基于障礙因素診斷模型的陜西省水資源承載力影響因素識別

賀成民

（陜西省水文水資源勘測中心，陜西 西安 710000）

隨著陜西省社會經濟的快速發展，陜西省居民生活水平得到了顯著提高，工業化進程也得到了進一步的發展，城鎮化水平不斷提升，與此同時居民生活用水量和工農業用水量逐年增大，陜西省面臨著嚴峻的水資源短缺問題。

1921年帕克和伯吉斯就在有關人類生態學的研究中，提出了承載力的概念[1]。國內對水資源承載力的研究起步較晚，但是發展迅速，施雅風等對烏魯木齊河流域運用常規趨勢法進行水資源承載力研究[2]；王建華采用系統動力學模型，預測分析了烏魯木齊市1993年～2020年間水資源承載力[3]；曲耀光等在分析黑河流域不同階段水資源開發利用程度的基礎上，分析計算了黑河流域中游地區的水資源承載力[4]；左其亭等在提出“基于模擬和優化的控制目標反推模型”的基礎上，考慮水資源、社會經濟、生態環境等目標，結合氣候變化的影響，通過承載人口的計算，對塔里木河流域不同水平年的水資源承載力進行了分析[5]；余灝哲等基于PSR模型對陜西省水資源承載力進行評價[6]。孫雅茹等基于topsis對鹽城市水資源進行評價并進行障礙因素診斷[7]。

本文以陜西省各市為研究對象，基于陜西省各市2015年的指標數據，采用熵權法確定權重，以障礙因素診斷模型作為理論基礎，對陜西省各市水資源承載力影響因素識別，為陜西省水資源規劃與保護提供理論依據。

1 研究區概況

陜西省地處我國內陸的中緯度地帶，土地面積20.58萬km2，下轄西安、寶雞、咸陽、渭南、銅川、漢中、安康、商洛、榆林和延安十市。年平均降水量為656.2 mm，降水量呈南多北少，水資源時空分配嚴重不均，年降水量多集中于夏秋季。水資源量區域分布不均衡，地表徑流量受地形影響很大，地域性差異十分明顯，徑流深由南向北遞減，陜南地區徑流量較為豐富，占全省三分之一面積，徑流量占全省三分之二。

水資源是與區域發展社會運行息息相關的重要資源。水資源承載力是評價區域可持續發展程度的重要指標，制約或影響著地區的綜合發展。基于水規總院2016年印發的水資源承載能力監測預警技術大綱來計算，陜西省目前水資源承載力的承載狀態良好，十個省轄市中渭南市處于水資源超載狀態，西安市、寶雞市、漢中市和安康市均處于臨界超載狀態，剩余五市處于不超載狀態。

本研究針對陜西省各市水資源承載力展開障礙因素診斷，根據《陜西省統計年鑒》《陜西省水資源公報》《陜西省水利發展“十三五”規劃》《陜西省國民經濟與社會發展公報》等相關資料，統計出數據。

2 模型的建立

2.1 指標體系的構建

水資源承載力與社會和經濟有著緊密的關系，相互影響。本文研究根據相關文獻，從水資源稟賦條件、社會經濟發展狀況和水資源開發利用情況3個方面考慮，選擇了14個指標作為水資源承載力障礙因素診斷指標體系[8～9]，該指標體系較為全面的描述了水資源承載力的相關影響因素，從而可以對地區水資源承載力障礙因素做出準確的診斷識別。各指標見表1。

表1 水資源承載力障礙因素診斷指標體系

2.2 障礙因素診斷模型的構建

為了提高區域水資源承載力，需要對影響區域水資源承載力的主要影響因素進行識別，找出對區域水資源承載力產生負面影響的主要障礙因素。目前障礙因素診斷模型還處于初步發展階段，該模型主要是采用因子貢獻度、指標偏離度和障礙度進行診斷[10～12]。因子貢獻度Tj是單項指標對總體目標的影響程度，通常可以用指標權重wj來表示；指標偏離度Sij是第i區域第j指標與水資源承載力最優目標的差距，可以用1與各指標標準化值Xij'之差來表示；障礙度Pij是第i區域第j指標對水資源承載力的影響度。計算公式如下:

3 障礙因素識別判斷方法

（1）標準化處理

指標分為正向指標（指標值越大越好）和負向指標（指標值越小越好），為統一指標的單位與量綱，使各指標具可比性，采用極差法對數據進行標準化處理，具體計算公式如下:

對于正向作用的指標:

對于負向作用的指標:

式中:Xij'為第i個區域第j項指標的標準值；Xij為第i個區域第j項指標的原始值；Xjmax為標準化前某項指標最大值；Xjmin為標準化前某項指標最小值。

（2）權重確定

目前評價指標權重的確定有主觀賦權法和客觀賦權法兩種，主觀賦權法多采用德爾菲法、層次分析法等，但主觀賦權法多帶有人為因素，常常因專家的不同而差異較大，使分析結果趨于不穩定。本文為了避免人為因素的影響，使指標權重確定更加具有科學性，采用客觀賦權法中的熵權法[12]來確定指標權重。

熵在信息論中是對不確定性的一種度量。可以通過計算熵值來判斷某個指標的離散程度，指標的離散程度越大，該指標對總體目標的影響程度越大，因此，可利用信息熵這個工具，計算出各個指標的權重，為障礙因素診斷識別提供依據。熵值法確定權重計算過程如下:

現有m個待評區域，n個評價指標，形成原始數據矩陣:

①數據的非負化處理

對于越大越好的指標:

對于越小越好的指標:

