李 景，何文社*，臺(tái)書雅，苗開元

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070；2.甘肅省景泰川電力提灌管理局，景泰 730400)

水資源是人類生存和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展不可替代的戰(zhàn)略資源。中國(guó)是世界上21個(gè)貧水和最缺水的國(guó)家之一，全國(guó)有400多座城市供水不足，110座城市嚴(yán)重缺水。改革開放以來(lái)，中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，但早期的粗放發(fā)展模式使水資源遭受嚴(yán)重污染，加劇了水資源供需矛盾，水資源短缺問(wèn)題已成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要阻礙[1]。水資源承載力是水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的綜合反映，研究水資源承載力可以優(yōu)化配置水資源，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[2]。關(guān)于水資源承載力的研究方法主要有背景分析法、常規(guī)趨勢(shì)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、主成分分析法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法、多目標(biāo)決策法等，目前對(duì)甘肅省水資源承載力的研究主要是對(duì)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)得出評(píng)價(jià)結(jié)果，如曹麗娟等[3]運(yùn)用主成分分析法對(duì)甘肅省水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出影響甘肅省水資源承載力的主要因子有經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口、水資源供需平衡和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水因子；張寧寧等[4]運(yùn)用擴(kuò)展傅里葉振幅敏感性分析(extended Fourier amplitude sensitivity test,EFAST)法及聯(lián)系熵模型，構(gòu)建了“量-質(zhì)-域-流”的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)黃河流域各地市的水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出甘肅全省處于超載和嚴(yán)重超載狀態(tài)。蘇賢保等[5]結(jié)合水資源和水環(huán)境閾值，采用相對(duì)水資源承載力的方法對(duì)甘肅省17個(gè)流域的水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出甘肅省大部分區(qū)域的水資源承載力呈超載狀態(tài)。在眾多水資源承載力評(píng)價(jià)的研究方法[6-10]中，灰色關(guān)聯(lián)-逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)法計(jì)算簡(jiǎn)便，能很好地克服傳統(tǒng)TOPSIS法評(píng)價(jià)過(guò)程中可能出現(xiàn)的逆序現(xiàn)象導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果失真的局限性[11]，客觀準(zhǔn)確地對(duì)水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

因此，在前人研究的基礎(chǔ)上，現(xiàn)建立甘肅水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)-熵權(quán)法組合賦權(quán)，克服傳統(tǒng)賦權(quán)方法存在的主觀局限性及不穩(wěn)定的問(wèn)題，利用灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS法對(duì)各評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行優(yōu)劣排序，得出甘肅省2010—2019年水資源承載力的等級(jí)以及總體變化趨勢(shì)，并運(yùn)用障礙度模型對(duì)障礙因子進(jìn)行診斷，得出影響甘肅省水資源承載力的主要因素，以期為甘肅省水資源的合理開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

甘肅省位于黃土高原、青藏高原、內(nèi)蒙古高原三大高原和西北干旱區(qū)、青藏高寒區(qū)、東部季風(fēng)區(qū)三大自然區(qū)域的交匯處，總土地面積為42.58萬(wàn)km2，地形呈狹長(zhǎng)狀，東西長(zhǎng)1 655 km，南北寬530 km。地貌復(fù)雜多樣，山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁交錯(cuò)分布。大部分地區(qū)氣候干燥，屬大陸性很強(qiáng)的溫帶季風(fēng)氣候。甘肅跨長(zhǎng)江、黃河、內(nèi)陸河三大流域，涉及12個(gè)水系，其中長(zhǎng)江流域面積3.83萬(wàn)km2，黃河流域面積14.27萬(wàn)km2，內(nèi)陸河流域面積24.48萬(wàn)km2。全省多年平均水資源總量270.9億m3，其中地表水資源量259.4億m3，與地表水不重復(fù)的地下水資源量11.5億m3。水資源總量為全國(guó)倒數(shù)第4，人均水資源量不足全國(guó)平均水平的1/2，耕地畝均水資源量不足全國(guó)平均水平的1/4,全省10個(gè)市人均水資源量位于嚴(yán)重缺水標(biāo)準(zhǔn)以下。全省共劃分14個(gè)行政分區(qū)。2019年末，甘肅省人口達(dá)2 647.43萬(wàn)，地區(qū)生產(chǎn)總值8 718.3億元，僅占全國(guó)的0.880%，屬國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)落后省份。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

2.1 指標(biāo)選取

水資源承載力不僅與水資源的自然狀況密切相關(guān)，還與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展?fàn)顩r、生態(tài)環(huán)境狀況緊密相連。因此，參考前人研究[12-13]和全國(guó)水資源供需分析指標(biāo)體系，結(jié)合甘肅省水資源實(shí)際狀況，最終選定了以水資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境3個(gè)子系統(tǒng)為準(zhǔn)則層的10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表1所示。

