基于WSR方法论和熵值-耦合协调度的水资源承载力综合评价----以河北省水资源承载力研究为例

王大本，冯石岗

(河北工业大学经济管理学院，天津 300401)

“十九大”报告指出：建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计。水资源的环境保护事关人民群众切身利益，事关全面建成小康社会，事关实现中华民族伟大复兴中国梦。当前，对水资源承载力(water resource carrying capacity)研究已成为可持续发展和水资源安全战略研究中的基础性课题之一，并已成为当前水资源科学中研究的重点和热点[1]，特别是对于水资源匮乏但需求量较大的河北省来说，加强对本地区水资源承载力水平的综合研究，对于进一步做好本地区水资源科学利用与经济社会发展之间的协调程度都具有十分重要的理论和现实意义。

1　水资源承载力相关研究概述

水资源承载力属于复杂的系统工程，对其概念研究主要有3个方向：从“水资源的最大支撑能力”角度研究。例如：施雅风等(1992年)[2]认为：水资源承载力是指某一地区的水资源，在一定社会历史和科学技术发展阶段，在不破坏社会和生态系统时，最大可承载的农业、工业、城市规模和人口的能力；Harris J M等(1999年)[3]将农业生产区域水资源农业承载力作为区域发展潜力的一项衡量标准。从“水资源的最大开发容量”角度研究。例如：许有鹏(1993年)[4]认为：水资源承载力是指在一定的技术经济水平和社会生产条件下，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。阮本青等(1998年)[5]认为水资源承载力是在保证正常的社会文化准则的物质生活水平下，一定区域自身水资源量用直接或间接方式表现的资源所能持续供养的人口数量。从“水资源对经济社会发展最大支撑规模”角度研究。例如：刘佳骏等(2011年)[6]认为区域水资源承载力是指：一定区域上的水资源可支撑的社会、经济、生态环境协调发展的规模。左其亭(2017年)[7]认为水资源承载力是指，一定区域、一定时段，维系生态系统良性循环，水资源系统支撑经济社会发展的最大规模。

对水资源承载力的定量计算，主要有：常规趋势法，例如：高彦春等(1997年)[8]利用阈限分析和模糊综合评判模型对汉中盆地平坝区水资源开发和利用情况进行了分析；Falkenmark等(2010年)[9]运用简单的数学计算对全球或一些发展中国家的水资源的使用限度进行了研究；综合评价法，例如：卜楠楠等(2012年)[10]运用AHP法和模糊判断法对浙江省水资源承载力进行评价；施开放等(2013年)[11]基于熵权法和可拓模型法，对重庆三峡库区水土资源承载力进行评价；邢军等(2014)[12]运用因子分析法和模糊综合评判方法对水资源承载力进行评价；系统分析法，例如：王西琴(2014年)[13]运用系统动力学研究方法对常州市水生态承载力进行模拟优化；孙亚飞等(2015年)[14]运用层次分析法对辽河干流水环境承载力情况进行评价；杨琳琳等(2016年)[16]基于BP神经网络模型对新疆水资源承载力情景进行分析。综上，依据“水资源最大支撑能力”或“水资源最大开发容量”概念描述水资源承载力比较直观，但不能反映可支撑的社会经济的规模以及满足生态环境的良性发展程度，“最大支撑规模”能够体现水资源与经济社会发展的关系。虽然常规趋势法方法简单、便于操作，但只是从水资源的供需角度进行分析，忽视了水资源与经济、社会等系统的关系；综合评价法能够从经济、社会、水资源等角度选取指标体系，并运用丰富的数学模型进行定量研究，但指标选取过程系统性不足；系统分析法能够较为全面的分析水资源与经济社会发展的相互关系，但参数变量较难掌握，不利于推广和应用。

水资源承载力需要立足于“最大支撑规模”这一概念构建评价体系；对其进行数理模型的科学分析和评价，要便于理解、操作简单、易于推广。为此，本文基于系统论的WSR方法论，运用熵值法和耦合协调度，建立起“WSR—熵值—耦合协调度”水资源承载力的研究方法，并应用于河北省水资源承载力评价具体实例，通过对结果的分析，为解决区域水资源规划和科学管理提供决策依据。

