李佳佳，張 龍

(1.山西省水利發(fā)展中心，山西 太原 030002；2.山西冶金巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

水資源承載力是反映地區(qū)水資源可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)[1]，在十六字治水方針和四水四定政策背景下，區(qū)域水資源承載力是地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展的重要基礎(chǔ)。2020年黃河流域公布超載地區(qū)，山西省占黃河流域超載地區(qū)的61%。解決山西省水資源超載問題是山西高質(zhì)量發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，因此山西省水資源承載力研究是十分必要的。

1 研究區(qū)水資源概況

1956—2016年山西省多年平均水資源總量為118.6861億m3，山西人均水資源占有量為340m3，不到全國水平的1/5。以2021年數(shù)據(jù)為例，2021年全國水資源量為29638.2億m3，用水量為5920.2億m3，山西省2021年水資源量為207.9億m3，用水量為72.6億m3，水資源量僅占全國的0.7%，用水量僅占全國的1.2%，可見山西省水資源十分短缺。

2011—2021年山西省平均用水量為74.0億m3，其中農(nóng)業(yè)用水43.6億m3，工業(yè)用水13.8億m3，生活用水13.0億m3，生態(tài)用水3.6億m3。如圖1所示，從歷年變化趨勢分析，用水量呈微弱下降趨勢。農(nóng)業(yè)用水量呈下降態(tài)勢，但歷年農(nóng)業(yè)用水比例均高于用水總量的55%。工業(yè)用水量呈下降態(tài)勢，生活用水量和生態(tài)用水量呈上升態(tài)勢。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》《山西統(tǒng)計(jì)年鑒》《山西省水資源公報(bào)》《山西省生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》。

2.2 研究方法

2.2.1“量-質(zhì)-域-流”內(nèi)涵

傳統(tǒng)水資源承載力研究多數(shù)集中在水量、水質(zhì)方面。2017年王建華等人從水量、水質(zhì)、水域空間、水流狀態(tài)4個(gè)維度闡述了水資源承載力的內(nèi)涵，并構(gòu)建了水資源承載力指標(biāo)體系和評(píng)判準(zhǔn)則[1][3-4]。

2.2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建

水資源承載力研究基本方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法[5-11]、系統(tǒng)分析法[12]。本研究采取指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法，遵循系統(tǒng)性、代表性、層次性、可獲得性、特點(diǎn)突出性的原則，從“量-質(zhì)-域-流”4個(gè)方面選取17個(gè)指標(biāo)構(gòu)建山西省水資源承載力評(píng)價(jià)體系(見表1)。

表1 山西省水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2.3評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

為避免單一方法賦權(quán)造成較大誤差，本研究采用層次分析法(AHP)和熵權(quán)法相結(jié)合確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，層次分析法(AHP)是一種主觀賦權(quán)法，熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法，這樣既可以降低主觀因素的干擾，又能避免熵權(quán)法確定的指標(biāo)與實(shí)際不符的情況，提高指標(biāo)權(quán)重的精確度[7]。

(1)層次分析法(AHP)

層次分析法AHP是一種層次權(quán)重決策分析方法，運(yùn)用于多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。計(jì)算過程如下：

①建立判斷矩陣。通過專家量化打分法1—9分進(jìn)行指標(biāo)相對(duì)重要性判斷，建立判斷矩陣U=(μij)n×n。μij為第i個(gè)指標(biāo)相對(duì)于第j個(gè)指標(biāo)的重要程度量化值。

②通過層次排序，推求判斷矩陣的最大特征值λmax和特征向量ω，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

③如果一致性比率CR<0.1或者λmax=n，對(duì)求得的特征向量ω進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)歸一化處理，得到的向量ωj為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

(2)熵權(quán)法

熵權(quán)法通過利用各指標(biāo)的信息差異程度計(jì)算熵權(quán)，其計(jì)算結(jié)果與指標(biāo)的樣本數(shù)量和樣本信息相關(guān)，當(dāng)樣本信息越多，不確定性就越小，熵權(quán)也就越小[5]。主要計(jì)算過程如下：

①樣本信息標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化處理。

(1)

(2)

式中，xij、αij、αij′—第j個(gè)指標(biāo)第i年的原始樣本數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)、歸一化后的數(shù)據(jù)；xjmax、xjmin—第j個(gè)指標(biāo)的最大值和最小值；m—樣本數(shù)量(評(píng)價(jià)指標(biāo)年份數(shù))；n—評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

②計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)熵值。

(3)

③計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)熵權(quán)。

(4)

④組合權(quán)重計(jì)算

(5)

2.2.4水資源承載力評(píng)價(jià)模型TOPSIS模型

TOPSIS模型核心原理是通過計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)與最優(yōu)、最劣理想解之間的距離，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)劣排序，主要計(jì)算過程如下：

(1)構(gòu)建初始矩陣，將初始矩陣標(biāo)準(zhǔn)化處理。將評(píng)價(jià)指標(biāo)樣本構(gòu)建成一個(gè)m×n的初始矩陣，然后通過式(1)的方法將初始矩陣標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到矩陣A=(αij)m×n。

(2)構(gòu)建加權(quán)矩陣。式(5)確定的權(quán)重，與標(biāo)準(zhǔn)化后得到的矩陣A=(αij)m×n通過Z=PA加權(quán)計(jì)算，得到矩陣Z=(zij)m×n。

(6)

(4)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)與最優(yōu)解和最劣解之間的歐式距離

(7)

