左太安，張鳳太，于世杰，楊 慶

(1.重慶第二師范學(xué)院旅游與服務(wù)管理學(xué)院，重慶 400065；2.重慶理工大學(xué)管理學(xué)院，重慶 400054)

隨著水資源、水環(huán)境和水生態(tài)等系列問題的日益復(fù)雜化及其綜合管理的需要[1]，要求學(xué)者從更高的角度去審視水生態(tài)系統(tǒng)相對于人類社會經(jīng)濟(jì)的承載力問題，實現(xiàn)水資源、水環(huán)境和水生態(tài)的保護(hù)和恢復(fù)以及區(qū)域社會可持續(xù)的發(fā)展[2-3]。水生態(tài)承載力最早是由國內(nèi)學(xué)者李靖等[4]提出，以水生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會協(xié)調(diào)發(fā)展為主要內(nèi)涵，涵蓋水量、水質(zhì)、水生態(tài)綜合要素的承載力理念[5]，實質(zhì)為同時滿足水資源承載力和水環(huán)境承載力的復(fù)合承載力[6]。自2009年以來，水生態(tài)承載力研究在概念、指標(biāo)體系、測度模型等方面均取得了長足進(jìn)展。不同領(lǐng)域的專家學(xué)者運用生態(tài)足跡[7-8]、系統(tǒng)動力學(xué)[9]、物元分析[10]、模糊綜合評價[11]、多目標(biāo)優(yōu)化[12]等方法對水生態(tài)承載力進(jìn)行了深入的研究。研究方法的不斷完善和進(jìn)步推動著水生態(tài)承載力的研究，由最初基于不同需求的水資源或水環(huán)境因素的承載力研究到現(xiàn)今的“自然-經(jīng)濟(jì)-社會”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，由靜態(tài)定量研究到現(xiàn)今的多時空多尺度的動態(tài)模擬預(yù)測研究，更加注重生態(tài)系統(tǒng)的整體性、持續(xù)性和協(xié)調(diào)性，已成為評價區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力的重要依據(jù)。

目前的水生態(tài)承載力研究大多集中在較發(fā)達(dá)的城市和西部干旱地區(qū)，針對西南巖溶貧困縣的水生態(tài)承載力研究還比較少[13]。西南巖溶區(qū)雖然在傳統(tǒng)意義上屬于水資源豐富區(qū)，但在“二元三維”結(jié)構(gòu)的影響下，地表水與地下水相連通，降水滲漏嚴(yán)重造成地表徑流系數(shù)低，且地表水資源量波動性較大，而地下徑流發(fā)育，地下水資源豐富但開發(fā)難度較大，直接限制了工農(nóng)業(yè)、生活用水的供給量，降低巖溶地區(qū)水生態(tài)承載能力[7,14]。王先慶等[15]基于生態(tài)足跡理論，構(gòu)建了巖溶地區(qū)水資源生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系，指出六盤水現(xiàn)有的用水比例不利于生態(tài)環(huán)境的改善，需要進(jìn)一步提高用水效率；呂添貴等[16]模擬了貴陽市的水資源承載力動態(tài)變化過程，指出貴陽市水資源承載盈余狀態(tài)與現(xiàn)實水資源缺水情況相背離，主要受喀斯特地區(qū)的自然生態(tài)機(jī)制和人文社會機(jī)制的共同影響；左太安等[6]采用物元分析模型，構(gòu)建了省域尺度的“二元”水生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系，指出單位面積地表水資源量、生態(tài)用水率、河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率等指標(biāo)成為制約貴州省“二元”水生態(tài)承載力等級提升的因子。

