張曉東，金 礦

(1.重慶旅游職業(yè)學院，重慶 409099；2.西南大學地理科學學院，重慶 400715)

承載力是一個物理概念，指的是物體在不產(chǎn)生任何破壞時所能夠承受的最大負荷[1]。1920年，Pearl和Reed最早將承載力的概念應用于生態(tài)學領(lǐng)域，認為地區(qū)的人口增長與生物量增長的Logistic equation對數(shù)方程相適應[2]。隨后承載力模型在人口、自然環(huán)境等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和應用，產(chǎn)生了土地承載力和環(huán)境承載力的概念。20世紀80年代初，聯(lián)合國教科文組織最早提出了資源承載力的概念和模型[3]；在20世紀80年代末，相關(guān)概念被引入國內(nèi)并于水資源緊密地聯(lián)系在一起。但是到目前為止，水資源承載力概念在水資源領(lǐng)域還沒有統(tǒng)一的定義，但大概可以歸納為3種觀點：第一種為水資源開發(fā)規(guī)模論[4]；第二種為水資源支持可持續(xù)發(fā)展能力論[5]；第三種為水資源承載最大人口論[6]。本文基于第二種觀點：認為水資源承載力是在維持生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的前提下，以一定的科技水平為依據(jù)，水資源支撐經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的最大能力[5]。

水資源承載力的研究是水資源可持續(xù)發(fā)展研究中不可或缺的一部分，但隨著目前水資源問題的日益突出，水資源保護被提到了前所未有的高度。當下國內(nèi)對水資源承載力的研究主要集中在評價指標的構(gòu)建和研究方法的選取兩個方面。評價指標的構(gòu)建一般有DPSIR模型、“水資源-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境”復合系統(tǒng)等[7]。研究方法一般可歸納經(jīng)驗法、指標體系評價法和系統(tǒng)分析法三類[8]，其中經(jīng)驗法有類比分析、趨勢分析和定額分析等，指標體系法有模糊綜合評價、投影尋蹤等，系統(tǒng)分析法有多目標決策分析、系統(tǒng)動力學等。雖然目前關(guān)于水資源承載力的研究很多，但大都集中在水資承載“量”的研究，而對于更深層次的水資源承載力驅(qū)動因子研究和未來不同情景下水資源承載力變化情況的研究較少。

寧夏是處于我國西北地區(qū)，雖是絲綢之路經(jīng)濟帶的重要節(jié)點，但河川徑流總量少、地區(qū)變化大、年內(nèi)分配不均、年際變化大等問題日益突出，并且寧夏引黃灌區(qū)、中部干旱帶和南部山區(qū)的地理位置環(huán)境條件差距較大，嚴重制約著當?shù)亟?jīng)濟與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。所以科學合理的評價寧夏水資源和生態(tài)情況十分必要。基于此，本文首先利用主成分分析對寧夏整體和3個地區(qū)2004-2016年的水資源承載力水平進行分析并提取主成分；其次根據(jù)模糊層次分析法對驅(qū)動力的動態(tài)變化進行分析；最后結(jié)合最嚴格水資源管理制度及GM(1，1)模型，探討4種情景假設(shè)下的寧夏社會經(jīng)濟發(fā)展模式。

1 研究區(qū)概況

寧夏回族自治區(qū)，位于北緯35°14′～39°23′,東經(jīng)104°17′～107°39′之間，全境海拔1 000 m以上。地勢南高北低、南北狹長。北部引黃灌區(qū)地勢平坦土壤肥沃；中部干旱帶降水稀少，風大沙多；南部山區(qū)溝壑林立，陰濕高寒。南北相距約456 km，東西相距約250 km，總面積多達6.6 萬km2。深居西北內(nèi)陸高原，屬于典型的大陸性半濕潤半干旱氣候，具有春多風沙、夏少酷暑、秋涼較早、冬寒較長、雪雨稀少、日照充足、蒸發(fā)強烈等特點。全年平均氣溫在5～9 ℃之間，年平均降水量300 mm左右[9]，寧夏具體地理位置圖如圖1所示。

圖1 寧夏地理位置圖

2 研究方法

2.1 水資源承載力

(1)指標選取。水資源系統(tǒng)較為復雜，其影響因素涉及社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境等多個方面[10]。根據(jù)本文對水資源承載力的定義，遵循科學性、系統(tǒng)性、綜合性和層次性等基本原則[11]，在參考專家意見及相關(guān)研究成果[12-14]的基礎(chǔ)上，結(jié)合寧夏地區(qū)自身水資源特點選取“水資源—社會經(jīng)濟—生態(tài)環(huán)境”評價指標體系，如表1所示。數(shù)據(jù)均來源于寧夏及各地市2004-2016年的水資源公報及2005-2017年的統(tǒng)計年鑒。

