重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力動(dòng)態(tài)變化評(píng)價(jià)

蘇品任 官冬杰 楊莎

摘要：水資源承載力是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)持續(xù)發(fā)展的重要制約因素，對(duì)喀斯特地區(qū)更是如此。對(duì)重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。首先建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并利用因子分析法篩選出載荷較大的指標(biāo)，其次利用熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重，最后通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)模型對(duì)重慶市喀斯特地區(qū)2001～2015年的水資源承載力進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：重慶喀新特地區(qū)水資源承載力整體較好，與最佳水資源承載力關(guān)聯(lián)度適中保持在0.85以上，但是形勢(shì)不客樂(lè)觀，從2001年開(kāi)始，水資源承載力就呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，2015年降至最低。經(jīng)濟(jì)發(fā)展是該地區(qū)水資源承載力壓力的主要來(lái)源。

關(guān)鍵詞：重慶喀斯特;水資源承載力;因子分析法;熵權(quán)法;灰色關(guān)聯(lián)法

中圖分類(lèi)號(hào)：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）8-0203-06

1 引言

水資源承載力是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)持續(xù)發(fā)展過(guò)程中各種自然資源承載力的重要組成部分，且往往是水資源緊缺和貧水地區(qū)制約人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的“瓶頸”因素，它對(duì)一個(gè)國(guó)家或地區(qū)綜合發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展有著至關(guān)重要的影響[1～2]。喀斯特地區(qū)水文運(yùn)動(dòng)規(guī)律特殊.生態(tài)環(huán)境脆弱，一方面由于地貌類(lèi)型復(fù)雜多樣，地形起伏大，十壤貧瘠，植被結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，地下裂隙、管道發(fā)育，降水大部分轉(zhuǎn)入地下或地表徑流排走，致使地表水資源短缺;另一方面又由于喀斯特地區(qū)水資源時(shí)間和空間上分布的不均勻，水資源開(kāi)發(fā)困難，利用率較低，因此造成喀斯特地區(qū)水資源承載力的“先天不足”。喀斯特地貌在重慶發(fā)育突出，因此，對(duì)重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力的研究具有十分重要的意義。

本文以重慶喀斯特地區(qū)為研究區(qū)域，基于研究區(qū)域特色和水文特征，選擇與水資源承載力密切相關(guān)的指標(biāo)，運(yùn)用因子分析法對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行分析和篩選，去除重復(fù)性因子，建立一套能反映重慶喀斯特地區(qū)特色的水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。同時(shí)，利用熵權(quán)法賦予指標(biāo)權(quán)重，采用灰色關(guān)聯(lián)法構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，對(duì)重慶喀斯特地區(qū)2001～2015年的水資源承載力動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行評(píng)價(jià)，為城市發(fā)展和水資源開(kāi)發(fā)利用提供依據(jù)。

2 研究區(qū)域概況

重慶喀斯特地貌發(fā)育突出，喀斯特作用強(qiáng)烈，地貌類(lèi)型也極其豐富，喀斯特臺(tái)地、槽谷、丘陵、峽谷、山地等多種地貌類(lèi)型共生，其上發(fā)育天坑、地縫、豎井、洞穴等多種喀斯特景觀。重慶喀斯特地區(qū)覆蓋重慶24個(gè)區(qū)縣，僅碳酸巖出露面積就達(dá)到3.2萬(wàn)km2，約占重慶總面積的38.9%，大部分集中在東北部的大巴山區(qū)和東南部的巫山山系及武陵山區(qū)。

重慶喀斯特地區(qū)水文運(yùn)動(dòng)規(guī)律特殊，生態(tài)環(huán)境脆弱，地貌類(lèi)型復(fù)雜多樣，水資源時(shí)間和空間上分布不均勻，水資源開(kāi)發(fā)困難，因此造成該地區(qū)水資源承載力的不足。隨著重慶市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，水資源面臨的形勢(shì)日益嚴(yán)峻，對(duì)水資源承載力的要求也口益提高。因此，研究如何對(duì)重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行評(píng)價(jià)，成為當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。

3 研究方法

3.1 重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

重慶喀斯特地區(qū)具有復(fù)雜的地質(zhì)地貌類(lèi)型，從而產(chǎn)生了獨(dú)特的水文運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不僅造成地表水的缺乏，而且水資源的分布也不均勻，直接影響了當(dāng)?shù)氐乃Y源承載能力。

