喀斯特山区贵州水资源生态承载力的动态变化评价

魏 媛，吴长勇，李昕蔓

(贵州财经大学 管科学院，贵州 贵阳 550025)

【研究意义】水资源生态承载力是指在某一区域的社会经济发展时期，水资源对生态系统和经济/社会系统间平衡稳定发展的最大支撑力[1]，是支撑生态环境系统平衡的组成部分，与资源、经济和社会间的关系密切。随着人口不断增长和经济快速发展，废污水大量排放、无限制的开发和利用水资源，给区域内水资源的生态承载力造成巨大的压力。因此，提高水资源生态承载力成为解决区域水资源可持续利用的前瞻性问题之一。【前人研究进展】目前，水资源生态承载力常用的量化及评价方法有系统动力学法[2-3]、常规趋势法[4-5]、指标体系评价法[6-9]以及生态足迹法[10-13]。龚久平等[14]对重庆市水资源承载力分析与可持续发展利用进行了探讨。官冬杰等[15]对贵州省毕节市水资源生态承载力动态变化进行评价。吕添贵等[16]以喀斯特地区为例，研究评价了基于生态足迹的水资源承载力，但没有对喀斯山区贵州省水资源生态承载力动态变化进行评价。【本研究切入点】贵州降雨量丰沛，境内河流水系发达，但特殊喀斯特地貌地貌导致蓄水能力弱，同时经济快速发展对水资源的需求不断增加，对水资源的开发利用提出了更高要求，使水资源供需矛盾日益突出。因此，评价贵州水资源生态承载力的动态变化对水资源可持续利用和经济社会的可持续发展具有一定的参考意义。【拟解决的关键问题】在前人研究的基础上，结合贵州省区域特征构建系统的评价指标体系，利用2001-2016年《贵州省统年鉴》《中国统计年鉴》和2000-2015年《贵州省水资源公报》《贵州省国民经济和社会发展统计公报》数据，通过因子分析法计算分析选择适合研究区的评价指标，运用熵权法与灰色关联模型计算贵州省水资源生态承载力评价指标体系最优系列与比较系列的关联度，并对其结果进行分析评价，找出贵州水资源生态承载力存在的问题及其原因，提出促进贵州省水资源生态承载力提高和可持续利用的对策建议，以期为贵州省及类似地区水资源可持续利用政策措施的制定及相关研究提供借鉴与参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

数据来源于2001-2016年《贵州省统年鉴》和《中国统计年鉴》，2000-2015年《贵州省水资源公报》和《贵州省国民经济和社会发展统计公报》。

1.2 方法

1.2.1 评价指标体系构建 根据评价指标体系构建原则，结合贵州实际，在研究区选择具有代表性、可行性和科学性等的水资源生态承载力评价指标。贵州省为典型的喀斯特地貌，在地下很多溶洞河道是地下水流淌的路径，可将地下水考虑进指标体系中；同时贵州的水系发达，河流较多，河流水质根据国家规定的水质标准采用Ⅱ类水质河长作为评价指标；结合水资源生态承载力的定义、相关学者研究成果和贵州区域特点，对水资源生态承载力评价可从水资源自身生态系统，水资源对该区域的社会、经济支撑力和经济、社会发展状况等3个方面进行指标体系的构建。反映水环境维持水资源系统供给的为评价正指标，主要包括年降水量、地表水资源量、地下水资源量、II类水质河长、总供水量、水库年蓄水量等共6个指标；反映人类经济社会活动中对水的需求和消耗的为评价负指标，主要包括人均用水量、总耗水量、水资源利用率、林牧渔畜用水量、居民生活用水量、工业用水量和农业用水量等共7个指标；反映经济、社会发展现状的有正负评价指标共7个，其中，人均占有水资源量为正指标，常住人口总数量，国民生产总值、工业生产总值、农林牧渔业总值、固定资产投资、废污水排放量等负指标，综合3个方面的分析构建贵州省水资源生态评价指标体系(表1)。其中，以对水资源生态承载力起支撑维持作用的方向为正，对水资源生态承载力造成压力的方向为负。

