肖薇薇,余石俊
(1.安康學院 旅游與資源環(huán)境學院,陜西 安康 725000;2.安康市漢江水資源保護與利用工程技術(shù)研究中心,陜西 安康 725000;3.湖北師范大學 城市與環(huán)境學院,湖北 黃石 435002)
水資源承載力能夠反映水資源對社會經(jīng)濟的支撐作用??茖W評估一個地區(qū)的水資源承載力,有利于實現(xiàn)區(qū)域水資源的可持續(xù)利用。目前,針對水資源承載力的研究包含多個維度。從水資源承載力的定義看,惠泱河等[1]將水資源承載力定義為在某地區(qū)的水資源在某一歷史發(fā)展階段下,以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟和社會發(fā)展水平為依據(jù),在不影響生態(tài)系統(tǒng)的前提下,水資源對一個地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的最大支撐能力;左其亭[2]認為水資源承載力是水資源對人類及其經(jīng)濟社會系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展所能承受的最大規(guī)模;高偉等[3]提出了基于不同水質(zhì)水資源量供需的分質(zhì)水資源承載力概念,并開展了流域分質(zhì)水資源承載力評估與預(yù)警的實證研究。從研究方法看,趙強等[4-5]運用模糊綜合評價法對山東省、漢江流域的水資源承載力進行評價分析,也有使用熵權(quán)法、集中分析法、TOPSIS模型及生態(tài)足跡法等方法開展評價研究[6-10]。從研究區(qū)域看,多數(shù)學者是從流域和區(qū)域等視角進行研究,如夏軍等[11]對西北干旱區(qū)的流域水循環(huán)模擬、生態(tài)需水研究等問題進行了分析;夏瑋靜等[12]通過構(gòu)建綜合評價模型,發(fā)現(xiàn)陜西省各流域水資源承載能力的差異較為明顯。從水資源承載力的發(fā)展態(tài)勢看,部分學者對水資源承載力進行了一定的預(yù)測評估[13-14]。
漢江上游作為我國“南水北調(diào)”中線工程和“引漢濟渭”工程的核心水源區(qū),其水資源承載力變化狀況對跨流域調(diào)水具有重大影響。基于此,本研究通過構(gòu)建水資源承載力的評價指標體系,對2010—2020年漢江上游地區(qū)的水資源承載力進行評價,以期為漢江上游地區(qū)水資源的可持續(xù)開發(fā)利用提供理論依據(jù)。
漢江是長江最大的支流,地處秦巴山區(qū),境內(nèi)地勢起伏較大,河網(wǎng)密布,屬亞熱帶大陸性季風氣候,全年溫差較小,境內(nèi)自然資源豐富,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較高,經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿^大。漢江上游區(qū)域(圖1)主要包括陜西省南部的漢中市和安康市,漢江上游的年徑流量達245億m3,每年計劃“南水北調(diào)”工程調(diào)水130億m3,“引漢濟渭”工程調(diào)水15億m3。
圖1 研究區(qū)示意圖
本研究的數(shù)據(jù)主要來源于2011—2021年《陜西省統(tǒng)計年鑒》《安康市統(tǒng)計年鑒》《漢中市統(tǒng)計年鑒》及2010—2020年《陜西省水資源公報》,以安康市和漢中市兩地的平均數(shù)據(jù)開展?jié)h江上游地區(qū)水資源承載力研究。
1.3.1 熵權(quán)法 本研究采用客觀性較強的熵權(quán)法計算指標權(quán)重,熵權(quán)法是以指標的信息熵為基礎(chǔ),根據(jù)指標信息熵的大小確定指標權(quán)重[15]。應(yīng)用SPSSPRO軟件計算指標權(quán)重。
1.3.2 模糊綜合評價法 模糊綜合評價[16-17]方法充分考慮了與評價對象相關(guān)的各種因素以及各種因素之間的關(guān)系,該方法能夠從多方面、多因素等角度評估水資源承載力,有利于客觀、系統(tǒng)地反映區(qū)域水資源狀況。模糊綜合評價法基本步驟為:(1)建立評價指標的因素集U和評語集V;(2)建立模糊關(guān)系矩陣R;(3)計算權(quán)重向量A;(4)模糊綜合評價,計算公式如下:
