(yù)見的幾年或規(guī)劃水平年的評價分析，其所得結(jié)果對區(qū)域發(fā)展的指導(dǎo)性不強；另一方面是大多集中在國家和社會經(jīng)濟較發(fā)達的省市層面對水資源承載力加以評價，大范圍的特性變成了小范圍的共性，小范圍內(nèi)的區(qū)域特性便難以得到體現(xiàn)。

其次，就水資源承載力研究方法而言，已由過去對單一評價指標(biāo)做靜態(tài)的分析發(fā)展為對系統(tǒng)整體進行多目標(biāo)、動態(tài)變化的綜合分析，常用的方法有主成分分析法、常規(guī)趨勢法、背景分析法、層次分析法、綜合評價法、系統(tǒng)動力學(xué)法、多目標(biāo)分析法及常規(guī)趨勢法等[4]。無論何種評價方法，就方法本身來說都是比較成熟的，且都有較全面的理論體系作為支撐。然而，在進行水資源承載力評價時，這些方法均顯現(xiàn)出了一定程度的不足，造成這一現(xiàn)象的主要原因是水資源系統(tǒng)自身的復(fù)雜性、隨機性和模糊性以及影響水資源承載力的因素是多方面、多層次的。所以，今后水資源承載力評價研究的方向應(yīng)當(dāng)是根據(jù)不同研究區(qū)特點，建立一套綜合評判指標(biāo)體系，通過方法的集成，在實現(xiàn)多種成果相結(jié)合的基礎(chǔ)之上，得出可行的成果理論，以適應(yīng)水資源承載力動態(tài)變化的特點。

本文在總結(jié)分析當(dāng)前研究成果的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)模糊綜合評判模型、TOPSIS模型、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型三種方法皆是以建立評價指標(biāo)體系為前提，完成對區(qū)域水資源承載力的評價，且能夠恰合文章的主題，即完成對淳化縣2007—2015、2020、2030年的水資源承載力評價，使之能夠為淳化縣后期發(fā)展中水資源的開發(fā)利用和生態(tài)建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 基本情況簡介

淳化縣位于陜西省中部偏西，咸陽市北部，渭北黃土高原溝壑區(qū)南緣，地形呈北高南低狀，地勢由西北向東南單向傾斜，總面積983.81 km2，其區(qū)域位置如圖1所示。該研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫10 ℃，無霜期年平均193天。多年平均年降水量589.7 mm，年平均降雨日數(shù)為54天，降雨集中在每年7月至9月，年均水面蒸發(fā)量962 mm，干旱指數(shù)介于1.5～1.9之間，北小南大，東北部最大。淳化縣境內(nèi)可劃分為兩大水系，分別為涇河水系和石川河水系，全縣自產(chǎn)水資源總量為5 462.0萬 m3，水資源可利用總量為5 113.8萬 m3，其中地下水可開采量為1 016.4萬 m3，地表水可利用量為4 915.1萬 m3，兩者間重復(fù)計算量為817.7萬 m3?，F(xiàn)階段淳化縣的大部分用水皆來源于地下水。

圖1 淳化縣區(qū)域位置圖Fig.1 Location map of Chunhua county

1.2 地區(qū)宏觀經(jīng)濟現(xiàn)狀及發(fā)展目標(biāo)

緊扣“一帶一路”的時代背景，淳化縣2015年實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值57.38億元，是2010年的1.8倍；規(guī)劃2020年地區(qū)生產(chǎn)總值達到85億元，年均增長8%。為實現(xiàn)這一經(jīng)濟發(fā)展目標(biāo)，在對各典型部門用水普查的基礎(chǔ)上，并充分考慮科學(xué)用水、節(jié)約用水情況，預(yù)測2020年淳化縣需水量將達到2 871.5萬 m3，2030年將達到3 505.1萬m3。

1.3 水資源開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展規(guī)劃

淳化縣地下水資源短缺，地表水利用率低。2015年，淳化縣供水設(shè)施主要有地表水源工程和地下水源工程兩類，實際供水量為825.0萬 m3，且此前完成了境內(nèi)一系列水庫的除險加固及水利工程的改造，使年可供水總量達1 698.2萬 m3。規(guī)劃期內(nèi)將新增屯莊水庫、姜家河水庫、寨子溝水庫等地表水源工程，外加其它水源工程的利用，并在2030年依托從涇河?xùn)|莊水庫調(diào)水，使得淳化縣在2020、2030年的可供水量分別達到3 175.1萬 m3和3 832.8萬 m3，故此，淳化縣在規(guī)劃水平年僅能基本滿足供需平衡的要求。