表1 贵州省水资源生态承载力评价指标体系的构建

1.2.2 指标数据的处理与分析 首先，根据构建的指标体系收集所需要的研究数据，通过无量纲化处理，让单位不同的评价指标可相互对比分析。其次，通过SPSS对标准化值进行因子分析。因子分析法是用少数几个因子去描述多个内部存在相互依赖关系指标的一种分析方法[11]。

(1) 评价指标的主成分分析。通过主成分分析法对20个评价指标进行筛选，得到贵州省水资源生态承载力评价指标体系中影响评价指标的主成分和初始特征值，将特征值>1的成分确定为主成分。

(2) 主要影响指标的负荷程度。利用因子旋转法对贵州省水资源生态承载力主要影响指标进行旋转矩阵后得到各负荷程度指标。

(3) 贵州省水资源生态承载力主要影响指标的筛选。因子分析法是用少数几个因子去描述多个内部存在相互依赖关系指标的一种分析方法[11]，采用SPSS18.0中的因子分析法对构建的评价指标体系中20个指标进行筛选，找出影响贵州省水资源生态承载力的主要指标。

(4) 主要影响指标权重的确定 熵权法是基于指标熵值的大小来确定客观权重，如果指标的熵越小，该指标提供的信息量越大，在评价中所起的作用越大，权重即越大；反之则小[13]。通过对评价指标赋权重，使评价结果的可靠性越高。使用熵权法计算出贵州省水资源生态承载力评价主要影响指标的权重。

根据2005-2015年各年份的评价指标(I)构建原始数据矩阵：

(1)

由于构建的评价指标体系方向属性不同，为保证结果的准确性，通过对负向评价指标数据乘以-1得到正向数据。

将判断矩阵进行无量纲化处理后得到单位统一的矩阵：

R=(rij)m×n

(2)

2005-2015年各年份评价指标熵值的计算：

(3)

2005-2015年各个年份评价指标权重的计算。

(4)

1.2.3 贵州省水资源生态承载力的动态变化的评价 运用灰色关联模型对贵州省水资源生态承载力的动态变化进行评价，该模型能根据实际情况确定最优系列，为动态变化系统提供可量化的比较分析[13]。

(1)贵州省水资源生态承载力主要影响指标关联系数的计算。根据评价指标的方向属性，对水资源起维持支撑作用的选择最大值；相反，对水资源带来压力作用的选择最小值，结合主要影响指标无量纲化数据，优先出贵州省水资源生态承载力评价指标体系的最优系列Z0(k)={1.17，1.24，1.15，1.71，2.16，0.89，0.69，0.65，0.1，1.34，0.25，0.24，0.41，0.12，0.79}。计算出最优系列和比较系列(主要影响指标无量纲化处理后无度量单位的数据序列)差值的绝对值[△i(k)]，然后将差值绝对值代入式(6)计算出评价指标的关联系数[ξi(k)]。

△i(k)=|Z0(k)-Zi(k)|

(5)

(6)

式(6)中，ρ为分辨系数，用来提高计算结果的准确性，取值范围为0.1～1.0，一般取0.5。

2)贵州省水资源生态承载力主要影响指标关联度的计算。关联度高低排序可反映水资源生态承载力评价指标体系最优系列与比较系列的状况，关联度越大，表示选择最优系列与比较系列关联性越强，水资源生态承载力越大；反之越小。根据影响贵州省水资源生态承载力主要评价指标的权重(Wi)和2000-2015年贵州省水资源生态承载力主要评价指标的关联系数[ξi(k)]代入式(7)计算出贵州省水资源生态承载力最优系列与比较系列的关联度。

(7)

2 结果与分析

2.1 贵州省水资源生态承载力20个评价指标的主成分

从表2可知，在贵州省水资源生态承载力评价体系的20个指标中，前4个成分的提取负荷平方和及旋转负荷平方和分别为8.005、6.158、2.570、1.723和7.503、5.438、3.354、2.161，其特征值均>1，确定前4个成分为主成分，即4个主成分；4个主成分的累积方差均为92.283。

