基于层次和聚类分析法的咸阳市水资源承载力研究

王彦丽，赵敏宁

（咸阳师范学院 资源环境与历史文化学院，陕西 咸阳 712000）

［区域经济与资源环境可持续发展研究］

基于层次和聚类分析法的咸阳市水资源承载力研究

王彦丽，赵敏宁

（咸阳师范学院 资源环境与历史文化学院，陕西 咸阳 712000）

应用层次分析和快速聚类法原理，选取社会经济指标、用水指标和水质等5类共10项指标组成评价指标体系，建立咸阳市水资源承载力的综合评价模型，采用聚类分析、层次分析和模糊矩阵的方法进行计算，结果表明：咸阳市水资源承载力不安全系数与较不安全系数之和一直处于0.7附近，较安全与安全系数之和处于0.3附近，且咸阳市水资源承载力安全系数呈现增加态势。在西咸一体化建设规划中通过发展经济、重点水源工程建设和水污染治理可望提高咸阳市水资源承载力。

咸阳市；层次分析；聚类；水资源承载力

在经济全球化的推动下，出现了欧洲一体化、纽约大都市圈、东京大都市圈等国际范围的区域合作和一国范围内的区域合作。中国的长三角、珠三角、京津冀地区正在积极推进区域一体化战略和协同发展，给科学发展提供了许多成功的案例［1-3］。西咸一体化即城市一体化、经济一体化、交通一体化和环保一体化，主要内容包括综合交通体系、给水排水体系、电力电信、区域生态体系、沣渭新区、泾渭工业园、空港产业园区和渭河西咸段生态景观带等规划。咸阳市的水资源承载能力是西咸一体化建设规划和实施的重要因素。

在水资源学的研究领域，水资源承载力是学术界最为关注的问题之一，尤其是区域水资源承载力分析和水资源承载状况评价，至今仍是十分重要的研究领域［4］。1921年人类生态学家帕克（Park）和伯吉斯（Burgress）确切提出了承载力这一概念［5-6］。所谓水资源承载能力，是指在某一具体的时空背景下，以经济和社会发展水平为依据，以可持续发展为原则，以维护生态环境良性发展为条件，经过合理的优化配置，水资源对该地区社会经济发展的最大支撑能力。水资源承载力分析关系到区域生态环境和社会经济可持续发展，涉及面广，内容复杂。

目前关于渭河流域水资源环境研究较多［7-9］，如王娇等［8］基于渭河流域陕西段社会经济可持续发展，从分析区内水资源特点、开发利用现状以及水资源开发利用引起的主要生态环境问题出发，阐述了流域水资源开发利用与生态环境演化之间的作用机理。黄兴国等［9］利用模糊综合评价方法对咸阳市区地下水和地面水水环境的时间、空间评价分析得出水环境质量的动态变化趋势。

本文用层次分析、快速聚类法原理和模糊矩阵法，以咸阳市为区域研究对象，建立咸阳市水资源承载力的综合评价模型，分析咸阳市水资源承载能力。

1　研究区域概况与研究方法

1.1研究区概况

咸阳地处陕西关中平原腹地，是中国大地原点所在地，自古就是西部战略重镇，资源丰富，金城千里。咸阳市位于东经107°38′至109°10′，北纬34°11′至35°32′之间，区域总面积10 246 km2，总人口489.48万人，多年平均降水量为574 mm；区域主要有渭河、泾河和沣河等水系。本研究资料取自2008年到2011年陕西省水资源公报和中华人民共和国水资源公报。

