基于指標概率分布的大灣區水資源承載力分析

陳 娟，王 森

(1.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611；2.水利部珠江河口治理與保護重點實驗室，廣東 廣州 510611)

2019年2月，中共中央、國務院印發實施《粵港澳大灣區發展規劃綱要》，要求進一步提升粵港澳大灣區在國家經濟發展和對外開放中的支撐引領作用。隨著大灣區經濟社會的發展，水資源作為城市發展剛性約束，已成為帶動或制約大灣區經濟可持續發展的關鍵因素。水資源是否承載城市發展需求，城市經濟社會、資源環境是否和諧發展，逐漸成為國內聚焦的熱點問題。吳盼等[1]對大灣區“9市+2區”近10年的社會經濟與水資源現狀及其協同演化規律進行分析研究得出水資源分布與區域經濟發展不協調。王波[2]對粵港澳大灣區西岸城市群水資源安全保障體系建設提出建議。胡培等[3]在粵港澳大灣區發展背景下對珠海市水資源保障進行戰略研究。

水資源承載力指一定區域一定時段維系生態系統良性循環，水資源系統支撐經濟社會發展的最大規模[4]。目前，關于水資源承載力的評價方法有很多，例如金菊良等[5]采用聯系數與信息熵、聯系熵結合的方法對安徽省水資源承載力進行評價。李林漢等[6]采用層次分析法(AHP)對京津冀地區的水資源承載能力進行評價。陳海濤等[7]采用熵權模糊綜合評價模型對河南省水資源承載能力進行評價，劉童等[8]構建五元聯系數模型用于四川省水資源承載力動態評價。鑒于水資源承載力分析的復雜性和不確定性，本文提出指標概率分布的水資源承載力分析模型，該方法簡單，沒有復雜數學運算，方便各行業學者交流，且為得到更為準確且適合研究區域的指標權重本次采用組合權重。

近年來，系統耦合協調度研究逐漸成為研究熱點。汪順生等[9]構建河南省黃河流域水資源—經濟—生態系統耦合協調評價模型。李波等[10]構建黃河流域水-能源-環境耦合協調度模型，綜合分析2010—2019年該流域水-能源-環境系統的耦合協調關系及動態演變特征。鄭江麗等[11]利用協同學原理構建綜合評價模型評估區域經濟、社會、環境與水資源系統的協調程度。本文建立以水資源環境和經濟社會2個子系統的水資源承載力指標體系，在對體系整體做出評價的同時，對2個子系統進行耦合協調分析，以期為大灣區水資源環境和經濟社會提供參考。

1 指標體系構建

本文參閱已有的研究成果[12-14]，并結合大灣區水資源條件及開發情況，構建子系統-準則層-指標層三級指標體系。將水資源環境、經濟社會作為子系統，準則層從水資源、環境、經濟、社會4個方面考慮共14個指標構建水資源承載力指標體系，見表1。14個指標中，產水模數、供水模數、人均水資源量、人均GDP、水土流失治理率、生態環境狀況指數6個指標為正向指標，其他8個指標為負向指標。

表1 水資源承載力指標體系及指標含義

依據國家相關規范標準，參考已有研究成果[15-16]，同時考慮大灣區水資源特點，將指標標準分為5級，分級標準見表2。

續表1 水資源承載力指標體系及指標含義

表2 分級標準

2 研究方法

2.1 指標概率分布

本文擬采用概率統計學理論對其進行研究。將樣本指標值和標準值統一放一起考慮，采用水文學中常用的經驗頻率公式期望值公式[17]對指標進行標準化處理。在經驗公式中，正向指標按從大到小順序排序，負向指標按從小到大順序排序。

pij=ni/(Ni+1)

(1)

式中pij——指標標準化后的值；ni——第i個指標排序順序；Ni——第i個指標樣本總個數。

(2)

式中Zi——綜合評價值；Wj——指標權重。

2.2 指標權重

組合權重的確定包含兩方面：①反映專家的偏好，主觀因素較大的主觀權重W1=(w1(1),w1(2),…,w1(m))，本次采用層次分析法，其計算可參考文獻[18]；②反映指標所傳遞信息量大小的客觀權重W2=(w2(1),w2(2),…,w2(m))，本次采用熵權法，其計算可參考文獻[19]。

綜合W1和W2可以得到組合權重W=(w(1),w(2),…,w(m))。W與W1、W2均應盡可能地接近，為此構造如下最優化模型[20]：

(3)

(4)

用Lagrange乘子法求解上述最優化問題得：

(5)

2.3 耦合協調度

本文涉及2個子系統，構建水資源環境與經濟社會耦合協調關系[21]，公式如下：

(6)

T=αY1+βY2

(7)

(8)

式中C——耦合度；D——協調度；T——綜合評價指數；α、β——系統權重，這里取0.5。

0≤D≤1，D值越大，表明系統協調發展程度越高。耦合協調度常分為10個等級[9,10,21]，每等級間隔0.1。本次考慮與指標分級標準對應及已有研究[22-23]，將水資源環境-經濟社會協調度分為5個等級：0.8≤D≤1，優良協調；0.6

