基于熵权的模糊综合评价模型的广西水资源承载力空间分异研究

戴明宏, 王腊春, 魏兴萍

(1.南京大学 地理与海洋科学学院, 南京 210023; 2.重庆师范大学 地理与旅游学院GIS应用研究重庆市重点实验室，重庆 400047)



基于熵权的模糊综合评价模型的广西水资源承载力空间分异研究

戴明宏1, 王腊春1, 魏兴萍2

(1.南京大学 地理与海洋科学学院, 南京 210023; 2.重庆师范大学 地理与旅游学院GIS应用研究重庆市重点实验室，重庆 400047)

水资源承载力评价是水资源安全管理的基础。以喀斯特典型省份广西壮族自治区为研究对象，选取评价指标并用熵权法赋权，构建模糊综合评价模型，对2013年广西各地市水资源承载力进行综合评价分析。评价结果显示：2013年广西水资源承载力状况总体较好，其中桂林市、柳州市处于理想可承载状态，贵港市处于不可承载状态，其他地市均处于可承载状态。从各子系统来看，供需子系统总体状况较好，防城港市的供需子系统评价指数最高，南宁市和贵港市的评价指数最低；生态环境子系统评价指数普遍较低，桂林市的评价指数最高；社会经济子系统方面，柳州市、桂林市和防城港市评价指数最高，而贵港市的评价指数最低。评价结果对广西及各地市水资源规划和水资源可持续开发利用具有一定的借鉴和参考价值。

水资源承载力; 模糊综合评价模型; 熵权法; 空间分异

水资源是基础性自然资源和战略性经济资源，水资源承载力是水资源安全的重要度量[1-2]，也是水资源管理的基础。随着经济的快速发展和城乡居民生活水平的大幅提高，水资源短缺形势日益严峻，水资源已成为制约区域环境与社会经济可持续发展的重要障碍因素。因此，实现区域的可持续发展，在很大程度上取决于对水资源的可持续开发利用，其关键就是保护水资源开发利用不超过其最大承载能力，提高水资源的再生能力。

水资源承载力是指在一定的社会经济条件下，水资源可最大供给工农业生产、人民生活和生态环境保护等用水的能力[3-5]。相对于国外，国内水资源承载力研究开展较晚，但相关研究发展迅速。国内学者从水资源承载力的概念和内涵出发，针对不同区域的水资源特点进行水资源承载力评价，研究区域主要集中于西北干旱区、华北缺水区、西南喀斯特地区、城市等[6-9]，评价方法由过去单一、静态的评价分析发展为综合、动态的评价模型，如模糊综合评价模型、系统动力学方法、物元模型和数据包络分析等[10-12]。水资源承载力评价涉及资源、环境、社会经济等多方面因素，文章选取喀斯特典型省份广西壮族自治区为研究对象，从水资源供需、社会经济和生态环境3个子系统中选取评价指标，并用熵权法赋权，构建水资源承载力模糊综合评价模型，对2013年广西各地市水资源承载力进行综合评价分析，以期为广西各地市水资源合理开发利用和可持续发展提供决策依据。

1　研究区概况

广西地处中国西南沿海，位于104°26′—112°04′E，20°54′—26°24′N，由南宁市、柳州市、桂林市等14个地级市组成，面积23.7万km2。喀斯特地貌广布，占全省总面积的37.8%。强烈的岩溶作用形成了独特的水文地质环境，溶蚀裂隙、管道发育，地表水和地下水转化迅速，地表水极易渗漏进入地下，造成地表水资源匮乏，工程性缺水问题突出，而在现有技术条件下喀斯特地区地下水资源开发利用难度大，成本高，利用程度有限。全区属亚热带季风气候区，水系发达，雨量丰沛，2013年全省水资源总量为2 057亿m3，人均水资源量为3 894 m3/人，高于全国平均水平。然而经济增长迅速，2013年经济增长10.2%，随着经济的迅速发展、城镇化进程的加快和居民生活水平的大幅提高，水资源需求量急剧增加，2013年全省用水量较上年增加了3.7亿m3，导致水资源、水环境压力迅速增加，水资源短缺和水污染问题日益突出。其中，省会南宁2013年人均水资源量仅为2 203 m3/人，远低于全省值3 794 m3/人；全省24个水源地水质监测显示水质达标率为87.5%，水资源安全受到一定程度威胁。此外，水资源利用效率较低，水资源浪费问题仍然突出，全省万元GDP用水量为248 m3，大大高于全国平均水平(109 m3)。

