王　麗,畢佳成,向　龍,陳　星

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京　210098; 2.西安電子科技大學(xué)計算機學(xué)院,陜西 西安　710071)

基于“五水共治”規(guī)劃的水資源承載力評估

王麗1,畢佳成2,向龍1,陳星1

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京210098; 2.西安電子科技大學(xué)計算機學(xué)院,陜西 西安710071)

摘要：為了評價“五水共治”綜合規(guī)劃實施后水資源承載力變化情況,以臨海市為研究對象,選取了17項評價指標構(gòu)建水資源承載力評價指標體系,采用主成分分析法對評價指標進行降維處理,建立水資源承載力變化驅(qū)動因子的多元線性回歸模型,提取水資源自然支持力、社會生活水平和經(jīng)濟發(fā)展水平3個子系統(tǒng)的主成分,并用熵值法對子系統(tǒng)賦權(quán),計算水資源承載力綜合得分,并進行分析評價。結(jié)果表明:“五水共治”綜合規(guī)劃實施后,臨海市水資源承載力有明顯提高,治污、開源、節(jié)流是提升水資源承載力的主要因素。

關(guān)鍵詞：五水共治;水資源承載力;主成分分析;熵值法;臨海市

水資源承載力研究起源于20世紀80年代末,迄今為止學(xué)術(shù)界對于水資源承載力的概念尚未做出統(tǒng)一明確的界定。施雅風等[1-2]認為水資源承載力是某一地區(qū)的水資源在一定社會和科學(xué)技術(shù)發(fā)展階段在不破壞社會和生態(tài)系統(tǒng)時最大可承載的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市規(guī)模和人口水平。國內(nèi)外常用的水資源承載力評價方法主要有主成分分析法、模糊綜合評價法、常規(guī)趨勢法、系統(tǒng)動力學(xué)方法、多目標決策分析法。李林等[3]運用最小二乘建模,借助主成分分析法與其他數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析法,提取變量主成分,避免了變量之間的多重相關(guān)性;趙楠等[4]使用主成分綜合分析法對北京市的水資源承載力進行指數(shù)化分析,得到水資源承載壓力度;邵磊等[5]基于主成分分析法建立了太原市水資源承載力模型,計算出太原市水資源承載力的演變趨勢;季妤等[6]繼續(xù)對該問題進行討論,在得到評價結(jié)果后,應(yīng)用聚類分析法對結(jié)果進行評價。這些方法各具特點,應(yīng)用過程中難免存在缺陷。模糊綜合評判法的取大取小計算方法將會丟失部分有用信息,因為評價因素越多,失誤的可能性越大,使模型利用率偏低。筆者針對參數(shù)變量之間信息交叉的問題,采用主成分分析法,通過降維對高維變量進行簡化綜合,并采用熵值法確定權(quán)重,以避免主觀隨意性。

浙江省委省政府響應(yīng)黨的十八大提出的把水生態(tài)文明建設(shè)放在突出位置的號召,首次提出積極推廣“治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節(jié)水”的“五水共治”工作,以實現(xiàn)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。筆者以《臨海市“五水共治”綜合規(guī)劃》為基礎(chǔ),劃分水資源自然支持力、社會生活水平、經(jīng)濟發(fā)展水平3個子系統(tǒng),采用主成分分析法提取各個方面的主成分,運用熵值法優(yōu)化各子系統(tǒng)的權(quán)重,評估臨海市水資源承載綜合能力,判斷“五水共治”的實施能否提高臨海市水資源承載力。

1“五水共治”與水資源承載力

1.1“五水共治”的含義

“五水共治”是指治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節(jié)水,以實現(xiàn)人水和諧的生態(tài)文明建設(shè)為目標,把保護水資源的可持續(xù)利用與區(qū)域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展的新需求有機結(jié)合起來,采取工程和非工程措施,以治水為突破口倒逼經(jīng)濟轉(zhuǎn)型,保障社會穩(wěn)定發(fā)展,促進節(jié)能減排工作。

