基于模糊综合评价的汉江上游水资源承载力评价

肖薇薇，余石俊

（1.安康学院 旅游与资源环境学院，陕西 安康 725000；2.安康市汉江水资源保护与利用工程技术研究中心，陕西 安康 725000；3.湖北师范大学 城市与环境学院，湖北 黄石 435002）

0 引言

水资源承载力能够反映水资源对社会经济的支撑作用。科学评估一个地区的水资源承载力，有利于实现区域水资源的可持续利用。目前，针对水资源承载力的研究包含多个维度。从水资源承载力的定义看，惠泱河等［1］将水资源承载力定义为在某地区的水资源在某一历史发展阶段下，以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据，在不影响生态系统的前提下，水资源对一个地区社会经济发展的最大支撑能力；左其亭［2］认为水资源承载力是水资源对人类及其经济社会系统和生态系统发展所能承受的最大规模；高伟等［3］提出了基于不同水质水资源量供需的分质水资源承载力概念，并开展了流域分质水资源承载力评估与预警的实证研究。从研究方法看，赵强等［4-5］运用模糊综合评价法对山东省、汉江流域的水资源承载力进行评价分析，也有使用熵权法、集中分析法、TOPSIS模型及生态足迹法等方法开展评价研究［6-10］。从研究区域看，多数学者是从流域和区域等视角进行研究，如夏军等［11］对西北干旱区的流域水循环模拟、生态需水研究等问题进行了分析；夏玮静等［12］通过构建综合评价模型，发现陕西省各流域水资源承载能力的差异较为明显。从水资源承载力的发展态势看，部分学者对水资源承载力进行了一定的预测评估［13-14］。

汉江上游作为我国“南水北调”中线工程和“引汉济渭”工程的核心水源区，其水资源承载力变化状况对跨流域调水具有重大影响。基于此，本研究通过构建水资源承载力的评价指标体系，对2010—2020年汉江上游地区的水资源承载力进行评价，以期为汉江上游地区水资源的可持续开发利用提供理论依据。

1 研究概况与方法

1.1 研究区概况

汉江是长江最大的支流，地处秦巴山区，境内地势起伏较大，河网密布，属亚热带大陆性季风气候，全年温差较小，境内自然资源丰富，生态环境质量较高，经济发展潜力较大。汉江上游区域（图1）主要包括陕西省南部的汉中市和安康市，汉江上游的年径流量达245亿m3，每年计划“南水北调”工程调水130亿m3，“引汉济渭”工程调水15亿m3。

图1 研究区示意图

1.2 数据来源

本研究的数据主要来源于2011—2021年《陕西省统计年鉴》《安康市统计年鉴》《汉中市统计年鉴》及2010—2020年《陕西省水资源公报》，以安康市和汉中市两地的平均数据开展汉江上游地区水资源承载力研究。

1.3 研究方法

1.3.1 熵权法 本研究采用客观性较强的熵权法计算指标权重，熵权法是以指标的信息熵为基础，根据指标信息熵的大小确定指标权重［15］。应用SPSSPRO软件计算指标权重。

1.3.2 模糊综合评价法 模糊综合评价［16-17］方法充分考虑了与评价对象相关的各种因素以及各种因素之间的关系，该方法能够从多方面、多因素等角度评估水资源承载力，有利于客观、系统地反映区域水资源状况。模糊综合评价法基本步骤为：（1）建立评价指标的因素集U和评语集V；（2）建立模糊关系矩阵R；（3）计算权重向量A；（4）模糊综合评价，计算公式如下：

式（1）中：A为因素集上的模糊子集，A={a1，a2, …，an}，其中ai为U对A的隶属度，表示单个指标Ui在评定指标中所起作用的大小，ai的取值范围为［0，1］；B是评价等级V上的模糊子集，B={b1，b2, …，bm}，其中bj为等级Vj对综合评价得到的模糊子集B的隶属度，bj的取值范围为［0，1］。模糊算子采用加权平均型算子，评价矩阵R如下所示：

式（2）中：rij为ui的评价对等级Vj的隶属度，因此，矩阵R中的第i行Ri={ri1，ri2，…，rim}是对第i个指标Ui的单个指标评价的结果，评价因素的权重A代表各指标对综合评价重要性的权重，因此，满足。

