喀斯特山區貴州水資源生態承載力的動態變化評價

魏 媛，吳長勇，李昕蔓

(貴州財經大學 管科學院，貴州 貴陽 550025)

【研究意義】水資源生態承載力是指在某一區域的社會經濟發展時期，水資源對生態系統和經濟/社會系統間平衡穩定發展的最大支撐力[1]，是支撐生態環境系統平衡的組成部分，與資源、經濟和社會間的關系密切。隨著人口不斷增長和經濟快速發展，廢污水大量排放、無限制的開發和利用水資源，給區域內水資源的生態承載力造成巨大的壓力。因此，提高水資源生態承載力成為解決區域水資源可持續利用的前瞻性問題之一。【前人研究進展】目前，水資源生態承載力常用的量化及評價方法有系統動力學法[2-3]、常規趨勢法[4-5]、指標體系評價法[6-9]以及生態足跡法[10-13]。龔久平等[14]對重慶市水資源承載力分析與可持續發展利用進行了探討。官冬杰等[15]對貴州省畢節市水資源生態承載力動態變化進行評價。呂添貴等[16]以喀斯特地區為例，研究評價了基于生態足跡的水資源承載力，但沒有對喀斯山區貴州省水資源生態承載力動態變化進行評價。【本研究切入點】貴州降雨量豐沛，境內河流水系發達，但特殊喀斯特地貌地貌導致蓄水能力弱，同時經濟快速發展對水資源的需求不斷增加，對水資源的開發利用提出了更高要求，使水資源供需矛盾日益突出。因此，評價貴州水資源生態承載力的動態變化對水資源可持續利用和經濟社會的可持續發展具有一定的參考意義。【擬解決的關鍵問題】在前人研究的基礎上，結合貴州省區域特征構建系統的評價指標體系，利用2001-2016年《貴州省統年鑒》《中國統計年鑒》和2000-2015年《貴州省水資源公報》《貴州省國民經濟和社會發展統計公報》數據，通過因子分析法計算分析選擇適合研究區的評價指標，運用熵權法與灰色關聯模型計算貴州省水資源生態承載力評價指標體系最優系列與比較系列的關聯度，并對其結果進行分析評價，找出貴州水資源生態承載力存在的問題及其原因，提出促進貴州省水資源生態承載力提高和可持續利用的對策建議，以期為貴州省及類似地區水資源可持續利用政策措施的制定及相關研究提供借鑒與參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

數據來源于2001-2016年《貴州省統年鑒》和《中國統計年鑒》，2000-2015年《貴州省水資源公報》和《貴州省國民經濟和社會發展統計公報》。

1.2 方法

1.2.1 評價指標體系構建 根據評價指標體系構建原則，結合貴州實際，在研究區選擇具有代表性、可行性和科學性等的水資源生態承載力評價指標。貴州省為典型的喀斯特地貌，在地下很多溶洞河道是地下水流淌的路徑，可將地下水考慮進指標體系中；同時貴州的水系發達，河流較多，河流水質根據國家規定的水質標準采用Ⅱ類水質河長作為評價指標；結合水資源生態承載力的定義、相關學者研究成果和貴州區域特點，對水資源生態承載力評價可從水資源自身生態系統，水資源對該區域的社會、經濟支撐力和經濟、社會發展狀況等3個方面進行指標體系的構建。反映水環境維持水資源系統供給的為評價正指標，主要包括年降水量、地表水資源量、地下水資源量、II類水質河長、總供水量、水庫年蓄水量等共6個指標；反映人類經濟社會活動中對水的需求和消耗的為評價負指標，主要包括人均用水量、總耗水量、水資源利用率、林牧漁畜用水量、居民生活用水量、工業用水量和農業用水量等共7個指標；反映經濟、社會發展現狀的有正負評價指標共7個，其中，人均占有水資源量為正指標，常住人口總數量，國民生產總值、工業生產總值、農林牧漁業總值、固定資產投資、廢污水排放量等負指標，綜合3個方面的分析構建貴州省水資源生態評價指標體系(表1)。其中，以對水資源生態承載力起支撐維持作用的方向為正，對水資源生態承載力造成壓力的方向為負。