1.2“五水共治”與水資源承載力之間的關(guān)系

水資源承載力反映了區(qū)域資源、生態(tài)、經(jīng)濟、社會之間的動態(tài)變化,以未來人類可持續(xù)發(fā)展為著眼點,強調(diào)資源生態(tài)與經(jīng)濟社會的相互制約、相互依存的關(guān)系?！拔逅仓巍焙诵氖峭ㄟ^“五水”工程實現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)，即，治污,嚴格控制河道排污量,改善水質(zhì);保供,提高水資源開發(fā)利用率,促進開源;抓節(jié),實行用水總量用水效率控制,杜絕浪費;防洪排澇,嚴格保障城市水安全達標建設(shè)。

實施“五水共治”工程,通過限制用水總量和提升用水效率,并且提高城鎮(zhèn)污水處理率,減少河道排污量,改善河道水質(zhì),通過改善水系統(tǒng)循環(huán)功能,提高水資源自然支持力子系統(tǒng)。

實施“五水共治”工程,促進產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級和經(jīng)濟轉(zhuǎn)型,有助于經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。通過用水總量和用水效率控制,限制和關(guān)閉高耗水高污染型企業(yè),鼓勵建設(shè)高科技、節(jié)能型、環(huán)保型企業(yè),對提升經(jīng)濟子系統(tǒng)起到關(guān)鍵作用。

因此,“五水共治”是基于水資源承載力來實施的,后者是前者要達到的目的,前者是后者的實現(xiàn)途徑。

2評價方法的選擇

2.1主成分分析法

主成分分析法體是在保證原始數(shù)據(jù)信息損失最小的前提下,把原來多個指標轉(zhuǎn)化為幾個綜合指標的一種統(tǒng)計分析方法[7-8]。綜合指標不僅保留了主要信息,而且彼此之間相互獨立,相對于原始變量更具有優(yōu)越性,使得進行評價工作時更易抓住主要矛盾。主成分分析步驟如下:

a. 設(shè)有n個評價對象,m個評價指標形成m×n矩陣,將原始數(shù)據(jù)標準化。

(1)

b. 計算相關(guān)系數(shù)矩陣R=(rij)m×n,rij為指標i與指標j之間的相關(guān)系數(shù)。

(2)

(3)

2.2熵值法

熵值法作為一種客觀綜合評價方法,主要是根據(jù)各指標的信息量大小來確定其權(quán)重。如果指標的信息量越小,該指標提供的信息量則越大,在綜合評價中所起作用也就越大,權(quán)重就越高[9]。本文采用熵值法確定影響水資源承載力的水資源自然支持力、社會生活水平、經(jīng)濟發(fā)展水平3個子系統(tǒng)的權(quán)重,能夠最大限度地消除水資源承載力評價中的不確定性。熵值法計算步驟如下:

a. 建立7年17個評價指標的判斷矩陣R=(xij)7×17,進行歸一化處理,對于正指標,按式(4)進行處理,對于逆指標,按式(5)進行處理。

(4)

(5)

b. 計算第j項指標的熵值,其中,若yij=0,則ej=0,且0≤ej≤1。

(6)

c. 計算各項指標權(quán)重wj。

(7)

2.3主成分分析法和熵值法聯(lián)合

采用主成分分析法和熵值法聯(lián)合求解,能夠較客觀地反映研究區(qū)的水資源承載力變化情況,避免變量之間的信息量重復(fù)和權(quán)重選擇的主觀隨意性,比較準確地反映層次分析中的最后綜合得分F。

(8)

3典型區(qū)水資源承載力評價

3.1研究區(qū)概況

圖1　臨海市規(guī)劃年人口預(yù)測趨勢

圖2　臨海市不同年份人均GDP和用水量趨勢

臨海市按照“全面建設(shè)三大示范,實現(xiàn)千年古城新崛起”的戰(zhàn)略,主攻東部海洋經(jīng)濟發(fā)展示范區(qū),全力建設(shè)中心城市,這就要求臨海市在追求經(jīng)濟發(fā)展的同時注重水資源的保障。根據(jù)《臺州市水資源公報》(2013年),臨海市水資源較為豐富,多年平均降雨量1 685 mm,但水資源時空分布不均勻,加上地形地勢原因,臨海市局部水資源問題突出:降雨多時,要迅速排除雨水以保證防洪安全;降雨少時,則局部地區(qū)干旱缺水。2013年臨海市污水排放量達到3 530萬t,COD、NH3-N入河量分別為18 845.8 t和2 007.7 t,城區(qū)和東部平原地區(qū)污染物超標嚴重,尤其東部沿海地處平原區(qū),水體流動性差,水質(zhì)超標率100%,百里大河、桃渚港水質(zhì)均為劣V類。近幾年臨海市水資源承載力逐漸下降。臨海市規(guī)劃年的人口、人均GDP、用水量預(yù)測見圖1～2,根據(jù)《臨海市“五水共治”綜合規(guī)劃》要求,擬解決臨海市“治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節(jié)水”問題,提高水資源承載力,開展臨海市生態(tài)文明建設(shè)。筆者通過評價規(guī)劃前后水資源與社會人口、經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境、水資源開發(fā)利用狀況之間的協(xié)調(diào)程度,評價規(guī)劃年臨海市水資源是否能夠保證區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

