馬繼敏， 脫云飛， 王 倩， 王 飛， 鄭 陽， 杜文娟

(西南林業(yè)大學 生態(tài)與環(huán)境學院， 云南 昆明 650224)

1 研究背景

水資源是保障經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境協(xié)同發(fā)展的最大剛性約束。隨著人口增長、城鎮(zhèn)化快速推進、工業(yè)化發(fā)展速度加快以及人民生活水平日漸提高，水資源供需矛盾、水環(huán)境污染等全球性問題日益突出。水資源承載力為衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要參考指標，2020年自然資源部門印發(fā)的《資源環(huán)境承載能力和國土空間開發(fā)適宜性評價指南(試行)》中明確指出，確定承載規(guī)模時水資源為主要約束之一，缺水地區(qū)應重點考慮水資源平衡。水資源承載力作為資源環(huán)境承載能力的重要組成部分，對區(qū)域未來水資源、經(jīng)濟社會及生態(tài)環(huán)境之間的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要影響和深遠意義。

國外對水資源承載力的研究主要集中在城市水資源管理與評價[1]以及農(nóng)業(yè)領域[2]。水資源承載力作為城市可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃決策的輔助要素，尤其在水資源匱乏國家，考慮水資源需求對減輕供水壓力至關重要[3]。受水體污染、城市化和氣候等因素的影響，可利用水量減少，灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也受到威脅[4]，水資源也成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的限制性因素，評估區(qū)域水資源承載力，合理安排農(nóng)業(yè)結構，才能促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。國內(nèi)對水資源承載力的研究最早源于新疆水資源軟科學課題研究組對水資源承載力的定義[5]，此后，水資源承載力的定義可大致歸納為水資源開發(fā)利用的最大能力[6]和水資源最大支撐規(guī)模兩種類型[7]。水資源與經(jīng)濟社會、生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展為該領域的研究熱點之一[8-10]，目前對水資源承載力的研究已從狹義水資源系統(tǒng)過渡到水-生態(tài)-經(jīng)濟社會復合系統(tǒng)[11-13]。復合生態(tài)系統(tǒng)是人與自然和諧共生的一種狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境為經(jīng)濟社會發(fā)展的載體，而經(jīng)濟社會發(fā)展水平又會影響水資源的利用效率。因此，水資源承載力的評價需要以水循環(huán)系統(tǒng)為基礎，通過耦合經(jīng)濟社會及生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的用水需求進行度量。

近年來，國內(nèi)學者針對云南省水資源承載力展開了定性和定量研究。研究區(qū)域主要集中在全省范圍[14-15]、人口密度較大的滇中地區(qū)[16-17]以及具有典型喀斯特地貌的滇東南地區(qū)[18]。學者們積極探索以云南省為研究區(qū)域的各種水資源承載力模型的應用，但針對水資源承載力制約因素的研究相對較少[19-20]。因此，本文基于水-生態(tài)-經(jīng)濟社會復合系統(tǒng)理論，采用GRA-TOPSIS (grey relational analysis and technique for order preference by similarity to an ideal solution)法對云南省水資源承載力進行測算，并利用障礙度模型診斷障礙因子。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

云南省位于我國西南邊陲，屬山地高原地形。境內(nèi)河網(wǎng)密集，地跨長江、珠江、元江、瀾滄江、怒江、大盈江6大水系。云南省水資源總量豐富，占全國總量的1/7。但受地形、海拔、降水量時空分布和經(jīng)濟社會發(fā)展等因素的影響，水資源空間分布極不均勻，總趨勢為西多東少，南多北少，山區(qū)多，河谷平壩少。山區(qū)占全省國土面積的94%，水資源總量豐富，但用水需求較小；壩區(qū)占全省國土面積的6%，集中了2/3的人口和1/3的耕地，但水資源量僅占全省總量的5%，因而水資源短缺，城鎮(zhèn)水資源供需矛盾尤為突出。全省水資源開發(fā)利用率僅為6.9%，水資源與經(jīng)濟發(fā)展要素不匹配，重要經(jīng)濟區(qū)資源性及水質(zhì)性缺水嚴重。隨著城鎮(zhèn)化進程日益加速，更多人口流動到壩區(qū)，水資源與經(jīng)濟社會發(fā)展之間的矛盾更加突出。同時，云南省干旱頻發(fā)，有“三年一大旱，一年一小旱”之說。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文原始數(shù)據(jù)來源于2005-2018年云南省統(tǒng)計年鑒、水資源公報、環(huán)境狀況公報以及中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒。