其次，重慶喀斯特地區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱、土壤貧瘠，導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐木G色植被較少，植被結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抵抗外界干擾能力弱，一旦受到人類(lèi)活動(dòng)影響，環(huán)境就隨之迅速惡化，并且恢復(fù)緩慢，進(jìn)而影響當(dāng)?shù)氐乃Y源承載能力。同時(shí)，人類(lèi)的社會(huì)、經(jīng)擠活動(dòng)也對(duì)重慶喀斯特地區(qū)的水資源承載力有較大的影響。

因此，對(duì)重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以根據(jù)喀斯特環(huán)境的特殊性，再考慮到數(shù)據(jù)資料的連續(xù)性和可獲得性，以地區(qū)社會(huì)，經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，從水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)4個(gè)方面來(lái)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（圖1）。

3.1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇

因子分析法是一種在處理大量樣本、大量數(shù)據(jù)時(shí)，為了揭示各變量之間的關(guān)系，降低觀測(cè)空間維度，以獲取主要信息的一種方法。利用因子分析法從重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中篩選并去除那些關(guān)聯(lián)度較小、信息重復(fù)的指標(biāo)，最終得到與評(píng)價(jià)目的具有密切聯(lián)系的評(píng)價(jià)指標(biāo)。其主要步驟是：首先，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后求出相關(guān)系數(shù)矩陣并計(jì)算其特征值、主成分貢獻(xiàn)率等;其次，計(jì)算主成分荷載，確定主成分個(gè)數(shù);最后，對(duì)荷載矩陣進(jìn)行方差最大正交旋轉(zhuǎn)，并選出主因子指標(biāo)（特征值大于1）（表1、表2）。

對(duì)于第1公因子中載荷較大的有：X5、x7、X8、X9、X10、X12、X14、X15、X16、X18;

對(duì)于第2公因子中載荷較大的有：X2、X6、X11、X17;

對(duì)于第3公因子中載荷較大的有：X1、X3、X4;

對(duì)于第4公因子巾載荷較大的有：X13;

以0.7為標(biāo)準(zhǔn)，選擇0.7以上的指標(biāo)，排除0.7以下的指標(biāo)X6、X11。

從承載體對(duì)被承載對(duì)象的客觀承載力來(lái)考察，在剩下的指標(biāo)中，有的指標(biāo)是分值越大越好，屬于“效益型”指標(biāo)，有的指標(biāo)是越小越好，屬于“成本型”指標(biāo)。在上述篩選后的指標(biāo)中屬于“效益型”指標(biāo)的有：X1、X3、X4、X17;屬于“成本型”指標(biāo)的有：X2、X5、X7、X8、X9、X10、X12、X13、Xl4、X15、X16，X18。如表3、表4。

3.2 重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力權(quán)重確定

在信息論中，熵用來(lái)度量信息的不確定性。信息量越大，熵就越小，不確定性就越小;信息量越小，熵就越大，不確定性就越大。熵權(quán)法就是利用數(shù)據(jù)的熵來(lái)決定各個(gè)指標(biāo)權(quán)重的大小，采用該方法可以較大程度地克服主觀因素對(duì)指標(biāo)權(quán)重的影響，使指標(biāo)權(quán)重的確定更加客觀、科學(xué)。

3.2.1 原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

設(shè)m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，n年的數(shù)據(jù)矩陣為：

標(biāo)準(zhǔn)化后得到矩陣：

R=（rij）m×n

式中：r為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在第j年上的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值，rij∈[O，1]。其中對(duì)于收益型指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化公式為：

3.2.2 定義熵和熵權(quán)

在有m個(gè)指標(biāo)，n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)系統(tǒng)中，第i個(gè)指標(biāo)的熵定義為：

然后，計(jì)算第項(xiàng)指標(biāo)的差異系數(shù)：qi=lei（i=1，2，…，m）差異系數(shù)是反映綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)作用大小的一個(gè)量，其值越大，指標(biāo)的作用就越大，反之亦然。

最后，計(jì)算第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)：

利用以上公式，將篩選出的指標(biāo)值帶入，利用MATLAB編程，可求得各指標(biāo)的熵權(quán)值，如表5所示。

3.3 重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

3.3.1 評(píng)價(jià)方法

灰色關(guān)聯(lián)法是用來(lái)量化一個(gè)系統(tǒng)發(fā)展變化趨勢(shì)度量的一種方法，適用于動(dòng)態(tài)歷程的分析。如果兩個(gè)因素變化的趨勢(shì)是一致的，即同步變化程度高，則關(guān)聯(lián)程度電較高，反之，則關(guān)聯(lián)程度較低。所以，灰色關(guān)聯(lián)法既能夠?qū)λY源承載力進(jìn)行量化，又能夠?qū)ξ磥?lái)一定時(shí)期的城市發(fā)展方案和水資源的開(kāi)發(fā)利用方案的制定提供指導(dǎo)和依據(jù)，并能夠?qū)Φ貐^(qū)的水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