綜上所述，在巖溶地區(qū)“二元三維”結(jié)構(gòu)的影響下，巖溶地區(qū)的水生態(tài)系統(tǒng)非常復(fù)雜，水生態(tài)承載力涉及的影響因素具有不確定性，評價指標(biāo)與承載力等級之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系[17]，至今未能形成統(tǒng)一的通用性強的評價指標(biāo)體系。從評價方法來看，主要是將分散的評價指標(biāo)通過模型集合，計算綜合承載力分值來評估該地區(qū)的承載力水平，缺點是容易遺漏單個指標(biāo)的承載力影響[18-19]。從研究尺度來看，主要是省或地區(qū)(市)為研究單位，以縣(區(qū))為研究單位的成果非常少。為此，本研究結(jié)合前期的研究成果，基于物元分析模型，構(gòu)建縣域尺度的“二元”水生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系，對“二元”水生態(tài)承載力的動態(tài)演變過程進(jìn)行研究，為中國巖溶地區(qū)的水資源安全、生態(tài)安全以及環(huán)境建設(shè)提供有益的參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

威寧縣位于貴州省西部的烏蒙山區(qū)，其西、南、北三面與云南省交界，地處東經(jīng)103°36′～104°05′，北緯26°30′～27°25′，總面積6 298.73 km2；地勢從東南向西北緩平抬升，有較完整的高原平地，平均海拔2 200 m，是貴州省面積最大、海拔最高的縣；地形地貌復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，巖溶面積4 401 km2，占全縣國土面積的69%，是全國巖溶地區(qū)石漠化綜合治理的首批試點縣；屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，有低緯度西部高原季風(fēng)氣候特征，雨量較充沛且雨熱同季，多年平均氣溫10.9℃，多年平均降水量903.6 mm，多集中于5—8月份，平均產(chǎn)流系數(shù)為0.46，人均水資源量為1 902.93 m3/人；為烏江、橫江的發(fā)源地，牛欄江的西源和東源，珠江的北源，是長江和珠江的重要分水嶺和生態(tài)屏障；縣城西北的貴州草海國家級自然保護(hù)區(qū)總面積120.00 km2，正常蓄水面積為22.39 km2，是貴州省最大的高原天然淡水湖泊。此外，威寧縣是典型的少數(shù)民族聚居區(qū)，有19個少數(shù)民族居住于此，少數(shù)民族人口占總?cè)丝诘?3.11%，同時也是國家扶貧開發(fā)工作重點縣和貴州省深度貧困縣。

1.2 物元分析模型

物元分析模型由國內(nèi)學(xué)者蔡文教授創(chuàng)立，主要以形式化的模型研究事物拓展的可拓性和開拓規(guī)律，解決不相容的復(fù)雜問題，能較全面地反映事物質(zhì)量的綜合水平。物元分析模型考慮了事物質(zhì)量的不確定性及模糊性，能夠定性和定量分析現(xiàn)實世界中水資源與水環(huán)境的矛盾問題，已在水資源承載力和水環(huán)境承載力評價中得到廣泛的應(yīng)用。“二元”水生態(tài)承載力的影響因素較多，其評價過程是一個復(fù)雜、多層次、信息不完善、指標(biāo)不相容的綜合評價過程[20]，具有一定的模糊性，可基于物元分析模型建立水生態(tài)承載力的多指標(biāo)參數(shù)的等級評價體系?；舅悸肥牵菏紫龋x取“二元”水生態(tài)承載力相關(guān)的評價指標(biāo)及其特征值作為待評價物元；第二，根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)確定評價指標(biāo)的經(jīng)典域和節(jié)域，經(jīng)典域和節(jié)域決定了評價結(jié)果的科學(xué)性；第三，根據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重及物元分析方法，計算關(guān)聯(lián)函數(shù)和關(guān)聯(lián)度，物元模型的關(guān)聯(lián)度將邏輯值從模糊數(shù)學(xué)的[0,l]閉區(qū)間拓展到(∞,+∞)實數(shù)軸后，比模糊數(shù)學(xué)的隸屬度所代表的內(nèi)涵更為豐富，能揭示更多的分異信息[21]；最后，通過模型集成綜合關(guān)聯(lián)度，并確定承載力等級。由于篇幅原因，具體研究方法不再贅述，可參考文獻(xiàn)[6]。

2 巖溶地區(qū)縣域“二元”水生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 評價指標(biāo)及權(quán)重