负向评价指标的隶属度函数（ri）计算公式如下：

式（3）～（5）中：k1是 等 级V1和V2的 阈 值，k3是等级V2和V3的阈值，V2等级区间的中点是k2，其数值为（k1+k3）/2。

正向指标的隶属函数计算公式将上式中右端ri的区间中的“≤”更改为“≥”，将“＜”更改为“＞”即可。为了更直观地反映各级水资源承载力的评价状况，本研究采用1分制对评判等级取不同的评分值，对评价等级的评分值分别取a1＝0.95、a2=0.5、a3=0.05。经过数量化处理，能更直观地反映各等级对水资源承载力的影响程度。通过隶属度函数与各评价等级的评分值计算水资源承载力综合评分值F。F值越高，表明水资源的承载能力越大，反之，水资源的承载能力越小。

式（6）中：bj为评价结果对应的评语等级的隶属度；aj为各等级的评分值。

2 汉江上游水资源承载力评价

2.1 评价指标体系构建

在遵循系统性原则和区域性原则下，结合汉江上游地区的实际情况，从社会经济子系统、水资源子系统和生态环境子系统3个准则层面构建了评价指标体系，采用熵权法计算得出各项指标的权重，如表1所示。

表1 汉江上游水资源承载力评价指标体系及指标权重

从表1可以得出，在准则层中，社会经济子系统的权重最大，为0.47564；水资源子系统权重最小，为0.21324；生态环境子系统权重是0.31112。在指标层中，人口自然增长率和森林覆盖率的权重超过了0.1，说明这2项指标是影响水资源承载力的重要因素；城镇化率的权重为0.071，人均GDP、GDP增长率权重均为0.066，人均水资源量权重为0.063，产水模数权重为0.062，说明水资源总量、经济和城镇化发展对水资源承载力具有比较明显的影响；生态用水率的权重为0.072，也体现了生态环境质量的改善可以提高水资源承载力；而万元GDP用水量以及单位面积废水排放量等指标的权重小于0.05，说明这些指标对水资源承载力的影响程度相对较低。

2.2 指标分级处理

在构建水资源承载力评价体系后，需要确定各个指标的分级标准及相应的取值范围，本研究结合汉江上游的实际情况和原始数据，将汉江上游水资源承载力的单个指标划分为3个等级［V1，V2，V3］，并确定了相应的指标分级标准，如表2所示。

表2 水资源承载力评价指标分级标准

V1代表该区域的水资源承载力较强、处于优良等级，水资源具有较大的开发空间；V3代表该区域水资源承载力较差、处于脆弱等级，易出现水资源供不应求的现象，并严重制约社会经济的发展；V2级为临界级，介于V1级和V3级之间，表明水资源承载力已达到一定的规模，尚能有效支持区域的发展，后续若持续扩大开发利用程度，将会导致水生态环境系统遭受威胁和破坏；若采取科学合理的措施，区域水资源承载力会有所提升。

2.3 水资源承载力等级划分及综合评价结果

在综合评分值的基础上，结合前人研究的等级划分［18］以及汉江上游的具体情况，对水资源承载力进行等级划分，将水资源承载力分为Ⅰ级（高）、Ⅱ级（较高）、Ⅲ级（一般）、Ⅳ级（较低）和Ⅴ级（低）5个等级，如表3所示。

表3 水资源承载力等级划分

结合式（1）～（6），计算隶属关系矩阵、进行模糊综合评价，计算结果如图2和表4所示。

表4 汉江上游水资源承载力综合评分值

2.3.1 社会经济子系统评价结果 由图2a可知，2010—2020年社会经济子系统综合评分值呈小幅波动上升趋势，说明社会经济发展为水资源开发利用带来了一定的效益，其中人均GDP、人口自然增长率、人均用水量、万元GDP用水量以及城镇化率等指标数据的变化，促进了经济子系统综合评分值的波动上升。

社会经济子系统在2012年的综合评分值最低，为0.409，在2020年最高，为0.665。汉江上游地区2010、2011和2013年的GDP增长率超过20%，较快的经济增速促使工业农业用水量有所增加。汉江上游地处秦巴山区，经济发展潜力较大，随着社会经济的发展，城镇化率由35.84%增长至50.44%，人均用水量从352.8 m³增长到403.8 m³，水资源压力有所增大。

