葉 飛， 金菊良， 方國華

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210098；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009)

1 研究背景

水資源承載力是水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境三大系統(tǒng)的綜合反映，是衡量水資源可持續(xù)利用的重要指標(biāo)，也是衡量水資源安全的重要尺度[1-2]。由于水資源承載力涉及的因素較多、層面較廣，目前已有大量學(xué)者采用不同方法從不同方面分析評(píng)價(jià)區(qū)域水資源承載力。趙強(qiáng)等[3]從山東省經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)自身特點(diǎn)出發(fā)，基于模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)山東省水資源承載力現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)；危文廣等[4]從水資源子系統(tǒng)、社會(huì)子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)4個(gè)方面，基于理想點(diǎn)法(TOPSIS)對(duì)江西省水資源承載力現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)；李燕等[5]從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水資源量、用水量和廢水排放量4個(gè)方面，基于主成分分析法對(duì)長江經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力進(jìn)行現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，等等。而現(xiàn)有的評(píng)價(jià)方法大多數(shù)是學(xué)者在其他領(lǐng)域的基礎(chǔ)方法上改進(jìn)而來的，具有一定的不足，例如模糊綜合評(píng)價(jià)法可以將不完全信息轉(zhuǎn)化為模糊概念，使其定量化，但容易忽視次要因素，評(píng)價(jià)結(jié)果不夠全面；TOPSIS評(píng)價(jià)法可以充分利用已有數(shù)據(jù)信息，對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象優(yōu)劣進(jìn)行排序，但易得不到最優(yōu)結(jié)果，靈敏度不高；主成分分析法可以用較少信息替代原來較多指標(biāo)，不需人為增設(shè)權(quán)重，但計(jì)算過程較為繁瑣，樣本量需求大，易造成誤差。水資源承載力研究需要綜合考慮評(píng)價(jià)目標(biāo)與評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相互關(guān)系。集對(duì)分析正是一種處理對(duì)象之間不確定性關(guān)系的研究方法，用同一度、差異度和對(duì)立度表示的聯(lián)系數(shù)將不確定因素轉(zhuǎn)換成具體的數(shù)學(xué)問題。其綜合考慮了評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣對(duì)水資源承載力的影響，使定性問題定量化，提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和可信度，能夠較為全面地分析問題，具有對(duì)樣本需求小、計(jì)算過程簡便和誤差小等優(yōu)勢。同時(shí)，利用樣本聯(lián)系數(shù)同一度、差異度、對(duì)立度分量基于減法集對(duì)勢理論對(duì)水資源承載力的指標(biāo)進(jìn)行診斷，識(shí)別造成水資源承載力不足的主要因素。因此，本文構(gòu)建了基于集對(duì)分析聯(lián)系數(shù)的合肥市水資源承載力評(píng)價(jià)模型，綜合評(píng)價(jià)分析合肥市2011-2016年水資源承載力，為合肥市水資源未來規(guī)劃提供一定的參考。

合肥市為安徽省省會(huì)城市，自2011年8月22日，國務(wù)院批準(zhǔn)了安徽省行政區(qū)規(guī)劃調(diào)整，合肥市從擁有巢湖湖區(qū)面積的1/3拓展到包含全湖，合肥市成為全國環(huán)抱五大淡水湖之一的省會(huì)城市。巢湖并入合肥市后，合肥市區(qū)域水資源總量及水資源承載力發(fā)生了較大變化。因此，開展合肥市水資源承載力評(píng)價(jià)研究，對(duì)于科學(xué)管理合肥市水資源，促進(jìn)合肥市水資源可持續(xù)利用具有十分重要的意義。

2 合肥市水資源承載力評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

2.1 合肥市水資源評(píng)價(jià)體系的建立

水資源承載力與“水資源-經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)環(huán)境”三大系統(tǒng)緊密相關(guān)。自然生態(tài)環(huán)境的變化以及人類活動(dòng)無不影響著三大系統(tǒng)的互饋關(guān)系，進(jìn)而影響到水資源承載力大小及變化趨勢 。因此，為了更加客觀、準(zhǔn)確地反映評(píng)價(jià)結(jié)果，在對(duì)水資源承載力概念分析的基礎(chǔ)上，充分考慮到水資源承載力與水資源系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)三大系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，將合肥市水資源承載力分為支撐力、調(diào)控力和壓力3個(gè)子系統(tǒng)，建立了總共包含13個(gè)指標(biāo)組成的水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[1,6-10]，如表1所示。