1.4 區(qū)域特性及存在的問題

從5個方面分析淳化縣的區(qū)域特性及存在的問題：①對生態(tài)環(huán)境保護的重視程度不夠，過去對生態(tài)的破壞較為嚴(yán)重，隨著強化政府監(jiān)管、調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)等措施的實施，區(qū)域整體生態(tài)得到較好改善；②節(jié)水這一舉措在全縣范圍內(nèi)得到有效實施，并取得了較好成績。但因其地處渭北黃土高原溝壑區(qū)，水資源短缺，資源性缺水問題依然是區(qū)域長足發(fā)展的重要障礙；③地表水源工程的規(guī)劃建設(shè)不能滿足社會經(jīng)濟發(fā)展對水的需求，致使地下水源與地表水源工程供水不均衡問題較為突出。因此，淳化縣現(xiàn)階段處于工程性缺水階段，改造舊水源、開發(fā)新水源，特別是新建地表水源工程，已經(jīng)成為淳化縣經(jīng)濟和社會發(fā)展的必要舉措；④社會經(jīng)濟發(fā)展落后，遠遠低于國家平均水平；⑤耕地面積保有量約占總面積的1/3，農(nóng)業(yè)用水需求量大。

2 水資源承載力評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

2.1 構(gòu)建評價指標(biāo)體系

水資源承載力評價指標(biāo)體系是區(qū)域水資源承載力研究的核心內(nèi)容，且影響區(qū)域水資源承載能力的因素涉及水資源系統(tǒng)的各個領(lǐng)域，故應(yīng)在全面分析水資源承載能力的各影響因素之后，根據(jù)研究區(qū)域的特殊性構(gòu)建評判指標(biāo)體系。其后，嚴(yán)格遵循科學(xué)性、整體性、定性定量相結(jié)合的原則，考慮實際的可操作性，并借鑒已有的研究成果[2,5-7]，參照全國水資源供需分析中的指標(biāo)體系和其它水資源評判指標(biāo)體系，選取8個指標(biāo)(u1～u8)對該地區(qū)的水資源承載力做出綜合評價。各評價指標(biāo)的意義及計算方法詳見表1。

表1 淳化縣水資源承載力指標(biāo)體系及分級指標(biāo)

2.2 評價指標(biāo)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)各評價指標(biāo)對水資源承載力的影響程度劃分等級，劃分時主要依據(jù)已有研究成果[7-12]和政府對各項指標(biāo)設(shè)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及全國、所處省市的一個平均水平。本次水資源承載能力綜合評價將上述各個評價指標(biāo)按其影響程度劃分為3個等級V1,V2,V3，各評價指標(biāo)對應(yīng)的等級劃分如表1所示。其中，V1級表示區(qū)域承載情況較好，水資源保持著較大的承載能力，其水資源開發(fā)利用程度、社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模都較小，這時的水資源將不是制約社會經(jīng)濟發(fā)展的主要因素，而是謀取社會經(jīng)濟發(fā)展的有效保證；V3級表示區(qū)域水資源承載情況較差，水資源承載能力已達閾限，進一步的開發(fā)利用將直接影響社會經(jīng)濟發(fā)展的可持續(xù)性，危及生態(tài)安全；V2級表示水資源承載情況一般，表現(xiàn)為現(xiàn)有的水利工程可供水量與社會經(jīng)濟發(fā)展水平所需的水量之間存在一定的供需矛盾，只是問題還不突出，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)乜衫玫乃Y源總量來確定其發(fā)展方向，如限制社會經(jīng)濟發(fā)展、加大工程規(guī)模、提高水資源的開發(fā)利用程度等，但應(yīng)以保持水資源可持續(xù)開發(fā)利用為前提。

2.3 各水平年原始數(shù)據(jù)及規(guī)劃值

結(jié)合淳化縣社會經(jīng)濟條件以及自然環(huán)境狀況，8個評價指標(biāo)在2007—2015年的實際計算數(shù)值與2020年、2030年的規(guī)劃計算數(shù)值如表2所示。數(shù)據(jù)主要來源于《咸陽市統(tǒng)計年鑒》(2007—2015年)、《淳化縣水資源統(tǒng)計年報》(2007—2015年)、《淳化縣水資源開發(fā)利用規(guī)劃》(2015—2030年)、《淳化縣國民經(jīng)濟和社會發(fā)展十三五規(guī)劃綱要》。

