基于指标概率分布的大湾区水资源承载力分析

陈 娟，王 森

(1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510611；2.水利部珠江河口治理与保护重点实验室，广东 广州 510611)

2019年2月，中共中央、国务院印发实施《粤港澳大湾区发展规划纲要》，要求进一步提升粤港澳大湾区在国家经济发展和对外开放中的支撑引领作用。随着大湾区经济社会的发展，水资源作为城市发展刚性约束，已成为带动或制约大湾区经济可持续发展的关键因素。水资源是否承载城市发展需求，城市经济社会、资源环境是否和谐发展，逐渐成为国内聚焦的热点问题。吴盼等[1]对大湾区“9市+2区”近10年的社会经济与水资源现状及其协同演化规律进行分析研究得出水资源分布与区域经济发展不协调。王波[2]对粤港澳大湾区西岸城市群水资源安全保障体系建设提出建议。胡培等[3]在粤港澳大湾区发展背景下对珠海市水资源保障进行战略研究。

水资源承载力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[4]。目前，关于水资源承载力的评价方法有很多，例如金菊良等[5]采用联系数与信息熵、联系熵结合的方法对安徽省水资源承载力进行评价。李林汉等[6]采用层次分析法(AHP)对京津冀地区的水资源承载能力进行评价。陈海涛等[7]采用熵权模糊综合评价模型对河南省水资源承载能力进行评价，刘童等[8]构建五元联系数模型用于四川省水资源承载力动态评价。鉴于水资源承载力分析的复杂性和不确定性，本文提出指标概率分布的水资源承载力分析模型，该方法简单，没有复杂数学运算，方便各行业学者交流，且为得到更为准确且适合研究区域的指标权重本次采用组合权重。

近年来，系统耦合协调度研究逐渐成为研究热点。汪顺生等[9]构建河南省黄河流域水资源—经济—生态系统耦合协调评价模型。李波等[10]构建黄河流域水-能源-环境耦合协调度模型，综合分析2010—2019年该流域水-能源-环境系统的耦合协调关系及动态演变特征。郑江丽等[11]利用协同学原理构建综合评价模型评估区域经济、社会、环境与水资源系统的协调程度。本文建立以水资源环境和经济社会2个子系统的水资源承载力指标体系，在对体系整体做出评价的同时，对2个子系统进行耦合协调分析，以期为大湾区水资源环境和经济社会提供参考。

1 指标体系构建

本文参阅已有的研究成果[12-14]，并结合大湾区水资源条件及开发情况，构建子系统-准则层-指标层三级指标体系。将水资源环境、经济社会作为子系统，准则层从水资源、环境、经济、社会4个方面考虑共14个指标构建水资源承载力指标体系，见表1。14个指标中，产水模数、供水模数、人均水资源量、人均GDP、水土流失治理率、生态环境状况指数6个指标为正向指标，其他8个指标为负向指标。

表1 水资源承载力指标体系及指标含义

依据国家相关规范标准，参考已有研究成果[15-16]，同时考虑大湾区水资源特点，将指标标准分为5级，分级标准见表2。

续表1 水资源承载力指标体系及指标含义

表2 分级标准

2 研究方法

2.1 指标概率分布

本文拟采用概率统计学理论对其进行研究。将样本指标值和标准值统一放一起考虑，采用水文学中常用的经验频率公式期望值公式[17]对指标进行标准化处理。在经验公式中，正向指标按从大到小顺序排序，负向指标按从小到大顺序排序。

pij=ni/(Ni+1)

(1)

式中pij——指标标准化后的值；ni——第i个指标排序顺序；Ni——第i个指标样本总个数。

(2)

式中Zi——综合评价值；Wj——指标权重。

2.2 指标权重

组合权重的确定包含两方面：①反映专家的偏好，主观因素较大的主观权重W1=(w1(1),w1(2),…,w1(m))，本次采用层次分析法，其计算可参考文献[18]；②反映指标所传递信息量大小的客观权重W2=(w2(1),w2(2),…,w2(m))，本次采用熵权法，其计算可参考文献[19]。

综合W1和W2可以得到组合权重W=(w(1),w(2),…,w(m))。W与W1、W2均应尽可能地接近，为此构造如下最优化模型[20]：

(3)

(4)

用Lagrange乘子法求解上述最优化问题得：

(5)

2.3 耦合协调度

本文涉及2个子系统，构建水资源环境与经济社会耦合协调关系[21]，公式如下：

(6)

T=αY1+βY2

(7)

(8)

式中C——耦合度；D——协调度；T——综合评价指数；α、β——系统权重，这里取0.5。

0≤D≤1，D值越大，表明系统协调发展程度越高。耦合协调度常分为10个等级[9,10,21]，每等级间隔0.1。本次考虑与指标分级标准对应及已有研究[22-23]，将水资源环境-经济社会协调度分为5个等级：0.8≤D≤1，优良协调；0.6

