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        揚州市水資源承載能力綜合評價研究

        2019-12-19 07:42:06蔣利俊
        陜西水利 2019年11期
        關(guān)鍵詞:揚州市信息熵承載力

        吳 楓 ,洪 達 ,蔣利俊

        (1.寶應(yīng)縣水務(wù)局,江蘇 寶應(yīng) 225800;2.揚州市勘測設(shè)計研究院有限公司,江蘇 揚州 225000;3.宜興市西渚鎮(zhèn)水利農(nóng)機站,江蘇 宜興 214236)

        當(dāng)前工業(yè)化生產(chǎn)創(chuàng)造了充足的物質(zhì)財富,然而人口劇增與超負(fù)荷的經(jīng)濟活動不斷擠壓生態(tài)空間,還引起土地退化、水污染、資源短缺、生物多樣性下降等系列環(huán)境問題,這對人與自然可持續(xù)發(fā)展帶來挑戰(zhàn)。其中,水資源作為生命演替的物質(zhì)基礎(chǔ),更容易受到不合理的人為活動的影響。水資源承載力是指基于當(dāng)前經(jīng)濟技術(shù)背景,一定區(qū)域內(nèi)水環(huán)境要素在維持自身平衡演替的前提下,對區(qū)域人口和社會發(fā)展最大的支撐能力,用以定量表征區(qū)域自然環(huán)境與經(jīng)濟社會發(fā)展的協(xié)調(diào)程度與發(fā)展?jié)摿1]。2005年世界減災(zāi)大會中提出建立國際、社區(qū)尺度上環(huán)境承載力評估框架,并將水資源承載力的研究作為核心工作之一[2]。當(dāng)前,國內(nèi)外學(xué)者針對景觀水平、省際尺度上水資源承載力評價模型,研究尺度單元較大,大多注重其時間變化特性,忽略了其空間分布差異。揚州是長江中下游經(jīng)濟較發(fā)達城市,區(qū)域水資源總量相對豐富、人口密集、水環(huán)境壓力較大,以GIS技術(shù)研究市域水資源承載力空間分布差異,以期為區(qū)域資源管理提供決策依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        揚州地處江蘇省中部,江淮流域下游,政區(qū)面積6591 km2;其中,屬長江流域面積為1089 km2,屬淮河流域面積為5502 km2。全市地形平坦開闊,長江與京杭大運河交匯,境內(nèi)有白馬湖、寶應(yīng)湖、高郵湖、邵伯湖等,水域面積達1365 km2,占全市面積的20.7%。受東亞季風(fēng)與西伯利亞高壓控制,形成北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,冬季干冷,夏季炎熱多雨,多年平均氣溫15.2℃,降水量為1007.3 mm。揚州市地狹人稠,用水結(jié)構(gòu)主要依賴長江、淮河過境水資源量;本地水資源以地表徑流為主,多年平均水資源總量為20.20億m3,人均占有量為448 m3,低于800 m3的閾值水平,按本地水資源量統(tǒng)計,屬于水資源匱乏區(qū)。

        1.2 水資源承載力評價指標(biāo)系統(tǒng)

        PSR(Pressure-State-Response)概念框架是聯(lián)合國環(huán)境署用于人地關(guān)系、環(huán)境評價的經(jīng)典范式[3],該模型以因果關(guān)系闡釋資源環(huán)境系統(tǒng)、經(jīng)濟社會需要、人與自然交互影響之間,可以深刻地描述水資源對自然因素的依賴性與對經(jīng)濟社會的脅迫性,依據(jù)該概念建立的指標(biāo)體系涵蓋了水資源承載力的綜合反饋機理,具有廣泛應(yīng)用性。借鑒相關(guān)學(xué)者們的經(jīng)驗[3~4],在對區(qū)域人口、經(jīng)濟、資源、環(huán)境等要素進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上,構(gòu)建揚州市水資源承載力評價指標(biāo)體系。

        1.2.1 熵權(quán)法

        熵權(quán)法是依據(jù)指標(biāo)信息熵的離散度進行客觀賦權(quán)。設(shè)揚州市水資源環(huán)境評估矩陣[X]m*n:

