2010—2019年黄河流域水资源承载力时空动态研究

贺梦微，杨小林

(河南理工大学安全与应急管理研究中心，河南 焦作 454003)

水资源是人类社会发展不可或缺的重要资源，然而，水资源时空分布不均匀、水资源量与生产活动不匹配等问题导致水资源成为影响区域可持续发展的决定性因素[1]。对水资源承载状况进行全面且客观的评价，可为促进水资源利用与人口、经济、社会、发展相协调提供研究依据[2]。黄河自西向东流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东九省区。2019年9月，习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上的讲话标志着黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略，然而流域九省区水资源时空分布不均，水资源问题严重限制了流域生态保护与高质量发展[3]。因此，开展黄河流域水资源承载力时空动态评价研究，对科学评估流域水资源承载状况，监测和研判流域水资源可持续利用状态，保障流域水资源安全，推动资源环境与经济社会高质量发展具有重要意义。

目前，国内外学者围绕水资源承载力的内涵、评价方法、时空格局、驱动机制等方面开展了很多研究，也取得了丰富成果。如杨青青等[4]利用因子分析与TOPSIS法对2007—2017年贵州省水资源承载力的情况进行了综合评价；张丽洁等[5]通过建立正态云理论评价模型对2015年黄河流域水资源承载力进行评价；徐富刚等[6]把贝叶斯(Bayes)赋权法与TOPSIS法相结合，对2010—2018年赣州市水资源承载力进行评价；王飞等[7]基于DPSIRM模型，运用模糊物元综合评价法对河北省水资源承载力进行计算；金菊良等[8]运用五元引力减法集对势方法对黑龙江省和四川省的水资源承载力进行动态分析；周艳梅[9]分析评价了菏泽市水资源的现存问题，并基于模糊综合评价模型预测了2020—2030年菏泽市水资源承载力。

水资源承载力研究为水资源问题的深度剖析和管理提供了重要理论和实践支撑，但目前关于黄河流域的研究主要集中在个别省份、城市或者黄河三角洲等热点区域(如张欣等[10]；李景等[11])，而运用流域省际数据开展流域水资源承载力时空动态综合评价的研究相对较少，也难以为流域省际的水资源协调管理与发展提供参考依据。鉴于此，本文以黄河流域9省区为研究对象，基于PSR理论框架，构建水资源承载力综合评价指标体系，并采用“纵横向拉开档次法”开展2010—2019年流域水资源承载力时空动态综合评价研究，以期为黄河流域水资源的可持续利用和经济社会的可持续发展提供理论依据。

1 评价方法与流程

1.1 水资源承载力评价指标体系构建

水资源承载力的大小受区域自然环境、社会经济发展、生态环境状况、供需水结构变化以及水资源总量等综合因素的影响[12]。根据综合评价的层次性、动态性、系统性和可操作性等原则[13]，针对黄河流域的现存问题与实际状况，基于PSR理论框架模型[14]，构建由水资源承载压力(P)、支撑力(S)和调控力(R)3个准则层，10个指标构成的综合评价指标体系(表1)。

表1 黄河流域水资源承载力综合评价指标体系

1.2 数据来源

本研究的数据主要来源于2011—2020年黄河流域九省区《统计年鉴》，经整理计算，得到所选指标的原始数据。

1.3 评价方法

评价指标权重系数的合理确定是综合评估的核心内容，目前，综合评估指标权重系数的确定方法为主观赋权法和客观赋权法。主观赋权法在确定指标权重时主要依据主观判断，特点为操作简单且对数据的要求比较低，故而成为评估研究的主要方法，但因评价者在专业背景和认知侧重点之间的差异，权重结果易受个人主观影响，出现主观倾向和随意性。客观赋权法在确定权重时主要根据各指标在指标总体中的变异和对其他指标的影响程度自动确定权重系数，对量化的数据要求较高，相较于主观赋权法，客观性更强[15]。

y(si)=f(ωj,xj(si))，

(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)

(1)