2.3 研究方法

2.3.1 指標標準化 采用min-max標準化法對原始數(shù)據(jù)進行線性變換，實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)無量綱化處理，計算公式如下：

正向指標標準化：

(1)

逆向指標標準化：

(2)

式中：yij為指標標準化值；xij為第i年第j個評價指標原始數(shù)據(jù)； maxxj、minxj分別為第j個評價指標最大值和最小值。

經(jīng)過指標標準化后，構建決策矩陣Y。

Y=(yij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(3)

2.3.2 指標權重的確定 CRITIC(criteria importance through intercriteria correlation)法為一種客觀賦權法，由Diakoulaki于1995年提出。該方法以指標間對比強度和沖突性為基礎確定客觀權重。但單一CRITIC法未考慮指標間的離散性，而熵權法則有效彌補了該方法的不足[21]。因此，本文基于熵權法和CRITIC法進行組合賦權。

(1)熵權法。熵權法為利用熵值來判斷某個指標的離散程度，由此確定該指標權重的一種方法。針對指標數(shù)據(jù)標準化后出現(xiàn)數(shù)值為0的情況，為避免出現(xiàn)ln 0，將標準化后的值用0.000 001代替。計算步驟如下：

①計算第j個指標下，第i年樣本值占該指標的比重pij

(4)

②計算第j個指標的熵值ej

(5)

③計算第j個指標的權重wej

(6)

(2)CRITIC法。CRITIC法通過指標間對比強度(變異性)和沖突性來綜合衡量各個指標權重。計算步驟如下：

① 計算第j個指標的標準差σj

②計算指標間的相關系數(shù)rij

(7)

指標間沖突性以指標間的相關系數(shù)為基礎，用Rj表示，其計算式為：

(8)

③計算第j個指標的權重wcj

(9)

cj=σjRj

(10)

式中：cj為第j個指標包含的信息量，其值越大，表示指標所包含的信息量越大，則該指標的相對重要性也越大。

(3)組合賦權。本文采用“乘法”集成法計算綜合權重，實現(xiàn)熵權法和CRITIC法兩種客觀賦權法間的優(yōu)勢互補。綜合權重wj的計算式如下：

(11)

2.3.3 GRA-TOPSIS模型 TOPSIS法是基于對評價對象與最優(yōu)方案接近程度進行排序的多目標決策方法，即對評價對象的相對優(yōu)劣進行判斷?；疑P聯(lián)法(GRA)的核心是用灰色關聯(lián)度來描述評價指標之間的強弱、大小和次序。GRA-TOPSIS法可以更系統(tǒng)、更確切地體現(xiàn)備選方案與理想方案之間的接近程度，為最終決策提供依據(jù)[22]。因此，本文基于GRA-TOPSIS法構建云南省水資源承載力評價模型。計算步驟如下[19]：

(1)構建加權決策矩陣。根據(jù)各指標權重，建立規(guī)范加權決策矩陣Z：

Z=(zij)m×n=(wij·yij)m×n

(12)

(2)確定各個指標的正理想解和負理想解。

正理想解：

(13)

負理想解：

(14)

(3)確定各評價對象到正、負理想解的歐式距離。

(15)

(16)

(4)計算灰色關聯(lián)度。

①計算第i年樣本與正理想解關于第j個指標的灰色關聯(lián)系數(shù)

(17)

(18)

式中：min min Δzij為兩級最小差；max max Δzij為兩級最大差；ρ為分辨系數(shù)，取值范圍為[0, 1]，本文取值為0.5。

②計算第i年樣本與正理想解的關聯(lián)度

(19)

(5)計算相對貼近度。

①對歐式距離和關聯(lián)度進行無量綱化處理

(20)

②計算相對貼近度Ti

(21)