R=（rij）m×n，式中:rij為第i個評價對象在第j個評價指標上的標準值，rij∈[0，1]，標準化方法與上一小節相同。

②計算第j個指標下第i個區域的指標值的比重pij

③計算第j個指標的熵值ej

其中k＞0，ln為自然對數，ej≥0，式中常數k與樣本數m有關，一般令k=1/lnm，則 0≤ej≤1。

④計算第j個指標的權重wj

（3）障礙因素識別

將計算好的指標標準化值和權重值帶入障礙因素診斷模型。

根據計算的單項指標障礙度，為了找出主要障礙因素，按障礙度大小進行排序，各區域選出前六項指標作為水資源承載力的障礙因素，即影響區域水資源承載力的主要因素。

4 陜西省各市水資源承載力主要影響因素計算及結果分析

4.1 權重確定

根據上文構建的陜西省各市水資源承載力指標體系，運用熵權法，求得權重，具體結果見表2。

4.2 障礙因素識別判斷

根據式（3），計算各指標障礙度，基于障礙度排序找出影響陜西省各市水資源承載力的主要影響因素，具體計算結果見表3。

表2 各指標權重

表3 陜西省各市水資源承載力障礙因素計算結果

4.3 計算結果分析

由表3可以看出，根據障礙因素診斷并排序后，陜西省各市中除了安康市，影響其余九市水資源承載狀態的主要影響因素是水資源天然稟賦條件的不足，其中人均水資源量是其主要影響因素，這符合西北地區資源型缺水的特點。除了受到天然稟賦條件的影響，對于西安市來說，還受到人均日生活用水量和二產用水占比過的影響；銅川市還受到灌溉覆蓋率和二產用水占比的影響，結合實際可以發現銅川市是“礦業型”城市，鋁業和電力等耗水型產業是其支柱產業，所以二產用水占比會影響其水資源承載力；渭南市、咸陽市和寶雞市還受到人均GDP和灌溉水利用系數的影響，結合實際發現三市為陜西省主要糧食產地，灌溉水利用系數會影響其水資源承載力；延安市和榆林市還受到灌溉覆蓋率和二產用水占比的影響，結合地區實際發現，兩市的支柱產業為油氣、電力和化工產業，耗水型企業多，二產用水量大；對于商洛市來說，還受到人均GDP和灌溉覆蓋率的影響，結合實際發現，商洛市的人均GDP排在陜西省十市的倒數，經濟發展也處于落后的位置，主要經濟以一產為主。對于漢中市來說，地區水資源總量相對豐富，但是人均水資源量仍然是地區水資源承載力的主要影響因素，地區還受到人均GDP、一產用水占比和灌溉覆蓋率的影響。安康市的水資源天然稟賦條件相對較好，地區水資源承載力主要受到人均GDP的影響，當地經濟發展水平一直在陜西省處于落后狀態，人均GDP處于倒數的位置。此外，安康市還受到灌溉覆蓋率、灌溉水利用系數、人均日生活用水量和工業用水重復利用率的影響。

5 結論與建議

5.1 結論

（1）本文在探究陜西省各市水資源承載力主要影響因素時，考慮到了指標的正、負性對診斷結果的干擾，采用了熵權法來確定指標權重，從而準確診斷出了陜西省各市水資源承載力的主要影響因素。該方法科學簡便，對區域水資源承載力判斷有一定參考價值。

（2）根據障礙因子診斷模型的計算結果來看，影響陜西省各市水資源承載力的主要因素是水資源天然稟賦條件，具體指標來說人均水資源量是主要影響因素，對于社會經濟發展狀況和水資源開發利用狀況來說，主要是人均GDP、灌溉水利用系數和三產用水占比的影響。

（3）對于人均水資源量的影響，一方面陜西省需要增加地區的水資源量，另一方面可以考慮“生態移民”；對于人均GDP的影響，陜西省經濟發展落后地區需要大力發展經濟；對于灌溉水利用系數的影響，陜西省需要在主要糧食產區合理選擇種植結構，還需要推廣節水灌溉；對于三產用水占比不合理，陜西省需要針對地區不同問題，合理調整產業結構，把耗水型產業進行轉移，推廣水資源集約型產業。

5.2 建議

為了提高陜西省各市水資源承載力，保證地區的水資源可持續發展，各市亟需根據各自水資源承載力的主要影響因素采取對應的措施。針對人均水資源量，一方面可以增加地區水資源量，對水資源進行優化配置，提高水資源利用效率，另一方面可以進行“生態移民”，這也符合國家“生態移民”的政策；針對人均日生活用水量，西安市應該大力推行生活節水器具，合理制定水價，加大節水宣傳力度，提高居民節水意識；針對人均GDP，經濟發展落后地區需要大力發展經濟，經濟發展領先地區需要加快發展模式的轉型，大力發展“綠色經濟”；針對灌溉覆蓋率和灌溉水利用系數，各地區一方面需要合理選擇種植結構，選擇適應地區特點且經濟效益高的農作物，另一方面需要推行“噴灌”、“滴灌”等節水型灌溉方式，及時修復和維護老化的農田水利設施；針對用水占比，各地區需要合理調整產業結構與產業布局，推廣水資源集約型產業，促使一、二、三產用水達到合理比重；針對工業水重復利用率，安康市需要從政策和經濟上支持企業改善設備、改良技術，提高工業水重復利用率。

在水資源管理方面，各地市需要嚴格執行“最嚴格的水資源管理制度”，堅持用水“三條紅線”，改變不合理的用水方式，以保障水資源承載力處于一個良好的狀態。