尚海龍，撒慧麗

(凱里學(xué)院旅游學(xué)院，貴州 凱里 556011)

0 引 言

水環(huán)境作為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)賴(lài)以存在與發(fā)展的基本因素，其承載能力狀況對(duì)區(qū)域發(fā)展具有重要作用[1]。隨著區(qū)域水資源供需矛盾的日趨突出，水資源分布不均與水環(huán)境污染已成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的“瓶頸”[2]。高效保育水資源，科學(xué)提升與調(diào)控區(qū)域水環(huán)境承載力，已經(jīng)成為欠發(fā)達(dá)區(qū)域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展亟需解決的重要問(wèn)題。

水環(huán)境承載力(Water Environmental Carrying Capacity，WECC)是指一定時(shí)期、某種水環(huán)境狀態(tài)下，具體區(qū)域范圍內(nèi)水環(huán)境對(duì)人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)支持能力的閾值[3]。它是評(píng)價(jià)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要依據(jù)和有效方式[4]，其也可以作為衡量區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)程度的一種判據(jù)[5]。目前，關(guān)于水環(huán)境承載力的研究，國(guó)外文獻(xiàn)較少，主要參見(jiàn)于可持續(xù)發(fā)展相關(guān)成果中[6- 8]。國(guó)內(nèi)對(duì)于水環(huán)境承載力的研究方興未艾，現(xiàn)已成為水科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，專(zhuān)家學(xué)者主要從研究方法[9-11]、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建[12-14]和測(cè)度模型[15-17]等維度對(duì)于流域[12，18-19]、湖庫(kù)[13，20-21]、城市[5，14，22]等區(qū)域的水環(huán)境承載力進(jìn)行研究。縱覽已有成果，為區(qū)域進(jìn)行水資源保護(hù)與優(yōu)化配置提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)于促進(jìn)自然—經(jīng)濟(jì)—社會(huì)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的啟發(fā)意義和實(shí)踐價(jià)值。但是，學(xué)術(shù)界關(guān)于水環(huán)境承載力概念和方法體系的統(tǒng)一認(rèn)知問(wèn)題尚未解決，且實(shí)證研究領(lǐng)域亟待拓寬，比如探討高原高原水環(huán)境承載力的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)仍尚屬鮮見(jiàn)。

有鑒于此，本文以西南典型巖溶區(qū)貴州高原為研究區(qū)域，運(yùn)用連續(xù)年份統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與測(cè)算模型，對(duì)水環(huán)境承載力進(jìn)行測(cè)算、判定與分析，并揭示其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及主要影響因素，以期為協(xié)調(diào)高原經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與水環(huán)境保育關(guān)系提供一定參考。

1 研究區(qū)概況

貴州高原(103°31′N(xiāo)～109°30′E，24°30′E～29°13′N(xiāo))位于長(zhǎng)江和珠江水系交錯(cuò)地帶，為兩大水系上游地區(qū)的重要生態(tài)屏障。它地處云貴高原東斜坡地帶，是西南巖溶地區(qū)的主體與中心，地勢(shì)西高東低，山地廣布，平均海拔在1 100 m左右，包含畢節(jié)、六盤(pán)水、安順等9個(gè)地州市。境內(nèi)碳酸鹽巖分布面積12.96萬(wàn)km2，占國(guó)土總面積的71.7%，是世界上巖溶面積最集中、最典型、最復(fù)雜的區(qū)域之一。受亞熱帶高原山地季風(fēng)氣候影響，降水多集中于夏季，多年平均降水量達(dá)1 100～1 300 mm，相對(duì)濕度在70%以上，多年水資源總量均值為985.25億m3，人均擁有水資源2 676 m3，不僅是國(guó)內(nèi)降水量比較豐富的地區(qū)，而且也是年變率較小的地區(qū)。但由于受特殊的地形地貌與強(qiáng)烈發(fā)育的巖溶限制，地表水開(kāi)發(fā)利用難度較大，地下水賦存條件復(fù)雜多樣。21世紀(jì)以來(lái)，水資源平均利用率僅為10.07%，致使工程性、資源性及水質(zhì)性缺水問(wèn)題十分突出，這對(duì)貴州高原與長(zhǎng)江、珠江上游地帶經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有較大制約作用。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