        按照指標(biāo)性質(zhì)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理:

        其中,正向指標(biāo)為指標(biāo)數(shù)值越大,表明水資源承載力越高,負(fù)向指標(biāo)則反之。yij為xij的標(biāo)準(zhǔn)化值,i∈n,表示評價對象序列,j∈m,表示指標(biāo)序列,xmax、xmin分別表示第j項指標(biāo)中的最大值、最小值。

        在此基礎(chǔ)上計算各項指標(biāo)的信息熵:

        式中:hj為第j指標(biāo)的信息熵,fij表示第i個對象的第j個指標(biāo)歸一化值占所有指標(biāo)的分值。最后根據(jù)各項指標(biāo)信息熵分量確定權(quán)重。

        式中:wj為第j個指標(biāo)的權(quán)重。

        1.2.2 TOPSIS評估模型

        TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)是通過檢測評價對象與最優(yōu)解、最劣解之間的距離的一種多目標(biāo)決策方法[5~6]。其結(jié)合熵權(quán)法構(gòu)造水資源承載力評估模型過程如下。先以熵權(quán)法確定的指標(biāo)權(quán)重與歸一化值加權(quán)處理:

        再根據(jù)加權(quán)判斷矩陣獲取評估目標(biāo)的最優(yōu)解、最劣解:

        其中,Y+、Y-分別表示最優(yōu)解、最劣解。則各評估目標(biāo)的最優(yōu)解與最劣解之間的歐氏距離分別為,定義如下:

        相對接近程度Ii計算公式如下:

        其單調(diào)性大小表征評估目標(biāo)的優(yōu)劣程度。

        1.2.3 數(shù)據(jù)處理

        揚州市水資源承載力評價指標(biāo)體系的原始數(shù)據(jù)整理通過Excel 2016軟件完成,并根據(jù)前述公式在Excel中進行歸一化處理、信息熵計算、TOPSIS模型評分。將各維度指標(biāo)權(quán)重累加分別得到壓力層、狀態(tài)層、響應(yīng)層的綜合權(quán)重(表1),然后分層加權(quán)求和并通過GIS平臺進行空間可視化,從而得到揚州市水資源承載力的壓力層、狀態(tài)層、響應(yīng)層指數(shù)的空間分布;水資源承載力綜合指數(shù)則為所有指標(biāo)因子加權(quán)求和得到。

        表1 揚州市省水資源承載力評價指標(biāo)系統(tǒng)

        2 結(jié)果與分析

        2.1 水資源承載力指標(biāo)體系分析

        水資源承載力受區(qū)域人口社會經(jīng)濟系統(tǒng)的壓力與水資源環(huán)境系統(tǒng)的自維持力。PSR模型水資源承載力分解為壓力、狀態(tài)和響應(yīng)維度,明確了水資源承載力指標(biāo)框架下各維度、指標(biāo)間的聯(lián)系,另外該指標(biāo)框架可結(jié)合區(qū)域本地環(huán)境特性進行擴充,因此具有全面性、系統(tǒng)性和可選擇性的特點。該指標(biāo)體系能夠幫助水資源管理部門直觀認(rèn)識水資源承載力的結(jié)構(gòu)因子,從而因地制宜采取科學(xué)措施提升水環(huán)境質(zhì)量。揚州市水資源承載力評價指標(biāo)體系由18項因子組成。以各指標(biāo)原始數(shù)值為基礎(chǔ),基于上熵權(quán)公式(1~5)逐級計算信息熵,由此得到各指標(biāo)以及維度權(quán)重,結(jié)果見表1。結(jié)果表明壓力層權(quán)值最高,達到0.394,表明其揚州水資源承載力的關(guān)鍵影響因素;狀態(tài)、響應(yīng)維度的影響程度次之,為0.324、0.261,PSR各維度存在功能差異。

