淳化县水资源承载力预测评价

冯湘华，宋孝玉，晁智龙

(1.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西西安710048；2.陕西省水文水资源勘测局，陕西西安710068)

当前环境下，留住“绿水青山”已是民之所愿，国之所需，明确一个区域水资源承载力能够更加恰合水资源管理制度的要求，并为之提供理论依据，以实现人与自然的和谐发展。水资源承载力概念的提出已有近30年[1]，通过其定义[2,3]可知，对水资源承载力的研究不但要着眼于当下，更重要的是要着眼于可预见的未来，不但要反映同一时间水资源承载力的状况，还要能反映不同时间水资源承载力的变化情况。目前，水资源承载力研究存在的问题在于，一方面大多是对区域水资源承载力现状的描述，没有一个较长的时间序列来反映水资源的变化过程，且缺少对未来可预见的几年或规划水平年的评价分析，其所得结果对区域发展的指导性不强；另一方面是大多集中在国家和社会经济较发达的省市层面对水资源承载力加以评价，大范围的特性变成了小范围的共性，小范围内的区域特性便难以得到体现。

其次，就水资源承载力研究方法而言，已由过去对单一评价指标做静态的分析发展为对系统整体进行多目标、动态变化的综合分析，常用的方法有主成分分析法、常规趋势法、背景分析法、层次分析法、综合评价法、系统动力学法、多目标分析法及常规趋势法等[4]。无论何种评价方法，就方法本身来说都是比较成熟的，且都有较全面的理论体系作为支撑。然而，在进行水资源承载力评价时，这些方法均显现出了一定程度的不足，造成这一现象的主要原因是水资源系统自身的复杂性、随机性和模糊性以及影响水资源承载力的因素是多方面、多层次的。所以，今后水资源承载力评价研究的方向应当是根据不同研究区特点，建立一套综合评判指标体系，通过方法的集成，在实现多种成果相结合的基础之上，得出可行的成果理论，以适应水资源承载力动态变化的特点。

本文在总结分析当前研究成果的基础上，发现模糊综合评判模型、TOPSIS模型、径向基神经网络模型三种方法皆是以建立评价指标体系为前提，完成对区域水资源承载力的评价，且能够恰合文章的主题，即完成对淳化县2007—2015、2020、2030年的水资源承载力评价，使之能够为淳化县后期发展中水资源的开发利用和生态建设提供理论依据。

1 研究区概况

1.1 基本情况简介

淳化县位于陕西省中部偏西，咸阳市北部，渭北黄土高原沟壑区南缘，地形呈北高南低状，地势由西北向东南单向倾斜，总面积983.81 km2，其区域位置如图1所示。该研究区属温带大陆性季风气候，多年平均气温10 ℃，无霜期年平均193天。多年平均年降水量589.7 mm，年平均降雨日数为54天，降雨集中在每年7月至9月，年均水面蒸发量962 mm，干旱指数介于1.5～1.9之间，北小南大，东北部最大。淳化县境内可划分为两大水系，分别为泾河水系和石川河水系，全县自产水资源总量为5 462.0万 m3，水资源可利用总量为5 113.8万 m3，其中地下水可开采量为1 016.4万 m3，地表水可利用量为4 915.1万 m3，两者间重复计算量为817.7万 m3。现阶段淳化县的大部分用水皆来源于地下水。

图1 淳化县区域位置图Fig.1 Location map of Chunhua county

1.2 地区宏观经济现状及发展目标

紧扣“一带一路”的时代背景，淳化县2015年实现地区生产总值57.38亿元，是2010年的1.8倍；规划2020年地区生产总值达到85亿元，年均增长8%。为实现这一经济发展目标，在对各典型部门用水普查的基础上，并充分考虑科学用水、节约用水情况，预测2020年淳化县需水量将达到2 871.5万 m3，2030年将达到3 505.1万m3。

1.3 水资源开发现状及发展规划

淳化县地下水资源短缺，地表水利用率低。2015年，淳化县供水设施主要有地表水源工程和地下水源工程两类，实际供水量为825.0万 m3，且此前完成了境内一系列水库的除险加固及水利工程的改造，使年可供水总量达1 698.2万 m3。规划期内将新增屯庄水库、姜家河水库、寨子沟水库等地表水源工程，外加其它水源工程的利用，并在2030年依托从泾河东庄水库调水，使得淳化县在2020、2030年的可供水量分别达到3 175.1万 m3和3 832.8万 m3，故此，淳化县在规划水平年仅能基本满足供需平衡的要求。