式中：y(si)为对象si的评价值；ωj=(ω1,ω2,…,ωm)T；xj(si)=(xi1(si),xi2(si),…,xin(si))T。

1.4 评价流程

为了更好地开展黄河流域水资源承载力的时空动态综合评价研究，本研究首先通过“纵横向拉开档次法”对单个对象2010—2019年水资源承载力进行评价，分析流域不同省区水资源承载力的时间动态变化特征；然后，通过相同年份流域不同对象的水资源承载力评价，分析流域不同省区在相同时间内的水资源承载力的空间差异，并将2010—2019年各省区的水资源承载力评价均值作为流域水资源承载力空间变异特征分析的依据。以下以某一年的不同省区水资源承载力评价过程进行介绍，单个对象2010—2019年水资源承载力的评价流程与此流程相同。

1.4.1 数据一致化

评价指标中包括正向和负向指标，因此开展评价前需对指标类型进行一致化处理。将所有负向性指标xij(i=1, 2, …,n；j=1, 2, …,m)统一转换为正向性指标，一致化处理时令如式(2)：

(2)

1.4.2 数据无量纲化

因为选取的指标单位和量纲不同，缺乏可比性，需将各评价指标进行无量纲化处理。xij为对象si的第j个指标的数值(i=1, 2, …,n；j=1, 2, …,m)，则有式(3)：

(3)

1.4.3 基于纵横向拉开档次法的水资源承载力量化模型构建与计算

利用纵横向拉开档次法实现水资源承载力指标的客观赋权，根据相应的量化模型获取各评价对象的水资源承载力指数。具体步骤如下：

(1)对于给定的n个评价对象的m个指标x1,x2,…,xm的数值(已无量纲化)，用矩阵Ak表示，即式(4)。

(4)

(2)计算m×m的对称矩阵Hk。

(3)计算与Hk的最大特征值λmax及其对应的权重系数向量，并归一化处理，计算各指标的权重ωj。

(4)计算线性函数如式(5)：

(5)

式中：yi为各评价对象si的水资源承载力指数。

(5)流域水资源承载力综合指数计算。通过对流域各省区2010—2019年水资源承载力评价指数进行计算，并取其均值，得到流域水资源承载力综合评价指数。

2 结果与分析

2.1 黄河流域水资源承载力指数的时间动态变化

图1显示了2010—2019年黄河流域九省区水资源承载力时间动态变化特征。结果显示，2010—2019年黄河流域九省区水资源承载力综合指数均呈现出不同程度的上升趋势。其中，2010—2019年间，青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古等省区水资源承载力综合指数增长较快，水资源承载力指数分别由2010年的8.24、7.08、6.72、8.44、6.11，升高到2019年的12.49、12.49、13.60、12.28、13.05，分别增加了51.58%、76.41%、102.38%、45.49%、113.58%；而2010—2019年间，山西、陕西、河南、山东等省区水资源承载能力改善相对缓慢，其中仅有山西省呈现较强的上升趋势，其他省区多为逐年缓慢提升，水资源承载力指数分别由2010年的6.78、8.31、8.16、8.68，升高到2019年的12.82、11.51、11.99、11.28，分别增加了89.09%、38.51%、46.94%、29.95%。整体上，2010—2019年黄河流域九省区水资源承载力指数呈不断升高的趋势，说明各省区的水资源承载力均得到不同程度改善，其中上游的水资源承载能力改善效果更加明显，流域水资源承载能力整体向健康有序、良好方向发展。

图1 2010—2019年黄河流域九省区水资源承载力指数时间变化

2.2 黄河流域水资源承载力指数的空间变异特征

本文选取2010年、2015年、2019年的黄河流域9省区水资源承载能力指数以及2010—2019年水资源承载力综合指数分析流域水资源承载力的空间分布状况。结果表明，黄河流域9省区的水资源承载能力呈现明显的空间异质性，2010—2019年黄河流域9省区的水资源承载力综合指数呈陕西(10.99)>内蒙古(10.64)>宁夏(10.30)>青海(9.90)>山西(9.76)>山东(9.68)>四川(9.67)>河南(8.13)>甘肃(8.00)的态势。此外，通过2010年、2015年、2019年的黄河流域9省区水资源承载力空间变异特征发现，黄河流域各省区的水资源承载力指数存在明显空间差异，但是各省区的承载力指数差异呈不断缩小趋势，说明各省区水资源承载力空间极化特征呈不断弱化的趋势，朝空间均衡方向不断改善，这可能与黄河流域各省区不断加强生态保护，促进经济社会高质量发展相关。