(2)主成分分析法。主成分分析法目前在水資源領(lǐng)域應用較多，它主要是通過將降維的思想在原始指標數(shù)據(jù)中找出彼此

表1 水資源承載力指標

之間不相關(guān)，但能夠代表原始指標信息的幾個主成分，有效地避免主觀隨意性。它的一般步驟[9]為：①收集指標變量資料；②為了消除量綱影響，進行標準化處理；③進行相關(guān)系數(shù)矩陣的計算；④計算特征值和特征向量；⑤計算各主成分的貢獻率和累積貢獻率；⑥確定主成分個數(shù)，一般選取累積貢獻率85%以上或者特征值大于1的主成分；⑦由幾個主成分進行綜合評價。

2.2 生態(tài)脆弱性評價

(1)指標選取。采用綜合指數(shù)法來反映生態(tài)脆弱性，生態(tài)脆弱性(各指標的得分)是指經(jīng)過模糊層次分析法計算的權(quán)重和極差進行標準化處理后的指標?？紤]到寧夏地區(qū)地理位置特點，對外界干擾敏感結(jié)合收集的數(shù)據(jù)反應生態(tài)脆弱性的評價指標，搭建自然----經(jīng)濟社會----結(jié)果表現(xiàn)的綜合評價指標體系[15,16]，如表2所示。

(2)模糊層次分析法。模糊層次分析法[17,18]根據(jù)多目標評價問題的性質(zhì)和總目標，將問題本身按層次進行分解，構(gòu)成一個由下到上的層次結(jié)構(gòu)。它的一般步驟為：①確定因素之間的因果關(guān)系，建立多層次遞階的結(jié)構(gòu)模型；②因素兩兩對比，建立模糊判斷矩陣；③確定各要素之間的相對重要度；④綜合評價。

表2 生態(tài)脆弱性指標

2.3 GM(1，1)預測模型

灰色預測是通過原始數(shù)據(jù)的生成處理來尋找系統(tǒng)變化的規(guī)律，從而建立灰色模型對系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢進行定量預測。本文以寧夏地區(qū)2004-2014年的農(nóng)業(yè)水土資源安全指數(shù)為原始數(shù)據(jù)，對2015-2020年的安全指數(shù)進行預測。具體步驟如下[19]：

(1)原始數(shù)據(jù)：

X(0)={x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(N)}

(1)

一次累加：

X(1)={x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(N)}

(2)

(3)

(2)構(gòu)造累加數(shù)據(jù)矩陣B和常數(shù)項向量Y：

(4)

(5)

(3)利用最小二乘法求解參數(shù)：

(6)

(4)將參數(shù)帶入方程：

(7)

(5)預測值：

x(0)(k)=x(1)(k)-x(1)(k-1)

(8)

(6)模型診斷：

ε(0)(t)=x(0)(t)-x(0)′(t)

(9)

(10)

式中：ε(0)(t)為殘差值；q(t)為相對誤差值；x(0)′(t)為模型計算值。

灰色預測結(jié)果精度標準見表3。

表3 灰色預測精度等級參照表

2.4 技術(shù)路線

本文的技術(shù)路線圖如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線圖

3 結(jié)果與分析

3.1 水資源承載力

3.1.1 寧夏整體

對寧夏整體水資源承載指標進行主成分分析，得到這主成分的特征值及貢獻率(表4)。對于主成分個數(shù)的選取一般情況下考慮兩個方面，一是特征值大于1，二是累計貢獻率大于85%。對于本研究兩個條件不能同時滿足，所以主要考慮第二個方面。前3個主成分的累計貢獻率已經(jīng)達到了86.09%，滿足要求，可以反映原始指標的信息，選取為第一、第二、第三主成分，并以此進一步分析寧夏地區(qū)水資源承載力變化狀況。

表4 主成分特征值和累積貢獻率

由表5可知，X1、X2、X3、X4與第一主成分相關(guān)性很大，反映了水資源系統(tǒng)；X5、X6、X7、X8與第二主成分相關(guān)性很大，反映了社會經(jīng)濟系統(tǒng)；X9、X10、X11、X12與第三主成分相關(guān)性很大，反映了生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。而這3個系統(tǒng)正好與本文建立指標的原則相匹配，也反映了指標建立的合理性，所以說水資源狀況、社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護可歸納為影響寧夏地區(qū)水資源承載力的主要因素。