影響水環(huán)境承載力的因子復(fù)雜多樣，指標(biāo)分布主要涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水資源和水生態(tài)方面。這3大子系統(tǒng)在不斷交互作用(見(jiàn)圖1)[22]中逐漸形成了一個(gè)綜合性復(fù)雜系統(tǒng)。以此為前提，構(gòu)建貴州高原水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，是進(jìn)行水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)的核心。

圖1 水環(huán)境承載力3大子系統(tǒng)相互關(guān)系與作用機(jī)制

本研究依據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委印發(fā)的《綠色發(fā)展指標(biāo)體系》和《生態(tài)文明建設(shè)考核目標(biāo)體系》、貴州省新聞辦發(fā)布的《貴州省生態(tài)文明建設(shè)目標(biāo)評(píng)價(jià)考核辦法(試行)》等文件，在參考水環(huán)境承載力權(quán)威研究文獻(xiàn)[5，22-25]基礎(chǔ)上，充分考慮研究區(qū)生態(tài)環(huán)境與水資源發(fā)展現(xiàn)狀，并遵循科學(xué)性、代表性、相對(duì)獨(dú)立性與數(shù)據(jù)可得性原則，從3大子系統(tǒng)中整合了使用頻率較高的具體評(píng)價(jià)指標(biāo)，經(jīng)過(guò)合并與剔除，最終構(gòu)建了貴州高原水環(huán)境承載力指標(biāo)體系(見(jiàn)表1)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)包含人均GDP、城鎮(zhèn)化水平、人口密度等5個(gè)具體指標(biāo)，主要表征研究區(qū)人口狀況、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平；水資源子系統(tǒng)包括人均水資源量、水資源開(kāi)發(fā)利用率、單位GDP用水量等6個(gè)具體指標(biāo)，主要表征研究區(qū)水資源稟賦、供需平衡與開(kāi)發(fā)利用情況；水生態(tài)子系統(tǒng)包含污水處理率、森林覆蓋率、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率等7個(gè)具體指標(biāo)，主要表征研究區(qū)水環(huán)境質(zhì)量、污染與防治狀況。

表1 貴州高原水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 改進(jìn)的熵值法

由于影響水環(huán)境承載力的因素眾多，且各因素之間的關(guān)系較復(fù)雜；所以，合理確定指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)重，是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水環(huán)境承載力的關(guān)鍵。為使指標(biāo)權(quán)重更為科學(xué)、精確，本研究采用改進(jìn)的熵值法測(cè)算子系統(tǒng)與具體指標(biāo)的標(biāo)權(quán)重(如表1所示)。該方法主要通過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化變換，避免了主觀確定的人為因素帶來(lái)的偏差，是一種客觀賦值方法[26]。具體步驟如下：

(1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理采用Z-Score法對(duì)各具體指標(biāo)原始值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化。其中，經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)根據(jù)貴州省歷年統(tǒng)計(jì)年鑒提供的價(jià)格指數(shù)進(jìn)行換算，使其成為可以比較的數(shù)值。即

(1)

(2)

(2)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)下第i功能團(tuán)指標(biāo)值的比重

(3)

按式(3)對(duì)構(gòu)造的判斷矩陣做無(wú)量綱化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)矩陣為Y=|yij|n×m。

(3)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)熵值

(4)

式中，k>0；Ej≥0。如果yij對(duì)于給定的j全部相等，那么

(5)

此時(shí)Ej取極大值。即

(6)

根據(jù)式(6)，設(shè)k=1/lnm，于是就得到0≤Ej≤1。于是，定義冗余度系數(shù)為1-Ej，當(dāng)1-Ej越大時(shí)，指標(biāo)越重要。