2.3 黄河流域水资源承载力等级划分

为了进一步分析2010—2019年黄河流域九省区水资源承载力情况，运用SPSS软件对沿黄九省区水资源承载力的综合评价结果进行分层聚类分析(图2)，根据前人研究方法[16]，本文将黄河流域九省区的水资源承载力综合评价分为4个等级: 弱承载、临界、超载、严重超载。

图2 黄河流域九省区水资源承载力聚类分析

(1)陕西属于弱承载状态。陕西省位于黄河流域中游，2010—2019年水资源承载力指数一直领先于流域其他省份，辖区水资源仍具有一定的开发利用潜力，水资源承载力处于弱承载状态。但陕西地处西北地区，降水较少，而且约70%的水资源分布在陕南地区，水资源空间分布不均匀，这将严重限制其水资源的有效开发和利用。此外，随着经济增长和人口增加，工农业和城市用水量增长问题会更加突出，未来其水资源承载力提升压力较大。

(2)宁夏、内蒙古属于临界状态。该区域主要位于黄河中上游。宁夏仅有黄河过境，受地势影响，其有限的地下水资源分布不均匀，水资源总量贫乏且水质较差，水土流失与水污染问题严重，同时薄弱的水利设施导致水资源调控能力较弱。随着改革开放以来的“兴商建市”发展战略，内蒙古城市化水平提高，需水量增加，水资源供需矛盾突出，农业用水量大，人均水资源占有量偏低，生态环境状况不佳，水功能区水质不达标且污染重。整体上，宁夏、内蒙古水资源承载力处于临界状态。

(3)青海、四川、山西、山东属于超载状态。青海和四川两省位于黄河上游，由于特殊的自然地理位置和气候条件，青海省水资源时空分布极不均匀，各地区的水资源开发利用程度不平衡。山西和山东两省位于黄河下游，经济社会条件发展速度快，人口密度与现代化水平高，区域水资源分布不均匀，人均水资源占有量偏低。该区域水资源优化配置不高，水资源与人口分布和经济发展不匹配，因此该区域水资源承载力处于超载状态。

(4)甘肃、河南属于严重超载状态。甘肃位于我国西北内陆，气候干燥、全年降水量稀少，导致水资源总占有量偏低，产业结构与经济水平相对落后且发展速度缓慢，水利建设的滞后与不足致使水资源极度缺乏；作为农业大省，河南省农业用水需求量大，且增速较快的经济社会发展水平和城市化水平导致工业用水和居民生活用水需求量大幅攀升，同时河南省有着较高程度的地下水资源开发利用率，但其地表水资源利用率相对过低，水资源浪费严重[17]。因此该区域水资源处于严重超载状态。

3 结 论

本文以黄河流域九省区为研究对象，基于“承载压力(P)、支撑力(S)、调控力(R)”理论框架模型构建了流域水资源承载力综合评价指标体系，运用纵横向拉开档次法对2010—2019年沿黄九省区水资源承载力进行时空动态综合评价研究，主要结论如下：

(1)时间上，2010—2019年黄河流域九省区水资源承载力综合指数总体呈不断增加的趋势，且流域上游的水资源承载力改善状况明显优于中下游地区，但流域水资源承载能力整体向良好方向发展。

(2)空间上，黄河流域水资源承载力呈现明显的空间变异特征，其中，陕西、内蒙古和宁夏的水资源承载能力相对较高，河南、甘肃的水资源承载力相对较低，各省区水资源承载力空间极化差异呈不断弱化趋势。

(3)沿黄九省区的水资源承载力综合评价可分为4个等级，陕西属于弱承载状态，宁夏、内蒙古属于临界状态，青海、四川、山西、山东属于超载状态，甘肃、河南属于严重超载状态。

(4)为了实现黄河流域生态保护和高质量发展，应明确认识到在人水关系中需要人去适应水，而不是水适应人，人类只有谨慎地保护水资源，才能实现水资源的可持续利用。根据各省区调控措施，因地制宜地进行节约用水、减少污染物排放、提高用水效率才是提高黄河流域水资源承载力的有效途径。