式中：e1、e2為評價者的偏好程度，且e1+e2=1，本文取值為e1=0.6，e2=0.4。

③樣本排序

Ti為樣本在變化上與正理想解的貼近程度。Ti越大，表示樣本越貼近正理想解，即表明第i年水資源承載力越高。

2.3.4 障礙度模型 障礙度模型通過挖掘阻礙事物發(fā)展趨勢和發(fā)展程度的影響因子，對評價目標的水平或者程度進行病理診斷，確定主要障礙因子。因此，本文運用障礙度模型來測算水資源承載力指標層障礙度，對指導和調(diào)整水資源利用方向具有重要意義。障礙度主要涉及 3 個衡量指標，即因子貢獻度、指標偏離度和障礙度[20]。

①計算因子貢獻度Fj

Fj=wj·bij

(22)

式中：wj為第j個單項指標的綜合權重；bij為第j個單項指標所屬的第i個準則層權重。

②計算指標偏離度Ij

Ij=1-yij

(23)

③計算障礙度Nj

(24)

式中：Nj為第j個指標對水資源承載力的障礙度，%，其值越大，表示該指標對水資源承載力的制約性越大。

3 結果與分析

3.1 評價指標體系的構建

以水-生態(tài)-經(jīng)濟社會復合系統(tǒng)為基礎，根據(jù)綜合性、代表性、層次性、可操作性等指標選取原則，參考現(xiàn)有研究成果[23-24]，綜合考慮云南省水資源特征、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和經(jīng)濟社會發(fā)展程度，選取21個評價指標構建以云南省水資源承載力為目標層，包括水資源、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟社會3個子系統(tǒng)的評價指標體系，如表1所示。

3.2 云南省水資源承載力評價

基于GRA-TOPSIS法構建的云南省水資源承載力評價模型，分析測算了云南省2005-2018年綜合水資源承載力及其各子系統(tǒng)承載力，測算結果用相對貼近度來反映，如圖1所示。

根據(jù)圖1對2005-2018年云南省水資源承載力及其各子系統(tǒng)承載力的變化情況分析如下：

(1)綜合水資源承載力變化分析。云南省綜合水資源承載力部分年份存在降低現(xiàn)象，但總體呈上升趨勢，相對貼近度由2005年的0.468 4提高到2018年的0.612 3，年均增長率為3.06%。根據(jù)相對貼近度的變化趨勢，研究時段內(nèi)可大致分為3個階段：

第1階段為2005-2010年，水資源承載力呈波動上升趨勢，貼近度由0.468 4提高到0.571 3，年均增長率為4.27%，其中2005-2006年和2008-2009年較前一時期略有下降。此階段云南省經(jīng)濟發(fā)展的主要依托為本省的資源優(yōu)勢，資源型粗加工產(chǎn)業(yè)所占比重大，2005年以來，重工業(yè)占規(guī)模以上工業(yè)比重超過了50%，工業(yè)產(chǎn)品以初級加工化為主，資源性、原料型工業(yè)為重工業(yè)的主體；支柱產(chǎn)業(yè)結構單一，煙草工業(yè)增加值占全省規(guī)模以上工業(yè)的比重達36%以上。城鎮(zhèn)化率穩(wěn)步提升，從2005年到2010年提升了6.5%，但仍低于全國平均水平，2009年低于全國平均水平的12.6%。該階段云南省基礎建設不能滿足環(huán)境保護的需要，污染控制能力偏弱，污水無序排放，加重了當?shù)厮h(huán)境污染。但云南省正視該問題，逐步完善措施，促進了生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟社會的協(xié)同發(fā)展。通過完善基礎設施，云南省城市污水處理率從2005年的59.3%提高到了2010年的93.4%；水土流失治理面積逐年增加，2005年治理面積為398.3×104hm2，至2010年增加到了555.6×104hm2。同時，云南省著力發(fā)展旅游業(yè)等第三產(chǎn)業(yè)，促產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整，第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比重從2005年的35.2%增加到了2010年的40.0%。其次，以云南省九大高原湖泊為主的水污染防治和重點流域重金屬污染防治也在積極推進。因此該階段云南省綜合水資源承載力呈上升趨勢，且仍有較大的提升空間。