表2 淳化縣2007—2030年水資源承載力評價指標(biāo)值

3 研究方法

3.1 熵權(quán)法

熵權(quán)法是以整體的觀念去度量水資源承載力各變量所具有的不確定性，從而能夠避免主觀因素的影響，使指標(biāo)權(quán)重更符合客觀實際，進一步保證了最終評價結(jié)果的客觀性[13-15]。用熵權(quán)法計算各指標(biāo)權(quán)重的步驟為：

步驟一 對各個評價指標(biāo)的數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。其目的在于消除指標(biāo)間不同單位、不同度量的影響。對指標(biāo)水平矩陣X=xijm×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到歸一化矩陣Y的元素為：

(1)

步驟二 計算第j個評價指標(biāo)下第i個評價對象指標(biāo)值占所有對象指標(biāo)值的比重pij：

步驟三 計算各評價指標(biāo)的信息熵Ej：

步驟四 計算各個評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)ωj：

即可求得指標(biāo)權(quán)重集為A=ω1,ω2,…,ωn。

3.2 模糊綜合評判模型

模糊綜合評判模型能夠集合多種因素對一個地區(qū)水資源承載力作出綜合評價，借此能夠全面地反映區(qū)域水資源承載力狀況。綜合評判模型[8,14,16]為：

采用模糊綜合評判法評價水資源承載力的優(yōu)勢就在于能夠?qū)⒏鱾€因素綜合起來，從而更加全面地反映各等級水資源承載力情況。因此，為了定量反映各等級因素對承載力的影響程度，在0～1之間對V1、V2、V33個評判等級進行取值，分別為T1=0.95、T2=0.5、T3=0.05，然后按式(2)計算出水資源承載力綜合評分值T。水資源承載力綜合評分值是衡量水資源承載程度的綜合性指標(biāo)，評分值越高，表明水資源承載狀況越好[16]。取m1=3，水資源承載力綜合評分值為：

(2)

式中，k值是為了突出優(yōu)勢等級的作用，本文中取k=1[7]。

3.3 TOPSIS模型

該方法是系統(tǒng)工程有限方案多目標(biāo)決策分析的一種，由Hwang和Yoon[17]首次提出，可用于效益評價、決策和管理等多個領(lǐng)域。其基本原理在相關(guān)文獻中皆有介紹[12,15,18]，建模步驟包括：

1) 為使計算結(jié)果能夠恰合指標(biāo)等級的分級標(biāo)準(zhǔn)，故此將分級標(biāo)準(zhǔn)與原始數(shù)據(jù)形成新的目標(biāo)決策矩陣L=lijm×n，利用式(1)對目標(biāo)決策矩陣進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣C=cijm×n;

2) 與3.1節(jié)熵權(quán)法指標(biāo)權(quán)重集A計算方法類似，得到TOPSIS模型指標(biāo)權(quán)重集A′。構(gòu)造加權(quán)矩陣Z=zijm×n，zij=cij×ωj;

3) 確定正理想解V+和負(fù)理想解V-，設(shè)Q代表評價指標(biāo)越大越優(yōu)型目標(biāo)集，Q′代表評價指標(biāo)越小越優(yōu)型目標(biāo)集，u表示某個評價指標(biāo)，則：

(3)

(4)

4) 計算各評價對象與正、負(fù)理想解的距離：

(5)

5) 計算各評價對象與理想解的相對接近程度：

(6)

其計算結(jié)果越大，則對應(yīng)年份的承載狀況越好。

3.4 徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

徑向基函數(shù)(Radial Basis Function，簡稱RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是由Moody J和Darken C[19]于20世紀(jì)80年代末提出的，具有很強的處理復(fù)雜非線性系統(tǒng)及不確定性系統(tǒng)的能力，正好切合水資源承載力評價系統(tǒng)的特點，且該方法在此前的研究中運用效果較好[9,10,20]。本文在Matlab7.0環(huán)境下建立了水資源承載力評價RBF模型，其基本步驟為：

1) 沿用3.1節(jié)中得到的歸一化矩陣Y=yijm×n成果。

2) 設(shè)計RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并對數(shù)據(jù)樣本進行訓(xùn)練。本文基于Matlab7.0計算平臺，通過Matlab工具箱提供的徑向基網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)函數(shù)newrb完成對RBF網(wǎng)絡(luò)模型的建立，格式為：net=newrb(x，y，goal，spread)，其中x，y，goal，spread分別為輸入向量、目標(biāo)向量、均方誤差和RBF分布。通過sim函數(shù)得出樣本的訓(xùn)練結(jié)果，格式為：t=sim(net，x)。