1.2研究方法

1.2.1水资源承载力评价指标体系

构建描述区域水资源承载力状况的指标体系，按照一定方法评价出一个区域的水资源承载状况是否合理。我们根据文献［3］选1个反映社会经济发展水平的指标即人均GDP（万元/人）指标（X1），5个用水指标包括万元工业增加值用水量（m3/万元）（X2）、单位耕地用水量（m3/hm2）（X3）、人均用水量（m3/人）（X4）、城市生活用水定额（L/日）（X5）和农村生活用水定额（L/日）（X6），2个水土资源对人口的承载指标即单位水量人口承载模数（人/104m3）（X7）和社会承载指标即人口密度（人/km2）（X8），还有水资源开发利用率（X9）、河道水质指标（X10），总共10个指标。

1.2.2水资源承载力综合评价模型

对于一个地区的水资源承载力状况，根据不同的指标体系，按照其对水资源系统的安全程度进行划分。这一划分通过模糊集合U来表示，模糊集合的评语从低到高一般包括不安全、较不安全、较安全和安全，而综合评判结果评语集U可以通过指标体系的指标权重集W与各指标对评语的隶属度集R的乘积得出

根据流域初始水权分配的三个原则确定四类水权即生活用水、农业用水、产业用水和生态用水水权构建层次结构［10］（如图1）。层次结构体系建立后，就确定了上下层元素间的关系。因此可以用判断矩阵法算出各层元素对于支配其上一层元素的相对重要程度，即权重。可采用谢菲尔德法构造判断矩阵。两因素相比，具有同样重要性取标度1，前者比后者稍重要取标度3，前者比后者明显重要取标度5，前者比后者强烈重要取标度7，前者比后者极端重要取标度9，表示上述相邻判断的中间值取标度为2、4、6、8；若因素i与j的重要性之比为tij，那么因素j与i的重要性之比为1/ti j标度取为其倒数。利用层次分析法可以得到各指标的权重［4］（如表1）。

图1　层次结构图

根据表1，得到指标的权重集为：

W=［0.1599 0.03500.0427 0.0491 0.0292 0.0298 0.0810 0.1447 0.0292 0.1993］

1.2.3聚类分析获得类中心

为了获得各个指标类中心值，根据文献［11］，用快速聚类法得到各个指标类中心值，以现状年2010年为基础，我们做了修正，得到不安全、较不安全、较安全和安全4个类别的各个指标类中心值见表2。

水资源开发利用率和水质两个参数类中心的获得方法是：水资源开发利用率的4个类中心分别为80%，60%，40%和20%，这样较为符合中国水资源开发的现状水平。水质的4个类中心分别以河道水质的比例来代表，把劣5类水质作为不安全类，第4类和第5类水质合并为较不安全类，第3类水质为较安全类，第1类和第2类水质合并为安全类，由此可以得到水质参数指标的4个类中心［12］。

表1　层次分析得到各指标权重［4］

表2　各指标类中心值

2　评价指标与类中心隶属度集R的计算

咸阳市水资源承载力评价指标见表3。

表3　咸阳市2008—2011年水资源承载力评价指标

各评价指标我们采用偏小型半梯形分布函数。设vj与vj+1为相邻两级的分级标准，且vj＜vj+1，则vj级的隶属函数可确定为式（2），vj+1级的隶属函数可确定为式（3）。

咸阳市的河道水质指标取自陕西省环境监测中心发布的公报。应用式（2）和式（3），分别计算2008年到2011年4 a的评价指标与类中心隶属度集R。

利用公式（1）U=W·R，分别可以得到：

3　结果分析

3.1咸阳市水资源承载力影响因素及指标变化

水资源承载力的影响因素很多，影响程度较大的主要包括研究区水资源条件及其开发利用程度，研究区的生产力水平、社会消费水平与结构、科学技术及其他资源利用潜力等。在我们的评价体系中，人均GDP反映了研究区的经济发展水平，在层次分析中的权重（0.155 9）较高（表4）。水资源开发利用率与河道水质在层次分析中的权重分别为0.229 2和0.199 3，占有权重值较高，随着经济社会发展对水资源需求的增大，越来越多的水资源被开发利用，水资源开发利用率必然有所增加，但是它必须处在一个科学合理的范围。