表1 貴州省水資源生態承載力評價指標體系的構建

1.2.2 指標數據的處理與分析 首先，根據構建的指標體系收集所需要的研究數據，通過無量綱化處理，讓單位不同的評價指標可相互對比分析。其次，通過SPSS對標準化值進行因子分析。因子分析法是用少數幾個因子去描述多個內部存在相互依賴關系指標的一種分析方法[11]。

(1) 評價指標的主成分分析。通過主成分分析法對20個評價指標進行篩選，得到貴州省水資源生態承載力評價指標體系中影響評價指標的主成分和初始特征值，將特征值>1的成分確定為主成分。

(2) 主要影響指標的負荷程度。利用因子旋轉法對貴州省水資源生態承載力主要影響指標進行旋轉矩陣后得到各負荷程度指標。

(3) 貴州省水資源生態承載力主要影響指標的篩選。因子分析法是用少數幾個因子去描述多個內部存在相互依賴關系指標的一種分析方法[11]，采用SPSS18.0中的因子分析法對構建的評價指標體系中20個指標進行篩選，找出影響貴州省水資源生態承載力的主要指標。

(4) 主要影響指標權重的確定 熵權法是基于指標熵值的大小來確定客觀權重，如果指標的熵越小，該指標提供的信息量越大，在評價中所起的作用越大，權重即越大；反之則小[13]。通過對評價指標賦權重，使評價結果的可靠性越高。使用熵權法計算出貴州省水資源生態承載力評價主要影響指標的權重。

根據2005-2015年各年份的評價指標(I)構建原始數據矩陣：

(1)

由于構建的評價指標體系方向屬性不同，為保證結果的準確性，通過對負向評價指標數據乘以-1得到正向數據。

將判斷矩陣進行無量綱化處理后得到單位統一的矩陣：

R=(rij)m×n

(2)

2005-2015年各年份評價指標熵值的計算：

(3)

2005-2015年各個年份評價指標權重的計算。

(4)

1.2.3 貴州省水資源生態承載力的動態變化的評價 運用灰色關聯模型對貴州省水資源生態承載力的動態變化進行評價，該模型能根據實際情況確定最優系列，為動態變化系統提供可量化的比較分析[13]。

(1)貴州省水資源生態承載力主要影響指標關聯系數的計算。根據評價指標的方向屬性，對水資源起維持支撐作用的選擇最大值；相反，對水資源帶來壓力作用的選擇最小值，結合主要影響指標無量綱化數據，優先出貴州省水資源生態承載力評價指標體系的最優系列Z0(k)={1.17，1.24，1.15，1.71，2.16，0.89，0.69，0.65，0.1，1.34，0.25，0.24，0.41，0.12，0.79}。計算出最優系列和比較系列(主要影響指標無量綱化處理后無度量單位的數據序列)差值的絕對值[△i(k)]，然后將差值絕對值代入式(6)計算出評價指標的關聯系數[ξi(k)]。

△i(k)=|Z0(k)-Zi(k)|

(5)

(6)

式(6)中，ρ為分辨系數，用來提高計算結果的準確性，取值范圍為0.1～1.0，一般取0.5。

2)貴州省水資源生態承載力主要影響指標關聯度的計算。關聯度高低排序可反映水資源生態承載力評價指標體系最優系列與比較系列的狀況，關聯度越大，表示選擇最優系列與比較系列關聯性越強，水資源生態承載力越大；反之越小。根據影響貴州省水資源生態承載力主要評價指標的權重(Wi)和2000-2015年貴州省水資源生態承載力主要評價指標的關聯系數[ξi(k)]代入式(7)計算出貴州省水資源生態承載力最優系列與比較系列的關聯度。

(7)

2 結果與分析

2.1 貴州省水資源生態承載力20個評價指標的主成分

從表2可知，在貴州省水資源生態承載力評價體系的20個指標中，前4個成分的提取負荷平方和及旋轉負荷平方和分別為8.005、6.158、2.570、1.723和7.503、5.438、3.354、2.161，其特征值均>1，確定前4個成分為主成分，即4個主成分；4個主成分的累積方差均為92.283。