水資源評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是反映某一區(qū)域內(nèi)的水資源評(píng)價(jià)等級(jí)，是評(píng)價(jià)水資源承載力的重要組成成分之一。本文在閱讀相關(guān)文獻(xiàn)[1,11-14]以及借鑒部分專家意見后，建立了1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)評(píng)價(jià)等級(jí)，1級(jí)表示水資源承載力強(qiáng)或可載(該區(qū)域水資源承載力較大，供給條件良好，可以進(jìn)一步開發(fā)利用水資源)，2級(jí)表示水資源承載力一般或達(dá)到臨界(該地區(qū)水資源開發(fā)利用已達(dá)到一定規(guī)模，但還有部分空間可以開發(fā))，3級(jí)表示水資源承載力弱或超載(該區(qū)域水資源開發(fā)達(dá)到或接近飽和，較難進(jìn)一步開發(fā)，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)調(diào)控對(duì)策否則會(huì)制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展)。13個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)如表1所示。

2.2 基于集對(duì)分析聯(lián)系數(shù)的合肥市水資源承載力評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

集對(duì)分析基本原理：將研究對(duì)象分為具有特定關(guān)系的兩個(gè)集合對(duì)，分別用A、B表示。μ為集合對(duì)的聯(lián)系數(shù)，I為差異度系數(shù)，可根據(jù)具體情況在(-1,1)區(qū)間取值；J為對(duì)立度系數(shù)，常取-1；a+b+c=1，a為同一度，b為差異度，c為對(duì)立度，聯(lián)系數(shù)表達(dá)式為[15]：

μ(A，B)=a+bI+cJ

(1)

基于集對(duì)分析原理構(gòu)建合肥市水資源承載力評(píng)價(jià)模型步驟具體如下。

步驟1：根據(jù)指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，用公式(2)～(4)計(jì)算樣本值xij的三元聯(lián)系數(shù)[1]。正向指標(biāo)的三元聯(lián)系數(shù)計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中：s1j～s3j分別為1～3級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的臨界值;s0j為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)兩側(cè)另一較遠(yuǎn)臨界值；i=1, 2, …,m；j=1, 2, …,n。對(duì)于負(fù)向指標(biāo)三元聯(lián)系數(shù)的計(jì)算公式略有調(diào)整，將上式右端xij區(qū)間號(hào)反向，其余計(jì)算不變即可。

步驟2：由公式(5)～(6)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)k的隸屬度，由公式(7)得單指標(biāo)值聯(lián)系數(shù)uij：

(5)

(i=1, 2, …,m;j=1, 2, …,n;k=1, 2, 3)

(6)

uij=vij1+vij2I+vij3J

(7)

步驟3：由公式(8)可得樣本i的水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)值聯(lián)系數(shù)ui：

ui=vi1+vi2I+vi3J

(8)

(i=1, 2, …,m)

式中：wj為評(píng)價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重(j=1,2,…,n)。

步驟4：通過置信度準(zhǔn)則評(píng)判方法進(jìn)行整體水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)評(píng)判[10]：

(9)

式中：λ為置信度，一般在[0.50, 0.70]內(nèi)進(jìn)行取值。

表1 合肥市水資源承載力評(píng)價(jià)體系

注：“+”表示正向指標(biāo)； “-”表示負(fù)向指標(biāo)。

2.3 確定指標(biāo)組合權(quán)重

為科學(xué)合理得到合肥市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)值聯(lián)系數(shù)ui，需確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重wj。本文在已有確定權(quán)重方法中，考慮到指標(biāo)權(quán)重主觀性與客觀性以及評(píng)價(jià)方法的成熟度，選取層次分析法和熵權(quán)法分別計(jì)算指標(biāo)主、客觀權(quán)重，基于均值思想確定指標(biāo)組合權(quán)重。

層次分析法[16](AHP)是一種根據(jù)專家主觀經(jīng)驗(yàn)確定指標(biāo)權(quán)重的方法，具體步驟如下：

(1)建立多層次結(jié)構(gòu)模型。依據(jù)表1合肥市水資源評(píng)價(jià)體系，建立目標(biāo)層-準(zhǔn)則層-指標(biāo)層結(jié)構(gòu)模型。