(4)計(jì)算j項(xiàng)指標(biāo)的信息權(quán)重

(7)

式中，Ej為i項(xiàng)指標(biāo)的信息熵；1-Ej為冗余度；m為評(píng)價(jià)年數(shù)；l為具體指標(biāo)個(gè)數(shù)。

2.3 水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型

根據(jù)式(7)測(cè)算的權(quán)重與式(8)、式(9)的處理數(shù)據(jù)，運(yùn)用式(10)[27]能夠獲取水環(huán)境子系統(tǒng)承載力。在此基礎(chǔ)上，采用“模加和”法可求水環(huán)境綜合承載力評(píng)價(jià)指數(shù)[28]。即

(8)

(9)

(10)

(11)

表2 水環(huán)境承載力判斷標(biāo)準(zhǔn)

2.4 數(shù)據(jù)來(lái)源

統(tǒng)計(jì)資料：根據(jù)《貴州統(tǒng)計(jì)年鑒》、《貴州省水資源公報(bào)》、《貴州省生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》、貴州省宏觀經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)及地州市《統(tǒng)計(jì)年鑒》與《水資源公報(bào)》獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理與計(jì)算。矢量數(shù)據(jù)：研究區(qū)邊界矢量來(lái)源于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站(底圖無(wú)修改)，通過(guò)運(yùn)用ArcGIS10.2軟件將地理單元的矢量數(shù)據(jù)與水環(huán)境承載力數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析，生成水環(huán)境承載力空間分異圖。

3 結(jié)果與分析

以2008年～2017年研究區(qū)水環(huán)境指標(biāo)變量處理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)(見(jiàn)表2)，運(yùn)用改進(jìn)的熵值法與水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型，測(cè)算貴州高原社會(huì)經(jīng)濟(jì)承載力、水資源承載力、水生態(tài)承載力與水環(huán)境承載力(見(jiàn)圖2～3)。

圖2 貴州高原水環(huán)境承載力子系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果

圖3 貴州高原水環(huán)境承載力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 貴州高原水環(huán)境承載力時(shí)間維度演化分析

根據(jù)貴州高原水環(huán)境承載力測(cè)算結(jié)果(見(jiàn)圖2～3)，對(duì)研究區(qū)水環(huán)境承載力的時(shí)間維度演化狀況進(jìn)行深入分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

(1)3大子系統(tǒng)承載力發(fā)展不均衡，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)。2008年～2017年社會(huì)經(jīng)濟(jì)承載力、水資源承載力與水生態(tài)承載力指數(shù)年均增長(zhǎng)率分別為21.26%、32.98%與10.49%。社會(huì)經(jīng)濟(jì)承載力指數(shù)2008年～2014年波動(dòng)上升，2015年～2017年呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)，研究期時(shí)段平均值為0.116，總體水平不高。這對(duì)水生態(tài)環(huán)境保育和修復(fù)產(chǎn)生一定的制約作用。水資源承載力指數(shù)2009年～2010年出現(xiàn)較大波動(dòng)。特別是2009年達(dá)到最低值(0.06)，2011年～2017年呈現(xiàn)較快增長(zhǎng)趨勢(shì)，研究期時(shí)段平均值為0.186，綜合水平顯著增強(qiáng)。這為社會(huì)經(jīng)濟(jì)承載力提升與水資源供需矛盾緩解奠定了良好的自然資源基礎(chǔ)；但山地廣布、巖溶發(fā)育典型的地貌，高原面漏水性強(qiáng)、蓄水不易，成為制約水資源承載力增強(qiáng)的重要因素。水生態(tài)承載力指數(shù)除2014年出現(xiàn)波降外，整個(gè)時(shí)間序列均呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)，研究時(shí)段平均值為0.143，發(fā)展水平較高；但水環(huán)境污染依然較為嚴(yán)重，且保護(hù)措施與補(bǔ)償機(jī)制不完善，成為水環(huán)境質(zhì)量改善的主要脅迫因素。