式(1)中:A為因素集上的模糊子集,A={a1,a2, …,an},其中ai為U對A的隸屬度,表示單個指標Ui在評定指標中所起作用的大小,ai的取值范圍為[0,1];B是評價等級V上的模糊子集,B={b1,b2, …,bm},其中bj為等級Vj對綜合評價得到的模糊子集B的隸屬度,bj的取值范圍為[0,1]。模糊算子采用加權(quán)平均型算子,評價矩陣R如下所示:
式(2)中:rij為ui的評價對等級Vj的隸屬度,因此,矩陣R中的第i行Ri={ri1,ri2,…,rim}是對第i個指標Ui的單個指標評價的結(jié)果,評價因素的權(quán)重A代表各指標對綜合評價重要性的權(quán)重,因此,滿足。
負向評價指標的隸屬度函數(shù)(ri)計算公式如下:
式(3)~(5)中:k1是 等 級V1和V2的 閾 值,k3是等級V2和V3的閾值,V2等級區(qū)間的中點是k2,其數(shù)值為(k1+k3)/2。
正向指標的隸屬函數(shù)計算公式將上式中右端ri的區(qū)間中的“≤”更改為“≥”,將“<”更改為“>”即可。為了更直觀地反映各級水資源承載力的評價狀況,本研究采用1分制對評判等級取不同的評分值,對評價等級的評分值分別取a1=0.95、a2=0.5、a3=0.05。經(jīng)過數(shù)量化處理,能更直觀地反映各等級對水資源承載力的影響程度。通過隸屬度函數(shù)與各評價等級的評分值計算水資源承載力綜合評分值F。F值越高,表明水資源的承載能力越大,反之,水資源的承載能力越小。
式(6)中:bj為評價結(jié)果對應(yīng)的評語等級的隸屬度;aj為各等級的評分值。
在遵循系統(tǒng)性原則和區(qū)域性原則下,結(jié)合漢江上游地區(qū)的實際情況,從社會經(jīng)濟子系統(tǒng)、水資源子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)3個準則層面構(gòu)建了評價指標體系,采用熵權(quán)法計算得出各項指標的權(quán)重,如表1所示。
表1 漢江上游水資源承載力評價指標體系及指標權(quán)重
從表1可以得出,在準則層中,社會經(jīng)濟子系統(tǒng)的權(quán)重最大,為0.47564;水資源子系統(tǒng)權(quán)重最小,為0.21324;生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)權(quán)重是0.31112。在指標層中,人口自然增長率和森林覆蓋率的權(quán)重超過了0.1,說明這2項指標是影響水資源承載力的重要因素;城鎮(zhèn)化率的權(quán)重為0.071,人均GDP、GDP增長率權(quán)重均為0.066,人均水資源量權(quán)重為0.063,產(chǎn)水模數(shù)權(quán)重為0.062,說明水資源總量、經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化發(fā)展對水資源承載力具有比較明顯的影響;生態(tài)用水率的權(quán)重為0.072,也體現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善可以提高水資源承載力;而萬元GDP用水量以及單位面積廢水排放量等指標的權(quán)重小于0.05,說明這些指標對水資源承載力的影響程度相對較低。
在構(gòu)建水資源承載力評價體系后,需要確定各個指標的分級標準及相應(yīng)的取值范圍,本研究結(jié)合漢江上游的實際情況和原始數(shù)據(jù),將漢江上游水資源承載力的單個指標劃分為3個等級[V1,V2,V3],并確定了相應(yīng)的指標分級標準,如表2所示。
表2 水資源承載力評價指標分級標準