從表6和圖3可知，主成分的得分有正有負，但是這種主成分值僅代表每年水資源承載力在整體種所處的位置，并不表示確定的水資源承載力大小。其中，綜合得分與水資源承載力大小成正比。

表5 主成分載荷矩陣

表6 主成分得分及排序

圖3 寧夏主成分變化趨勢圖

總體來看，寧夏水資源承載力在2004-2016年間呈現(xiàn)穩(wěn)定上升趨勢。主要原因是寧夏地區(qū)大力提高用水效率，萬元GDP用水量不斷下降，水資源開發(fā)利用率不斷提高。從2010年開始水資源系統(tǒng)開始穩(wěn)定在Ⅱ等級(較好)以上，指標體系不斷變好。2015年開始進入Ⅰ等級(良好)，發(fā)展狀況很好。這主要得益于寧夏近幾年不斷發(fā)展經(jīng)濟的同時，大力開展節(jié)水增效措施(見表7)。

表7 水資源承載力評價標準

另外，第一主成分和第二主成分與總的變化趨勢相近，都呈現(xiàn)上升趨勢，第一主成分是主控因子，貢獻率達到了47.83%；第二主成分為次控因子，貢獻率為22.61%，對水資源承載力的影響較大。也即水資源系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)的發(fā)展對寧夏地區(qū)水資源承載力的壓力較大。而第三主成分變化較復雜，一直處于上下波動狀態(tài)，這就說明水質(zhì)代表率和人均污水排放是寧夏地區(qū)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，這方面發(fā)展的不均衡違背了區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的耗水需求，限制了寧夏地區(qū)的水資源承載力的進一步提高。

3.1.2 三個地區(qū)

為了更深入的了解寧夏地區(qū)2004-2016年間的水資源承載力變化情況，在寧夏整體分析的基礎(chǔ)上，將寧夏分為北部引黃灌區(qū)、中部干旱帶和南部山區(qū)3個部分進行分別研究。同樣的，本文選取累計貢獻率達到85%的幾個成分，如表8所示。從表8可以看出，3個地區(qū)都選取了兩個主成分，這與寧夏整體分析時有所不同。其中水資源系統(tǒng)的貢獻率基本都在55%以上，社會經(jīng)濟系統(tǒng)的貢獻率也都在25%以上，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)貢獻率較小未能進入主成分的選取。在此基礎(chǔ)上，計算3個地區(qū)的得分和排名情況(表9)。

表8 寧夏3個地區(qū)主成分特征值和累計貢獻率

從表9和圖4可知，北部引黃灌區(qū)的水資源承載力表現(xiàn)極好，一直呈現(xiàn)穩(wěn)定上升趨勢，且增幅較大，這主要是由于寧夏北部引黃灌區(qū)地勢平坦、土壤肥沃、水資源充沛，再加上經(jīng)濟效益好、水資源利用效率較高等特點；中部干旱帶的水資源承載力除了2005和2006年、2012和2013年波動以外，整體與北部引黃灌區(qū)一致，保持穩(wěn)步上升趨勢，只是上升幅度較引黃灌區(qū)較小，這主要得益于中部干旱帶在水資源短缺的情形下灌溉技術(shù)的發(fā)展，節(jié)水灌溉面積不斷擴大，用水效率不斷提高。南部山區(qū)從整體上看雖然也處于上升趨勢，但幅度非常小，明顯不如北部引黃灌區(qū)和中部干旱帶。這主要是由于南部山區(qū)主要是西海固地區(qū)，年均降水量僅300 mm，蒸發(fā)量卻達到2 000 mm以上，曾被聯(lián)合國糧食開發(fā)署確定為最不適宜人類生存的地區(qū)之一。水資源短缺的情況再加上水土流失嚴重科技文化落后等現(xiàn)狀，水資源承載力一直處于極低狀態(tài)。

表9 寧夏3個地區(qū)水資源承載力綜合得分

圖4 3個寧夏地區(qū)得分變化趨勢圖

3.2 驅(qū)動力生態(tài)脆弱性分析

3.2.1 寧夏地區(qū)生態(tài)脆弱性與水資源承載力的關(guān)系

生態(tài)脆弱性的特征主要有土層貧瘠，生態(tài)敏感性高，水土流失嚴重、生態(tài)惡化、經(jīng)濟落后、糧食缺乏等。水資源承載力的評價目的是為了揭示有限的水資源與人口、生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系，以便合理充分的利用水資源，促進可持續(xù)發(fā)展。所以生態(tài)發(fā)展對于水資源的可持續(xù)利用影響非常重要，雖然在主成分分析中生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)排在水資源系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)之后的第三位，但它的影響不容忽視。特別是2017年黨的十九大報告強調(diào)“必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念”，生態(tài)環(huán)境生產(chǎn)力理論得到了越來越多的實踐驗證、理論認可和民意認同。