(2)高原水環(huán)境承載力表現(xiàn)為緩慢增長(zhǎng)與較快增長(zhǎng)兩個(gè)時(shí)段，總體發(fā)展水平較低。測(cè)算結(jié)果顯示(見(jiàn)圖3)，2008年～2017年貴州高原水環(huán)境承載力指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，其變化范圍在0.03～0.29之間，2014年成為緩慢增長(zhǎng)與較快增長(zhǎng)兩個(gè)時(shí)期的分界線。2008年～2014年水環(huán)境承載力處于不可承載階段、呈現(xiàn)崩潰狀態(tài)，2015年～2017年處于弱可承載階段、呈現(xiàn)脆弱狀態(tài)。究其原因，其一，第三產(chǎn)業(yè)占GDP比例、人均水資源量、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率等影響因子對(duì)于高原水環(huán)境承載力發(fā)展水平產(chǎn)生較大制約作用；其二，社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)承載力滯后于水資源子系統(tǒng)與水生態(tài)子系統(tǒng)，研究區(qū)經(jīng)濟(jì)實(shí)力不足對(duì)脆弱的巖溶區(qū)生態(tài)環(huán)境保育產(chǎn)生了較大影響。

(3)2009年～2010年高原水環(huán)境承載力發(fā)生波降，主要是局部干旱所致。2009年7月～2010年3月川黔滇及渝部分地區(qū)大旱導(dǎo)致貴州高原水資源供應(yīng)嚴(yán)重短缺，引起水環(huán)境承載力速降。本次西南大旱是全球變暖背景下極端氣候事件增多的典型案例，主要源于青藏高原熱力強(qiáng)迫與厄爾尼諾現(xiàn)象影響，云貴川地區(qū)較長(zhǎng)時(shí)間受副熱帶高壓控制，旱情持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)與危害程度較大，加劇了水資源供供需矛盾。

3.2 貴州高原水環(huán)境承載力空間格局演化分析

根據(jù)式(10)、(11)測(cè)算出2008年、2011年、2015年與2017年貴州高原9個(gè)地級(jí)市(州)單元的水環(huán)境承載力E值，通過(guò)ArcGIS 10.2軟件將E值與地州市邊界矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間鏈接，分別生成2008年、2011年、2015年與2017年水環(huán)境承載力空間分布圖(見(jiàn)圖4～7)。

圖4 2008年貴州高原水環(huán)境承載力狀態(tài)空間分布

圖5 2011年貴州高原水環(huán)境承載力狀態(tài)空間分布

圖6 2014年貴州高原水環(huán)境承載力狀態(tài)空間分布

圖7 2017年貴州高原水環(huán)境承載力狀態(tài)空間分布

根據(jù)貴州高原地州市水環(huán)境承載力測(cè)算結(jié)果(圖4～7)，對(duì)水環(huán)境承載力的空間維度演化狀況進(jìn)行深入分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

(1)貴州高原水環(huán)境承載力異質(zhì)性突出，地域分異較明顯。其一，黔東、黔中地區(qū)水環(huán)境承載力發(fā)展水平略?xún)?yōu)于黔西地區(qū)，分異的主導(dǎo)因素是經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)；其二，3個(gè)民族自治州水環(huán)境承載力發(fā)展水平不均衡，黔南州最差，黔西南州居中，黔東南州最優(yōu)，分異的主導(dǎo)因素為水資源稟賦；其三，巖溶地貌面積比例較高的地州市水環(huán)境承載力較低，分異主導(dǎo)因素是巖溶作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)貴陽(yáng)市、畢節(jié)市、安順市、黔南州巖溶面積比例超過(guò)70%，而黔西南州與黔東南州比例較低，特別是黔東南州僅為23.20%[30]。