2　研究方法

2.1研究方法及数据来源

B=A∘R

(1)

(2)

熵权法是根据数据的离散程度确定权重的一种方法，能够避免主观人为的干扰。由于不同评价指标对水资源承载力的影响不同，在评价过程中，某项指标的变异程度越大，对水资源承载力的影响越大。因此，为了使评价结果更加客观、真实，本文采用熵权法确定指标权重，权重矩阵为A=(a1,a2,…,ai)。

主要数据来源于《2013年广西壮族自治区水资源公报》、《2013年广西壮族自治区环境状况公报》和《2014年广西壮族自治区统计年鉴》。

2.2评价指标体系构建

作为喀斯特典型省份，独特的地表—地下“二元水文结构”导致工程性缺水问题突出，生态环境脆弱，加之近年来广西社会经济的快速发展和居民生活水平的大幅提高，势必对水资源带来巨大压力。为能够全面真实地反映广西水资源承载力的空间分异和喀斯特生态环境的特殊性，选取指标时综合考虑了研究对象的水资源供需状况、生态环境质量和社会经济发展状况，将水资源承载力系统分为水资源供需、生态环境和社会经济3个子系统，共选取16个评价指标，构建广西水资源承载力评价指标体系(表1)，并用熵权法计算出各指标及其子系统的权重，具体计算步骤如下：

首先，对各评价指标进行非负化处理。设第i时段子系统中第j个影响因子的值为Xij(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)。为避免求熵值时对数的无意义，进行以下处理：

(3)

其次，计算第i时段第j个影响因子占所有时段该因子和的比重(Pij)：

(4)

第三，求子系统中各指标的权重(wj)：

(5)

表1　2013年广西各地区水资源承载力评价指标体系及其权重

注：人口数量为公安户籍数。

2.3评价模型及计算

水资源承载力评价指数的具体计算过程如下：

(1) 评判矩阵R的计算。评判矩阵R中rij可通过评价因素的实际数值对照各因素的分级指标(表2)来计算。为了消除各等级之间数值差别不大而等级相差一级的跳跃现象，对隶属函数进行模糊化处理[18]。对于v2级即中间区间，令其落在区间中点的隶属度为1，两侧边缘点的隶属度为0.5，中间点向两侧线性递减处理。对于v1和v3两侧区间，则令距临界值越远，属于两侧等级的隶属度越大，在临界值上属于两侧等级的隶属度各为0.5，按上述设想构造各评价等级隶属函数的计算式。v1和v2级的临界值为k1，v2和v3的临界值为k3，v2等级区间中点为k2，k2=(k1+k3)/2。对于u3,u6,u13,u14,u15,u16负向指标，各评语等级相对隶属度函数(μ)计算公式为：

(6)

(7)

(8)

对于u1,u2,u4,u5,u7,u8,u9,u10,u11,u12正向指标，各评语等级相对隶属度函数的计算公式只需将公式(6)—(8)右端ui区间号“≤”改为“≥”，将“<”改为“>”计算。

表22013年广西各地区水资源承载力综合评价因素的分级指标

目标层准则层因素层分级标准v1v2v3水资源承载力综合评价指标体系供需指标u1u2u3u4u5u6人均水资源量/(m3/人)径流系数水资源开发利用率/%地下水资源比例/%人均供水量/(m3/人)万元GDP用水量/m3>6000>0.6<15>30>600<2006000～30000.6～0.415～2530～20600～400200～300<3000<0.4>25<20<400>300生态环境指标u7u8u9u10森林覆盖率/%生态环境用水率/%水源达标率/%污水处理率/%>60>2>80>9060～402～180～5090～70<40<1<50<70社会经济指标u11u12u13u14u15u16人均GDP/(元/人)城镇化率/%农田灌溉用水率/%居民生活用水率/%工业用水率/%人口密度/(人·km-2)>50000>30<50<5<10<20050000～2000030～2050～605～910～20200～400<20000<20>60>9>20>400评分值αj0.950.500.05

(9)