表2 貴州省水資源生態承載力評價體系20個指標的主成分分析

2.2 貴州省水資源生態承載力的主要影響因素

在不同因素中，對水資源生態承載力負荷較較大的即為主要影響因素。從表3看出，第1主成分負荷較大的有I6、I7、I16、I17、I18和I19，分別為0.858、0.920、0.992、0.995、0.966和0.977；第2主成分負荷較大的有I1、I2、I3、I8和I15，分別為0.962、0.991、0.943、-0.938和0.918；第3主成分負荷較大的有I4、I10和I20，分別為-0.852、0.825和0.855；第4主成分載荷較大的僅有I12，為0.807。分析得出4個主成分中對水資源生態承載力影響較大的15個指標(表4)。其中，供水系統指標5個，分別為年降水量、地表水資源量、地下水資源量、Ⅱ類水質河長和Ⅱ類水庫年蓄水量；需水系統指標4個，分別為人均用水量、水資源利用率、工業用水量和林牧漁畜用水量；經濟/社會系統指標6個，分別為人均占有水資源量、國民生產總值、工業總產值、農林牧漁業總值、固定資產投資和廢污水排放量。從表5可知，供水系統、需水系統和經濟/社會系統的指標屬性權重分別0.3572、0.2380和0.4048，三大系統對水資源生態承載力影響依次為經濟/社會系統>供水系統>需水系統。

表3 貴州省水資源生態承載力的各主要影響指標的負荷程度矩陣

表4 貴州省水資源生態承載力的主要影響指標

表5 貴州省水資源生態承載力主要影響指標的權重

2.3 貴州省水資源生態承載力動態變化的評價

2.3.1 關聯系數 從表6可知，在貴州省水資源生態承載力的15個主要影響指標中，2000-2015年供水系統中的年降水量(I1)、地表水資源量(I2)、地下水資源量(I3)、Ⅱ類水質河長(I4)和Ⅱ類水庫的年蓄水量(I6)的相關系數分別為0.79～1.00、0.73～1.00、0.85～1.00、0.52～1.00和0.45～1.00；其中，I1、I2和I3除枯水年份(2011和2013年)較低外，其余年份均差異不大，可見，貴州省水資源在供水方面較為穩定； I4和I6總體呈波動上升趨勢，說明貴州省對境內河流流域的水環境質量管理工作已取得一定的成效，先后修建的水庫對貴州省供水系統起到一定的支撐作用。2000-2015年需水系統的人均用水量(I7)、水資源利用率(I8)、工業用水量(I10)和林牧漁畜用水量(I12)的相關系數分別為0.88～1.00、0.66～1.00、0.68～1.00和0.52～1.00，總體呈波動式下降趨勢；說明，期內貴州省對用水資源監管已取得一定的效果。2000-2015年經濟/社會系統中的國民生產總值(I16)、工業總產值(I17)、農林牧漁業總值(I18)、固定資產投資(I19)和廢污水排放量(I20)的相關系數分別為0.42～1.00、0.43～1.00、0.41～1.00、0.33～1.00和0.81～1.00，總體呈波動式下降趨勢。說明，貴州經濟社會快速發展和廢污水的大量排放給水資源生態承載力帶來的壓力越來越大。

表6 2000-2015年貴州省水資源生態承載力15個主要影響指標的關聯系數

續表6 Continued table 6

2.3.2 關聯度 從圖1看出，在貴州省水資源生態承載力的15個主要影響指標中，各指標的關聯度總體上呈波動式下降趨勢，關聯度均在0.7以上。其中，2000-2011年關聯度總體呈下降趨勢，2011-2015年總體呈波動上升趨勢。主是因為貴州水資源自然供給系統基本穩定，關聯度基本維持在0.7以上，但是經濟快速發展給水資源生態承載力帶來極大的壓力，導致水資源生態承載力下降；2011和2013年恰逢枯水年份，水資源總量減少，導致供水系統的供水力不足，致使經濟快速發展過程中水資源生態承載力下降。

圖1 2000-2015年貴州省水資源生態承載力15個主要影響指標的關聯度Fig.1 Correlation degree among 15 main influencing indexes for water resources ecological carrying capacity in Guizhou Province during 2000-2015

