(1.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098； 2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

水資源匱乏問題已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，不少國(guó)家、城市的水荒現(xiàn)象逐漸凸顯；中國(guó)人均水資源量?jī)H為世界平均水平的1/4，水資源十分短缺。通過對(duì)水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)開展研究，可以對(duì)水資源利用狀況起到警示作用，進(jìn)而使決策者適時(shí)調(diào)整水資源管理政策。因此，開展水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有極其重要的作用。

在生態(tài)學(xué)中，水資源承載力是指在某一特定時(shí)期、一定環(huán)境與技術(shù)的條件下，水資源所能持續(xù)供養(yǎng)的生物數(shù)量[1]。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于水資源的需求、水質(zhì)的要求都逐漸增加，從而極大地增加了水系統(tǒng)的壓力。水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)研究是以風(fēng)險(xiǎn)分析理論為基礎(chǔ)，直觀地反映水資源對(duì)于地區(qū)發(fā)展支持力度的惡化情況。凌子燕采用主成分分析法，對(duì)廣東省區(qū)域水資源緊缺情況進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果表明，湛江已經(jīng)進(jìn)入到了水資源緊缺高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域[2]；張學(xué)霞[3]利用空間聚類分析方法，對(duì)松遼流域水資源利用情況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果表明，松遼流域的水資源利用風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)出了嫩江流域和松花江流域偏高，其他流域偏低的總體格局；杜靜[4]對(duì)疏勒河灌區(qū)開發(fā)13 a后的水資源承載力進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)再評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果提出了一系列改善措施。但是針對(duì)水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)的研究目前尚未形成一套完善的理論。

水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是一個(gè)多層次多領(lǐng)域的系統(tǒng)問題，指標(biāo)體系的構(gòu)建既要能全面、系統(tǒng)地反映建設(shè)效果，又要便于操作與計(jì)算。因此，對(duì)于構(gòu)建水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，應(yīng)遵循科學(xué)性、全面性、實(shí)用性和可操作性等原則[5]。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上[6-8]，基于指標(biāo)體系構(gòu)建的原則，采用幕景分析法[9-10]，對(duì)水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)，并將水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)分為水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)以及水資源效益風(fēng)險(xiǎn)。其中，對(duì)于水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，根據(jù)區(qū)域水資源狀況予以確定，對(duì)于效益風(fēng)險(xiǎn)則根據(jù)區(qū)域的社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)發(fā)展情況進(jìn)行確定。在此基礎(chǔ)上，本文從水資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)4個(gè)角度建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；同時(shí)，利用熵權(quán)理想點(diǎn)法[11-12]，對(duì)水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在對(duì)水資源的利用狀況產(chǎn)生警示作用，以為決策者調(diào)整水資源管理政策提供依據(jù)。

2 水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)是一個(gè)包括了社會(huì)、自然等多屬性的概念[4]。為了能夠綜合地反映水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)，本文在已有研究的基礎(chǔ)上[6-8]，征求了15位專家的意見，遵循系統(tǒng)性、科學(xué)合理性、客觀性、無關(guān)性以及可操作性等指標(biāo)構(gòu)建原則[13]，采用DELPH法[14]以及基于Spass軟件的頻率分析法，從水資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)4個(gè)角度，構(gòu)建了包括16項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見表1)。

為了充分反映各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)水資源承載力造成的風(fēng)險(xiǎn)程度的大小，本文在已有規(guī)范和研究的基礎(chǔ)上[6-7，15]，根據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況，利用K-均值聚類分析法[16]，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了等級(jí)分類；并根據(jù)數(shù)據(jù)集散情況，將各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為4個(gè)等級(jí)，即Ⅰ級(jí)(輕度風(fēng)險(xiǎn))、Ⅱ級(jí)(中度風(fēng)險(xiǎn))、Ⅲ級(jí)(重度風(fēng)險(xiǎn))、Ⅳ級(jí)(極度風(fēng)險(xiǎn))。