寧夏深居西北內(nèi)陸高原，東、北、西三面分別被毛烏素、烏蘭布和騰格里三大沙漠包圍，生態(tài)環(huán)境惡劣；并且當?shù)乇揪痛嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境易受到人類活動的影響。所以科學合理的評價當?shù)厣鷳B(tài)脆弱性的變化情況有利于協(xié)調(diào)寧夏地區(qū)今后生態(tài)建設(shè)與社會經(jīng)濟共同發(fā)展，從而促進當?shù)厮Y源承載力的進一步提高。

3.2.2 生態(tài)脆弱性分析

根據(jù)寧夏生態(tài)脆弱性指標體系和模糊層次分析法計算得到寧夏地區(qū)2004-2016年生態(tài)脆弱度，具體如圖5所示。從圖5可知，寧夏地區(qū)2004-2016年間生態(tài)脆弱性呈波動上升趨勢，水資源承載力呈穩(wěn)定上升趨勢。說明在水資源承載力的良性發(fā)展是以犧牲部分生態(tài)環(huán)境為代價的。

圖5 生態(tài)脆弱性及水資源承載力趨勢

自1999年11月中央提出西部大開發(fā)戰(zhàn)略到2010年間，寧夏基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)突飛猛進，其中建設(shè)了大型農(nóng)業(yè)水利工程和供水工程，建成大型灌區(qū)24處，大中小型水庫223座，灌溉耕地由13.3 萬hm2增加到40 萬hm2；率先啟動節(jié)水型社會建設(shè)并實施水權(quán)轉(zhuǎn)換工程；人均GDP與全國相對差距明顯縮小等。雖然這段時間寧夏地區(qū)經(jīng)濟快速增長，農(nóng)業(yè)高速增長，工業(yè)化擴大，水資源承載力不斷提高；但由于寧夏處于西北內(nèi)陸，缺乏高科技產(chǎn)業(yè)鏈，粗放的高投入低產(chǎn)出的增長方式加大了經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境之間的不和諧，使得生態(tài)脆弱性不斷加大。

2011年，寧夏政府在生態(tài)環(huán)境保護大會中指出，加強生態(tài)環(huán)境保護，加快建設(shè)天藍地美的美麗寧夏。隨后開展了一系列生態(tài)保護措施，加強生態(tài)環(huán)境保護工作。其中林地面積達到217.75 萬hm2，森林覆蓋率達到11.89%，提高了2個百分點；水土流失初步治理程度接近40%,沙化面積減少2 584 萬hm2等。雖然寧夏地區(qū)在2011-2013年間生態(tài)保護工作取得了良好成效，但期間的生態(tài)脆弱性處于波動狀態(tài)。這是由于2011-2013年處于一個過渡期，雖然有一系列的改革措施，但成效并未立即表現(xiàn)。隨著生態(tài)保護力度的逐漸加大，從2014年開始，生態(tài)脆弱性開始下降，而此時寧夏的水資源承載力仍保持穩(wěn)定上升；這說明寧夏在改善生態(tài)環(huán)境的同時，水資源系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)也得到了良性發(fā)展。

3.2.3 基于生態(tài)脆弱性的影響因素

由表2可知，自然因素和結(jié)果表現(xiàn)對于寧夏地區(qū)生態(tài)脆弱性的影響較大，而社會成因影響較小。分析各指標層的權(quán)重可知，各因素對生態(tài)脆弱性的影響大小排序為森林覆蓋率>生態(tài)用水率>農(nóng)業(yè)依賴度>年降水量>人均GDP>恩格爾系數(shù)。森林覆蓋率反映了森林資源的豐富程度和生態(tài)平衡狀況，生態(tài)用水率強調(diào)了生態(tài)保護力度，農(nóng)業(yè)依賴度反應產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整方向，降水量是水資源狀況的重要體現(xiàn)，人均GDP和恩格爾系數(shù)則反映了社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境承載力之間的關(guān)系。例如在生態(tài)脆弱性極高的2010年左右，過高的農(nóng)業(yè)依賴度不僅影響了森林覆蓋率，而且擠占了本就不多的生態(tài)用水量；雖然促進了經(jīng)濟的發(fā)展，增加了人均GDP和恩格爾系數(shù)，但粗放式的利用方式導致資源極度浪費，使得人與資源的矛盾突出(見圖6)。