表1 云南省水資源承載力評價指標體系

圖1 2005-2018年云南省綜合水資源承載力及其各子系統(tǒng)承載力評價結果

第2階段為2010-2011年，綜合水資源承載力大幅降低，相對貼近度由0.571 4減小至0.363 8，降幅達36.32%。2010年云南省遭遇百年一遇全省性特大旱災，2011年為特枯水年，降雨量僅為985.2 mm，比常年偏少23%。全省河道平均來水量較歷史平均水平偏少33.8%，2011年年末蓄水量僅為47.39×108m3，為1994年以來同期最少蓄水量。同時，經(jīng)濟社會加速發(fā)展，2011年GDP比上年增長13.7%，而生態(tài)用水占比僅為0.75%，廢水中COD(chemical oxygen demand)排放量翻一番，生態(tài)環(huán)境受到了極大挑戰(zhàn)。在水資源、經(jīng)濟社會、生態(tài)環(huán)境共同壓力下綜合水資源承載力在2011年降至最低。

第3階段為2011-2018年，綜合水資源承載力連年穩(wěn)步提高，相對貼近度由0.363 8提高到了0.612 3，年增長率達7.83%。十二五期間云南省加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，產(chǎn)業(yè)結構逐步調(diào)整為“三二一”，第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比重達到了41.8%。在“一帶一路”倡議的背景下云南省抓住發(fā)展機遇，不斷優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構，在一定程度上減弱了自然資源對經(jīng)濟社會發(fā)展的約束。云南省深入貫徹綠色經(jīng)濟強省政策，將生態(tài)環(huán)境保護擺在突出位置，至2018年，全省森林覆蓋率高達55.04%。創(chuàng)新綠色發(fā)展路徑，減輕資源環(huán)境壓力，萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值用水量逐年減少，從2011年的165 m3降至2018年的87 m3。通過多方努力減少水資源過量消耗，提高了水資源承載力。

(2)各子系統(tǒng)承載力變化分析。2005-2018年云南省水資源子系統(tǒng)承載力可分為兩個階段：第1個階段為2005-2011年，水資源子系統(tǒng)承載力有明顯大幅度的波動，相對貼近度介于0.25～0.69之間，最大變化幅度為47.47%，最小變化幅度為15.84%；第2個階段為2011-2018年，水資源子系統(tǒng)承載力呈迅速增長趨勢，相對貼近度由0.250 9增大到0.670 9，年均增長率達15.77%。在研究時段內(nèi)，早期云南省水資源子系統(tǒng)較不穩(wěn)定，主要依賴自然降水補給，容易遭受氣候條件的干擾。后期水資源總量相對穩(wěn)定，加上各類節(jié)水措施的運用，水資源利用效率增加，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強，逐步減小了氣候條件的影響。

生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)承載力總體呈上升趨勢，研究時段大致分為3個階段：第1階段為2005-2010年，生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)承載力呈明顯上升趨勢，年均增長率達10.06%；第2階段為2010-2011年，生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)承載力大幅降低，降幅達44.78%；第3階段為2011-2018年，生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)承載力呈明顯上升趨勢，年均增長率達10.06%，其中2016年漲幅最大，較上一年度增長了35.04%。云南省生態(tài)環(huán)境基礎好，環(huán)境容量大，但敏感脆弱。經(jīng)歷了2009-2010年持續(xù)加重的干旱之后，云南省生態(tài)環(huán)境受損，導致其承載力急劇下降。但生態(tài)環(huán)境保護為云南省工作重點之一，經(jīng)長期努力生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了持續(xù)改善。

2005-2018年云南省經(jīng)濟社會子系統(tǒng)承載力總體呈小幅波動上升趨勢，但總體增長率和年均增長率較小，相對貼近度在0.45～0.54之間。經(jīng)濟社會子系統(tǒng)變化趨勢最為平緩，沒有大幅度漲落。由此說明，經(jīng)濟社會子系統(tǒng)相對穩(wěn)定，抗干擾能力較強，但該子系統(tǒng)仍有較大的發(fā)展空間。

3.3 云南省水資源承載力障礙因子診斷

利用障礙度模型對2005-2018年云南省水資源承載力障礙度進行測算，按照障礙度Nj≥5.0%的標準進行篩選，并對頻率從高到低進行排序，以診斷云南省水資源承載力障礙因子，確定障礙因子主次關系。得出的各主要障礙因子頻率如表2所示。