表1 甘肅省水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分

參考國(guó)家規(guī)范及前人研究中較為公認(rèn)的指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合甘肅省水資源實(shí)情，本研究將各評(píng)價(jià)指標(biāo)分為可承載(Ⅰ級(jí))、弱可承載(Ⅱ級(jí))、臨界(Ⅲ級(jí))、超載(Ⅳ級(jí))、嚴(yán)重超載(Ⅴ級(jí))5個(gè)級(jí)別，具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 評(píng)價(jià)模型的建立

3.1 權(quán)重確定

評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理賦權(quán)是水資源承載力評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。研究采用時(shí)佳等[14]提出的綜合賦權(quán)法,該方法綜合了層次分析法[15]和熵權(quán)法[16]特點(diǎn)，既能采用經(jīng)驗(yàn)分配權(quán)重，又能大幅降低主觀因素的影響，同時(shí)避免單純使用數(shù)學(xué)賦權(quán)得到的權(quán)重與實(shí)際不符的情況。

wi=λδi+(1-λ)εi

(1)

式(1)中：wi為組合權(quán)重；δi為采用層次分析法所得權(quán)重；εi為采用熵權(quán)法所得權(quán)重；λ為決策系數(shù)，且0≤λ≤1。兩種賦權(quán)方法同等重要，因此決策系數(shù)λ取0.5。

3.2 灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS法

TOPSIS法是一種逼近理想解的排序法，通過(guò)計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象與正負(fù)理想解的距離，從而求出相對(duì)接近程度進(jìn)行排序，評(píng)價(jià)各項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)優(yōu)劣程度?；疑P(guān)聯(lián)理論的引入可以克服傳統(tǒng)TOPSIS法在評(píng)價(jià)時(shí)可能出現(xiàn)區(qū)分度不高的問(wèn)題?；疑P(guān)聯(lián)TOPSIS法計(jì)算過(guò)程如下。

(1)建立初始評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣及無(wú)量綱化處理。假設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象又有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立初始評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣X為

(2)

為消除各指標(biāo)量綱不同的影響，對(duì)初始評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣R進(jìn)行平方和歸一化處理，得到歸一化矩陣S為

(3)

(4)

式(4)中：sij為初始評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值經(jīng)過(guò)歸一化后的數(shù)值。

(2)計(jì)算加權(quán)判斷矩陣。將歸一化后的矩陣與求得的各指標(biāo)組合權(quán)重相乘得到加權(quán)判斷矩陣V為

(5)

(3)確定正負(fù)理想解。對(duì)越大越優(yōu)型指標(biāo)，正負(fù)理想解分別為

(6)

對(duì)越小越優(yōu)型指標(biāo)，正負(fù)理想解分別為

(7)

(4)計(jì)算距離。

(8)

(5)計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。

(9)

式(9)中：ρ為分辨系數(shù)，通常取0.5。

(6)計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度。

(10)

(7)公式無(wú)量綱化處理。

(11)

(12)

(8)計(jì)算綜合距離。

(13)

式(13)中：α1+α2=1，一般取α1=α2=0.5。

(9)計(jì)算相對(duì)貼近度。

(14)

Ci值越大，則評(píng)價(jià)對(duì)象與理想解越接近，水資源承載力越高。

3.3 障礙度模型

運(yùn)用障礙度模型[17]可以診斷影響水資源承載力的主要障礙因子，對(duì)于提高區(qū)域水資源承載力水平具有積極意義。計(jì)算步驟如下。

(1)計(jì)算因子貢獻(xiàn)度Fj。

Fj=wjoj

(15)

式(15)中：oj為指標(biāo)j所屬子系統(tǒng)的權(quán)重。

(2)計(jì)算偏離度Gj。

Gj=1-sij

(16)

(3)計(jì)算障礙度。

(17)

4 甘肅省水資源承載力評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

數(shù)據(jù)資料來(lái)源于2010—2019年《甘肅省水資源公報(bào)》和2010—2019年《甘肅發(fā)展年鑒》，并經(jīng)計(jì)算整理獲得。初始評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 初始評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

4.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

利用式(1)計(jì)算得到組合權(quán)重，各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果如表4所示。運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS法計(jì)算甘肅省2010—2019年水資源承載力，相對(duì)貼近度結(jié)果如表5所示。其中，相對(duì)貼近度在(0，0.270 0]、(0.270 0，0.388 0]、(0.388 0，0.579 7]、(0.579 7，0.650 1]、(0.650 1，1]范圍內(nèi)分別代表Ⅴ級(jí)(嚴(yán)重超載)、Ⅳ級(jí)(超載)、Ⅲ級(jí)(臨界)、Ⅱ級(jí)(弱可承載)和Ⅰ級(jí)(可承載)。

表4 指標(biāo)組合權(quán)重

由表5可知，2010—2011年、2014—2015年甘肅省水資源承載力為Ⅴ級(jí)，即嚴(yán)重超載狀態(tài)；2012—2013年、2016—2019年水資源承載力為Ⅳ級(jí)，即超載狀態(tài)。2019年相對(duì)貼近度Ci值最高，2010年Ci值最低；2014—2015年Ci值出現(xiàn)了小幅下降，但近十年整體呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，由2010年的0.258 1上升至2019年的0.332 0，表明近些年甘肅省水資源承載力有一定程度的提升。