(2)貴州高原區(qū)域水環(huán)境承載力均呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。水環(huán)境承載力指數(shù)從2008年發(fā)展水平最低的貴陽(yáng)市(0.08)上升至2017年發(fā)展水平最高的黔東南州(0.28)，近10年大部分單元經(jīng)歷了不可承載、弱可承載兩個(gè)階段，發(fā)展水平實(shí)現(xiàn)了由崩潰到脆弱狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。當(dāng)前，除黔西地區(qū)3市外，其他各地州市水環(huán)境承載力狀態(tài)均為脆弱。

(3)貴州高原水環(huán)境承載力整體呈現(xiàn)“崩潰狀態(tài)均衡、崩潰狀態(tài)主導(dǎo)、崩潰與脆弱狀態(tài)交錯(cuò)和脆弱狀態(tài)主導(dǎo)”的格局演化特征。2008年9個(gè)地州市水環(huán)境承載力均顯示崩潰狀態(tài)，且指數(shù)偏低，整體呈現(xiàn)崩潰狀態(tài)均衡的發(fā)展格局；2011年8個(gè)地州市呈現(xiàn)崩潰狀態(tài)，僅黔東南州進(jìn)入弱可承載階段，整體為崩潰主導(dǎo)的發(fā)展格局；2014年5個(gè)地州市表現(xiàn)崩潰狀態(tài)、4個(gè)地州市為脆弱狀態(tài)，整體呈現(xiàn)崩潰與脆弱交錯(cuò)的發(fā)展格局；2017年6個(gè)地州市呈現(xiàn)脆弱狀態(tài)、3個(gè)地州市仍處于不可承載階段，整體呈現(xiàn)脆弱主導(dǎo)的發(fā)展格局，水環(huán)境承載力之間的差距漸趨縮小。

以上分析結(jié)果反映出貴州高原水環(huán)境承載力空間格局演化與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展實(shí)力及水資源稟賦密切相關(guān)。經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚的區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)實(shí)踐效益顯著，在綠色發(fā)展與低碳發(fā)展進(jìn)程中，較好地促進(jìn)了水環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。而水資源稟賦不足，工業(yè)污染較為嚴(yán)重的區(qū)域，亟待在發(fā)展中緩解、調(diào)控水生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)建設(shè)的矛盾，從而實(shí)現(xiàn)巖溶區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)構(gòu)建貴州高原水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用計(jì)量模型測(cè)算了2008年～2017年水環(huán)境承載力指數(shù)，并對(duì)其演化趨勢(shì)及影響因素進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：貴州高原水環(huán)境承載力指數(shù)呈現(xiàn)緩慢波動(dòng)上升趨勢(shì)。水環(huán)境承載力經(jīng)歷了不可承載到弱可承載2個(gè)階段，其中水環(huán)境承載力在不可承載階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，在弱可承載階段持續(xù)時(shí)間短、且增速較快。當(dāng)前，水環(huán)境承載力整體發(fā)展水平處于脆弱狀態(tài)；貴州高原水環(huán)境承載力地域分異明顯，水環(huán)境承載力空間維度表現(xiàn)為“崩潰狀態(tài)均衡、崩潰狀態(tài)主導(dǎo)、崩潰與脆弱狀態(tài)交錯(cuò)、脆弱狀態(tài)主導(dǎo)”的格局演化特征；社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)承載力滯后于水資源子系統(tǒng)與水生態(tài)子系統(tǒng)，對(duì)貴州高原水環(huán)境承載力發(fā)展水平提升脅迫作用較突出。為此，提出貴州高原水環(huán)境承載力提升策略。即：加快生態(tài)省、生態(tài)市建設(shè)步伐，強(qiáng)化巖溶區(qū)水環(huán)境治理，解決“兩江”流域上游生產(chǎn)污染問(wèn)題；大力發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟(jì)、旅游經(jīng)濟(jì)與低碳經(jīng)濟(jì)，創(chuàng)新節(jié)水科技，推進(jìn)水源保護(hù)區(qū)生態(tài)文明建設(shè)；全面深入推行“河長(zhǎng)制”，嚴(yán)格完善水環(huán)境保育措施。