水生態(tài)承載力具有復(fù)合性和動態(tài)性的屬性。復(fù)合型表現(xiàn)為評價內(nèi)容不僅包含水生態(tài)系統(tǒng)本身的承載力狀況，也包括經(jīng)濟(jì)、社會系統(tǒng)承載力狀況；動態(tài)性表現(xiàn)為水生態(tài)系統(tǒng)與社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的動態(tài)平衡。因此，本研究基于水生態(tài)承載力的內(nèi)涵，并借鑒國內(nèi)的相關(guān)研究成果[22-24]，對前期研究成果“巖溶地區(qū)‘二元’水生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系”進(jìn)行優(yōu)化，主要表現(xiàn)在：①研究尺度的變化，由原來的省域尺度改變?yōu)榭h域尺度，評價指標(biāo)由17個增加為20個；②考慮到巖溶地區(qū)“二元三維”結(jié)構(gòu)的影響下，地表水與地下水相連通，地表水資源量波動性較大的特征，增加了“水庫蓄水動態(tài)變化量”的指標(biāo)；③考慮到威寧草海地處威寧縣城周邊，且是貴州省最大的高原天然淡水湖泊，增加“湖泊水質(zhì)等級(草海)”的指標(biāo)；④為凸顯水生態(tài)系統(tǒng)與社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的關(guān)系，增加了“人均綜合用水量”和“供水普及率”指標(biāo)；⑤參照《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)(試行)》規(guī)范指標(biāo)的選取，并考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性，將原“河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率”指標(biāo)替換為“全年III類水質(zhì)以上河長占比”指標(biāo)，將原“工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率”替換為“工業(yè)用水重復(fù)利用率”和“城鎮(zhèn)污水處理率指標(biāo)”，并刪除了“工業(yè)固體廢物綜合利用率”指標(biāo)，具體評價指標(biāo)見表1。此外，以2006—2017年的具體特征值為依據(jù)，將初始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后采用客觀的熵權(quán)法確定權(quán)重，減少了人為主觀性對評價結(jié)果的干擾，鑒于篇幅有限，具體計算方法不再贅述。

表1 巖溶地區(qū)縣域“二元”水生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系及其權(quán)重

2.2 經(jīng)典域、節(jié)域的確定

經(jīng)典域與節(jié)域的確定直接影響到評價結(jié)果的科學(xué)性，是物元分析模型進(jìn)行事物等級評價的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本研究以國家環(huán)保總局制定的《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)(試行)》為主要依據(jù)，參考西南地區(qū)各省份各個指標(biāo)的平均水平，利用專家評價法、調(diào)查測量法確定巖溶地區(qū)縣域“二元”水生態(tài)承載力評價等級、經(jīng)典域和節(jié)域(R01、R02、R03、R04、Rp)。主要將“二元”水生態(tài)承載力劃分為4個評價等級，即良好承載(Ⅰ級)、可承載(Ⅱ級)、弱可承載(Ⅲ級)和不可承載(Ⅳ級)。

3 威寧縣“二元”水生態(tài)承載力動態(tài)變化過程分析

3.1 威寧縣“二元”水生態(tài)承載力待評價物元

巖溶地區(qū)縣域“二元”水生態(tài)承載力的評價指標(biāo)體系包含水生態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和社會系統(tǒng)指標(biāo)。指標(biāo)特征值主要來源于2006—2017年《威寧彝族回族苗族自治縣統(tǒng)計年鑒》、2006—2017年《畢節(jié)市統(tǒng)計年鑒》、2006—2017年《畢節(jié)市水資源公報》和2006—2017年《畢節(jié)市生態(tài)環(huán)境狀況公報》。依據(jù)指標(biāo)特征值，確定2006—2017年威寧縣“二元”水生態(tài)承載力待評價物元矩陣，見表2。