表5 相對(duì)貼近度

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，甘肅省人均水資源量在2010年、2014—2016年均不足1 000 m3，其中2015年僅有764.79 m3，遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平，而2018和2019年人均水資源量比2010—2017年平均水平值分別增長(zhǎng)36%和24%，增幅明顯；2018年和2019年產(chǎn)水模數(shù)較2010—2017年平均值分別增長(zhǎng)40%和36%；供水模數(shù)保持在(2.58～2.89)萬(wàn)m3/km2，無(wú)顯著變化；甘肅省水資源短缺，多年平均降水量?jī)H279 mm,而2018年和2019年降水量較多年平均降水量增加分別為24.4%和28.3%，增幅明顯。由以上數(shù)據(jù)可以看出，水資源子系統(tǒng)中，2018、2019年數(shù)據(jù)有明顯變化，對(duì)水資源承載力評(píng)價(jià)有較大影響。

人均生活用水量自2013年起，一直穩(wěn)定在150 L/人·d左右，無(wú)明顯變化；近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，用水效率得以提高，萬(wàn)元GDP用水量和萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量都呈現(xiàn)逐年減少的趨勢(shì)，2010—2019年平均減少分別為9.28%和9.09%，顯現(xiàn)了一定的節(jié)水效果。由以上可見，經(jīng)濟(jì)社會(huì)子系統(tǒng)中有兩項(xiàng)指標(biāo)都呈現(xiàn)有利的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)水資源承載力的評(píng)價(jià)結(jié)果有積極的影響。

萬(wàn)元GDP廢污水排放量在2010—2014年降幅明顯，2015—2019年穩(wěn)定在9 m3左右；水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率除2013年出現(xiàn)較大降幅外，整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)；2010—2019年生態(tài)環(huán)境平均用水率為2.94%，其中2013年、2014年生態(tài)環(huán)境用水率減少，不足1.5%，2017—2019年又大幅增加，生態(tài)環(huán)境用水率超4%，數(shù)據(jù)的波動(dòng)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有一定的影響。由以上可知，生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)中各項(xiàng)數(shù)據(jù)整體上對(duì)水資源承載力的評(píng)價(jià)結(jié)果有積極的影響。

4.3 障礙因子診斷

利用障礙度模型，計(jì)算2010—2019年甘肅省水資源承載力各評(píng)價(jià)指標(biāo)的障礙度，計(jì)算結(jié)果如表6所示?？梢钥闯?，障礙度排名前四的指標(biāo)項(xiàng)分別為人均水資源量、產(chǎn)水模數(shù)、供水模數(shù)、降水量，均屬于水資源子系統(tǒng)，是主要障礙因子，表明水資源要素是影響甘肅省水資源承載力的主要障礙因素，其中人均水資源量和產(chǎn)水模數(shù)障礙度分別為27.02%和23.61%，與甘肅省水資源總量全國(guó)倒數(shù)第4，人均水資源量不足全國(guó)平均水平的1/2的水資源現(xiàn)狀相呼應(yīng)。其他指標(biāo)障礙度相對(duì)較小，說(shuō)明近些年經(jīng)濟(jì)社會(huì)子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)對(duì)甘肅省水資源承載力的負(fù)面影響較小。綜上所述，在今后的發(fā)展中，可以通過(guò)節(jié)水、調(diào)水等措施緩解甘肅水資源短缺的現(xiàn)狀，以提高甘肅水資源承載力。

表6 評(píng)價(jià)指標(biāo)障礙度

5 結(jié)論

(1)通過(guò)層次分析法和熵權(quán)法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重，并采用灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS法對(duì)甘肅省2010—2019年水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：2010—2019年甘肅省水資源承載力整體雖呈現(xiàn)逐步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但仍然處于超載狀態(tài)。

(2)采用障礙度模型進(jìn)行障礙因子診斷，結(jié)果表明：影響甘肅省水資源承載力的主要障礙因子為水資源子系統(tǒng)中的人均水資源量、產(chǎn)水模數(shù)、供水模數(shù)和降水量，其中人均水資源量和產(chǎn)水模數(shù)對(duì)甘肅省水資源承載力的制約影響最大。

(3)應(yīng)采取行政與經(jīng)濟(jì)措施加強(qiáng)用水管理，大力推行節(jié)約用水措施，加強(qiáng)節(jié)水宣傳，提高全民節(jié)水意識(shí)，減少人均生活用水量；開發(fā)、采用先進(jìn)技術(shù)，提高工農(nóng)業(yè)用水效率，減少水資源的浪費(fèi)；嚴(yán)格控制廢污水排放，保證供水安全；完善水利工程，推進(jìn)調(diào)水工程的建設(shè)，建立供水保障體系，為甘肅省經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供支撐。