2　基于WSR方法论的水资源承载力综合评价指标体系

2.1　水资源承载力综合评价的WSR理论模型

从“最大支撑规模”角度研究水资源承载力体现着“生态、技术和社会经济”[16]三个主要内涵。生态内涵指水资源综合效用具有生态极限，相对于水资源开发利用量超过可更新水资源量、水资源生态多样性等要素，水资源污染物状况与人类的活动密切相关，是影响水资源生态内涵的核心要素。技术内涵是指水资源承载力问题的解决与水平的提高有赖于科学技术和管理水平。社会经济内涵是指特定时期与区域的社会经济系统超过了水资源的最大利用量及废物最大排放量。

而这3个内涵正好与WSR方法论中的“物理”、“事理”、“人理”3个方面相对应。WSR方法论中的“物理”、“事理”思想作为系统工程学中的名词，最早由钱学森、徐国志和李耀滋在20世纪70年代不断总结提炼而成，20世纪80年代由顾基发和朱志昌共同发展为“物理—事理—人理”系统方法论思想。其中“生态内涵”与“W物理层面”相对应，并将污染物作为体现“生态内涵”的“W物理层面”子系统；“技术内涵”与“S事理层面”相对应，并将技术管理作为体现“技术内涵”的“S事理层面”子系统；“社会经济内涵”与“R人理层面”相对应，并将“使用消费”作为体现“社会经济内涵”的“R人理层面”子系统，如图1。

图1　水资源承载力WSR框架模型Fig.1 The WSR framework of water resource carrying capacity

2.2　水资源承载力综合评价指标体系构建

以WSR框架模型为理论基础，按照系统性、代表性、可量化等原则，以计算数据为基础，选取了26个指标构建了区域水资源承载力综合评价指标体系，如表1所示。

3　通过熵值耦合法对水资源承载力进行综合评价

3.1　通过熵值法对指标体系进行综合评价

熵值法是利用指定指标的信息熵值来判断该指标的有效性和价值。设有m个待评价年度，n项评价指标，形成原始指标数据矩阵X=(Xij)m×n，对于某项指标Xj，指标值Xij的差距越大，信息熵就越大，则该指标在综合评价中权重越大，所起的作用越大；如果某项指标的指标值全部相等，则该指标在综合评价中不起作用[17]，具体计算步骤如下：

(1)指标非负数化处理。对于越大越好的指标(正指标)：

(1)

(2)指标非负数化处理。对于越小越好的指标(负指标)：

(2)

为了方便起见，仍记非负化处理后的数据为Xij。

(3)计算第j项指标下第i个方案占该指标的比重：

(3)

(4)计算第j项指标的熵值：

其中k>0，ej≥0，常数k与样本数m有关，一般令k=1/lnm，0≤e≤1。

(5)计算第j项指标的差异系数。对于第j项指标，指标值Xij的差异越大，对方案评价的作用越大，熵值就越小：

gj=1-ej

则：gj越大指标越重要。

(6)求权重：

(6)

(7)计算各方案的综合得分：

(7)

3.2　系统耦合

耦合度(Coupling degree)是用来描述系统或系统内部要素之间相互作用、彼此影响的程度；耦合协调度(Coupling co-ordinative degree)是度量系统或系统内部要素之间在发展过程中彼此和谐一致的程度，体现了系统由无序走向有序的趋势[18]。耦合度虽然能够说明要素之间的关系强弱，但不表明关系强弱是好是坏，为此，本文可以根据耦合协调度模型研究水资源承载力系统内的“污染物”、“技术管理”、“使用消费”3个子系统的耦合协调度水平，以评价各子系统的循环状况，计算步骤如下。

(1)计算各子系统综合效益。根据廖重斌[19]、刘定惠[20]等、张玉萍[21]等的相关研究，结合本文的研究实际，以及耦合协调度模型，推演出水资源承载力的3个子系统的综合评价函数分别见公式(8)～(10)：

(8)

(9)

(10)

(2)计算3个系统的耦合度。根据刘耀彬等[22]，杨忍等[23]，文先明等[24]已有研究推演出3个子系统相互作用耦合度，见公式(11)～(12)。式中，C表示系统的耦合度，范围是0≤C≤1，C越接近1，表示各子系统耦合度越大。

(11)

(12)

(3)计算耦合协调度。通过3个子系统的权重和效益，计算出整体系统的综合评价指数T，然后再借助系统的耦合度C，计算出三个系统的耦合协调度D，见公式(13)，其中，α、β、θ分别为各子系统的权重。

(13)