表2 贵州省水资源生态承载力评价体系20个指标的主成分分析

2.2 贵州省水资源生态承载力的主要影响因素

在不同因素中，对水资源生态承载力负荷较较大的即为主要影响因素。从表3看出，第1主成分负荷较大的有I6、I7、I16、I17、I18和I19，分别为0.858、0.920、0.992、0.995、0.966和0.977；第2主成分负荷较大的有I1、I2、I3、I8和I15，分别为0.962、0.991、0.943、-0.938和0.918；第3主成分负荷较大的有I4、I10和I20，分别为-0.852、0.825和0.855；第4主成分载荷较大的仅有I12，为0.807。分析得出4个主成分中对水资源生态承载力影响较大的15个指标(表4)。其中，供水系统指标5个，分别为年降水量、地表水资源量、地下水资源量、Ⅱ类水质河长和Ⅱ类水库年蓄水量；需水系统指标4个，分别为人均用水量、水资源利用率、工业用水量和林牧渔畜用水量；经济/社会系统指标6个，分别为人均占有水资源量、国民生产总值、工业总产值、农林牧渔业总值、固定资产投资和废污水排放量。从表5可知，供水系统、需水系统和经济/社会系统的指标属性权重分别0.3572、0.2380和0.4048，三大系统对水资源生态承载力影响依次为经济/社会系统>供水系统>需水系统。

表3 贵州省水资源生态承载力的各主要影响指标的负荷程度矩阵

表4 贵州省水资源生态承载力的主要影响指标

表5 贵州省水资源生态承载力主要影响指标的权重

2.3 贵州省水资源生态承载力动态变化的评价

2.3.1 关联系数 从表6可知，在贵州省水资源生态承载力的15个主要影响指标中，2000-2015年供水系统中的年降水量(I1)、地表水资源量(I2)、地下水资源量(I3)、Ⅱ类水质河长(I4)和Ⅱ类水库的年蓄水量(I6)的相关系数分别为0.79～1.00、0.73～1.00、0.85～1.00、0.52～1.00和0.45～1.00；其中，I1、I2和I3除枯水年份(2011和2013年)较低外，其余年份均差异不大，可见，贵州省水资源在供水方面较为稳定； I4和I6总体呈波动上升趋势，说明贵州省对境内河流流域的水环境质量管理工作已取得一定的成效，先后修建的水库对贵州省供水系统起到一定的支撑作用。2000-2015年需水系统的人均用水量(I7)、水资源利用率(I8)、工业用水量(I10)和林牧渔畜用水量(I12)的相关系数分别为0.88～1.00、0.66～1.00、0.68～1.00和0.52～1.00，总体呈波动式下降趋势；说明，期内贵州省对用水资源监管已取得一定的效果。2000-2015年经济/社会系统中的国民生产总值(I16)、工业总产值(I17)、农林牧渔业总值(I18)、固定资产投资(I19)和废污水排放量(I20)的相关系数分别为0.42～1.00、0.43～1.00、0.41～1.00、0.33～1.00和0.81～1.00，总体呈波动式下降趋势。说明，贵州经济社会快速发展和废污水的大量排放给水资源生态承载力带来的压力越来越大。

表6 2000-2015年贵州省水资源生态承载力15个主要影响指标的关联系数

续表6 Continued table 6

2.3.2 关联度 从图1看出，在贵州省水资源生态承载力的15个主要影响指标中，各指标的关联度总体上呈波动式下降趋势，关联度均在0.7以上。其中，2000-2011年关联度总体呈下降趋势，2011-2015年总体呈波动上升趋势。主是因为贵州水资源自然供给系统基本稳定，关联度基本维持在0.7以上，但是经济快速发展给水资源生态承载力带来极大的压力，导致水资源生态承载力下降；2011和2013年恰逢枯水年份，水资源总量减少，导致供水系统的供水力不足，致使经济快速发展过程中水资源生态承载力下降。

图1 2000-2015年贵州省水资源生态承载力15个主要影响指标的关联度Fig.1 Correlation degree among 15 main influencing indexes for water resources ecological carrying capacity in Guizhou Province during 2000-2015