式中：vj——各评价等级；αj——各评价等级的赋值。

(3) 计算水资源承载力综合评价指数。对上一步计算得到的各子系统评价指数进行综合评价，按公式(9)进行加权平均，计算出水资源承载力的综合评价指数L。水资源承载力综合评价指数是衡量水资源承载程度的综合性指标，评价指数越高，水资源承载力的状况越好。

根据相关研究成果[5]，并结合广西各地市自然生态环境及社会经济发展状况，确定综合评价指数分级标准(表3)，将水资源承载力划分为3种类型：不可承载、可承载、理想可承载。

表3水资源承载力评价指数分级标准

L状态状态含义描述[0～0.4]不可承载水资源供需矛盾突出,水资源供给无法满足生产生活的需要[0.4～0.6]可承载水资源供需矛盾缓解,水污染得到治理,区域节水措施较完善,能满足生产和居民生活需要[0.6～1.0]理想可承载水资源成为该区域发展的优势资源,并与生态、经济、社会协调发展

3　评价结果

总体上看，2013年广西水资源承载力状况较好，除贵港市外，其余13个地市都处于可承载或理想可承载状态，但各地市由于在水资源供需状况、生态环境和社会经济发展方面存在较大差异，其水资源承载能力具有明显的空间分异性(图1—2)。其中，桂林市的水资源承载力综合评价指数最高(L=0.73)，其次为柳州市(L=0.61)，两市的水资源承载力均处于理想可承载状态；而贵港市2013年水资源承载力综合评价指数为全省最低(L=0.36)，处于不可承载状态。

从各子系统的评价指数来看，也出现了一定的空间分异性(图1)。供需子系统的评价结果显示，防城港市的供需子系统评价指数最高，为0.75；贵港市的指数最低，为0.29。在生态环境子系统评价结果中，桂林市生态环境子系统评价指数最高，为0.82；其他13个地市的评价指数均低于0.6，其中钦州市的生态环境子系统评价指数最低，仅为0.36。社会经济子系统评价方面，全省的社会经济子系统评价指数总体较低，其中贵港市和玉林市的评价指数最低，均低于0.3，柳州市的评价指数最高，为0.61。

图12013年广西各地区水资源承载力综合评价指数及各子系统评价指数

图22013年广西各地市水资源承载力类型分区

从全省各地市水资源承载力评价指数分级标准来看，贵港市的水资源承载力综合评价指数全省最低(0.36)，属不可承载区。桂林市和柳州市的水资源承载力综合评价指数分别为0.73，0.61，属于理想可承载区。南宁市、梧州市、北海市、防城港市、钦州市、玉林市、百色市、贺州市、河池市、来宾市和崇左市属于可承载区(L∈[0.4～0.6])。

4　讨论与结论

4.1讨 论

4.1.1供需子系统空间分异分析2013年广西供需子系统总体状况较好(图1)。广西位于珠江水系中上游地区，河网密布，水系发达，内有红水河、柳江、桂江等河流。2013年为平水年，水资源总量较为丰富，全省降水量为1 696 mm，水资源总量为2 057亿m3，人均水资源量为3 894 m3/人，高于全国同期平均值2 055 m3/人。

从供需子系统的空间分异来看，南宁市和贵港市的供需子系统评价指数分别为0.41，0.29，其他地市供需子系统评价指数均高于0.45，防城港市的评价指数最高，为0.75。南宁市水资源总量丰富，然而作为广西的省会城市，经济发展迅速，经济发展的“集聚效应”导致人口聚集，人口总量位居全省首位，导致人均水资源量和人均供水量均低于全省平均值，水资源供需矛盾突出。贵港市人口增长迅速，2013年全市人口自然增长率为8.25‰，比全省平均水平高0.32‰，人均水资源量和人均供水量均低于全省平均值，人口的迅速增长导致水足迹迅速增加，给水资源带来巨大压力；另一方面，贵港市经济发展迅速，经济增长率高达8.2%，而万元GDP用水量较高(422 m3)，低效的水资源利用更加重了水资源短缺问题。防城港市的供需子系统评价指数最高，由于濒临海洋，受西南季风气候影响更明显，降水量最多，为2 913 mm，径流系数高达0.65，由于人口数量为全省最低，人均水资源量高达12 681 m3/人，高于全省平均水平4 998 m3/人。