3 水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

3.1 熵權(quán)理想點(diǎn)法基本思想

理想點(diǎn)法的基本思想[12]即定義待決策問題的正、負(fù)理想點(diǎn)。正理想點(diǎn)為假定最好樣本，負(fù)理想點(diǎn)為假定最差樣本。決策者將不同樣本根據(jù)與理想點(diǎn)的貼近度進(jìn)行排序，就可以得到各樣本的優(yōu)劣；貼近度越大，證明樣本越優(yōu)。采用歐幾里得范數(shù)可以得到各樣本與正、負(fù)理想點(diǎn)的距離。水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是一個(gè)多指標(biāo)、高維度的問題，為了能夠綜合反映各指標(biāo)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)造成的影響，根據(jù)多目標(biāo)加權(quán)決策思想[11]，對(duì)各指標(biāo)與理想點(diǎn)之間的距離進(jìn)行加權(quán)處理。

為了更好地反映各項(xiàng)指標(biāo)的客觀屬性，本文研究過程中采用了熵值法對(duì)指標(biāo)賦權(quán)，熵權(quán)越大，表明該指標(biāo)的變化對(duì)風(fēng)險(xiǎn)造成的影響越大，反之越小。

3.2 熵權(quán)理想點(diǎn)評(píng)價(jià)模型構(gòu)建過程

熵權(quán)理想點(diǎn)評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建，應(yīng)按照以下步驟[11-12]進(jìn)行。

3.2.1熵權(quán)確定

設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)樣本，m個(gè)指標(biāo)。

(1) 步驟1，指標(biāo)規(guī)范化處理。

越大越優(yōu)型指標(biāo)：

(1)

越小越優(yōu)型指標(biāo)：

(2)

(2) 步驟2，計(jì)算指標(biāo)的熵Hj。

(3)

(4)

(3) 步驟3，計(jì)算指標(biāo)的熵權(quán)。

(5)

式中，ωj為第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

表1 水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 The risk evaluation index system and the risk grade standard of water resources carrying capacity

3.2.2確定正、負(fù)理想點(diǎn)

水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)分為正向指標(biāo)與逆向指標(biāo)。正向指標(biāo)即該指標(biāo)值越大，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)程度越大；逆向指標(biāo)即該指標(biāo)值越小，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)越大。因此，當(dāng)指標(biāo)為風(fēng)險(xiǎn)正向指標(biāo)時(shí)，正理想點(diǎn)為該指標(biāo)在所有樣本中的最大值，負(fù)理想點(diǎn)則為該指標(biāo)在所有樣本中的最小值；當(dāng)指標(biāo)為風(fēng)險(xiǎn)逆向指標(biāo)時(shí)，正理想點(diǎn)為該指標(biāo)在所有樣本中的最小值，負(fù)理想點(diǎn)則為該指標(biāo)在所有樣本中的最大值。

3.2.3距離測(cè)度

采用歐幾里得范數(shù)作為距離測(cè)度，則所有樣本與正理想點(diǎn)的距離為

(6)

所有樣本與負(fù)理想點(diǎn)的距離為

(7)

3.2.4貼近度

貼近度以下式表達(dá)：

(8)

4 實(shí)例研究

4.1 評(píng)價(jià)原始數(shù)據(jù)

我國(guó)水資源十分短缺，為了能夠反映我國(guó)城市水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)，本文選取了北京市、上海市、天津市、重慶市以及武漢市作為研究樣本，根據(jù)構(gòu)建的水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用熵權(quán)理想點(diǎn)法，對(duì)選取的5座城市2015年的水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。數(shù)據(jù)來源于2015年上述各城市水資源公報(bào)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)以及環(huán)境狀況公報(bào)。水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)具體指標(biāo)數(shù)值列于表2。其中，C11、C12、C15、C21、C34、C41、C42、C44為風(fēng)險(xiǎn)逆向指標(biāo)，其余為風(fēng)險(xiǎn)正向指標(biāo)。

4.2 評(píng)價(jià)模型應(yīng)用過程

(1) 數(shù)據(jù)歸一化處理。為了消除各指標(biāo)量綱以及數(shù)量級(jí)等對(duì)研究所造成的不便，需要對(duì)各指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行歸一化處理。C11、C12、C15、C21、C34、C41、C42、C44為風(fēng)險(xiǎn)逆向指標(biāo)，因此，對(duì)其采用式(2)進(jìn)行歸一化處理；對(duì)其余指標(biāo)數(shù)值則采用式(1)進(jìn)行歸一化處理。由此，得出以下指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣：