借鉴已有研究成果，确定的耦合协调度等级分类标准，见表2。

表2　耦合协调度等级分类标准Tab.2 The standard of classification of coupling co-ordinative degree

4　河北省水资源承载力综合评价

4.1　研究区域概况

河北省多年平均 (1956-2000年)降水量531.7 mm，多年平均水资源总量204.69 亿m3，为全国水资源总量28 412 亿m3的0.72%。由于本身水资源贫乏，再加上不合理的污染、过度开发和低效率利用，使得水资源成为影响该地区可持续发展的制约因素。因此，有必要在对该地区水资源承载力进行科学评价的基础上，对其进行科学管理和规划。

4.2　数据来源及完善

研究数据来自于2006-2015年《中国统计年鉴》、《中国环境统计年鉴》、《中国水利统计年鉴》、《河北省经济年鉴》等，另外，本文借助SPSS23.0统计软件对个别缺失数据进行补充完善。

4.3　计算结果

首先，计算指标体系的权重和各年份的综合得分。将数据代入公式(1)、(2)，进行非负化处理后，将数据代入公式(3)～(6)计算出各指标的“熵值(Ej)”和“权重”，见表1。在此基础上，结合数据和权重代入公式(7)，计算出各年份水资源承载力“综合指数(K)”，见表3。

其次，对系统进行耦合计算。将数据和各子系统内权重代入公式(8)～(10)，计算各子系统的综合效益：“水资源污染物”f(x)、“水资源技术管理”g(y)、“水资源使用消费”h(z)，然后将结果代入公式(11)～(12)，计算3个子系统之间的耦合度(C)和耦合协调发展水平评价指数(T)，然后再将结果代入公式(13)，计算3个子系统之间的耦合协调度(D)，并根据耦合协调度等级分类标准确定每年河北省水资源承载力所处的协调发展类型，见表3。

表3　河北省水资源承载力综合指数各子系统间耦合度和耦合协调度Tab.3 The comprehensive index coupling degree and coupling co-ordinative degreeamong subsystems of water resource carrying capacity in Hebei

4.4　结果分析

(1)河北省水资源承载力主要影响因素分析。在“水资源污染物”子系统中，指标：“X6：铅排放总量占废水排放总量比(%)”(权重：0.052)权重最高。当前铅污染是高耗能、高热量工业的典型代表，铅排放指标的权重最高，说明了当前河北省的高污染、高耗能的工业结构是影响水资源自然生态承载力的重要影响因素。在对“水资源技术管理”子系统的分析中，指标“X9：工业废水治理设施日均处理能力(万t/d)”(权重：0.041)权重最大，一方面，反映了该地区提高科技治污水平的重要意义；另一方面，反映了科技治污水平是制约本地区水资源承载力技术管理内涵的重要因素。在对“水资源使用消费”子系统的分析中，排在前三位的指标分别是：“X18：万元工业增加值用水量(m3/万元)(权重：0.055)”；“X19：万元工业增加值废水排放量(万t/万元)(权重：0.052)”；“X17：万元GDP用水量(m3/万元)(权重：0.051)”。可见，相比较社会效益、生态效益，带来巨大经济效益的工业发展在河北省经济社会发展过程中所占的比重依然较大。

(2)2006-2015年河北省水资源承载力发展状况。10年中，河北省水资源承载力整体上呈上升趋势，如图2，包括：2006-2008年的迅速提高阶段，2008年达到顶峰的0.535。这期间，河北省实施了两次“引黄补淀”工程、配合全国开展了“水土保持监督执法专项行动”，配合“北京2008年奥运会”的顺利召开，加强了环境保护和治理，都使得这期间区域内水资源承载力迅速上升；2008-2010年发展趋缓阶段。由于传统的产业结构，对水资源的高消耗、高污染，都使得这个阶段水资源承载力整体上增长趋缓，2010年比2008年降低了0.006；2010-2011年快速发展阶段。这期间河北省深入贯彻落实《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》，有效地提高了区域内水资源承载力；2011-2014年稳步上升阶段，2014年达到最高值0.756。这一时期，河北省全面贯彻党的“十八大”提出的“五位一体”的总体布局，调结构、化产能，水资源承载力稳步上升。但是，随着调结构，化产能进入到攻坚阶段，水资源承载力处于新的调整时期，致使2015年比2014年下降了0.022。