V1代表該區(qū)域的水資源承載力較強、處于優(yōu)良等級,水資源具有較大的開發(fā)空間;V3代表該區(qū)域水資源承載力較差、處于脆弱等級,易出現(xiàn)水資源供不應(yīng)求的現(xiàn)象,并嚴重制約社會經(jīng)濟的發(fā)展;V2級為臨界級,介于V1級和V3級之間,表明水資源承載力已達到一定的規(guī)模,尚能有效支持區(qū)域的發(fā)展,后續(xù)若持續(xù)擴大開發(fā)利用程度,將會導致水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)遭受威脅和破壞;若采取科學合理的措施,區(qū)域水資源承載力會有所提升。
在綜合評分值的基礎(chǔ)上,結(jié)合前人研究的等級劃分[18]以及漢江上游的具體情況,對水資源承載力進行等級劃分,將水資源承載力分為Ⅰ級(高)、Ⅱ級(較高)、Ⅲ級(一般)、Ⅳ級(較低)和Ⅴ級(低)5個等級,如表3所示。
表3 水資源承載力等級劃分
結(jié)合式(1)~(6),計算隸屬關(guān)系矩陣、進行模糊綜合評價,計算結(jié)果如圖2和表4所示。
表4 漢江上游水資源承載力綜合評分值
2.3.1 社會經(jīng)濟子系統(tǒng)評價結(jié)果 由圖2a可知,2010—2020年社會經(jīng)濟子系統(tǒng)綜合評分值呈小幅波動上升趨勢,說明社會經(jīng)濟發(fā)展為水資源開發(fā)利用帶來了一定的效益,其中人均GDP、人口自然增長率、人均用水量、萬元GDP用水量以及城鎮(zhèn)化率等指標數(shù)據(jù)的變化,促進了經(jīng)濟子系統(tǒng)綜合評分值的波動上升。
社會經(jīng)濟子系統(tǒng)在2012年的綜合評分值最低,為0.409,在2020年最高,為0.665。漢江上游地區(qū)2010、2011和2013年的GDP增長率超過20%,較快的經(jīng)濟增速促使工業(yè)農(nóng)業(yè)用水量有所增加。漢江上游地處秦巴山區(qū),經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿^大,隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,城鎮(zhèn)化率由35.84%增長至50.44%,人均用水量從352.8 m3增長到403.8 m3,水資源壓力有所增大。
2.3.2 水資源子系統(tǒng)評價結(jié)果 由圖2b可知,2010—2020年水資源子系統(tǒng)綜合評分值波動明顯,呈微弱上升趨勢,其中2011—2016年呈下降趨勢,2017—2019年波動起伏,在2020年有所下降。該子系統(tǒng)的波動變化主要是由產(chǎn)水模數(shù)、人均水資源量及年降水量等指標數(shù)據(jù)的變化引起。城鎮(zhèn)人口密度增大、產(chǎn)水模數(shù)先降后升、人均生活用水量的增加以及水資源總量有限,上述因素疊加進一步加大了水資源子系統(tǒng)的壓力。此外,由于降水量具有不穩(wěn)定性,降水量的年際變化也導致水資源總量發(fā)生波動變化,據(jù)《陜西省水資源公報》數(shù)據(jù)顯示:漢江上游地區(qū)2016年水資源總量為78.330億m3,較2015年下降了26.245億m3,水資源總量的驟減導致了人均水資源量也出現(xiàn)明顯下降,因此水資源子系統(tǒng)在2016年的綜合評分值最低,僅為0.185;2017—2019年水資源子系統(tǒng)承載力呈總體波動上升趨勢,2020年降水量和水資源總量較上年有所減少,因此該年的評分值有所下降。
圖2 漢江上游水資源承載力及各子系統(tǒng)綜合評分值
漢江上游流域的降水量較為充沛,水資源總量遠高于全國平均水平,這為“南水北調(diào)”提供了有力的保障。漢江上游地區(qū)的地下水資源較為豐富,但利用程度不高,2010—2020年水資源開發(fā)利用率最高為15.373%,最低僅為5.911%。
2.3.3 生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)評價結(jié)果 由圖2c可知,2010—2020年生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)綜合評分值呈顯著上升趨勢。生態(tài)用水率、森林覆蓋率和累計水土流失治理面積的變化促使生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的綜合評分值逐年提升,這說明漢江上游地區(qū)近年來的生態(tài)環(huán)境治理取得了較好的成效,生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)在提高水資源承載力的貢獻逐漸增大。生態(tài)環(huán)境的好轉(zhuǎn)促進了水環(huán)境的改善,從而提高了“南水北調(diào)”水資源的質(zhì)量。