基于灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)重慶喀斯特地區(qū)2001～2015年的水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)建模的主要步驟如下。

（1）數(shù)據(jù)處理

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的各個(gè)指標(biāo)具有不同的含義，因此它們的量綱和單位都會(huì)有所不同，為了便于進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化和歸一化。

初值化是一種有效的數(shù)據(jù)處理方法，它是指將一個(gè)數(shù)列的所有數(shù)據(jù)均除以這個(gè)數(shù)列的第一個(gè)數(shù)得到一個(gè)新數(shù)列的方法，這個(gè)新數(shù)列中的數(shù)據(jù)表示的是原數(shù)據(jù)相當(dāng)于原第一個(gè)數(shù)據(jù)的倍數(shù)，該數(shù)列有共同起點(diǎn)，無(wú)量綱，如表6。

（2）確定理想對(duì)象

對(duì)于不同的指標(biāo)有著不同的判斷標(biāo)準(zhǔn)，有的越大越好，有的越小越好。將每種指標(biāo)的最佳值賦予一個(gè)對(duì)象，那么這個(gè)對(duì)象就是理性對(duì)象，進(jìn)一步可得到理想指標(biāo)序列。

（3）計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)

計(jì)算公式：

式中：ρ是分辨系數(shù)，其作用是使關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異更加顯著，ρ∈（0，1）.一般情況取0.1～0.5，在這里取0.5;i=l，2，…，m;k=1，2，…，n;m為評(píng)價(jià)對(duì)象個(gè)數(shù)，n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù);ξi（k）是第i個(gè)對(duì)象的第k個(gè)指標(biāo)對(duì)理想對(duì)象的相應(yīng)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù);Z。（k）是理想對(duì)象的第k個(gè)指標(biāo)值;Zi（k）是第i個(gè)對(duì)象的第k個(gè)指標(biāo)值;△i（k）=|Zo（K）一Zi（k）|是理想對(duì)象的第k個(gè)指標(biāo)值與第i個(gè)對(duì)象的第k個(gè)指標(biāo)值的絕對(duì)差，對(duì)一個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象而言，共有n個(gè)這樣的值，其中最小的值為mink△i（k），對(duì)于m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象而言，則共有m個(gè)mink△i（k）（i=1，2，…，m）值，其中的最小值即為mini [mink△i（k）];max，[maxk△i（k）]的意義與此類(lèi)似。

（4）計(jì)算關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式：

式中：γi是Zi（k）與Zo（k）的關(guān)聯(lián)度，ξi（k）是第i個(gè)對(duì)象的第k個(gè)指標(biāo)對(duì)理想對(duì)象的相應(yīng)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，ωi是各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述的方法，將指標(biāo)數(shù)據(jù)帶入后得到表7，表8。

4 結(jié)果與討論

水資源承載力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不是絕對(duì)的，是相對(duì)的。利用2001～2015年這15年時(shí)間里的重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)的理想序列Zo（k）={1.99，0.55，1.39，0.62，1. 00，1.00 ，1.00，1.00，0.15，1.00，0.35，1.00，1.00，1.00，1.00，1.00，1.99}。再結(jié)合關(guān)聯(lián)系數(shù)就可以對(duì)重慶喀斯特地區(qū)的水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，還可以對(duì)其實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。