(5)計(jì)算貼近度

(8)

貼近度Ci取值范圍為0-1，取值越接近1，表明第i年的水資源承載能力越接近最優(yōu)方案，最終按照各評(píng)價(jià)年份接近度由大到小進(jìn)行排序。

2.2.5障礙因子診斷

障礙因子診斷是為了判斷區(qū)域水資源承載力主要影響指標(biāo)，從而為提高水資源承載力提供可靠的建議。計(jì)算步驟如下：

(1)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的貢獻(xiàn)度Fj

Fj=PP*

(9)

(2)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)偏離度Gj

Gj=1-αij

(10)

(3)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)障礙度Hj

(11)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果及分析

本次研究利用層次分析法(AHP)和熵權(quán)法分別計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，并根據(jù)式(5)計(jì)算組合權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見表2，如圖2所示。從計(jì)算結(jié)果分析，層次分析法(AHP)和熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重基本趨勢是一致的。從維度上分析，熵權(quán)法水量和水質(zhì)權(quán)重較大，層次分析法(AHP)水量和水域權(quán)重較大。從權(quán)重上來說，人均水資源量最大，森林覆蓋率和廢水排放量最小，這與山西省水資源短缺的現(xiàn)狀是相符合的。兩種方法計(jì)算結(jié)果稍有差距，本研究采用兩者計(jì)算的組合權(quán)重作為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的最終權(quán)重，權(quán)重占比較大的幾個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)為人均水資源量、產(chǎn)水模數(shù)、人均用水量、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率、氨氮、萬元工業(yè)增加值用水量。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果表

圖2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果雷達(dá)圖

3.2 水資源承載力計(jì)算結(jié)果及分析

結(jié)合以往的研究基礎(chǔ)[8]，將貼近度Ci劃分為5個(gè)等級(jí)，(0，0.25]、(0.25，0.4]、(0.4，0.7]、(0.7，0.8]、(0.8，1.0]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)、Ⅰ級(jí)(可承載)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果(見表3)，2011—2021年山西省水資源承載能力呈緩慢上升趨勢，界于Ⅳ級(jí)(超載)、Ⅲ級(jí)(臨界)之間。

表3 2011—2021年山西省水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果表

2011—2015年水資源承載能力都是超載，2016—2021年除2017年以外都是臨界值，說明山西省水資源承載能力得到一定的提升。根據(jù)分析權(quán)重占比較大的評(píng)級(jí)指標(biāo)歷年數(shù)據(jù)，2011—2015年山西省水資源超載能力均處于超載狀態(tài)是由于萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量較大、廢水中氨氮排放量較高、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率較低引起的，反映出2011—2015年山西省經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式?jīng)]有達(dá)到高質(zhì)量發(fā)展。2016—2021年隨著水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率的提高，氨氮排放量減少，萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量逐年減少，水資源承載能力得到一定改善。2015—2017年山西省水資源超載能力出現(xiàn)較大變化，是由于人均水資源量和水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率變化較大引起的。2011—2021年山西省水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

3.3 水資源承載力障礙因子診斷及分析

根據(jù)式(9)—(11)，山西省水資源承載能力障礙因子主要為人均水資源量、人均用水量、產(chǎn)水模數(shù)、萬元工業(yè)增加值用水量、水資源開發(fā)利用率、萬元GDP用水量、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率，與權(quán)重占比較大的指標(biāo)基本相同。人均水資源量為最大的障礙因子，說明山西省天然水資源稟賦不夠，人均用水量、萬元工業(yè)增加值用水量等障礙因子說明山西省用水結(jié)構(gòu)和用水效率存在一定的問題。從維度上分析，水量和水質(zhì)仍是影響水資源承載力的主要因子，水域和水流對(duì)水資源承載力影響相對(duì)較小。主要障礙度因子計(jì)算結(jié)果見表4

表4 主要障礙度因子計(jì)算結(jié)果表

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

(1)通過分析山西省水資源情況，山西省水資源面臨水資源量短缺、供水結(jié)構(gòu)亟待完善、用水結(jié)構(gòu)中農(nóng)業(yè)用水占比偏大等問題。

(2)根據(jù)水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果分析，2011—2021年山西省水資源承載能力呈緩慢上升趨勢，界于Ⅳ級(jí)(超載)、Ⅲ級(jí)(臨界)之間。

(3)根據(jù)障礙因子診斷結(jié)果，人均水資源量、人均用水量、產(chǎn)水模數(shù)、萬元工業(yè)增加值用水量、水資源開發(fā)利用率、萬元GDP用水量、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率評(píng)價(jià)指標(biāo)是影響山西省水資源承載力的主要指標(biāo)，水量和水質(zhì)仍是影響水資源承載力的主要因子，水域和水流對(duì)水資源承載力影響相對(duì)較小。

4.2 建議

(1)本研究從整體上分析山西省水資源承載能力，忽略了區(qū)域差異性，下一步將從行政區(qū)劃分角度、流域劃分角度，從不同承載力研究方法，研究山西省水資源超載能力，為山西省水資源管理提供可靠的參考。

(2)通過分析山西省水資源承載能力，水資源承載能力雖然有一定的提升，但是仍然面臨著很多挑戰(zhàn)。山西省需要從優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，完善水資源配置、健全水資源管理體系、加強(qiáng)再生水利用、節(jié)約用水、水源置換、關(guān)井壓采等方面全方位、多措施強(qiáng)力推進(jìn)超載治理。