表4　咸阳市2011年与2008年水资源承载力各指标比较

2011年与2008年相比，人均GDP有较大增长；农村生活用水定额、水资源开发利用率和单位水量人口承载模数3个指标也有一定程度的增加；工业用水定额、农田灌溉亩均用水2个指标有明显下降，其余指标变化不大。2008年和2009年咸阳市的水质指标在5类、甚至劣5类之间，2010年和2011年水质有明显改善，遗憾的是水体氨氮指标超标，因此对水资源承载力的评价结果产生负面影响。

3.2评价结果分析

（1）从计算结果看，咸阳市水资源承载力不安全系数与较不安全系数之和一直处于0.7附近，说明该市水资源相对匮乏，对这个结果可以从表3的基础数据分析，权重较大的指标如人均GDP、单位水量人口承载模数以及水资源开发利用率，咸阳市的这些指标处于不安全和较不安全之间，而且主要河道渭河、泾河和沣河水质处在4类和5类、甚至劣5类的概率较大，这些因素对咸阳市水资源承载力评价结果影响重大，实际从历史上，咸阳市就存在水资源短缺［13］，随着工业化进程的加快，使渭河、泾河和沣河水污染加重，人口数量激增加剧了水资源承载力的不安全性。另一方面，较安全与安全系数之和处于0.3附近，咸阳市水资源承载力安全系数呈现增加态势，2009年由于咸阳市遇到大旱，出现偏差。由图2可以看出，安全系数增加的态势与人均GDP正相关，即人均GDP增加，水资源承载力安全系数增大，表明咸阳市经济、社会发展水平不断提高，随着咸阳市社会经济的发展，产业结构提升和改造，对水资源的科学管理、统筹规划和合理调配，使得水资源承载力安全系数呈现增加态势。

图2　咸阳市人均GDP与水资源承载力安全系数之间的关系

（2）水资源总量的确定是水资源承载力研究的基础资料，是决定流域水资源承载力的关键因素之一。水资源总量是指流域水循环过程中可更新恢复的地表水与地下水资源总量。咸阳市水资源总量平均值为6.36亿m3，而大旱的2009年仅为4.72亿m3，减少了26%，直接影响了水资源承载力安全系数。另一方面，不是所有的水资源量都可以用来承载区域经济社会的可持续发展，只有可供使用的水资源量，即水资源可利用量才是实质意义上的承载主体。可供使用的水资源量是指可以直接提取用于工业、农业和生活的水资源量。从水资源可持续发展的角度来说，可供使用的水资源量是指在一定的用水结构和开发利用深度下可被开发利用的最大水资源阈值，是水资源承载力计算的基线。可供使用的水资源量在数值上不易确定，因为该量要保证不挤占生态环境用水，要从水资源总量中扣除地下水总量、地表水对地下水的补给量及蒸发量，同时该量与水资源的需求关系及相应的水资源配置、流域的生产力发展水平、节水技术、社会消费水平及消费结构等因素有关，由于这些因素的变化影响了回水量和回水水质，使可供使用的水资源量发生变化［14］。一方面，看到咸阳市水资源承载力安全系数呈现增加态势，这要得益于各级政府在决策时的环境生态保护意识增强，加大了区域内环境保护和污染治理的力度。另一方面，咸阳市水资源开发利用率在0.68，增长率为8%，这是一个不科学的水平和态势，过度开发会影响可持续发展，渭河水质个别指标连续多年超标，这直接影响可供使用的水资源。

4　结论

选用5类10个指标组成水资源评价指标体系，采用层次分析、聚类和模糊矩阵方法建立了咸阳市水资源承载力评价模型。而且所建立的水资源承载评价模型的单个指标与评价结果基本一致，所使用的研究方法能够较好的计算与估计该区水资源承载力状况，评价结果显示2011年咸阳市水资源承载力不安全系数占35.5%；较不安全系数占36.1%；安全系数仅占14.3%。本文研究的背景西咸一体化，聚类中心指标采用的是全国31个省会城市的指标，这对西咸一体化开始建设的咸阳要求较高。通过文中对评价结果和咸阳市水资源现状的分析，可以得到一些指导现实和制定未来发展规划的有益启示和参考：