由表2可知，2005-2018年云南省水資源承載力障礙因子出現(xiàn)頻率最高為其他水源供水占比(X7)，出現(xiàn)頻率為92.86%；其次為人口密度(X18)、生態(tài)用水比例(X14)、第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比重(X19)，出現(xiàn)頻率分別為78.57%、71.43%、71.43%；再次為廢水排放總量(X10)、廢水中COD排放量(X11)、人均水資源量(X2)，出現(xiàn)頻率均為57.14%。在研究時段內(nèi)僅2009年出現(xiàn)年平均降雨量(X5)障礙度≥5.0%的情況。主要原因為2009年為研究時段年平均降雨量最少的一年，年平均降雨量對水資源承載力制約性明顯增強。

表2 云南省水資源承載力主要障礙因子頻率表

從障礙因子的分類來看，排名前12的障礙因子中，屬于水資源子系統(tǒng)的有3個，屬于生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的有5個，屬于經(jīng)濟社會子系統(tǒng)的有4個。再次驗證水資源承載力是一個水資源與生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟社會耦合的系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)各因素之間具有相互影響、相互制約的作用。

針對表2中發(fā)生頻率大于50%的7項指標，繪制2005-2018年主要障礙因子熱點圖，如圖2所示。

圖2 2005-2018年云南省水資源承載力主要障礙因子熱點圖

由圖2可以看出，其他水源供水占比(X7)、廢水排放總量(X10)及人口密度(X18)的障礙度有逐年增大的趨勢，特別是人口密度(X18)障礙度，在2012年之后增幅較大，最大增幅達53.13%。因此，云南省應注重資源環(huán)境與經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展，多渠道提高水資源利用率，開展水污染防治，保護生態(tài)環(huán)境，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，從而提高水資源承載力。

4 討 論

在已有研究的基礎上，以水資源最大支撐規(guī)模為理論基礎，基于水資源-生態(tài)環(huán)境-經(jīng)濟社會復合系統(tǒng)構建評價指標體系，運用GRA-TOPSIS模型量化云南省水資源承載力，同時運用障礙度模型識別影響水資源承載力的主要因素。根據(jù)評價結果，云南省水資源承載力總體上呈上升趨勢。但云南省水資源主要依靠自然降水補給，水資源承載力年際變化較大，如遇到枯水年，水資源承載力將大幅降低。隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，水污染、水資源利用率低等問題仍為阻礙云南省經(jīng)濟發(fā)展的障礙。因此，長期實行水資源保護政策十分必要，尤其在水資源緊缺地區(qū)。

降雨分布不均也為云南省水資源系統(tǒng)的突出特點，其對水資源承載力的影響有待進一步研究，以便針對不同地區(qū)提出更加合理的水資源管理措施。

5 結 論

(1)2005-2018年云南省水資源承載力總體呈上升趨勢，綜合指數(shù)由2005年的0.468 4提高到了2018年的0.612 3，漲幅為30.72%，年均增長率為3.06%。但水資源承載力的穩(wěn)定性和抗干擾能力不足，且仍有較大的提升空間；水資源、生態(tài)環(huán)境及經(jīng)濟社會3個子系統(tǒng)的承載力總體呈上升趨勢，受干旱影響，2010-2011年水資源和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)出現(xiàn)承載力指數(shù)大幅降低的情況；經(jīng)濟社會子系統(tǒng)變化趨勢較為平緩。

(2)2005-2018年云南省水資源承載力主要障礙因子為其他水源供水占比、人口密度、生態(tài)用水比例、第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比重、廢水排放總量、廢水中COD排放量以及人均水資源量，該幾項指標的發(fā)生頻率均大于55%。其中，其他水源供水占比、廢水排放總量、人口密度障礙度有逐年增大的趨勢，人口密度的增大趨勢尤為明顯。

(3)在環(huán)境友好型社會建設的推動下，云南省水資源承載力有所提升，但城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟增長仍加劇了水資源的供需矛盾。因此，必須充分考慮區(qū)域水資源特點，加強基礎設施建設和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，合理配置水資源，降耗減排，提高雨水利用率和污水回用率，為云南省經(jīng)濟社會發(fā)展提供水資源保障。