3 讨 论

龚久平等[14]对重庆市水资源承载力与可持续发展利用分析表明，研究区随着社会、经济的快速发展和人民生活水平的提高，生产和生活带来废弃物排放量增加，必然加重水环境污染负荷，引起水质污染，使水资源承载力下降。官冬杰等[15]对贵州省毕节市水资源生态承载力动态变化评价结果表明，研究时段毕节市水资源生态承载力相对较好,与最佳水平状况的关联度都保持在0.85以上，2007年的水资源生态承载力相对水平达到最高，此后水资源生态承载力便开始逐年下降，人口和经济发展是水资源生态承载力的两大压力因素。徐志青等[16]对南京市水环境承载力动态变化评价结果表明，人口密度偏大、水资源供需矛盾及水功能区水质达标率偏低等是制约南京市水环境承载力的关键因素，也是提升南京市水环境承载力的重点。吕添贵等[17]以喀斯特地区为例，研究评价了基于生态足迹的水资源承载力，但没有对喀斯山区贵州省水资源生态承载力动态变化进行评价。

根据评价指标体系构建原则，结合区域实际，从供水系统、需水系统和经济/社会系统3个方面，运用因子分析法筛选出反映喀斯特山区贵州水资源生态承载力动态变化趋势的评价指标体系，运用熵权法对指标赋予权重并构建灰色关联模型，对贵州省2000-2015年的水资源生态承载力的状况进行客观评价。研究结果表明，构建评价指标体系的20个评价指标中有15个指标对贵州水资源生态承载力的影响较大，分别为供水系统的年降水量、地表水资源量、地下水资源量、Ⅱ类水质河长和Ⅱ类水库年蓄水量；需水系统指标4个，分别为人均用水量、水资源利用率、工业用水量和林牧渔畜用水量；经济/社会系统指标6个，分别为人均占有水资源量、国民生产总值、工业总产值、农林牧渔业总值、固定资产投资和废污水排放量。供水系统、需水系统和经济/社会系统的指标属性权重分别为0.3572、0.2380和0.4048，其对水资源生态承载力的影响依次为经济/社会系统>供水系统>需水系统。2000-2015年研究区水资源生态承载力整体上呈波动下降趋势，关联度均在0.7以上，2000-2011年关联度总体呈波动下降趋势，2011-2015年总体呈波动上升趋势，2011和2013年为枯水年份，水资源总量减少，导致供水系统的供水力不足，致使经济快速发展过程中水资源生态承载力下降。

评价结果与实际的水资源生态承载力动态变化较为接近，具有较强的针对性，可为贵州省及类似地区水资源可持续利用政策措施的制定及相关研究提供借鉴与参考。但在数据来源以及评价指标的选择等方面还存在不足，因为数据来源多参考已有统计资料或研究结果，缺乏长期性与周期性的动态监测数据；由于水资源生态承载力的系统性、动态性、复杂性和多因素影响等特点，加上数据资料的获取较为困难性，构建全面系统的评价指标体系、选择较大载荷指标的标准还有待进一步深入研究。且研究结果揭示了贵州在经济社会快速发展过程中注重水资源的节约高效利用和保护，经济/社会系统与水资源环境系统的协调性处于勉强协调发展阶段，二者的协调性有待于进一步提高。因此，需进一步提高水资源生态承载力、协调经济发展与水资源开发利用与保护之间的关系。由于喀斯特山区降雨量丰沛，但岩溶地貌蓄水能力弱，且水资源生态承载力与年降水量呈正相关，研究区应提高林业生态工程、水利工程蓄水、提水、引水的能力，充分利用降水资源，拦截降水，减少蓄水、提水、引水过程中水资源的损失量；通过技术革新，提高水资源的综合利用效率、循环利用水资源，减少污水废水排放；转变水资源的调配方式，实行节约高效式“以供定需”的用水方式；优化水资源环境以及经济社会发展的空间结构，促进研究区水资源生态承载力的动态平衡；建立完善健全的水资源管理体系，提高水资源的生态承载力，促进研究区水资源协调可持续利用。

4 结 论

从供水系统、需水系统和经济/社会系统3个方面构建的贵州省水资源生态承载力20个评价指标中筛选出对其影响较大的指标15个，三大系统对水资源生态承载力影响依次为经济/社会系统>供水系统>需水系统；2000-2015年贵州水资源生态承载力整体上呈波动下降趋势，关联度均在0.7以上，2000-2011年关联度总体呈波动下降趋势，2011-2015年总体呈波动上升趋势，2011和2013年为枯水年份，水资源总量减少，导致供水系统的供水力不足，致使经济快速发展过程中水资源生态承载力下降。