1.4 区域特性及存在的问题

从5个方面分析淳化县的区域特性及存在的问题：①对生态环境保护的重视程度不够，过去对生态的破坏较为严重，随着强化政府监管、调整经济结构等措施的实施，区域整体生态得到较好改善；②节水这一举措在全县范围内得到有效实施，并取得了较好成绩。但因其地处渭北黄土高原沟壑区，水资源短缺，资源性缺水问题依然是区域长足发展的重要障碍；③地表水源工程的规划建设不能满足社会经济发展对水的需求，致使地下水源与地表水源工程供水不均衡问题较为突出。因此，淳化县现阶段处于工程性缺水阶段，改造旧水源、开发新水源，特别是新建地表水源工程，已经成为淳化县经济和社会发展的必要举措；④社会经济发展落后，远远低于国家平均水平；⑤耕地面积保有量约占总面积的1/3，农业用水需求量大。

2 水资源承载力评价指标体系的构建

2.1 构建评价指标体系

水资源承载力评价指标体系是区域水资源承载力研究的核心内容，且影响区域水资源承载能力的因素涉及水资源系统的各个领域，故应在全面分析水资源承载能力的各影响因素之后，根据研究区域的特殊性构建评判指标体系。其后，严格遵循科学性、整体性、定性定量相结合的原则，考虑实际的可操作性，并借鉴已有的研究成果[2,5-7]，参照全国水资源供需分析中的指标体系和其它水资源评判指标体系，选取8个指标(u1～u8)对该地区的水资源承载力做出综合评价。各评价指标的意义及计算方法详见表1。

表1 淳化县水资源承载力指标体系及分级指标

2.2 评价指标等级划分标准

根据各评价指标对水资源承载力的影响程度划分等级，划分时主要依据已有研究成果[7-12]和政府对各项指标设定的相关标准以及全国、所处省市的一个平均水平。本次水资源承载能力综合评价将上述各个评价指标按其影响程度划分为3个等级V1,V2,V3，各评价指标对应的等级划分如表1所示。其中，V1级表示区域承载情况较好，水资源保持着较大的承载能力，其水资源开发利用程度、社会经济发展规模都较小，这时的水资源将不是制约社会经济发展的主要因素，而是谋取社会经济发展的有效保证；V3级表示区域水资源承载情况较差，水资源承载能力已达阈限，进一步的开发利用将直接影响社会经济发展的可持续性，危及生态安全；V2级表示水资源承载情况一般，表现为现有的水利工程可供水量与社会经济发展水平所需的水量之间存在一定的供需矛盾，只是问题还不突出，应结合当地可利用的水资源总量来确定其发展方向，如限制社会经济发展、加大工程规模、提高水资源的开发利用程度等，但应以保持水资源可持续开发利用为前提。

2.3 各水平年原始数据及规划值

结合淳化县社会经济条件以及自然环境状况，8个评价指标在2007—2015年的实际计算数值与2020年、2030年的规划计算数值如表2所示。数据主要来源于《咸阳市统计年鉴》(2007—2015年)、《淳化县水资源统计年报》(2007—2015年)、《淳化县水资源开发利用规划》(2015—2030年)、《淳化县国民经济和社会发展十三五规划纲要》。

表2 淳化县2007—2030年水资源承载力评价指标值

3 研究方法

3.1 熵权法

熵权法是以整体的观念去度量水资源承载力各变量所具有的不确定性，从而能够避免主观因素的影响，使指标权重更符合客观实际，进一步保证了最终评价结果的客观性[13-15]。用熵权法计算各指标权重的步骤为：

步骤一 对各个评价指标的数据进行标准化处理。其目的在于消除指标间不同单位、不同度量的影响。对指标水平矩阵X=xijm×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)进行标准化处理，得到归一化矩阵Y的元素为：

(1)

步骤二 计算第j个评价指标下第i个评价对象指标值占所有对象指标值的比重pij：

步骤三 计算各评价指标的信息熵Ej：

步骤四 计算各个评价指标的权重系数ωj：

即可求得指标权重集为A=ω1,ω2,…,ωn。

3.2 模糊综合评判模型

模糊综合评判模型能够集合多种因素对一个地区水资源承载力作出综合评价，借此能够全面地反映区域水资源承载力状况。综合评判模型[8,14,16]为：

采用模糊综合评判法评价水资源承载力的优势就在于能够将各个因素综合起来，从而更加全面地反映各等级水资源承载力情况。因此，为了定量反映各等级因素对承载力的影响程度，在0～1之间对V1、V2、V33个评判等级进行取值，分别为T1=0.95、T2=0.5、T3=0.05，然后按式(2)计算出水资源承载力综合评分值T。水资源承载力综合评分值是衡量水资源承载程度的综合性指标，评分值越高，表明水资源承载状况越好[16]。取m1=3，水资源承载力综合评分值为：

(2)

式中，k值是为了突出优势等级的作用，本文中取k=1[7]。

3.3 TOPSIS模型

该方法是系统工程有限方案多目标决策分析的一种，由Hwang和Yoon[17]首次提出，可用于效益评价、决策和管理等多个领域。其基本原理在相关文献中皆有介绍[12,15,18]，建模步骤包括：