2.3.2 水资源子系统评价结果 由图2b可知，2010—2020年水资源子系统综合评分值波动明显，呈微弱上升趋势，其中2011—2016年呈下降趋势，2017—2019年波动起伏，在2020年有所下降。该子系统的波动变化主要是由产水模数、人均水资源量及年降水量等指标数据的变化引起。城镇人口密度增大、产水模数先降后升、人均生活用水量的增加以及水资源总量有限，上述因素叠加进一步加大了水资源子系统的压力。此外，由于降水量具有不稳定性，降水量的年际变化也导致水资源总量发生波动变化，据《陕西省水资源公报》数据显示：汉江上游地区2016年水资源总量为78.330亿m3，较2015年下降了26.245亿m3，水资源总量的骤减导致了人均水资源量也出现明显下降，因此水资源子系统在2016年的综合评分值最低，仅为0.185；2017—2019年水资源子系统承载力呈总体波动上升趋势，2020年降水量和水资源总量较上年有所减少，因此该年的评分值有所下降。

图2 汉江上游水资源承载力及各子系统综合评分值

汉江上游流域的降水量较为充沛，水资源总量远高于全国平均水平，这为“南水北调”提供了有力的保障。汉江上游地区的地下水资源较为丰富，但利用程度不高，2010—2020年水资源开发利用率最高为15.373%，最低仅为5.911%。

2.3.3 生态环境子系统评价结果 由图2c可知，2010—2020年生态环境子系统综合评分值呈显著上升趋势。生态用水率、森林覆盖率和累计水土流失治理面积的变化促使生态环境子系统的综合评分值逐年提升，这说明汉江上游地区近年来的生态环境治理取得了较好的成效，生态环境子系统在提高水资源承载力的贡献逐渐增大。生态环境的好转促进了水环境的改善，从而提高了“南水北调”水资源的质量。

在2010—2014年，该子系统的综合评分值波动起伏比较明显，与汉中市和安康市经济发展速度过快有密切的关系。由于两市的GDP增长率较高，对生态环境造成了一定的干扰和破坏。在2015—2020年，汉江上游地区的森林覆盖率逐渐提高并超过了60%，生态环境用水量有所提升，单位面积废水排放量的减少以及政府部门出台《汉江生态经济带发展规划》文件的举措，上述均促进了生态环境子系统综合评分值的提高。

2.3.4 水资源承载力综合评价结果 根据图2d和表4可以得出，2010—2020年汉江上游水资源承载力有5年处于较高级别（Ⅱ级），有6年处于一般级别（Ⅲ级）。汉江上游水资源承载力总体在一般和较高2个级别之间波动，具有一定的开发利用潜力，这为推动区域农业工业的发展、实现经济高质量发展和推进生态文明建设提供了强大的动力。

由表4可得，汉江上游水资源承载力综合评分值在2019年最高，2011年最低，二者相差0.357。结合图2d发现，研究区水资源承载力整体呈上升趋势，存在上下波动的现象。2010年以来，汉江上游地区GDP增速逐渐放缓，逐步提升经济发展的质量，以生态优先、保护优先的思想促进社会经济的发展。“十三五”规划对于水资源保护与污水治理的政策更加细致，这为提高水资源承载力提供了重要的支撑，因此2017—2020年的水资源承载力综合评分值逐渐提升，水资源承载力明显提高。

由表4可知，2010—2018年汉江上游地区水资源承载力对V2的隶属度高于V1和V3，这表明该地区的水资源承载力已达到一定的规模，尚能支持汉江上游地区的发展；2019—2020年水资源承载力对V1的隶属度高于V2，表明研究区水资源承载力有所提高。

3 结论

本研究从社会经济子系统、水资源子系统和生态环境子系统3个方面构建了包含16个指标的评价体系，采用模糊综合评价法对汉江上游地区2010—2020年水资源承载力开展评价，得出结论如下：

（1）汉江上游地区水资源承载力总体上呈小幅波动上升趋势，水资源承载力在Ⅱ级（较高）和Ⅲ级（一般）间波动，2019年的综合评分值最高为0.679，2011年的综合评分值最低为0.322，其中5年为较高级别，6年为一般级别，虽处于小幅上升趋势，但与高水平承载力还存在一定的差距，具有较大的提升空间。

（2）由各个子系统可以得出，社会经济子系统呈小幅波动上升趋势；水资源子系统波动较大，呈微弱上升趋势；生态环境子系统呈明显的波动上升趋势。在子系统之间，总体看来水资源子系统和生态环境子系统的综合评分值相对高于社会经济子系统，表明了水资源子系统和生态环境子系统在提高水资源承载力中发挥着日益重要的作用。