在2010—2014年,該子系統(tǒng)的綜合評分值波動起伏比較明顯,與漢中市和安康市經(jīng)濟發(fā)展速度過快有密切的關(guān)系。由于兩市的GDP增長率較高,對生態(tài)環(huán)境造成了一定的干擾和破壞。在2015—2020年,漢江上游地區(qū)的森林覆蓋率逐漸提高并超過了60%,生態(tài)環(huán)境用水量有所提升,單位面積廢水排放量的減少以及政府部門出臺《漢江生態(tài)經(jīng)濟帶發(fā)展規(guī)劃》文件的舉措,上述均促進了生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)綜合評分值的提高。
2.3.4 水資源承載力綜合評價結(jié)果 根據(jù)圖2d和表4可以得出,2010—2020年漢江上游水資源承載力有5年處于較高級別(Ⅱ級),有6年處于一般級別(Ⅲ級)。漢江上游水資源承載力總體在一般和較高2個級別之間波動,具有一定的開發(fā)利用潛力,這為推動區(qū)域農(nóng)業(yè)工業(yè)的發(fā)展、實現(xiàn)經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展和推進生態(tài)文明建設(shè)提供了強大的動力。
由表4可得,漢江上游水資源承載力綜合評分值在2019年最高,2011年最低,二者相差0.357。結(jié)合圖2d發(fā)現(xiàn),研究區(qū)水資源承載力整體呈上升趨勢,存在上下波動的現(xiàn)象。2010年以來,漢江上游地區(qū)GDP增速逐漸放緩,逐步提升經(jīng)濟發(fā)展的質(zhì)量,以生態(tài)優(yōu)先、保護優(yōu)先的思想促進社會經(jīng)濟的發(fā)展?!笆濉币?guī)劃對于水資源保護與污水治理的政策更加細致,這為提高水資源承載力提供了重要的支撐,因此2017—2020年的水資源承載力綜合評分值逐漸提升,水資源承載力明顯提高。
由表4可知,2010—2018年漢江上游地區(qū)水資源承載力對V2的隸屬度高于V1和V3,這表明該地區(qū)的水資源承載力已達到一定的規(guī)模,尚能支持漢江上游地區(qū)的發(fā)展;2019—2020年水資源承載力對V1的隸屬度高于V2,表明研究區(qū)水資源承載力有所提高。
本研究從社會經(jīng)濟子系統(tǒng)、水資源子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)3個方面構(gòu)建了包含16個指標的評價體系,采用模糊綜合評價法對漢江上游地區(qū)2010—2020年水資源承載力開展評價,得出結(jié)論如下:
(1)漢江上游地區(qū)水資源承載力總體上呈小幅波動上升趨勢,水資源承載力在Ⅱ級(較高)和Ⅲ級(一般)間波動,2019年的綜合評分值最高為0.679,2011年的綜合評分值最低為0.322,其中5年為較高級別,6年為一般級別,雖處于小幅上升趨勢,但與高水平承載力還存在一定的差距,具有較大的提升空間。
(2)由各個子系統(tǒng)可以得出,社會經(jīng)濟子系統(tǒng)呈小幅波動上升趨勢;水資源子系統(tǒng)波動較大,呈微弱上升趨勢;生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)呈明顯的波動上升趨勢。在子系統(tǒng)之間,總體看來水資源子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的綜合評分值相對高于社會經(jīng)濟子系統(tǒng),表明了水資源子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)在提高水資源承載力中發(fā)揮著日益重要的作用。