淳化縣水資源承載力預測評價

馮湘華，宋孝玉，晁智龍

(1.西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，陜西西安710048；2.陜西省水文水資源勘測局，陜西西安710068)

當前環境下，留住“綠水青山”已是民之所愿，國之所需，明確一個區域水資源承載力能夠更加恰合水資源管理制度的要求，并為之提供理論依據，以實現人與自然的和諧發展。水資源承載力概念的提出已有近30年[1]，通過其定義[2,3]可知，對水資源承載力的研究不但要著眼于當下，更重要的是要著眼于可預見的未來，不但要反映同一時間水資源承載力的狀況，還要能反映不同時間水資源承載力的變化情況。目前，水資源承載力研究存在的問題在于，一方面大多是對區域水資源承載力現狀的描述，沒有一個較長的時間序列來反映水資源的變化過程，且缺少對未來可預見的幾年或規劃水平年的評價分析，其所得結果對區域發展的指導性不強；另一方面是大多集中在國家和社會經濟較發達的省市層面對水資源承載力加以評價，大范圍的特性變成了小范圍的共性，小范圍內的區域特性便難以得到體現。

其次，就水資源承載力研究方法而言，已由過去對單一評價指標做靜態的分析發展為對系統整體進行多目標、動態變化的綜合分析，常用的方法有主成分分析法、常規趨勢法、背景分析法、層次分析法、綜合評價法、系統動力學法、多目標分析法及常規趨勢法等[4]。無論何種評價方法，就方法本身來說都是比較成熟的，且都有較全面的理論體系作為支撐。然而，在進行水資源承載力評價時，這些方法均顯現出了一定程度的不足，造成這一現象的主要原因是水資源系統自身的復雜性、隨機性和模糊性以及影響水資源承載力的因素是多方面、多層次的。所以，今后水資源承載力評價研究的方向應當是根據不同研究區特點，建立一套綜合評判指標體系，通過方法的集成，在實現多種成果相結合的基礎之上，得出可行的成果理論，以適應水資源承載力動態變化的特點。

本文在總結分析當前研究成果的基礎上，發現模糊綜合評判模型、TOPSIS模型、徑向基神經網絡模型三種方法皆是以建立評價指標體系為前提，完成對區域水資源承載力的評價，且能夠恰合文章的主題，即完成對淳化縣2007—2015、2020、2030年的水資源承載力評價，使之能夠為淳化縣后期發展中水資源的開發利用和生態建設提供理論依據。

1 研究區概況

1.1 基本情況簡介

淳化縣位于陜西省中部偏西，咸陽市北部，渭北黃土高原溝壑區南緣，地形呈北高南低狀，地勢由西北向東南單向傾斜，總面積983.81 km2，其區域位置如圖1所示。該研究區屬溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫10 ℃，無霜期年平均193天。多年平均年降水量589.7 mm，年平均降雨日數為54天，降雨集中在每年7月至9月，年均水面蒸發量962 mm，干旱指數介于1.5～1.9之間，北小南大，東北部最大。淳化縣境內可劃分為兩大水系，分別為涇河水系和石川河水系，全縣自產水資源總量為5 462.0萬 m3，水資源可利用總量為5 113.8萬 m3，其中地下水可開采量為1 016.4萬 m3，地表水可利用量為4 915.1萬 m3，兩者間重復計算量為817.7萬 m3。現階段淳化縣的大部分用水皆來源于地下水。

圖1 淳化縣區域位置圖Fig.1 Location map of Chunhua county

1.2 地區宏觀經濟現狀及發展目標

緊扣“一帶一路”的時代背景，淳化縣2015年實現地區生產總值57.38億元，是2010年的1.8倍；規劃2020年地區生產總值達到85億元，年均增長8%。為實現這一經濟發展目標，在對各典型部門用水普查的基礎上，并充分考慮科學用水、節約用水情況，預測2020年淳化縣需水量將達到2 871.5萬 m3，2030年將達到3 505.1萬m3。

1.3 水資源開發現狀及發展規劃

淳化縣地下水資源短缺，地表水利用率低。2015年，淳化縣供水設施主要有地表水源工程和地下水源工程兩類，實際供水量為825.0萬 m3，且此前完成了境內一系列水庫的除險加固及水利工程的改造，使年可供水總量達1 698.2萬 m3。規劃期內將新增屯莊水庫、姜家河水庫、寨子溝水庫等地表水源工程，外加其它水源工程的利用，并在2030年依托從涇河東莊水庫調水，使得淳化縣在2020、2030年的可供水量分別達到3 175.1萬 m3和3 832.8萬 m3，故此，淳化縣在規劃水平年僅能基本滿足供需平衡的要求。