(2)構(gòu)建判斷矩陣。將支撐力、壓力、調(diào)控力子系統(tǒng)各指標(biāo)分別進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣。

(3)一致性檢驗(yàn)及權(quán)重求解。依據(jù)不同判斷矩陣階數(shù)對(duì)應(yīng)不同的一致性指標(biāo)RI，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。在滿足一致性前提下，基于MATLAB軟件求解判斷矩陣，歸一化后的特征向量即為權(quán)重向量。根據(jù)層次結(jié)構(gòu)模型，求得各指標(biāo)對(duì)應(yīng)于目標(biāo)層水資源承載力權(quán)重，記為wkj(j=1,2,…,n)。

熵權(quán)法[17]是一種指標(biāo)客觀賦權(quán)方法，具體步驟如下：

(1)指標(biāo)數(shù)據(jù)預(yù)處理。由于各個(gè)指標(biāo)的數(shù)量級(jí)不一，無法進(jìn)行比較，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使之無量綱化。

(2)計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的信息熵ej：

(10)

(11)

式中：K=1/lnm。

(3)確定第j個(gè)指標(biāo)權(quán)重：

(12)

式中：gi=1-ei為指標(biāo)差異系數(shù)。

由AHP與熵權(quán)法得指標(biāo)組合權(quán)重，計(jì)算公式如下：

(13)

3 合肥市水資源承載力評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

合肥市2011-2016年水資源相關(guān)數(shù)據(jù)來源于《合肥市水資源公報(bào)》(2011-2016年)、《安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2011-2016年)等綜合規(guī)劃相關(guān)成果，并根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的定義對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，整理得到的13個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值，如表2所示。

3.2 合肥市2011-2016年水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)值的計(jì)算

結(jié)合合肥市實(shí)際情況，分別由AHP與熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，并根據(jù)公式(13)得到各指標(biāo)最終組合權(quán)重，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由公式(2)～(7)計(jì)算得到合肥市2011-2016年水資源承載力單指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)值聯(lián)系數(shù)。再由公式(8)得出年樣本評(píng)價(jià)指標(biāo)值聯(lián)系數(shù)，如表4所示。由公式(9)得出合肥市2011-2016年水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)，如表5所示。

表2 合肥市2011-2016年水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)值

表3 合肥市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

表4 合肥市2011-2016年水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)值聯(lián)系數(shù)

表5 合肥市2011-2016年水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)

3.3 合肥市水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果分析

(1)由表5數(shù)據(jù)結(jié)果可知，合肥市2011-2015年水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)值為3級(jí)(水資源承載力弱)，2016年評(píng)價(jià)等級(jí)值為2級(jí)(水資源承載力一般)，合肥市水資源承載力整體形勢嚴(yán)峻，承載能力較差，但已有所改善。分析表4中2011-2016年評(píng)價(jià)指標(biāo)聯(lián)系數(shù)可知，合肥市水資源承載力較差，但是整體保持上升的趨勢，其中優(yōu)勢分量同一度、差異度逐年增加，到2016年已提高到一般水平，這與合肥市近年來重視水資源可持續(xù)利用和生態(tài)水環(huán)境改善是分不開的，隨著人們的重視與科學(xué)的開發(fā)，合肥市水資源承載力將會(huì)得到進(jìn)一步提高，生態(tài)水環(huán)境也會(huì)得到進(jìn)一步改善。

(2)根據(jù)集對(duì)分析置信度準(zhǔn)則評(píng)判法“同一度a越小、對(duì)立度c越大樣本評(píng)價(jià)等級(jí)k值越趨于3級(jí)”可知，引起合肥市水資源承載力偏弱的主要因素是支撐力子系統(tǒng)的人均水資源量C1、產(chǎn)水模數(shù)C2、植被覆蓋率C43個(gè)指標(biāo)和壓力子系統(tǒng)中人口密度C8指標(biāo)以及調(diào)控力子系統(tǒng)中水資源開發(fā)利用率C11、生態(tài)用水率C13兩個(gè)指標(biāo)。C1、C2、C4、C13指標(biāo)值越小，C8、C11指標(biāo)值越大，表明水資源承載力越弱。為了驗(yàn)證上述結(jié)果及提供可靠的數(shù)據(jù)分析和調(diào)控指標(biāo)，根據(jù)減法集對(duì)勢sf(u)對(duì)合肥市水資源承載力的脆弱性指標(biāo)進(jìn)行診斷和識(shí)別。

sf(u)=a-c+ba-bc

=(a-c)(1+b)