图2　2006-2015年河北省水资源承载力综合指数Fig.2 2006-2015 years Hebei comprehensive index of water resources carrying capacity

(3)2006-2015年河北省水资源承载力3个子系统各自发展状况分析。10年中，河北省水资源承载力3个子系统各自发展指数整体上均呈上升趋势，如图3。其中：“污染物”子系统，除了2006-2007年和2009 -2010年呈下降趋势外，其他年份均呈上升趋势。“技术管理”子系统整体上呈现上升趋势，但由于受到污染物排放和经济社会发展水平的制约，技术管理水平曲线波动较大。“使用消费”子系统整体上呈现上升趋势，随着一系列改革举措的实施，以及水资源消费观念的转变，都在很大程度上影响了全社会对水资源的消费态度和行为。

图3　2006-2015年河北省水资源承载力3个子系统综合效益Fig.3 2006-2015 years Hebei water resources carrying capacity three subsystems comprehensive benefit

(4)2006-2015年河北省水资源承载力系统耦合协调度发展状况分析。10年间，河北省水资源承载力系统耦合协调度水平总体上呈上升趋势，如图4，并且由2006-2007年的勉强协调阶段，发展到2008-2010年的中级协调阶段，再到2011-2015年的良好协调阶段。随着河北省实施的一系列保护环境政策法规，注重经济发展方式的转变，加强水资源综合利用等措施，都使得水资源自我更新能力、科学治污水平、有效利用能力三者相互协调，存在着良性互动。但值得注意的是：2008-2010年期间，协调度水平出现了回落，2010年“污染物”和“技术管理”2个子系统也分别回落到各自的最低点，可见，这一阶段的污染型产业结构，以及较低的科技治污能力都影响了河北省水资源承载力的整体水平。

图4　2006-2015年河北省水资源承载力系统耦合协调度指数Fig.4 2006-2015 years Hebei coupling co-ordinative degree of water resources carrying capacity

5　结　语

河北省水资源承载力无论是综合发展水平，还是系统整体的协调程度都呈现了良好的发展态势，为继续保持这一发展态势，还应着力做好以下几方面工作。

(1)提高工业用水效率，促进产业结构转型升级。通过研究发现，产业结构不合理、水资源利用率不高仍是影响河北省水资源承载力的重要因素。为此，河北省应按照化解过剩产能的总体部署，积极引导省内钢铁、化工、煤炭等高耗水行业的产业结构调整，鼓励企业积极研发、引进先进的节水技术，提高工业用水率。

(2)加强农业节水灌溉，加快农业现代化进程。河北省是农业大省，需水量大，应该进一步加快省内农业区节水灌溉工程建设和技术推广，特别是在水资源短缺、经济作物种植和农业规模化经营地区，积极推广喷管、滴灌、微灌等高效节水灌溉技术，同时，积极推进农村污水处理统一规划、统一建设、统一管理。

(3)大力推进节水型城市建设，提高生活用水效率。相比较农业用水量、工业用水量、生态用水量来说，河北省生活用水量所占权重最大，达到0.049。可见，当前河北省生活用水状况对区域水资源承载力形成了较大的压力。河北省应全面贯彻节水型城市建设方案，健全城市节水法规制度体系，加大力度推广应用节水型设备和器具，实施阶梯水价，严控水资源浪费。

(4)加强制度建设，坚持政府引导。建立健全水资源保护的体制机制是在现有科技水平的条件下，提高水资源承载力“技术管理内涵”的重要手段。河北省应当切实做好“工业生活取用水量核定”、“农业用水限额及水量核定”以及“农业用水以电折水计量”等工作，加强对水资源消费的科学管理。

(5)注重市场调节，促发节水内生动力。河北省应当充分运用市场调节手段，积极做好“水资源税改革试点工作”，对特种行业、超计划用水以及在地下水超采地区取用地下水，从高制定税额标准，通过完善相关财税政策、鼓励金融机构提供优先信贷服务等方式，引导社会资本参与投资节水服务产业。

(6)加大宣传力度，提升公众节水意识。水资源承载力问题归根结底是人们在使用水资源的过程中产生的，人们使用消费水资源的观念和行为更加科学规范，是解决水资源承载力最根本的办法。因此，河北省应当充分利用各种资源大力开展节水宣传，鼓励和引导公众自觉参与爱水、节水、 护水行动，形成有利于节约用水的生活方式。

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