基于多層次模糊綜合評價視角的廣東省水資源承載力研究

鄭 煒

十八屆三中全會提出：“建立資源環境承載能力監測預警機制，對水土資源、環境容量和海洋資源超載區域實行限制性措施”，且中共中央、國務院發布的《關于加快推進生態文明建設的意見》也再次強調要“嚴守資源環境生態紅線，將各類開發活動限制在資源環境承載能力之內”。水資源是人類生存與發展的不可缺少的重要資源，對促進區域經濟、人口與資源環境的可持續發展意義重大，歷來是政府和科學界關注的焦點問題。然而，隨著經濟的發展、工業與生活用水量的增加以及浪費的加劇等，大多數地區出現了水資源短缺、水污染嚴重、生態惡化和飲水安全威脅等問題，使得水資源的利用與社會發展的矛盾更為突顯。國內外對水資源承載力的評價方法主要有綜合評價法、系統動力學法、多目標決策法等［1－6］，而利用評價法最終的目的在于以下3個方面：分析水資源承載力如何均衡水資源在生態、生活、農業、工業中的分配［7－11］；分析其對保持、維持河流的生態作用，防止生態的惡化［12－16］；運用水資源承載力來保證區域社會發展需要［17－20］。

廣東省是中國經濟最為發達、最具有發展潛力的地區之一，近幾年，隨著工業化、城市化進程的大規模發展以及居民生活水平的提高，工業用水量、居民生活用水量逐年增大，其水資源問題逐漸演變成區域性難題，環境的不斷破壞，承載力的不斷弱化，致使水環境事故時有發生，如2011年化州市高嶺土廠事件、2012年增城河事件、2015年練江水事件等。為解決水資源問題，廣東省加大對水利工程規模的投資，優先發展民生水利，確保落實執行最嚴格的水資源管理制度的主要目標和各項任務，為“十三五”水利改革與發展奠定堅實的踐行基礎。鑒于此，本研究以廣東省為研究對象，試圖從水資源、生態環境和社會經濟發展狀況3方面構建水資源承載力評價指標體系，對廣東省2008－2015年水資源承載力的具體實況進行定量分析，為政府部門評價水資源狀況，科學管理水資源提供依據。

1　研究區概況、數據來源與方法

1.1　研究區概況

廣東省位于中國大陸最南端，2個副省級市，19個地級市，23個縣級市，總面積17.98萬km2，大陸岸線長3 368.1 km，流域面積在100 km2以上的各級干支流614條，流入海河流93條。據2015年《廣東省水資源公報》數據顯示，2015年水資源總量為1 933.4億m3，雨量充足，年平均降水量為1 500～2 000 mm。以2015年統計數據為準，全省人口10 849萬，GDP達7.28萬億元，是中國經濟規模最大，經濟綜合競爭力、金融實力最強省份。由于廣東省正處于工業化、城市化、快速發展和產業轉型升級的時期，水資源的有限供給與無限利用之間的矛盾十分突出。因此，以水資源管理部門的業務需求為出發點，開展水資源承載力水平研究，并將此作為確定廣東省未來發展規模和速度的重要判據，實現人口、資源、環境與社會經濟的可持續和諧發展。

1.2　數據來源

各行業用水量等數據均來源于 《廣東省水資源公報》和廣東省人民政府網站。GDP等社會經濟數據來源于《廣東省統計年鑒》。

1.3　研究方法

運用層次分析法及模糊綜合評價法，在分析水資源與生態環境以及社會經濟關系的基礎上，遵循評價指標原則，結合廣東省自身特點，建立各個層次的代表指標，進行模糊化和綜合評分，研究廣東省水資源承載狀況、變化趨勢及主要影響因素。

1.3.1模糊綜合評價法 模糊綜合評價模型是根據隸屬度理論將定性評價轉化為定量評價，由于不需要考慮數據分布變量之間的特性，所以更能夠全面反映區域水資源狀況。基本原理［21］如下。