(14)

(15)

根據(jù)公式(14)、(15)確定處于反勢或偏反勢的指標(biāo)為區(qū)域水資源承載力的脆弱性指標(biāo)，是水資源承載力調(diào)控的主要對(duì)象，計(jì)算結(jié)果如表6所示。指標(biāo)C1、C2、C4、C8、C11、C13是合肥市水資源承載力的脆弱性指標(biāo)，是水資源承載力調(diào)控的主要對(duì)象。

(3)從水資源承載支撐力方面看，合肥市水資源及自然資源本身(水資源系統(tǒng))和水資源系統(tǒng)內(nèi)的有效資源量(水資源可利用量)對(duì)該市的水資源承載力起到支撐作用。造成合肥市水資源支撐力弱的主導(dǎo)因素是人均水資源量、產(chǎn)水模數(shù)和植被覆蓋率，且合肥市的水資源系統(tǒng)并不能充分滿足該市的水資源需求，水資源系統(tǒng)對(duì)該市的水資源承載能力的支撐力接近極限。但從2011-2016年水資源承載支撐力趨勢看，合肥市一方面年平均降水量有所增加，另一方面市政府加大了經(jīng)淠史杭灌渠的調(diào)水總量，水資源總量增幅較大，提高了合肥市水資源可利用總量。同時(shí)，合肥市加大了水利工程項(xiàng)目的建設(shè)投入，如引江濟(jì)淮工程的建設(shè)，未來將進(jìn)一步提高合肥市水資源承載支撐力。

表6 合肥市2011-2016年水資源承載力各評(píng)價(jià)指標(biāo)減法集對(duì)勢

從水資源承載壓力方面看，合肥市地區(qū)的水資源供水結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等對(duì)合肥市水資源承載力具有壓力作用。指標(biāo)人口密度是造成合肥市水資源承載壓力弱的主導(dǎo)因素，指標(biāo)農(nóng)田灌溉定額和城市化率是造成合肥市水資源承載壓力弱的輔助因素。合肥市2011-2016年積極調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、大力發(fā)展創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)，工業(yè)產(chǎn)值持續(xù)增加，但能耗和耗水較大的工業(yè)企業(yè)明顯減少，降低了萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值需水量，逐漸降低了合肥市水資源承載壓力。

從水資源承載調(diào)控力方面看，合肥市水資源利用率、生態(tài)環(huán)境和人均經(jīng)濟(jì)等對(duì)合肥市水資源承載力具有調(diào)控力作用。指標(biāo)水資源開發(fā)利用率和生態(tài)用水率是造成合肥市水資源承載調(diào)控力弱的主導(dǎo)因素。合肥市重視生態(tài)環(huán)境的治理，隨著巢湖水環(huán)境生態(tài)治理、城市河道環(huán)境整治、黑臭水體整治、污水處理等一系列環(huán)境整治工程的開展，合肥市生態(tài)環(huán)境將得到進(jìn)一步改善，水資源承載調(diào)控力也將得到進(jìn)一步提高。

4 結(jié) 論

(1)基于集對(duì)分析聯(lián)系數(shù)評(píng)價(jià)模型，合肥市水資源承載力2011-2015年評(píng)價(jià)等級(jí)值為3級(jí)，2016年評(píng)價(jià)等級(jí)值為2級(jí)，合肥市水資源承載狀態(tài)整體形勢嚴(yán)峻，承載能力較差，但已有所改善，發(fā)展趨勢良好。運(yùn)用減法集對(duì)勢理論，確定指標(biāo)人均水資源量、產(chǎn)水模數(shù)、植被覆蓋率、人口密度、水資源開發(fā)利用率、生態(tài)用水率是導(dǎo)致合肥市水資源承載力不強(qiáng)的主要因素，也是合肥市水資源承載力調(diào)控的主要對(duì)象。

(2)目前合肥市需采取有效調(diào)控方案和對(duì)策來解決水資源承載力超載的問題，可以從開源節(jié)流、水環(huán)境污染方面入手，分析水資源短缺的原因、合理配置水資源、加強(qiáng)水資源的管理與利用、強(qiáng)化河流湖泊等水體生態(tài)環(huán)境保護(hù)，以提高合肥市水資源承載力，促進(jìn)合肥市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。