1.4 區域特性及存在的問題

從5個方面分析淳化縣的區域特性及存在的問題：①對生態環境保護的重視程度不夠，過去對生態的破壞較為嚴重，隨著強化政府監管、調整經濟結構等措施的實施，區域整體生態得到較好改善；②節水這一舉措在全縣范圍內得到有效實施，并取得了較好成績。但因其地處渭北黃土高原溝壑區，水資源短缺，資源性缺水問題依然是區域長足發展的重要障礙；③地表水源工程的規劃建設不能滿足社會經濟發展對水的需求，致使地下水源與地表水源工程供水不均衡問題較為突出。因此，淳化縣現階段處于工程性缺水階段，改造舊水源、開發新水源，特別是新建地表水源工程，已經成為淳化縣經濟和社會發展的必要舉措；④社會經濟發展落后，遠遠低于國家平均水平；⑤耕地面積保有量約占總面積的1/3，農業用水需求量大。

2 水資源承載力評價指標體系的構建

2.1 構建評價指標體系

水資源承載力評價指標體系是區域水資源承載力研究的核心內容，且影響區域水資源承載能力的因素涉及水資源系統的各個領域，故應在全面分析水資源承載能力的各影響因素之后，根據研究區域的特殊性構建評判指標體系。其后，嚴格遵循科學性、整體性、定性定量相結合的原則，考慮實際的可操作性，并借鑒已有的研究成果[2,5-7]，參照全國水資源供需分析中的指標體系和其它水資源評判指標體系，選取8個指標(u1～u8)對該地區的水資源承載力做出綜合評價。各評價指標的意義及計算方法詳見表1。

表1 淳化縣水資源承載力指標體系及分級指標

2.2 評價指標等級劃分標準

根據各評價指標對水資源承載力的影響程度劃分等級，劃分時主要依據已有研究成果[7-12]和政府對各項指標設定的相關標準以及全國、所處省市的一個平均水平。本次水資源承載能力綜合評價將上述各個評價指標按其影響程度劃分為3個等級V1,V2,V3，各評價指標對應的等級劃分如表1所示。其中，V1級表示區域承載情況較好，水資源保持著較大的承載能力，其水資源開發利用程度、社會經濟發展規模都較小，這時的水資源將不是制約社會經濟發展的主要因素，而是謀取社會經濟發展的有效保證；V3級表示區域水資源承載情況較差，水資源承載能力已達閾限，進一步的開發利用將直接影響社會經濟發展的可持續性，危及生態安全；V2級表示水資源承載情況一般，表現為現有的水利工程可供水量與社會經濟發展水平所需的水量之間存在一定的供需矛盾，只是問題還不突出，應結合當地可利用的水資源總量來確定其發展方向，如限制社會經濟發展、加大工程規模、提高水資源的開發利用程度等，但應以保持水資源可持續開發利用為前提。

2.3 各水平年原始數據及規劃值

結合淳化縣社會經濟條件以及自然環境狀況，8個評價指標在2007—2015年的實際計算數值與2020年、2030年的規劃計算數值如表2所示。數據主要來源于《咸陽市統計年鑒》(2007—2015年)、《淳化縣水資源統計年報》(2007—2015年)、《淳化縣水資源開發利用規劃》(2015—2030年)、《淳化縣國民經濟和社會發展十三五規劃綱要》。

表2 淳化縣2007—2030年水資源承載力評價指標值

3 研究方法

3.1 熵權法

熵權法是以整體的觀念去度量水資源承載力各變量所具有的不確定性，從而能夠避免主觀因素的影響，使指標權重更符合客觀實際，進一步保證了最終評價結果的客觀性[13-15]。用熵權法計算各指標權重的步驟為：

步驟一 對各個評價指標的數據進行標準化處理。其目的在于消除指標間不同單位、不同度量的影響。對指標水平矩陣X=xijm×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)進行標準化處理，得到歸一化矩陣Y的元素為：

(1)

步驟二 計算第j個評價指標下第i個評價對象指標值占所有對象指標值的比重pij：

步驟三 計算各評價指標的信息熵Ej：

步驟四 計算各個評價指標的權重系數ωj：

即可求得指標權重集為A=ω1,ω2,…,ωn。

3.2 模糊綜合評判模型

模糊綜合評判模型能夠集合多種因素對一個地區水資源承載力作出綜合評價，借此能夠全面地反映區域水資源承載力狀況。綜合評判模型[8,14,16]為：

采用模糊綜合評判法評價水資源承載力的優勢就在于能夠將各個因素綜合起來，從而更加全面地反映各等級水資源承載力情況。因此，為了定量反映各等級因素對承載力的影響程度，在0～1之間對V1、V2、V33個評判等級進行取值，分別為T1=0.95、T2=0.5、T3=0.05，然后按式(2)計算出水資源承載力綜合評分值T。水資源承載力綜合評分值是衡量水資源承載程度的綜合性指標，評分值越高，表明水資源承載狀況越好[16]。取m1=3，水資源承載力綜合評分值為：

(2)

式中，k值是為了突出優勢等級的作用，本文中取k=1[7]。

3.3 TOPSIS模型

該方法是系統工程有限方案多目標決策分析的一種，由Hwang和Yoon[17]首次提出，可用于效益評價、決策和管理等多個領域。其基本原理在相關文獻中皆有介紹[12,15,18]，建模步驟包括：

1) 為使計算結果能夠恰合指標等級的分級標準，故此將分級標準與原始數據形成新的目標決策矩陣L=lijm×n，利用式(1)對目標決策矩陣進行標準化處理，得到標準化矩陣C=cijm×n;