首先，建立水資源承載力評價的指標集U＝｛u1，u2，…，un｝和評語集 V＝｛v1，v2，…，vm｝兩個有限論域，其中U代表綜合評判因子，V代表評論集。

其次，從U到V的模糊映射R，表示為：

其中R矩陣的第i行向量表示Ui在V上的評判。

再次，如對各評判因數的權重級為A＝［a1，a2，…，am］（A 是論域 U 上的一個模糊子集，0≤ai≤1，利用模糊綜合算法進行變換，求得論域V

上的一個模糊子集，即綜合評判結果：

B=A×R=［b1，b2，…，bn］

1.3.2多層次模糊評價法 對水資源承載力評價必須具備兩個步驟：第一，單獨對水資源、生態環境和社會經濟3個子系統進行模糊綜合評價，計算出各子系統在評價年份的評價指數；第二，對廣東省水資源承載力進行模糊綜合評價，得出承載力綜合評價指數。 評判因素 U 由｛U1，U2，U3，U4，U5，U6｝，｛U7，U8，U9，U10｝ 和 ｛U11，U12，U13，U14，U15，U16｝構成，對應評語集 V＝｛V1，V2，V3｝＝｛弱，中，強｝。其中，V3級表現為水資源承載能力較強，水資源供給對區域發展具有一定的保障作用；V1級表明水資源承載力接近飽和值，開發利用潛力小。因此，必須防止水資源短缺，以免制約國民經濟發展；V2級位居前兩者間，表明水資源開發利用具有一定規模，而且必須合理開發利用。

1.3.3水資源承載力評價指數的具體計算步驟

1）評判矩陣R。為了避免等級間的細微差別，將隸屬度平滑化、模糊化［22］。對于V2級，隸屬度的中點為1，相鄰兩個等級的隸屬度為0.5。V1和V2，V2和V3的臨界值是K1、K3，其中間值是K2，因此，K2＝（K1×K3）/2。

2）各子系統評價指數。令B＝A×R，其中bj=，則評語等級集合為各等級賦值為 V＝｛0.05，0.50，0.95｝， 按照加權平均原則計算2008－2015年水資源子系統、生態環境子系統和社會經濟子系統的評價指數。

3）綜合評價指數。水資源承載力綜合評價指標是衡量水資源承載力的程度狀況，通過計算各子系統評價指標的加權平均值，計算出水資源承載力的綜合評價指數。評價指數越高，水資源承載力越強。

2　結果與分析

2.1　評價指標體系和評價等級的構建

在參照國家水資源供需平衡分析指標和學者們研究［1－22］的基礎上，針對廣東省的水資源現狀、生態環境質量和社會經濟發展狀況，篩選出與水資源可持續發展相關的16個指標作為評價依據，組成廣東省水資源承載力評價指標體系框架，如圖1所示。

根據相關研究成果、廣東省自然生態環境特征以及社會經濟發展狀況，擬定廣東省水資源承載力5個評價等級標準（表1）。

圖1　廣東省水資源承載力評價指標體系框架

表1　廣東省水資源承載力評價指數標準

2.2　水資源多層次模糊綜合評價

通過熵權法確定各評價指標的權重，其次運用多層次模糊綜合評價方法對廣東省2008－2015年的水資源承載力進行評價和排序，最終求得整體綜合評價結果。

2.2.1確定各評價指標的權重 根據水資源承載力評價指標體系建立因素集 X＝｛B1，B2，B3｝＝｛水資源系統，生態環境系統，社會經濟系統｝。應用熵權法計算得出各系統及指標的權重（表2）。

2.2.2確定評語集等級指標值 根據廣東省地域特點和現有研究成果，對評語集中各指標的V1、V2、V3值進行劃分（表3）。

2.2.3單因素模糊評價法 根據確定的隸屬函數，計算隸屬關系矩陣，可得2008－2015年水資源子系統、生態環境子系統和社會經濟子系統承載力評價結果，分別如表4、表5及表6所示。

表2　水資源承載力評價指標權重

表3　綜合評價因素的分級指標

表4　廣東省水資源子系統承載力評價結果

表5　廣東省生態環境子系統承載力評價結果

表6　廣東省社會經濟子系統承載力評價結果

2.2.4模糊綜合評價 通過上述計算，對各子系統的評價指標進行評價，得到加權平均值后的水資源承載力綜合評價結果（表7）。各子系統及綜合評價的結果見圖3。

表7　廣東省水資源承載力評價結果

圖3　廣東省水資源承載力各子系統評價指數和綜合評價指數

2.3　評價結果

如圖3所示，廣東省水資源承載力呈上升趨勢，但增長幅度較小，波動較大。2008－2015年均處于良好承載狀態（0.586 8～0.629 0）。 綜合評價指標呈上升趨勢，說明水資源系統可為廣東省社會經濟發展提供基本保障。2009年水資源綜合評價指標呈明顯下降趨勢，預示著社會經濟的迅速發展給水資源承載力帶來了巨大壓力。每個子系統的變化較為復雜，其中2008－2015年水資源子系統的評價指數波動較大，區間為 0.517 3～0.642 1，2008－2011 年呈現較大降幅，2011－2014年呈現倒U形變化趨勢；生態環境子系統評價指數總體上呈上升趨勢，在2008－2011年持續上升，2011年達到最高值 0.537 4，之后出現下降；社會經濟子系統的評價指數總體上呈波動緩慢上升趨勢，波動區間在 0.678 1～0.733 8。