3.3 未來水資源承載力預測

以寧夏地區(qū)2004-2016年水資源承載力值為原始數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有發(fā)展情形下利用GM(1,1)模型預測未來2020、2025、2030年預測結(jié)果。由于原始數(shù)據(jù)存在負值，而灰色預測要求數(shù)據(jù)序列為正，本文從2010年開始預測，得到α=-0.063 5，μ=0.596 1，可以進行中長期的預測。由表10知，平均相對誤差為5.9%，處于勉強和合格兩個等級之間，方差比和小誤差概率分別為41.57%和89.51%，均處于合格和好之間，整體來說GM(1，1)灰色預測結(jié)果是可信的。2020、2025和2030年的預測值分別為1.42%、1.67%和1.84%，都處于上升狀態(tài)。雖然水資源承載力狀態(tài)良性發(fā)展，但隨著“水資源紅線”的制定和生態(tài)環(huán)境的惡化，寧夏水資源安全問題不容忽視。

圖6 驅(qū)動因子雷達圖

表10 水資源承載力預測值%

年份2010201120122013201420152016202020252030預測值0.100.350.310.690.751.091.151.421.671.84實際值0.100.320.290.740.701.021.10---相對誤差/%09.46.9-6.87.16.94.5---

3.4 寧夏未來發(fā)展規(guī)劃及預測

根據(jù)《寧夏十三五規(guī)劃》，生態(tài)方面，到2020年新增造林面積41.3 萬hm2，治理荒漠化土地33.3 萬hm2，每年治理水土流失面積800 km2，森林覆蓋率達到15.8%，到2025年森林覆蓋率達到17%。氣候變化方面，單位GDP能耗下降14%，萬元GDP用水量下降18%，單位GDP二氧化碳排放強度下降17%等。

在寧夏未來發(fā)展規(guī)劃的基礎(chǔ)上，對未來水平年3種情景假設(shè)下的水資源承載力進行預測[20]。情景1：生活污水排放量增加趨勢得到控制，河流水質(zhì)改善較大；情景2：生活污水排放量減少，河流水質(zhì)改善明顯；情景3：生活污水排放量減少，河流水質(zhì)改善明顯，生態(tài)環(huán)境改善較好。從表11可以看出，情景1下可持續(xù)性不高，情景2可持續(xù)性較好，情景3可持續(xù)性最高，但收到生態(tài)環(huán)境保護影響較大，發(fā)展速度相對情景2較慢。從圖7可知，由灰色預測值基本處于情景2和情景3之間，未來水資源承載力發(fā)展趨勢良好。

表11 不同情景預測結(jié)果

圖7 不同情景下水資源承載力預測結(jié)果

4 結(jié) 語

本文首先基于主成分分析法將寧夏分為整體和北部引黃灌區(qū)、中部干旱帶、南部山區(qū)3個地區(qū)進行了水資源承載力的分析，其次利用模糊層次分析法對寧夏生態(tài)脆弱性進行了探究分析，最后利用GM(1，1)和未來不同的情景模式對水資源承載力進行了預測。主要結(jié)果如下：

(1)通過主成分分析，將12個原始指標降維為3個主成分(整體)和2個主成分(3個地區(qū))，建立寧夏水資源承載力評價模型。其中，北部引黃灌區(qū)和寧夏整體變化趨勢相近，在2004-2016年呈現(xiàn)穩(wěn)定增加趨勢；中部干旱帶雖然也呈上升趨勢，但變化幅度不如寧夏整體和北部引黃灌區(qū)；南部山區(qū)波動較大，雖然也表現(xiàn)為一定增加，但效果很小。

(2)生態(tài)脆弱性增加會影響水資源承載力的良性發(fā)展。寧夏地區(qū)2004-2016年間生態(tài)脆弱性呈波動增加趨勢，水資源承載力表現(xiàn)為穩(wěn)定上升，說明在水資源承載力的良性發(fā)展是以犧牲部分生態(tài)環(huán)境為代價的。同時各因素對生態(tài)脆弱性的影響大小排序為森林覆蓋率>生態(tài)用水率>農(nóng)業(yè)依賴度>年降水量>人均GDP>恩格爾系數(shù)。

(3)在水資源承載力綜合評價的基礎(chǔ)上，建立GM(1，1)灰色預測模型，并結(jié)合最嚴格水資源管理制度和生態(tài)環(huán)境治理行動等，探討了未來水平年4種情景假設(shè)下的寧夏水資源承載力發(fā)展模式。表明未來寧夏地區(qū)水資源承載力狀態(tài)發(fā)展良好，效果排序為情景3>現(xiàn)狀>情景2>情景1。