珠江流域水资源承载力评价及风险识别

周雪欣，罗 昊

(珠江水资源保护科学研究所，广东 广州 510635)

水是生命之源、生产之要、生命之基。中国人多水少，水资源时空分布不均，与生产力布局不相匹配，破解水资源配置与经济社会发展需求不相适应的矛盾，是新阶段中国发展面临的重大战略问题。水资源承载力的科学评价是水资源优化配置和可持续开发利用的基础和条件，对实现水资源空间均衡具有重要意义。

关于水资源承载力研究的文献，以构建综合评价指标体系并进行综合测算最为丰富。从研究指标来看，主要围绕水资源、社会、经济、生态环境等四方面；从研究方法来看，主要运用模糊综合评判[1-2]、TOPSIS模型法[3-5]、主成分分析法[6-7]、PSR模型法[8-9]、生态足迹[10-11]、状态空间法[12]、VIKOR法[13]等；从研究对象来看，主要集中在省域[3、4、8、12]、市域[2、7、13]、流域[1、6、14]、区域[10、15]层面。在珠江流域范围内，众多学者已开展相关研究，王菲等[16]从水量、水质两方面开展粤港澳大湾区水资源承载力评价，李洋等[17]采用相对水资源承载力的研究方法对广西区水资源承载力开展研究，王万宾等[18]利用县域地表水资源量及用水量数据估算云南省县域水资源承载能力。此外，县域水资源承载能力评价、第三次全国水资源调查评价等工作成果，也为本研究提供了参考。

本研究以珠江流域为研究对象，构建了包括水资源、社会、经济、生态环境等四方面的指标体系，采用主客观组合赋权TOPSIS模型法对流域水资源承载力进行研究，并用热点分析方法识别流域内水资源承载高风险区域，为完善流域水资源配置体系，促进水资源空间均衡提供参考。

1 研究区概况

珠江是中国的七大江河之一，地理位置在东经102°14′～115°53′、北纬21°31′～26°49′，由西江、北江、东江和珠江三角洲诸河组成，涉及云南、贵州、广西、广东、湖南、江西6省(自治区)和香港、澳门特别行政区，总面积45.37万km2，其中中国境内面积44.21万km2。本次研究范围仅针对流域内涉及的6省(自治区)。

珠江流域地处热带、亚热带季风气候区，气候温和，雨量丰沛。2018年流域水资源总量为3 358.63亿m3，流域内降水量分布极其不均，水资源总量空间变幅大。2018年流域6省(自治区)总人口1.36亿人，平均人口密度307人/km2，为全国平均人口密度2.1倍，地区生产总值10.93万亿元，占同期全国国内生产总值的12%。流域内经济发展水平极不平衡，水资源开发利用程度不均，水资源供给与保障能力不足。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究涉及珠江流域6省(自治区)46城的2018年水资源、社会、经济等指标数据，主要来源于各省统计年鉴及水资源公报。

2.2 研究方法

2.2.1指标体系构建

综合考虑流域水资源特征、社会经济发展情况及生态环境等因素，选取13项指标，从目标层、标准层和指标层3个层面构建了水资源承载力评价指标体系，具体见表1。

表1 水资源承载力指标体系

续表1 水资源承载力指标体系

2.2.2指标权重的确定

a)主观权重。主观权重采用序关系分析法确定，主要步骤如下。

步骤一专家对上述13项评价指标按照重要程度进行排序：e1>e2>…>en，为相邻指标(ek-1与ek)的重要性程度之比rk赋值，赋值标准见表2。

表2 rk赋值

步骤二计算相对重要度最低指标的主观权重：

(1)

式中n——评价指标的总数。

步骤三推递出其他指标的主观权重：

(2)

b)客观权重。客观权重采用熵权法确定，主要步骤如下。

步骤一根据评价指标构建原始矩阵：

(3)

步骤二评价指标标准化处理。正向指标的标准化公式为：

(4)

负向指标的标准化公式为：

(5)

式中xjmax——同指标下所有样本的最大值；xjmin——同指标下所有样本的最小值。

通过标准化处理形成标准化决策矩阵Y=(bij)m×n。

步骤三计算每个指标的熵值。

(6)