3　小結與討論

3.1　水資源子系統

2008－2015年廣東省水資源子系統評價指數有明顯的波動現象，呈不穩定狀態，對生態環境平衡及社會經濟發展有明顯的制約作用。一方面，農業耗水量逐漸減少，工業水資源利用率不斷提高，水資源子系統壓力有了一定的緩解，但隨著人口密度的增大、人均用水量的不斷攀升，水資源子系統壓力越來越大。另一方面，水資源子系統的波動不但受人口密度的迅速增長和經濟的快速發展影響，同時還受降水量年際變化的影響，如2009、2011、2014年降水量偏低，水資源總量減少，使得水資源子系統評價指數的上下波動。

水資源子系統評價指數雖呈現波動下降，但水資源的承載力總量仍較高。廣東省地下水資源豐富但利用率較低，2008－2015年水資源開發利用率最高僅有28%，最低則只有20%，說明隨著科技水平的提高，開發利用地下水資源將會緩解水資源供需矛盾問題，進而提高廣東省水資源承載力。

3.2　生態環境子系統

與其他子系統相比，廣東省生態環境脆弱度較強，環境承載力低。2008－2015年廣東省生態環境子系統評價指數呈上升趨勢（從0.4343增長到0.5263），表明生態環境持續得到改善，對水資源承載力貢獻率不斷提高。

2008年以來廣東省積極實施了退耕還林和植樹造林等生態環境保護建設工程，取得良好的生態效應，森林覆蓋率由2008年的56.30%提高到2015年的58.88%。同時，不斷加強水環境基礎設施建設，城市污水處理率逐年迅速上升，由2008年的45.8%提高到 2015年的 93.2%。但 2008－2015年全省COD（化學耗氧量）排放量持續上升，由96萬t上升到161萬t，對水環境造成巨大影響。生態用水方面，主要依賴大氣降水，占總用水量的比重偏低，對水資源承載力影響較小。

3.3　社會經濟子系統

總體來看，社會經濟子系統的評價指數總體上呈波動緩慢上升趨勢 （由 0.678 1上升到 0.773 8），表明社會經濟的發展給廣東省水資源開發利用帶來了較大的收益。2008－2015年，廣東省人均GDP達67503 元，增長率為8.7%，2009 和 2010 年高達13.5%，遠高于全國平均水平。經濟的快速發展直接導致了農業、工業和第三產業用水量的急劇增加。雖然單位GDP產值用水量不斷下降，但工業用水總量仍然較高，2008－2015年工業用水率年均占28%，始終處于較高的位置。此外，廣東省作為中國社會經濟發展的核心區域，經濟發展的集聚效應導致廣東省人口總量迅速增加，人口密度迅速攀升，2015年人口密度突破600人／km2。人口總量的增加和人口密度的攀升，一方面使居民生活用水量激增，人年均用水量由2008年的410 m3迅速增長到2015年的486 m3；另一方面，人均供水量、人均水資源量呈現減弱趨勢。隨著人口的快速增長，水資源的壓力越來越大，水資源供需矛盾日益突出。

3.4　水資源承載力

2008－2015年廣東省水資源承載力整體上呈上升趨勢，但上升幅度不大，且出現上下波動的現象，水資源承載力系統呈現出良性發展態勢。通過分析水資源承載力與水資源、生態環境、社會經濟子系統的變化趨勢，生態環境子系統對水資源承載能力的貢獻率相對較?。簧鐣洕到y對提高水資源承載力起著重要作用，是提高水資源承載力的主要驅動因素；水資源系統是影響水資源承載力變化的主要決定要件。2008－2015年，廣東省積極進行社會建設，大力發展經濟，廣東省的經濟有了較大的發展，對水資源承載力的提高起到了關鍵作用，然而，2015年與2008年相比，在水資源子系統貢獻率的持續波動和生態環境子系統對水資源承載力產生壓力的綜合作用下，全省水資源承載力的綜合評價指數僅提高了 0.021 3。

3.5　建議

評價結果與廣東省水資源實際情況相吻合，表明多級模糊綜合評價模型具有良好的實際應用價值。廣東省雖作為中國經濟發展的模范區域，但由于人口密度的迅速增長和經濟的高速發展，正在給水資源系統施加越來越大的壓力，從而導致全省的水資源承載力發生變化，其改善生態環境質量是提高水資源承載力的主要驅動因素?，F階段，廣東省應采取綜合措施提高水資源的利用效率，加大水利設施建設力度。第一，強化節約用水宣傳工作，提高人民節水意識；第二，合理分配水資源，促進人口、經濟與水資源均衡發展；第三，提高污水處理技術，加強污水治理；第四，開發清潔新能源，循環利用水資源。

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