（1）人均GDP的增加，对水资源承载力评价结果贡献明显。在西咸一体化背景下，首先对原来辖区的传统农业以及传统产业如石油化工、纺织印染和能源等工业的耗水工艺流程通过技术创新进行升级改造，使其变成高产值低能耗和低水耗产业。其次，在泾渭工业园区、沣渭新区和空港产业园区的建设过程中，要求进入园区的企业必须是高科技、低能耗和低水耗企业，这样不仅增加GDP，而且可以推动咸阳的现有传统产业进行升级换代。

（2）引进外来水源。从我们的评价结果和单位水量人口承载模数以及水资源开发利用率指标看，咸阳市水资源相对匮乏。在西咸一体化建设规划中，到2020年用水量预测：人均综合用水指标取450 L/人·日，总用水量345.99万m3/日，年需水量12.5 亿m3。为了实现这一目标，规划了重点水源工程建设：在现有水源工程挖潜改造基础上，实施引红济石、引乾济石、引汉济渭等区域外调水工程，同时完善黑河金盆水库及石头河水库配套工程与引石过渭工程，以3个水库作为西安市、咸阳市主供水源之一，这样才能实现区域生态体系规划，进而能解决咸阳市水资源相对匮乏的问题。

（3）监控制度及实施。河道水质在本文评价体系中占较大的权重，咸阳市水资源评价结果与区域内渭河水质关系重大。2009年，陕西省颁布了《渭河治理行动方案》，2010年对沿渭河干流城市咸阳、西安和宝鸡开出380万元的生态罚单，2011年生态罚款899万元，2012年生态罚款1.32亿元。这些生态罚单，有效地促进了渭河的治理，渭河水质明显改善，COD含量优于国家I、Ⅱ类地表水标准。但是氨氮指标和溶解氧的指标超标，最根本的原因是水体氨氮含量过大，它不仅直接使氨氮指标超标，而且由于水体中氨氮发生的生化反应会直接或间接地大量消耗水体的氧，对水体溶解氧的指标影响较大。为了使渭河水变清，必须加大城镇生活污水处理力度，加强对农业施肥和农药使用的科学指导［15］，进一步提升污水处理企业技术改造并加强对排放污水氨氮指标的监控。

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Research on Water Resources Carrying Capacity of Xianyang City Based onAnalytic Hierarchy and Clustering

WANG Yanli，ZHAO Minning
（School of Resources，Environment and Historical Culture，Xianyang Normal University，Xianyang 712000，Shaanxi，China）

In order to evaluate the impact of water development on Xianyang City，ten indexes，which were selected based on the analysis of relevant indicators including economic indicator，water use index，bearing capacity index of water and land resources to population，water supply and demand index and water quality indicators，were used to set up the comprehensive evaluation model of Water Resources Bearing Capacity（WRBC）using Cluster Analysis，Analytic Hierarchy Process（AHP）and Fuzzy Matrix.The result shows that the safety factor of the WRBC was only about 0.3，which increases with economic indicator.Against the background of Xian-Xianyang integration，the safety factor of the WRBC will be increased by developing economic and constructing water fountain projects and prevent water pollution.

Xianyang City；hierarchy；clustering；water resources carrying capacity

P333

A

1672-2914（2016）04-0066-05

2016-04-02

国家自然科学基金项目（11075135）；陕西省历史地理重点扶持学科项目（10722，6103）。

王彦丽（1963—），女，河北保定市人，咸阳师范学院资源环境与历史文化学院教授，研究方向为资源环境与可持续发展。