(2) 運(yùn)用公式(3)～(5)計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重，計(jì)算結(jié)果匯總至表3。

(3) 根據(jù)水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)與各指標(biāo)的關(guān)系，將水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為正向指標(biāo)與逆向指標(biāo)。正向指標(biāo)的值越大，風(fēng)險(xiǎn)越大，其正理想點(diǎn)為各樣本中該指標(biāo)的最大值，負(fù)理想點(diǎn)為各樣本中該指標(biāo)的最小值；逆向指標(biāo)的值越小，風(fēng)險(xiǎn)越大，其正理想點(diǎn)為各樣本中該指標(biāo)的最小值，負(fù)理想點(diǎn)為各樣本中該指標(biāo)的最大值。根據(jù)各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)值以及確定正、負(fù)理想點(diǎn)的原則，確定了16項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)各個(gè)級(jí)別的正、負(fù)理想點(diǎn)，將正、負(fù)理想點(diǎn)矩陣[11]匯總至表4。

表2 2015年各城市水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)值Tab.2 The risk evaluation index original value of water resources carrying capacity of each city in 2015

注：表中數(shù)據(jù)來自各市水資源公報(bào)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展公報(bào)、環(huán)境狀況公報(bào)或問卷統(tǒng)計(jì)。

表3 各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Tab.3 The weight of each evaluation index

表4 正、負(fù)理想點(diǎn)矩陣Tab.4 The positive and negative ideal point matrices

(4) 計(jì)算各城市相對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別的貼近度。在上述正理想點(diǎn)和負(fù)理想點(diǎn)矩陣的基礎(chǔ)上，根據(jù)公式(6)～(8)確定各城市的水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)于各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的貼近度數(shù)值，結(jié)果如表5所示。由表5的貼近度結(jié)果可以看出，北京市、上海市、天津市對(duì)于Ⅲ級(jí)(重度風(fēng)險(xiǎn))級(jí)別的貼近度最大，因此，可將這3座城市劃分為重度風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別；武漢市和重慶市對(duì)于Ⅰ級(jí)(輕度風(fēng)險(xiǎn))級(jí)別的貼近度最大，因此，可將這兩座城市劃分為輕度風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。

表5 各城市水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別貼近度Tab.5 The risk level approximability of water resources carrying capacity of each city

4.3 與投影尋蹤法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

投影尋蹤法[17-19]的基本思想是將高維度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化至低維度子空間中，通過對(duì)子空間的觀察，可以發(fā)現(xiàn)高維數(shù)據(jù)的內(nèi)在特點(diǎn)。

本文研究中利用Matlab編寫了投影尋蹤計(jì)算方法程序，在優(yōu)化過程中，確定初始種群規(guī)模為400，加速次數(shù)為20次，變異概率為0.8，最終得到的最佳投影方向?yàn)椋篴=(0.150 7，0.338 1，0.080 3，0.176 0，0.262 6，0.183 9，0.340 1，0.266 0，0.057 6，0.291 9，0.324 6，0.375 8，0.230 4，0.033 7，0.282 1，0.257 4)，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級(jí)別對(duì)應(yīng)的投影值為：3.300 2，2.367 7，1.317 6，0.163 5，北京市、上海市、天津市、重慶市以及武漢市的投影值分別為：2.352 7，2.319 5，2.320 6，3.321 3，3.342 5。由此可見，經(jīng)過投影尋蹤方法評(píng)價(jià)得出的結(jié)果為：北京市、上海市和天津市屬于Ⅲ級(jí)(重度風(fēng)險(xiǎn))，重慶市和武漢市為Ⅰ級(jí)(輕度風(fēng)險(xiǎn))。

綜上可述，利用投影尋蹤法的評(píng)價(jià)結(jié)果與使用熵權(quán)理想點(diǎn)法所得出的結(jié)果相一致，表明將熵權(quán)理想點(diǎn)法用于對(duì)水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)具有科學(xué)性與合理性。