從表7的關(guān)聯(lián)系數(shù)值可以看出，水資源系統(tǒng)各個(gè)指標(biāo)（X1～X4）的關(guān)聯(lián)系數(shù)總體上呈現(xiàn)先小幅上漲后小幅下降的趨勢(shì)，到2015年降至最低。這說(shuō)明重慶喀斯特地區(qū)水資源系統(tǒng)對(duì)水資源承載力目前已經(jīng)構(gòu)成了壓力。社會(huì)系統(tǒng)（X5～X10）方面，人口密度和城鎮(zhèn)化率不斷增長(zhǎng)，但其關(guān)聯(lián)系數(shù)呈小幅下降趨勢(shì)，到2015年達(dá)到最低，這說(shuō)明人口和城鎮(zhèn)化率的增長(zhǎng)給水資源承載力帶來(lái)了壓力;另外，人均綜合用水量和居民生活日均用水量的關(guān)聯(lián)系數(shù)呈下降趨勢(shì)，但萬(wàn)元GDP用水量的關(guān)聯(lián)系數(shù)卻呈上升趨勢(shì)，這說(shuō)明人們?cè)谏钪械墓?jié)水意識(shí)需要提高，而整體的節(jié)約用水程度得到改善。經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)（X12～X16）方面，人均GDP、農(nóng)村人均生活消費(fèi)支出、城鎮(zhèn)人均生活消費(fèi)支出、社會(huì)固定資產(chǎn)投資值的關(guān)聯(lián)系數(shù)都呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，這說(shuō)明隨著人們生活水平的提高，對(duì)水資源承載力的壓力逐漸變大;而GDP增長(zhǎng)率的關(guān)聯(lián)系數(shù)先升高后降低，這說(shuō)明GDP的增速和水資源承載力并不是線型關(guān)系，穩(wěn)定在某一區(qū)間才是最合適的。生態(tài)系統(tǒng)中植被覆蓋率的波動(dòng)并不明顯.對(duì)水資源承載力影響不大;而濕地減少率的關(guān)聯(lián)系數(shù)逐漸降低，這說(shuō)明我們應(yīng)該盡量降低濕地減少率，來(lái)減少水資源承載力的壓力。

從圖2可以看到，2001年的關(guān)聯(lián)系數(shù)最高，也就是說(shuō)在2001～2015年這15年時(shí)間里，2001年的水資源承載力水平最接近理想水資源承載力，從此之后，水資源承載力不斷下降，一直到2015年降至最低水平。一方面是因?yàn)橹貞c喀斯特地區(qū)的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人口大量增長(zhǎng)，這些都是“成本型”指標(biāo)，對(duì)水資源承載力造成壓力;另一方面，水資源系統(tǒng)的水資源總量和降水量等指標(biāo)都基本維持不變或小幅下降，生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)減低，這些都屬于“效益型”指標(biāo)，為水資源承載力提供支撐，由此也引起了水資源承載力的下降。另外，社會(huì)系統(tǒng)的權(quán)重比例最大，對(duì)整個(gè)水資源承載力評(píng)價(jià)體系的影響也較大。

5 結(jié)論

綜合考慮水資源系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)對(duì)重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力的影響，構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。因子分析法用來(lái)篩選出能反映地區(qū)特點(diǎn)的水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并用熵權(quán)法確定權(quán)重，這樣就大大降低了人的主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)客觀。利用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，得到了重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，為今后重慶喀斯特地區(qū)的水資源承載力的改善提供科學(xué)依據(jù)。

（1）從重慶市喀斯特地區(qū)2001～2015年的水資源承載力來(lái)看，總體上呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，2015年降至最低，但整體承載力依然較高，始終和最佳水資源承載力保持0.85以上的關(guān)聯(lián)度。

（2）重慶市喀斯特地區(qū)的水資源總量豐富，但是生活用水的節(jié)約度不斷下降，人均用水量不斷上升，另外隨著經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，水資源的供需關(guān)系緊張，需要提高各方面節(jié)水意識(shí)。

（3）經(jīng)濟(jì)發(fā)展和未來(lái)人門(mén)數(shù)量是畢節(jié)市水資源生態(tài)承載力變化的最主要兩大壓力因素，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這兩大因素對(duì)水資源生態(tài)承載力的壓力也逐年增大，如果不加大水資源的合理調(diào)配和水資源的循環(huán)利用，提高水資源的利用率，那么未來(lái)畢節(jié)市水資源狀況不容樂(lè)觀。

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的膨脹是重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力的主要壓力來(lái)源，另外重慶喀斯特地區(qū)的水資源利用效率也在逐年降低。而經(jīng)濟(jì)、人口都在不斷的發(fā)展，要減輕水資源承載力的壓力，就必須提高水資源重復(fù)使用率和水資源利用效率。

（4）重慶喀斯特地區(qū)的水資源承載力形勢(shì)不容樂(lè)觀，和最佳水資源承載力的關(guān)聯(lián)度正在逐年下降。要減輕水資源承載力的壓力，一方面要節(jié)水，調(diào)整水資源的利用結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)節(jié)水意識(shí)，促使生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)全方位節(jié)約用水;另一方面要提高水資源的利用效率，改善現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)設(shè)備，減少浪費(fèi)污染，循環(huán)用水，降低水資源使用壓力。

本文所論水資源承載力的研究對(duì)象是重慶喀斯特地區(qū)，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系也是根據(jù)該地區(qū)的實(shí)際情況構(gòu)建的，對(duì)其他喀斯特地區(qū)并不全部適用。整個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包含水資源系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)，能夠較好的反映重慶喀斯特地區(qū)水資源承載力的情況。

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