表2 2006—2017年威寧縣“二元”水生態(tài)承載力待評價物元矩陣

3.2 承載力評價與結(jié)果分析

3.2.1確定各評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度

根據(jù)物元分析模型的關(guān)聯(lián)度公式及待評價物元特征值，計算得出威寧縣“二元”水生態(tài)承載力各評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，具體見表3。這里以徑流系數(shù)指標(biāo)為例，2006年威寧縣的地表徑流系數(shù)為0.33，計算各相應(yīng)評價等級的關(guān)聯(lián)度分別為：k(v1)1=-0.4475、k(v1)2=0.1050、k(v1)3=-0.0868、k(v1)4=-0.2840，k(v1)2>0>k(v1)3>k(v1)4>k(v1)1，可以判定該評價指標(biāo)屬于“可承載”等級。同理，可以計算并確定其他指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度和相應(yīng)等級。

表3 威寧縣“二元”水生態(tài)承載力評價指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

續(xù)表3 威寧縣“二元”水生態(tài)承載力評價指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

3.2.2計算綜合關(guān)聯(lián)度并確定等級

根據(jù)物元分析模型的綜合關(guān)聯(lián)度公式、各指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重以及各指標(biāo)對應(yīng)的關(guān)聯(lián)度，計算得出該年份“二元”水生態(tài)承載力各相應(yīng)等級的綜合關(guān)聯(lián)度。以2006年威寧縣“二元”水生態(tài)承載力綜合關(guān)聯(lián)度為例，計算得出K1(p2006)=-0.2007、K2(p2006)=-0.1027、K3(p2006)=-0.0373、K4(p2006)=-0.3652，即0>K3(p2006)>K2(p2006)>K1(p2006)>K4(p2006)，由此可以判定2006年威寧縣“二元”水生態(tài)承載力屬于“弱承載”等級，但不完全符合“弱承載”的標(biāo)準(zhǔn)，而是相對于其他評價等級更傾向于“弱承載”等級。同理，確定出2007—2017年威寧縣“二元”水生態(tài)承載力等級，見表4。

表4 威寧縣“二元”水生態(tài)承載力等級

3.2.3結(jié)果分析

根據(jù)威寧縣“二元”水生態(tài)承載力的綜合關(guān)聯(lián)度數(shù)量值和評定的承載力等級，可以看出以下情況。

a)2006—2017年威寧縣“二元”水生態(tài)承載力水平不斷提升。除2006、2011年評定為“弱承載”水平外，2007—2010年、2012—2013年、2017年，評定為“可承載”水平，2014—2016年，更是評定為“良好承載”水平。對照評價物元指標(biāo)的數(shù)值(表2)及物元模型關(guān)聯(lián)度(表3)，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和社會系統(tǒng)的部分指標(biāo)對威寧縣水生態(tài)承載力的提升具有重要的貢獻(xiàn)。如萬元GDP用水量(c10指標(biāo))由2006年的430.97 m3/萬元降低為2017年的53.32 m3/萬元，承載力等級由Ⅲ級/弱承載升級為Ⅰ級/良好承載；城鎮(zhèn)污水處理率(c20指標(biāo))由2007年的45.63%提升為2017年的94.27%，承載力等級由Ⅳ級/不可承載升級為Ⅰ級/良好承載。說明隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及人們對水生態(tài)環(huán)境的重視是巖溶地區(qū)“二元”水生態(tài)承載力不斷提升的重要原因。

b)2006—2017年威寧縣“二元”水生態(tài)承載力主要集中在“可承載”等級，有7個年份，承載力等級并不高。究其原因：威寧縣境內(nèi)巖溶地貌廣布，受地表與地下巖溶“二元”結(jié)構(gòu)的影響，降雨漏失嚴(yán)重，地表徑流系數(shù)低，地下水資源豐富，但賦存規(guī)律復(fù)雜，利用難度大，致使水資源承載力較低；其次，受巖溶“二元”結(jié)構(gòu)的影響，地表水與地下水形成聯(lián)動污染，降低了地表與地下水資源的納污能力，造成水環(huán)境生態(tài)承載力較低。