3 討 論

龔久平等[14]對重慶市水資源承載力與可持續發展利用分析表明，研究區隨著社會、經濟的快速發展和人民生活水平的提高，生產和生活帶來廢棄物排放量增加，必然加重水環境污染負荷，引起水質污染，使水資源承載力下降。官冬杰等[15]對貴州省畢節市水資源生態承載力動態變化評價結果表明，研究時段畢節市水資源生態承載力相對較好,與最佳水平狀況的關聯度都保持在0.85以上，2007年的水資源生態承載力相對水平達到最高，此后水資源生態承載力便開始逐年下降，人口和經濟發展是水資源生態承載力的兩大壓力因素。徐志青等[16]對南京市水環境承載力動態變化評價結果表明，人口密度偏大、水資源供需矛盾及水功能區水質達標率偏低等是制約南京市水環境承載力的關鍵因素，也是提升南京市水環境承載力的重點。呂添貴等[17]以喀斯特地區為例，研究評價了基于生態足跡的水資源承載力，但沒有對喀斯山區貴州省水資源生態承載力動態變化進行評價。

根據評價指標體系構建原則，結合區域實際，從供水系統、需水系統和經濟/社會系統3個方面，運用因子分析法篩選出反映喀斯特山區貴州水資源生態承載力動態變化趨勢的評價指標體系，運用熵權法對指標賦予權重并構建灰色關聯模型，對貴州省2000-2015年的水資源生態承載力的狀況進行客觀評價。研究結果表明，構建評價指標體系的20個評價指標中有15個指標對貴州水資源生態承載力的影響較大，分別為供水系統的年降水量、地表水資源量、地下水資源量、Ⅱ類水質河長和Ⅱ類水庫年蓄水量；需水系統指標4個，分別為人均用水量、水資源利用率、工業用水量和林牧漁畜用水量；經濟/社會系統指標6個，分別為人均占有水資源量、國民生產總值、工業總產值、農林牧漁業總值、固定資產投資和廢污水排放量。供水系統、需水系統和經濟/社會系統的指標屬性權重分別為0.3572、0.2380和0.4048，其對水資源生態承載力的影響依次為經濟/社會系統>供水系統>需水系統。2000-2015年研究區水資源生態承載力整體上呈波動下降趨勢，關聯度均在0.7以上，2000-2011年關聯度總體呈波動下降趨勢，2011-2015年總體呈波動上升趨勢，2011和2013年為枯水年份，水資源總量減少，導致供水系統的供水力不足，致使經濟快速發展過程中水資源生態承載力下降。

評價結果與實際的水資源生態承載力動態變化較為接近，具有較強的針對性，可為貴州省及類似地區水資源可持續利用政策措施的制定及相關研究提供借鑒與參考。但在數據來源以及評價指標的選擇等方面還存在不足，因為數據來源多參考已有統計資料或研究結果，缺乏長期性與周期性的動態監測數據；由于水資源生態承載力的系統性、動態性、復雜性和多因素影響等特點，加上數據資料的獲取較為困難性，構建全面系統的評價指標體系、選擇較大載荷指標的標準還有待進一步深入研究。且研究結果揭示了貴州在經濟社會快速發展過程中注重水資源的節約高效利用和保護，經濟/社會系統與水資源環境系統的協調性處于勉強協調發展階段，二者的協調性有待于進一步提高。因此，需進一步提高水資源生態承載力、協調經濟發展與水資源開發利用與保護之間的關系。由于喀斯特山區降雨量豐沛，但巖溶地貌蓄水能力弱，且水資源生態承載力與年降水量呈正相關，研究區應提高林業生態工程、水利工程蓄水、提水、引水的能力，充分利用降水資源，攔截降水，減少蓄水、提水、引水過程中水資源的損失量；通過技術革新，提高水資源的綜合利用效率、循環利用水資源，減少污水廢水排放；轉變水資源的調配方式，實行節約高效式“以供定需”的用水方式；優化水資源環境以及經濟社會發展的空間結構，促進研究區水資源生態承載力的動態平衡；建立完善健全的水資源管理體系，提高水資源的生態承載力，促進研究區水資源協調可持續利用。

4 結 論

從供水系統、需水系統和經濟/社會系統3個方面構建的貴州省水資源生態承載力20個評價指標中篩選出對其影響較大的指標15個，三大系統對水資源生態承載力影響依次為經濟/社會系統>供水系統>需水系統；2000-2015年貴州水資源生態承載力整體上呈波動下降趨勢，關聯度均在0.7以上，2000-2011年關聯度總體呈波動下降趨勢，2011-2015年總體呈波動上升趨勢，2011和2013年為枯水年份，水資源總量減少，導致供水系統的供水力不足，致使經濟快速發展過程中水資源生態承載力下降。