3 實例分析

3.1 區域概況

大灣區位于廣東省東南部，地處珠江流域尾閭，由廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門、肇慶9個珠三角城市組成，總面積 5.5 萬 km2，是中國開放程度最高、經濟活力最強的區域之一。區域內主要河流有西江、北江、東江及三角洲諸河流，西、北、東三江匯流進入河網區，由虎門、磨刀門等八大口門出海。為了深入分析大灣區水資源承載力，以市為研究對象，所用數據來源于《2020年廣東省水資源公報》《2020年廣東省水土保持公報》《廣東省2019年生態環境狀況指數》《全省城市空氣和水環境質量及排名情況》。

3.2 基于指標概率分布水資源承載力分析

利用式(1)可計算標準化后的值，見表3。

表3 標準化后的值

本次計算主觀權重W1=(0.16,0.12,0.12,0.06,0.08,0.045,0.045,0.06,0.05,0.05,0.05,0.05,0.05)，客觀權重W2=(0.081,0.077 5,0.048 2,0.058 1,0.075 1,0.064,0.069 1,0.057 5,0.089 2,0.081 4,0.074 9,0.058 2,0.076 2)，組合權重W=(0.117 2,0.099 3,0.078 3,0.060 8,0.069 1,0.073 7,0.057 4,0.052 3,0.075 5,0.068 8,0.062 7,0.063,0.055 6,0.063 5)。

利用式(2)可計算綜合評價值，見表4。

表4 水資源承載力計算結果

大灣區9個市水資源承載力大多位于Ⅲ級，佛山略高于Ⅲ級值，位于Ⅳ級。從9市排名看，從高到低依次為珠海、廣州、深圳、江門、惠州、中山、肇慶、東莞、佛山，即珠海最優，佛山最差。在水資源方面，珠海最優，產水模數達到Ⅰ級；佛山最差，產水模數、供水模數及人均水資源均為Ⅳ級。在環境方面，肇慶最優，生態環境狀況指數達到Ⅰ級，水質指數也最優；佛山最差，水土流失治理率、生態環境狀況指數、水質指數均較差。在經濟方面，深圳最優，萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量、城鎮居民人均生活用水量均最優；肇慶最差，耗水率、城鎮居民人均生活用水量均最差。在社會方面，肇慶最優，常住人口密度、城鎮化率最低；東莞最差，常住人口密度最高。

3.3 耦合協調度分析

a)水資源環境子系統。水資源環境綜合指數見圖1。可以看出，珠海水資源環境綜合指數最高，珠海降雨量較多，過境水資源量豐富，通過水庫調蓄保障水庫水源充足，水資源本底較好；佛山水資源環境綜合指數最低，佛山市2020年降雨量低于珠海市，因處于三角洲網河區，主要依靠過境水資源量，水庫蓄水量有限。水資源環境綜合指數較高的城市有珠海、中山、江門，水資源環境綜合指數較低的城市有佛山、東莞、深圳。

圖1 大灣區水資源環境綜合指數

b)經濟社會子系統。經濟社會綜合指數見圖2。可以看出，珠海、深圳經濟社會綜合指數基本相等，均為0.34；深圳的常住人口密度和城鎮化率最高，人均GDP最大，用水水平方面萬元工業增加值、城鎮居民人均生活用水量是最小的，說明深圳經濟社會較發達，因水資源量有限，故在用水指標上要求較高，用水水平在大灣區排名靠前；珠海經濟、社會指數均位于中等水平；中山經濟社會綜合指數最低，為0.20，中山除常住人口密度、耗水率、萬元GDP用水量位于中等水平外，城鎮化率、人均GDP、萬元工業增加值用水量、耕地實際灌溉畝均用水量、城鎮居民人均生活用水量均位于中下水平。經濟社會綜合指數較高的城市有珠海、深圳、佛山，經濟社會合指數較低的城市有中山、廣州、江門。

圖2 大灣區經濟社會綜合指數

c)耦合協調度分析。大灣區9市耦合協調度計算見表5、圖3。佛山為中度失調，其他城市均為低度協調，這與前面水資源承載力計算結果基本吻合。

表5 耦合協調度評價結果

圖3 大灣區耦合協調度

從指標體系及權重分析，水資源和經濟方面所占的權重較大，環境和社會方面所占的權重較小，從而得出水資源狀況及水資源需求在水資源承載力研究中起重要作用。在保護好大灣區現有水資源條件的基礎上，控制好用水總量，提高用水效率。

4 結論

a)基于大灣區水資源特點構建了水資源承載力指標體系，利用指標概率分布及耦合協調度分別對大灣區水資源承載力開展綜合評價，兩方法相互驗證。結果表明：大灣區9個市水資源承載力大多位于Ⅲ級，佛山略高于Ⅲ級值，位于Ⅳ級，珠海相對較優，佛山相對較差；從內部系統耦合協調度分析，佛山為中度失調，其他城市均為低度協調。

b)大灣區雖地處南方豐水區，但水資源承載力有待進一步提高，水資源環境與經濟社會協調發展需進一步加強。在水資源方面，結合各地水資源本底情況控制用水總量，合理配置水資源；在經濟方面，優化調整產業結構，提高用水效率；在環境方面，做好截污限排，提高污染防治水平，加強環境監管；在社會方面，加強節約用水，提高全民節水意識。

c)基于指標概率分布水資源承載力方法原理簡單，計算簡潔，既能得到評價等級，也能得到排序，具有一定的推廣價值。