4.1.2生态环境子系统空间分异分析整体上，广西各地市生态环境子系统评价指数较低。作为典型喀斯特省份，喀斯特土地面积比重为35.1%，2013年全省石漠化和潜在石漠化土地面积占国土总面积的17.7%。而喀斯特地区基岩裸露，植被嗜钙石生，生态环境脆弱性强，且破坏后极难恢复，加之人类不合理活动导致水土流失严重，地表或土壤中含有污染物时也会随水流汇入河网污染地表河流或通过落水洞、溶蚀裂隙和天窗等进入地下河造成污染，且污染一旦形成很难治理[19-20]。

从生态环境子系统的空间分异来看，桂林市的评价指数最高，为0.82，其他地市评价指数均低于0.6，钦州市评价指数最低，仅为0.36。作为世界著名的旅游城市和文化名城，桂林市制定了严格的生态环境保护政策，全市生态环境保护状况较好，森林覆盖率高达70.59%，生态环境用水率为全省最高，达3%。同时由于旅游发展依赖于环境，居民的环保意识相对较高。另外，桂林市积极防治水污染，拥有城市污水处理厂4个，污水处理率为92.3%。而钦州市作为临海工业城市，工业对经济增长的贡献率高达39%，工业发展的同时不可避免的带来生态环境的破坏，如钦州市水源地水质达标率和森林覆盖率低于全省平均值，临海造纸厂等重污染企业排污极易引发海洋环境污染，威胁海洋生态安全，必须严格控制污染排放强度，提高污水处理率。

4.1.3社会经济子系统空间分异分析2013年全省社会经济子系统评价指数总体较低，且空间分异明显。除柳州市、桂林市、防城港市外，其余地市社会经济子系统评价指数均低于0.5。从全省来看，广西各地市人口密度普遍较高，2013年人口平均密度为229人/km2，远高于全国平均人口密度的142人/km2。广西经济发展水平相对较低，在全国处于中游偏下的水平，2013年人均GDP仅为26 326元/人，远低于全国平均水平41 804.72元/人。

从社会经济子系统的空间分异来看，柳州市评价指数最高，为0.61，桂林市和防城港市的评价指数分别为0.57，0.59，贵港市的评价指数仅为0.28。作为广西最大的工业城市，2013年工业总产值占全省工业总产值的21%，人均GDP为53 982元/人，城镇化率为33.7%，居全省前列；且人口增长率较低，2013年全市人口自然增长率和人口密度均低于全省平均水平，人口数量得到了较好控制。防城港是中国西部第一大港口，同时也是连接中国与东盟各国的交通枢纽，2013年货物吞吐量达1.06亿t，防城港市作为新兴的港口工业城市，人均GDP达5.6万元/人，居于全省首位，且农田灌溉用水和人口密度均低于全省平均值。贵港市的社会经济子系统评价指数最低，主要原因在于区内人口尤其是非农业人口众多，给水资源带来了巨大压力。2013年贵港市总人口超过500万，人口密度高达508人/km2，而人均GDP仅为1.38万元/人，非农业人口比重仅为12.6%。

4.1.4水资源承载力空间分异分析从图1—2可以看出，2013年全省水资源承载力状况总体较好(L∈[0.35～0.75])。广西位于珠江水系中上游，区内河流众多，水资源丰富，另有龙滩水库等39座大型水库和169座中型水库，2013年底总蓄水量达256.4亿m3，丰富的水资源为广西各地市的社会经济发展提供了充足的保障。

从水资源承载力的空间分异来看，广西水资源承载力划分为3大类型区(图2)：

(1) 理想可承载区。主要有桂林市和柳州市两个地区，该类型区内水资源较为丰富，有漓江、湘江、浔江、柳江等河流，人均水资源量高于4 500 m3/人，径流系数位居全省首位，且水资源开发利用率低，不足13%，水资源开发潜力巨大，供需子系统评价指数位于全省前列；另一方面，桂林市和柳州市经济发展水平高，非农业人口较少，城镇化率高于全省平均水平，人均GDP为全省最高，且污水处理率高达90%以上，生态环境子系统和社会经济子系统评价指数均为全省最高。因此，该区内水资源承载能力较大，属理想可承载区。