3) 對研究區(qū)域水資源承載力狀況進行仿真。同樣由sim函數(shù)實現(xiàn)，其格式為：g=sim(net，f)(f、g分別為待評價區(qū)域的歸一化輸入向量和用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對水資源系統(tǒng)進行評價的等級值)，計算所得值越小，表明其承載狀況越好。

4 水資源承載力評價

4.1 各評價模型計算結(jié)果

由前述研究方法可得目標(biāo)決策矩陣X=xijm×n和L=lijm×n，其對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)集合分別為A=(0.24、0.03、0.09、0.14、0.18、0.15、0.13、0.04)和A′=(0.15、0.18、0.10、0.13、0.23、0.09、0.07、0.05)，可以看出，u1、u5是影響該區(qū)域水資源承載力的主要指標(biāo)，這也與淳化縣現(xiàn)階段處于工程性缺水階段的實際相符合。通過計算得出三種水資源承載力預(yù)測模型的評價值，如表3所示。

表3 淳化縣2007—2030年各模型水資源承載力評價成果

4.2 評價結(jié)果分析

以上三種水資源承載力評價成果在時間序列上的變化趨勢上基本一致，表現(xiàn)出淳化縣2007—2015年水資源承載力狀況逐步趨好，而2020年、2030年的承載狀況相比于2015年之前下降較為明顯，其中TOPSIS模型和徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型都很好地表現(xiàn)了這一點，表明區(qū)域水資源的開發(fā)利用已初具規(guī)模，未來勢必要控制經(jīng)濟發(fā)展勢頭，以保障區(qū)域生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展。

從評價結(jié)果來看，現(xiàn)狀年2015年以前，淳化縣整體的水資源承載能力均保持在V1級與V2級之間，表明區(qū)域承載狀況較好，且仍保持上升趨勢，表明區(qū)域水資源尚有一定的開發(fā)潛力；另外，生產(chǎn)技術(shù)的提升以及一系列基礎(chǔ)節(jié)水設(shè)施和節(jié)水灌溉項目的建設(shè)，使得淳化縣實現(xiàn)經(jīng)濟增長的方式由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變。在2020年、2030年，淳化縣水資源承載能力在V2級以下，水資源承載狀況一般，區(qū)域水資源基本能夠保證供給，進一步的開發(fā)潛力不足。這主要歸因于“一帶一路”政策帶動區(qū)域經(jīng)濟的飛速發(fā)展，使得區(qū)域需水量急劇增加，即便在2020年前后將修建一系列大型水利工程，仍難以解決區(qū)域水資源的供需矛盾，使得區(qū)域水資源承載能力下降。

5 結(jié)論與建議

1) 本文在分析已有研究成果之上，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膮^(qū)域特征，建立了一套恰合研究區(qū)實際的評價指標(biāo)體系，通過熵權(quán)法消除評價過程中的主觀影響，并運用模糊綜合評判模型、TOPSIS模型以及徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型完成了對該地區(qū)的水資源承載力評價，所得結(jié)論基本一致，保證了結(jié)論的精準(zhǔn)度，且成果在很大程度上符合區(qū)域?qū)嶋H，故此對淳化縣今后的發(fā)展有一定的導(dǎo)向作用，同時也表明本次評價指標(biāo)選取的可行性。

2) 依據(jù)前述研究成果，淳化縣當(dāng)下的首要任務(wù)是通過引進有效的水資源開發(fā)利用手段，加快完成對規(guī)劃水源工程的建設(shè)，確保其在規(guī)劃期內(nèi)發(fā)揮作用，解決區(qū)域供需不協(xié)調(diào)的問題；其次，淳化縣水資源短缺是一個始終困擾決策者的難題，要想依靠有限的水資源條件在“一帶一路”和西部大開發(fā)的時代背景之下抓住機遇，謀求發(fā)展，優(yōu)化水資源配置、構(gòu)建節(jié)水型社會已成為其必然的選擇。

3) 評價結(jié)果對淳化縣今后的水資源規(guī)劃和水資源可持續(xù)開發(fā)利用具有一定的借鑒和參考價值，未來淳化縣應(yīng)當(dāng)在保持適當(dāng)發(fā)展速度的同時，積極加強生態(tài)環(huán)境建設(shè)，以留住綠水青山，保證人與自然的和諧健康發(fā)展。