3 实例分析

3.1 区域概况

大湾区位于广东省东南部，地处珠江流域尾闾，由广州、深圳、珠海、佛山、惠州、东莞、中山、江门、肇庆9个珠三角城市组成，总面积 5.5 万 km2，是中国开放程度最高、经济活力最强的区域之一。区域内主要河流有西江、北江、东江及三角洲诸河流，西、北、东三江汇流进入河网区，由虎门、磨刀门等八大口门出海。为了深入分析大湾区水资源承载力，以市为研究对象，所用数据来源于《2020年广东省水资源公报》《2020年广东省水土保持公报》《广东省2019年生态环境状况指数》《全省城市空气和水环境质量及排名情况》。

3.2 基于指标概率分布水资源承载力分析

利用式(1)可计算标准化后的值，见表3。

表3 标准化后的值

本次计算主观权重W1=(0.16,0.12,0.12,0.06,0.08,0.045,0.045,0.06,0.05,0.05,0.05,0.05,0.05)，客观权重W2=(0.081,0.077 5,0.048 2,0.058 1,0.075 1,0.064,0.069 1,0.057 5,0.089 2,0.081 4,0.074 9,0.058 2,0.076 2)，组合权重W=(0.117 2,0.099 3,0.078 3,0.060 8,0.069 1,0.073 7,0.057 4,0.052 3,0.075 5,0.068 8,0.062 7,0.063,0.055 6,0.063 5)。

利用式(2)可计算综合评价值，见表4。

表4 水资源承载力计算结果

大湾区9个市水资源承载力大多位于Ⅲ级，佛山略高于Ⅲ级值，位于Ⅳ级。从9市排名看，从高到低依次为珠海、广州、深圳、江门、惠州、中山、肇庆、东莞、佛山，即珠海最优，佛山最差。在水资源方面，珠海最优，产水模数达到Ⅰ级；佛山最差，产水模数、供水模数及人均水资源均为Ⅳ级。在环境方面，肇庆最优，生态环境状况指数达到Ⅰ级，水质指数也最优；佛山最差，水土流失治理率、生态环境状况指数、水质指数均较差。在经济方面，深圳最优，万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、城镇居民人均生活用水量均最优；肇庆最差，耗水率、城镇居民人均生活用水量均最差。在社会方面，肇庆最优，常住人口密度、城镇化率最低；东莞最差，常住人口密度最高。

3.3 耦合协调度分析

a)水资源环境子系统。水资源环境综合指数见图1。可以看出，珠海水资源环境综合指数最高，珠海降雨量较多，过境水资源量丰富，通过水库调蓄保障水库水源充足，水资源本底较好；佛山水资源环境综合指数最低，佛山市2020年降雨量低于珠海市，因处于三角洲网河区，主要依靠过境水资源量，水库蓄水量有限。水资源环境综合指数较高的城市有珠海、中山、江门，水资源环境综合指数较低的城市有佛山、东莞、深圳。

图1 大湾区水资源环境综合指数

b)经济社会子系统。经济社会综合指数见图2。可以看出，珠海、深圳经济社会综合指数基本相等，均为0.34；深圳的常住人口密度和城镇化率最高，人均GDP最大，用水水平方面万元工业增加值、城镇居民人均生活用水量是最小的，说明深圳经济社会较发达，因水资源量有限，故在用水指标上要求较高，用水水平在大湾区排名靠前；珠海经济、社会指数均位于中等水平；中山经济社会综合指数最低，为0.20，中山除常住人口密度、耗水率、万元GDP用水量位于中等水平外，城镇化率、人均GDP、万元工业增加值用水量、耕地实际灌溉亩均用水量、城镇居民人均生活用水量均位于中下水平。经济社会综合指数较高的城市有珠海、深圳、佛山，经济社会合指数较低的城市有中山、广州、江门。

图2 大湾区经济社会综合指数

c)耦合协调度分析。大湾区9市耦合协调度计算见表5、图3。佛山为中度失调，其他城市均为低度协调，这与前面水资源承载力计算结果基本吻合。

表5 耦合协调度评价结果

图3 大湾区耦合协调度

从指标体系及权重分析，水资源和经济方面所占的权重较大，环境和社会方面所占的权重较小，从而得出水资源状况及水资源需求在水资源承载力研究中起重要作用。在保护好大湾区现有水资源条件的基础上，控制好用水总量，提高用水效率。

4 结论

a)基于大湾区水资源特点构建了水资源承载力指标体系，利用指标概率分布及耦合协调度分别对大湾区水资源承载力开展综合评价，两方法相互验证。结果表明：大湾区9个市水资源承载力大多位于Ⅲ级，佛山略高于Ⅲ级值，位于Ⅳ级，珠海相对较优，佛山相对较差；从内部系统耦合协调度分析，佛山为中度失调，其他城市均为低度协调。

b)大湾区虽地处南方丰水区，但水资源承载力有待进一步提高，水资源环境与经济社会协调发展需进一步加强。在水资源方面，结合各地水资源本底情况控制用水总量，合理配置水资源；在经济方面，优化调整产业结构，提高用水效率；在环境方面，做好截污限排，提高污染防治水平，加强环境监管；在社会方面，加强节约用水，提高全民节水意识。

c)基于指标概率分布水资源承载力方法原理简单，计算简洁，既能得到评价等级，也能得到排序，具有一定的推广价值。