2) 與3.1節熵權法指標權重集A計算方法類似，得到TOPSIS模型指標權重集A′。構造加權矩陣Z=zijm×n，zij=cij×ωj;

3) 確定正理想解V+和負理想解V-，設Q代表評價指標越大越優型目標集，Q′代表評價指標越小越優型目標集，u表示某個評價指標，則：

(3)

(4)

4) 計算各評價對象與正、負理想解的距離：

(5)

5) 計算各評價對象與理想解的相對接近程度：

(6)

其計算結果越大，則對應年份的承載狀況越好。

3.4 徑向基神經網絡模型

徑向基函數(Radial Basis Function，簡稱RBF)神經網絡模型是由Moody J和Darken C[19]于20世紀80年代末提出的，具有很強的處理復雜非線性系統及不確定性系統的能力，正好切合水資源承載力評價系統的特點，且該方法在此前的研究中運用效果較好[9,10,20]。本文在Matlab7.0環境下建立了水資源承載力評價RBF模型，其基本步驟為：

1) 沿用3.1節中得到的歸一化矩陣Y=yijm×n成果。

2) 設計RBF神經網絡模型，并對數據樣本進行訓練。本文基于Matlab7.0計算平臺，通過Matlab工具箱提供的徑向基網絡實現函數newrb完成對RBF網絡模型的建立，格式為：net=newrb(x，y，goal，spread)，其中x，y，goal，spread分別為輸入向量、目標向量、均方誤差和RBF分布。通過sim函數得出樣本的訓練結果，格式為：t=sim(net，x)。

3) 對研究區域水資源承載力狀況進行仿真。同樣由sim函數實現，其格式為：g=sim(net，f)(f、g分別為待評價區域的歸一化輸入向量和用RBF神經網絡對水資源系統進行評價的等級值)，計算所得值越小，表明其承載狀況越好。

4 水資源承載力評價

4.1 各評價模型計算結果

由前述研究方法可得目標決策矩陣X=xijm×n和L=lijm×n，其對應的權重系數集合分別為A=(0.24、0.03、0.09、0.14、0.18、0.15、0.13、0.04)和A′=(0.15、0.18、0.10、0.13、0.23、0.09、0.07、0.05)，可以看出，u1、u5是影響該區域水資源承載力的主要指標，這也與淳化縣現階段處于工程性缺水階段的實際相符合。通過計算得出三種水資源承載力預測模型的評價值，如表3所示。

表3 淳化縣2007—2030年各模型水資源承載力評價成果

4.2 評價結果分析

以上三種水資源承載力評價成果在時間序列上的變化趨勢上基本一致，表現出淳化縣2007—2015年水資源承載力狀況逐步趨好，而2020年、2030年的承載狀況相比于2015年之前下降較為明顯，其中TOPSIS模型和徑向基神經網絡模型都很好地表現了這一點，表明區域水資源的開發利用已初具規模，未來勢必要控制經濟發展勢頭，以保障區域生態環境的健康發展。

從評價結果來看，現狀年2015年以前，淳化縣整體的水資源承載能力均保持在V1級與V2級之間，表明區域承載狀況較好，且仍保持上升趨勢，表明區域水資源尚有一定的開發潛力；另外，生產技術的提升以及一系列基礎節水設施和節水灌溉項目的建設，使得淳化縣實現經濟增長的方式由粗放型向集約型轉變。在2020年、2030年，淳化縣水資源承載能力在V2級以下，水資源承載狀況一般，區域水資源基本能夠保證供給，進一步的開發潛力不足。這主要歸因于“一帶一路”政策帶動區域經濟的飛速發展，使得區域需水量急劇增加，即便在2020年前后將修建一系列大型水利工程，仍難以解決區域水資源的供需矛盾，使得區域水資源承載能力下降。

5 結論與建議

1) 本文在分析已有研究成果之上，結合當地的區域特征，建立了一套恰合研究區實際的評價指標體系，通過熵權法消除評價過程中的主觀影響，并運用模糊綜合評判模型、TOPSIS模型以及徑向基神經網絡模型完成了對該地區的水資源承載力評價，所得結論基本一致，保證了結論的精準度，且成果在很大程度上符合區域實際，故此對淳化縣今后的發展有一定的導向作用，同時也表明本次評價指標選取的可行性。

2) 依據前述研究成果，淳化縣當下的首要任務是通過引進有效的水資源開發利用手段，加快完成對規劃水源工程的建設，確保其在規劃期內發揮作用，解決區域供需不協調的問題；其次，淳化縣水資源短缺是一個始終困擾決策者的難題，要想依靠有限的水資源條件在“一帶一路”和西部大開發的時代背景之下抓住機遇，謀求發展，優化水資源配置、構建節水型社會已成為其必然的選擇。

3) 評價結果對淳化縣今后的水資源規劃和水資源可持續開發利用具有一定的借鑒和參考價值，未來淳化縣應當在保持適當發展速度的同時，積極加強生態環境建設，以留住綠水青山，保證人與自然的和諧健康發展。