4.4 評(píng)價(jià)結(jié)果分析及建議

(1) 由表5可以看出：① 北京市、上海市和天津市處于水資源承載力重度風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，重慶市和武漢市處于水資源承載力輕度風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。表明重慶市和武漢市的水資源管理和利用要優(yōu)于北京市、上海市和天津市等特大城市。② 武漢市對(duì)于輕度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)貼近度為0.70，大于重慶市對(duì)于輕度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的貼近度，表明武漢市的水資源承載力要優(yōu)于重慶市。③ 北京市對(duì)于重度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的貼近度為0.81，大于天津市和上海市。可以看出，以上5個(gè)城市的水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)從大到小依次為：北京市、天津市、上海市、重慶市和武漢市，與實(shí)際情況相符。

(2) 由指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果可以看出：人均水資源量、單位面積產(chǎn)水量、水資源開發(fā)利用率、萬元GDP用水量、人均生活用水、生態(tài)用水比例和Ⅲ類水質(zhì)以上河流長(zhǎng)度所占比例等指標(biāo)所占的權(quán)重較大。因此，對(duì)于我國(guó)城市水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)的減小，應(yīng)從水資源、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等各個(gè)方面進(jìn)行綜合改善。由指標(biāo)權(quán)重可以看出，對(duì)于水資源的保護(hù)是減小水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)的重中之重。

(3) 北京市水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)最高，主要原因是水資源量較少，人口較多。因此，北京市應(yīng)加緊對(duì)水資源的管理：① 實(shí)施水務(wù)統(tǒng)管；② 開展污水回用、雨洪利用；③ 鼓勵(lì)市民節(jié)約用水；④ 以水務(wù)一體化管理體制為依托，建立最嚴(yán)格的水資源管制體系框架；⑤ 充分利用南水北調(diào)工程，進(jìn)而減小水資源承載力的風(fēng)險(xiǎn)。

天津市水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高，人均水資源量與單位面積產(chǎn)水量均較少。因此，天津市應(yīng)積極成立最嚴(yán)格的水資源管理檢查小組，落實(shí)考核成績(jī)獎(jiǎng)懲措施；鼓勵(lì)市民節(jié)水，實(shí)施梯級(jí)水價(jià)；重點(diǎn)整治臭水、黑水，提高河流水質(zhì)；積極做好引灤水源地保護(hù)工作。

上海市的水資源量豐富，但是用水效率低下。為此，上海市應(yīng)積極落實(shí)國(guó)家“用水效率紅線”的相關(guān)內(nèi)容精補(bǔ)，建立最嚴(yán)格的水資源管制體系，以飲用水安全保障為重點(diǎn)，以節(jié)水減排為切入點(diǎn)，進(jìn)而減小水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)。

重慶市的水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)較低，主要是因?yàn)槠渌Y源充沛、人口密度較低。但是，重慶市的萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量均為最大。因此，重慶市應(yīng)當(dāng)繼續(xù)增加節(jié)水投入，提高用水效率，控制污水的排放。

武漢市水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)最低，但是武漢市應(yīng)繼續(xù)增加城鎮(zhèn)化率、嚴(yán)格控制人口增長(zhǎng)速度、提高生態(tài)用水比重、提高用水效率，繼續(xù)將水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)維持在較低水平。

5 結(jié) 論

本文從水資源、社會(huì)、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)等4個(gè)方面構(gòu)建了水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分，利用熵權(quán)理想點(diǎn)法對(duì)水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)做出評(píng)價(jià)。以北京市、天津市、上海市、重慶市和武漢市作為研究實(shí)例，對(duì)其水資源承載風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究評(píng)價(jià)。實(shí)例研究結(jié)果表明，水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)從大到小為：北京市、天津市、上海市、重慶市、武漢市。該結(jié)果與實(shí)際情況相符，說明本文運(yùn)用的評(píng)價(jià)方法與水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)合運(yùn)用的可行性。評(píng)價(jià)結(jié)果可以為參與評(píng)價(jià)的各個(gè)城市提出相應(yīng)的改進(jìn)措施提供參考，同時(shí)也為以后開展水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)的研究指出了新的方向。