        2.2 揚州市水資源承載力PSR分析

        采用前述TOPSIS融合熵權(quán)歸一化矩陣,獲取揚州市水資源承載力PSR準(zhǔn)則層指數(shù)大小,為了便于比較其層次差異,采樣自然列分將其劃分為I、II和III三個等級,并通過GIS平臺進行可視化。明顯可知,各縣區(qū)PSR指數(shù)分布不一,說明各地水資源承載力的結(jié)構(gòu)存在一定差異。結(jié)果見圖1~ 圖 4。

        圖1 揚州市水資源承載力壓力指數(shù)分布

        由圖1可知,由于在指標(biāo)量化過程中對負(fù)向指標(biāo)逆處理,其壓力指數(shù)越大說明水資源承載力越高,其中邗江和市中心地區(qū)水資源壓力屬于I級,為全市最低水平,這是由于該區(qū)土地空間狹小、人口集中,人均水資源量極低。儀征和高郵為II級,兩地水域面積寬闊、地表徑流相對豐富,一定程度上緩解了承載壓力。寶應(yīng)和江都的水資源壓力最小,為III級,前者由于人口相對較小,單位土地水資源較多,而江都則是人均水資源量居多。

        圖2 揚州市水資源承載力狀態(tài)指數(shù)分布

        由圖2可知,揚州市水資源承載力狀態(tài)指數(shù)分布與水資源環(huán)境質(zhì)量基本一致。不難發(fā)現(xiàn)邗江區(qū)和市廣陵區(qū)水資源狀態(tài)指數(shù)屬于I級,表明其水資源環(huán)境質(zhì)量、水源涵養(yǎng)能力與開發(fā)潛力不足;儀征屬于II級水平;江都、高郵和寶應(yīng)處第III級較好水平,表明該區(qū)水生態(tài)環(huán)境較好,自然狀態(tài)下水源涵養(yǎng)能夠基本保障生態(tài)所需。

        圖3 揚州市水資源承載力響應(yīng)指數(shù)分布

        由圖3可知,邗江區(qū)和市廣陵區(qū)對水資源環(huán)境保護的響應(yīng)措施最不明顯,屬于I級,這是由于該區(qū)域水域面積較小、水生態(tài)用地類型稀少,可采取的防護措施有限。江都和儀征次之,為II級,寶應(yīng)和高郵水資源承載力響應(yīng)指數(shù)最高,該區(qū)是區(qū)域地表徑流、湖泊密集區(qū),集中了東線南水北調(diào)源頭工程、高郵湖清水工程,且作為全市水源地,該區(qū)水資源保護與水利建設(shè)最完善。

        圖4 揚州市水資源承載力指數(shù)分布圖

        由于縣區(qū)水資源承載力面臨的壓力、狀態(tài)、響應(yīng)等各分維結(jié)構(gòu)與特性存在差異,故揚州市水資源承載力指數(shù)空間分布具有異質(zhì)性。由圖4可知,寶應(yīng)和高郵地區(qū)的承載力最高,達0.5238、0.4917,屬III級,表明該區(qū)水資源基本滿足生態(tài)用水與經(jīng)濟社會用水需要。江都儀征地區(qū)水資源承載力次之,承載力指數(shù)依次為0.4308、3952,為中等水平;邗江與廣陵區(qū)水資源承載力最弱,表明其承壓過載,水環(huán)境質(zhì)量難以維系自然與社會屬性的協(xié)調(diào)與可持續(xù)。

        3 結(jié)論

        基于PSR-TOPSIS水資源承載力評估模型反映的是水資源承壓、水環(huán)境狀態(tài)以及經(jīng)濟社會響應(yīng)三個維度對水資源可支撐能力的綜合效應(yīng),從模型效果來看,壓力是影響全省水資源承載力的首要因素,水環(huán)境壓力與人口壓力從根本上影響著承載能力;源于地理環(huán)境特征與經(jīng)濟人口分別特征,各縣區(qū)州的水環(huán)境質(zhì)量基礎(chǔ)與水環(huán)境工程治理投入能力互有差異,這也影響著水資源承載力的大小。GIS分析表明,揚州市各縣區(qū)水資源承載力呈層次化分異,今后應(yīng)當(dāng)注重水資源與人口密度、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)布局的協(xié)調(diào)性,并科學(xué)進行水資源空間調(diào)配。

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