(2) 不可承载区。主要包括贵港市，该类型区内人口众多，人均水资源量仅为2 393 m3/人，而农业、工业和城市居民用水多，水资源开发利用率高达31%，属于不可持续的水资源利用模式，一旦发生极端干旱，很可能导致严重的缺水问题。加之经济发展落后、城镇化率低，仅为12.6%，供需子系统和社会经济子系统评价指数为全省最低，水资源承载能力不足，难以为社会经济发展提供充足保障。

(3) 可承载区。这类地区包括南宁市、梧州市、北海市、防城港市、钦州市、玉林市、百色市、贺州市、河池市、来宾市和崇左市，该类型区内水资源总量较丰富，人均水资源量为4 985 m3/人，能够为社会经济发展提供基础保障。但是，各地市经济发展和人口增长迅速，工农业用水和居民生活用水量逐年增加，2013年平均水资源开发利用率高达23%，远高于桂林市和柳州市，水资源支撑社会经济发展的潜力空间有限。但随着科技的发展和节水能力的提高，水资源的承载空间将进一步扩展。

4.2结 论

(1) 2013年广西壮族自治区水资源承载力状况总体较好，其中桂林市、柳州市处于理想可承载状态，贵港市处于不可承载状态，其他地市均处于可承载状态。

(2) 从各子系统来看，供需子系统总体状况较好，防城港市的供需子系统评价指数最高，南宁市和贵港市的评价指数最低；生态环境子系统评价指数普遍较低，桂林市的评价指数最高；社会经济子系统评价指数总体较低，柳州市、桂林市和防城港市的社会经济子系统评价指数最高，贵港市的评价指数最低。

(3) 评价结果对各地市水资源规划和水资源可持续开发利用具有一定的借鉴和参考价值，未来广西应合理控制人口，提高节水意识，加强污水处理及废水回用，以提高水资源承载能力，实现水资源的高效、可持续利用。

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Spatial Difference of Water Resource Carrying Capacity of Guangxi Using Fussy Comprehensive Evaluation Model Based on Entropy Weight Method

DAI Minghong1, WANG Lachun1, WEI Xingping2

(1.SchoolofGeographicandOceanographicSciences,NanjingUniversity,Nanjing210093,China; 2.KeyLaboratoryofGISApplication,CollegeofGeographyandTourism,ChongqingNormalUniversity,Chongqing400047,China)

Water resource carrying capacity evaluation is the basis of water security management. Selecting Guangxi Province, a typical karst region as the study area, we selected the evaluation indices from three sub-systems: water resource, socio-economic and ecological environment. The fuzzy comprehensive evaluation model of water resource carrying capacity was constructed to evaluate water resource carrying capacity of Guangxi in 2013 using entropy weight method. It was shown that the overall water resource carrying capacity in Guangxi in 2013 was in good condition. The water resource carrying capacity of Guilin City and Liuzhou City are in an ideal state. The water resource carrying capacity of Guigang City is in a non-carrying state. Other cities are in a carrying state. Seeing each subsystem, the overall water resource subsystem is in good condition, among which the highest index of water resource subsystem evaluation is found in Fangchenggang City, and the lowest one is observed in Nanning City and Guigang City. The ecological subsystem evaluation index is generally low, among which the highest index is found in Guilin City. The highest index of socio-economic subsystem evaluation is observed in Liuzhou City, Guilin City and Fangchenggang City, while the lowest is observed in Guigang City. The evaluation results of this method can help water resource planning and sustainable development and utilization in Guangxi and other regions.

water resource carrying capacity; fussy comprehensive evaluation model; entropy eight method; spatial difference

2015-03-18

2015-03-30

国家自然科学基金“喀斯特地区人类活动主导下的生态环境变化与流域水文循环响应耦合机理研究”(41371045);“岩溶槽谷区水土流失特征及机理研究”(41202135)

戴明宏(1989—),女,山东莱州人,硕士研究生,研究方向为岩溶地区水资源开发、区域可持续发展。E-mail:daiminghong89@126.com

王腊春(1963—),男,江苏金坛人,教授,博导,主要从事水文水资源研究。E-mail:wang6312@263.net.cn

TV213

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1005-3409(2016)01-0193-07