3.2指標體系的構(gòu)建

筆者對臨海市水資源承載力指標的選擇，充分考慮區(qū)域特點、社會經(jīng)濟發(fā)展的不平衡和水資源開發(fā)利用程度,具體遵循以下幾個方面原則:科學(xué)性,整體性,動態(tài)性,定性分析與定量分析相結(jié)合,簡明、實用、可行[10]。構(gòu)建的臨海市水資源承載力綜合評價指標體系見表1。

表1　臨海市水資源承載力綜合評價指標體系

3.3基于熵值的主成分分析

筆者構(gòu)造了水資源自然支持力、社會生活水平、經(jīng)濟發(fā)展水平3個子系統(tǒng),以水資源自然支持力子系統(tǒng)為例,利用SPSS 19.0對子系統(tǒng)指標的原始數(shù)據(jù)進行標準化處理,然后計算相關(guān)系數(shù)矩陣,求得相關(guān)矩陣的特征值與貢獻率,結(jié)果見表2。從表2可以看出,前2個主成分的特征值大于1,且累計貢獻率已經(jīng)達到90.35%,因此選取主成分F1、F2進行分析,這兩個主成分可以反映水資源指標的大部分信息,對應(yīng)的兩個特征值分別為2.468、2.050。

表2　水資源子系統(tǒng)主成分特征值、貢獻率

通過SPSS 19.0進一步計算旋轉(zhuǎn)主成分載荷矩陣。主成分載荷反映了主成分與變量之間的相關(guān)關(guān)系,特征值λ1和λ2的特征根向量即主成分因子得分,兩個主成分與各指標的關(guān)系式為

(9)

0.042X14-0.155X15

(10)

將主成分F11和F12與客觀權(quán)重相乘,得到水資源自然支持力的綜合評價值。采用同樣的方法和步驟對其他2個子系統(tǒng)進行主成分分析,得到社會生活水平子系統(tǒng)、經(jīng)濟發(fā)展水平子系統(tǒng)的主成分均為2個。根據(jù)最大熵值法確定3個子系統(tǒng)在研究區(qū)水資源承載力中的權(quán)重值WA:水資源自然支持力子系統(tǒng)權(quán)重W1為0.281,社會生活水平子系統(tǒng)W2為0.206,經(jīng)濟發(fā)展水平子系統(tǒng)W3為0. 513,則水資源承載力綜合評價指數(shù)計算公式為

FZ=0.281F1+0.206F2+0.513F3

(11)

水資源承載力綜合評價值數(shù)FZ與水資源自然支持力評價指數(shù)F1、社會生活水平評價值數(shù)F2和經(jīng)濟發(fā)展水平評價值數(shù)F3有關(guān)。根據(jù)上述計算方法得到臨海市水資源承載力綜合評價結(jié)果,見表3和圖3。

表3　臨海市水資源承載力綜合評價結(jié)果

圖3　臨海市水資源承載力評價指數(shù)值

3.4評價結(jié)果分析

主成分得分的正負代表自然支持能力、社會生活水平、經(jīng)濟發(fā)展的相對水平,正值表示處在平均水平之上,負值表示處在平均水平之下,綜合得分值越大,水資源承載力越大,說明社會經(jīng)濟發(fā)展、水資源開發(fā)利用狀況、生態(tài)環(huán)境之間的協(xié)調(diào)程度越好。