1) 为使计算结果能够恰合指标等级的分级标准，故此将分级标准与原始数据形成新的目标决策矩阵L=lijm×n，利用式(1)对目标决策矩阵进行标准化处理，得到标准化矩阵C=cijm×n;

2) 与3.1节熵权法指标权重集A计算方法类似，得到TOPSIS模型指标权重集A′。构造加权矩阵Z=zijm×n，zij=cij×ωj;

3) 确定正理想解V+和负理想解V-，设Q代表评价指标越大越优型目标集，Q′代表评价指标越小越优型目标集，u表示某个评价指标，则：

(3)

(4)

4) 计算各评价对象与正、负理想解的距离：

(5)

5) 计算各评价对象与理想解的相对接近程度：

(6)

其计算结果越大，则对应年份的承载状况越好。

3.4 径向基神经网络模型

径向基函数(Radial Basis Function，简称RBF)神经网络模型是由Moody J和Darken C[19]于20世纪80年代末提出的，具有很强的处理复杂非线性系统及不确定性系统的能力，正好切合水资源承载力评价系统的特点，且该方法在此前的研究中运用效果较好[9,10,20]。本文在Matlab7.0环境下建立了水资源承载力评价RBF模型，其基本步骤为：

1) 沿用3.1节中得到的归一化矩阵Y=yijm×n成果。

2) 设计RBF神经网络模型，并对数据样本进行训练。本文基于Matlab7.0计算平台，通过Matlab工具箱提供的径向基网络实现函数newrb完成对RBF网络模型的建立，格式为：net=newrb(x，y，goal，spread)，其中x，y，goal，spread分别为输入向量、目标向量、均方误差和RBF分布。通过sim函数得出样本的训练结果，格式为：t=sim(net，x)。

3) 对研究区域水资源承载力状况进行仿真。同样由sim函数实现，其格式为：g=sim(net，f)(f、g分别为待评价区域的归一化输入向量和用RBF神经网络对水资源系统进行评价的等级值)，计算所得值越小，表明其承载状况越好。

4 水资源承载力评价

4.1 各评价模型计算结果

由前述研究方法可得目标决策矩阵X=xijm×n和L=lijm×n，其对应的权重系数集合分别为A=(0.24、0.03、0.09、0.14、0.18、0.15、0.13、0.04)和A′=(0.15、0.18、0.10、0.13、0.23、0.09、0.07、0.05)，可以看出，u1、u5是影响该区域水资源承载力的主要指标，这也与淳化县现阶段处于工程性缺水阶段的实际相符合。通过计算得出三种水资源承载力预测模型的评价值，如表3所示。

表3 淳化县2007—2030年各模型水资源承载力评价成果

4.2 评价结果分析

以上三种水资源承载力评价成果在时间序列上的变化趋势上基本一致，表现出淳化县2007—2015年水资源承载力状况逐步趋好，而2020年、2030年的承载状况相比于2015年之前下降较为明显，其中TOPSIS模型和径向基神经网络模型都很好地表现了这一点，表明区域水资源的开发利用已初具规模，未来势必要控制经济发展势头，以保障区域生态环境的健康发展。

从评价结果来看，现状年2015年以前，淳化县整体的水资源承载能力均保持在V1级与V2级之间，表明区域承载状况较好，且仍保持上升趋势，表明区域水资源尚有一定的开发潜力；另外，生产技术的提升以及一系列基础节水设施和节水灌溉项目的建设，使得淳化县实现经济增长的方式由粗放型向集约型转变。在2020年、2030年，淳化县水资源承载能力在V2级以下，水资源承载状况一般，区域水资源基本能够保证供给，进一步的开发潜力不足。这主要归因于“一带一路”政策带动区域经济的飞速发展，使得区域需水量急剧增加，即便在2020年前后将修建一系列大型水利工程，仍难以解决区域水资源的供需矛盾，使得区域水资源承载能力下降。

5 结论与建议

1) 本文在分析已有研究成果之上，结合当地的区域特征，建立了一套恰合研究区实际的评价指标体系，通过熵权法消除评价过程中的主观影响，并运用模糊综合评判模型、TOPSIS模型以及径向基神经网络模型完成了对该地区的水资源承载力评价，所得结论基本一致，保证了结论的精准度，且成果在很大程度上符合区域实际，故此对淳化县今后的发展有一定的导向作用，同时也表明本次评价指标选取的可行性。

2) 依据前述研究成果，淳化县当下的首要任务是通过引进有效的水资源开发利用手段，加快完成对规划水源工程的建设，确保其在规划期内发挥作用，解决区域供需不协调的问题；其次，淳化县水资源短缺是一个始终困扰决策者的难题，要想依靠有限的水资源条件在“一带一路”和西部大开发的时代背景之下抓住机遇，谋求发展，优化水资源配置、构建节水型社会已成为其必然的选择。

3) 评价结果对淳化县今后的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，未来淳化县应当在保持适当发展速度的同时，积极加强生态环境建设，以留住绿水青山，保证人与自然的和谐健康发展。