c)2006、2011年威寧縣“二元”水承載力為評價為“弱承載”。究其原因：2006、2011年為枯水年，降雨量較少，2011年西南地區(qū)還出現(xiàn)了百年一遇的大旱；此外，巖溶地區(qū)地表水具有支流少、切割深、坡降大等典型特征，在枯水年巖溶地區(qū)容易發(fā)生旱災(zāi)，而在豐水年，由于地表水與地下水相通，地下水大量涌向地表，容易形成洪災(zāi)，造成水資源承載力波動較大。由此說明“二元”水生態(tài)承載力等級不穩(wěn)定，容易受到極端氣候變化的制約，仍需要進(jìn)一步鞏固已取得的成果。

d)2014—2016年，威寧縣“二元”水生態(tài)承載力為“良好承載”等級，表明威寧縣“二元”水生態(tài)承載已呈現(xiàn)較好的水平，但值得注意的是0>K2(p2014)>K2(p2015)>K2(p2016)>-1，不完全符合“良好承載”的標(biāo)準(zhǔn)，是具備轉(zhuǎn)化為“良好承載”的條件。以c2(水庫蓄水動態(tài)變化量)指標(biāo)為例，對照評價物元指標(biāo)的數(shù)值(表2)及物元模型關(guān)聯(lián)度(表3)，威寧縣水庫蓄水動態(tài)變化量常年波動較大，2014年水庫蓄水增加952.00萬m3(Ⅲ級/弱承載)，2016年則迅速減少400.00萬m3(Ⅱ級/可承載)，水庫蓄水量的急劇波動不利于水資源的管理。同理，湖泊水質(zhì)等級、工業(yè)用水重復(fù)利用率、人均水資源量、人均綜合用水量、供水普及率等指標(biāo)是制約威寧縣“二元”水生態(tài)承載力轉(zhuǎn)化為“良好承載”最主要的因素，也是威寧縣今后需要關(guān)注的問題。

4 結(jié)語

為促進(jìn)巖溶地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展相協(xié)調(diào)，亟需以水生態(tài)承載力為抓手，系統(tǒng)評估巖溶地區(qū)水生態(tài)環(huán)境狀況與短板，演繹貧困地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)的支撐能力的演變過程，為巖溶地區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)以及精準(zhǔn)扶貧提供科學(xué)依據(jù)。從前人的研究成果來看，研究尺度主要是以省或地區(qū)(市)為研究單位，以縣(區(qū))為研究單位的成果非常少。為此，本研究基于物元分析模型，構(gòu)建了縣域尺度的“二元”水生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系，對巖溶地區(qū)的縣域“二元”水生態(tài)承載力量化評價做出初步探索，為巖溶地區(qū)的水資源安全、生態(tài)安全以及環(huán)境建設(shè)提供有益的參考。

本文是基于前期的研究成果完成的，除了研究尺度的改變外，還對“二元”水生態(tài)承載力評價體系進(jìn)行了完善與優(yōu)化，強調(diào)了水生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會協(xié)調(diào)發(fā)展的主要內(nèi)涵，凸顯巖溶地區(qū)“二元三維”結(jié)構(gòu)特征，并模擬了長時間序列的威寧縣“二元”水生態(tài)承載力動態(tài)演變過程。此外，采用了更加客觀的熵權(quán)法確定評價指標(biāo)的權(quán)重，減少了人為主觀性對評價結(jié)果的干擾。

基于物元分析模型開展縣域“二元”水生態(tài)承載力研究，可定量掌握長時間序列的縣域水生態(tài)承載力動態(tài)演變狀況，且評價結(jié)果與現(xiàn)實水生態(tài)承載力狀況基本吻合。此外，物元分析模型簡單易行，可操作性強，其關(guān)聯(lián)度分析可對每個評價指標(biāo)進(jìn)行定量分析，揭示了更多的分異信息，該研究方法可為西南地區(qū)同類型區(qū)縣提供參考。應(yīng)注意的是，由于水生態(tài)承載力研究尚處于探索階段，還未形成統(tǒng)一科學(xué)的評價指標(biāo)體系，如何科學(xué)地界定經(jīng)典域、節(jié)域、評價等級以及如何量化各指標(biāo)對最終結(jié)果作用方式和程度，仍是今后尚需進(jìn)一步探索和完善的問題。