根據(jù)上述計算結(jié)果,得出以下結(jié)論:

a. “五水共治”綜合規(guī)劃提升了水資源承載力。2007—2013年,隨著人口增長和經(jīng)濟社會發(fā)展,臨海市用水量日益激增,水資源承載力逐漸降低。2013—2030年,“五水共治”實施之后,通過提高城鎮(zhèn)污水處理率,消除黑臭河道,改善生態(tài)環(huán)境,水域功能達標率從73%提到高100%,同時提升水資源開發(fā)利用程度,增加可供水量1.15億m3,水資源自然支持力增大,從而能夠更好地為社會經(jīng)濟發(fā)展提供保障。到2030年,臨海市GDP達到1525億元,總?cè)丝谶_到165萬人,相對于2013年,分別增加了673億元、46.55萬人。

b. “治污水”、“保供水”和“抓節(jié)水”是提升水資源自然支持力的關(guān)鍵。隨著社會生活水平的提升、經(jīng)濟的快速發(fā)展,用水量大幅提升,環(huán)境污染日益嚴重,導(dǎo)致水資源自然支持力快速下降,評價指數(shù)從2007年的3.208降到2012年的-1.507。面對嚴峻形勢,浙江省臨海市實施“五水共治,治污先行”,城鎮(zhèn)污水處理率從2012年的56%提高到2030年的98%,可供水量增加到4.72億m3,用水總量控制在4.72億m3,因此水資源自然支持力回升到1.923,為實現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)、經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供了堅實的水資源基礎(chǔ)。

c. 經(jīng)濟發(fā)展是影響資源、生態(tài)的關(guān)鍵因素。經(jīng)濟發(fā)展子系統(tǒng)的權(quán)重為0.513,社會生活子系統(tǒng)的權(quán)重為0.206, 水資源承載力是集資源生態(tài)、經(jīng)濟、社會為一體的系統(tǒng),三者相互制約、相互關(guān)聯(lián),資源生態(tài)是經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ),經(jīng)濟社會發(fā)展水平反映資源生態(tài)狀況,因此要保障水資源承載力,就必須提高資源生態(tài)與經(jīng)濟社會發(fā)展之間的協(xié)調(diào)程度。

4結(jié)語

采用利用主成分分析法和熵值法對規(guī)劃條件下的水資源承載力進行綜合評價,分析水資源承載力的變化趨勢,并對其變化原因進行解釋,得出用水量激增、水質(zhì)惡化是導(dǎo)致水資源自然承載力降低的主要原因。通過實施“五水共治”,用水總量得到控制,環(huán)境功能區(qū)達標率提升,水資源開發(fā)利用率增加,從“開源”、“節(jié)流”、“納污”3個方面解決水資源“超載”問題?？梢?“五水共治”綜合規(guī)劃能夠提高水資源承載力,實現(xiàn)資源生態(tài)、經(jīng)濟社會發(fā)展的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

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Evaluation of water resources carrying capacity based on plan of co-governance on five water categories

WANG Li1, BI Jiacheng2, XIANG Long1, CHEN Xing1

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.CollegeofComputer,XidianUniversity,Xi’an710071,China)

Abstract：In order to evaluate the changes of water resources carrying capacity after co-governance on five water categories was put into effect, taking Linhai City as an example, 17 evaluation indices were selected to construct the evaluation index system of water resources carrying capacity, the method of principal component analysis was used to reduce the dimension of the evaluation index, and a multivariate linear regression model for corresponding driving factors of water resources carrying capacity was set up. Three principal components of water resources natural support capacity, level of social life, and economic development level were extracted, and the entropy value method was used to determine the weight of subsystem, calculate and analyze the composite scores of water resources carrying capacity. The results show that the water resources carrying capacity in Linhai City has an obviously increasing trend after the plan of co-governance on five water categories was carried out, and anti-polluting,seeking for new water supply, saving water consumption are the main factors of improving the water resources carrying capacity.

Key words：co-governance on five water categories;water resources carrying capacity; principal component analysis;entropy value method; Linhai City

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.005

基金項目:國家自然科學(xué)基金青年項目(51209071);江蘇省科技支撐項目(BE211697)

作者簡介:王麗(1990—),女,碩士研究生,研究方向為水資源規(guī)劃與管理。E-mail:1063686702@qq.com 通信作者:陳星,講師。E-mail:chenxing@hhu.edu.cn

中圖分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)02-0021-05

(收稿日期：2015-08-05編輯：彭桃英)