(7)

步骤四计算各项指标的客观权重。

(8)

c)组合赋权。各项指标权重采用组合赋权法确定，常见的权重组合方法有加法和乘法合成2种方法。本文采用基于最小相对信息熵原理的乘法合成，具体计算方法如下：

(9)

2.2.3组合权重-TOPSIS评估模型

TOPSIS法是进行多目标分析的有效方法，其能充分利用原始数据的信息，精确反映各评价对象之间的联系和差距。本文结合上述计算组合权重结果，采用组合权重-TOPSIS评估模型对流域各地市水资源承载力进行评估。具体计算步骤如下。

结合组合权重及标准化决策矩阵，构建加权决策矩阵：

Zij=wj×Yij

(10)

计算正负理想解：

(11)

(12)

计算各指标与正负理想解的欧氏距离：

(13)

(14)

水资源承载指数使用样本最优解的相对贴近度表示，计算方法如下：

(15)

水资源承载指数Ai表示第i城市区域水资源承载力与最优的水资源承载力的靠近程度，取值范围为[0,1]，当Ai越大时，表明评价对象越接近理想状态，水资源承载力越优，反之越差。

2.2.4水资源承载力等级划分

自然间断点分级法(jenks)是一种根据数值统计分布规律分级和分类的统计方法，它能使类与类之间的不同最大化。为更直观地反映流域内各区域水资源承载力差异，在ArcGIS支持下采用自然间断点分级法(jenks)把流域内各市水资源承载指数进行分级，等级数值越小表示该区域水资源开发利用潜力越小，水资源压力越大，用水越紧张。

2.2.5水资源承载力风险识别

a)全局空间自相关分析。为探究流域水资源承载力的整体空间分布特征，检验各地市间水资源承载指数是否存在空间相关性，利用ArcGIS空间统计工具，采用空间自相关(Global Moran’s I)方法进行分析。全局Moran’s I指数的取值范围为[-1,1]，当Moran’s I >0表示流域各地市水资源承载力分布具有集聚态势，且值越大这种集聚态势越明显；Moran’s I <0表示流域各地市水资源承载力分布具有空间差异性，且值越小差异越明显；Moran’s I =0时，说明各地市水资源承载力分布具有随机性。

b)热点分析。水资源承载压力大的地市具有高度集聚态势，说明周边地区均面临较大的水资源承载压力，通过小区域引调水缓解水资源短缺较难实现，该区域可能出现水资源承载力风险，需从流域层面提前谋划，多措并举，合理调配水资源，确保供水安全。为进一步测度水资源承载力局部空间聚类分布特征，更加准确、直观、具体地分析流域水资源承载力空间分布情况，排查水资源承载力风险，在ArcGIS支持下开展热点分析(Getis-Ord Gi*)。热点分析工具可对数据集中的每一个要素计算Gi*统计，在99%、95%、90%等不同显著性水平上识别水资源承载指数空间聚集性显著程度、类型及区域位置，高值聚集称为热点，低值聚集称为冷点。由于水资源承载指数Ai越大代表水资源承载力越优，因此冷热点分析结果的解读应为高值集聚为水资源承载力风险的冷点，低值聚集为水资源承载力风险的热点。

3 研究结果与分析

3.1 计算结果

各指标权重计算结果见表3。计算结果显示，权重排列前三的指标分别为人均水资源占有量、产水模数、城镇化率。水资源承载指数计算结果见表4。水资源承载指数平均值为0.504，标准差为0.09。借鉴冉启智等[12]、李乃强等[19]提出的等级划分方法，基于各地市水资源承载指数，以反映流域内各区域水资源承载情况差异为目的，采用自然间断点分级法把流域内各市水资源承载指数划分为4级，具体分级标准见表5。流域水资源承载力评价等级划分结果见图1。

表3 各项指标组合权重

续表4 流域内各地市水资源承载指数计算结果

表5 水资源承载力等级划分标准

图1 流域水资源承载力评价等级划分结果

3.2 流域水资源承载力分析

结果显示，珠江流域整体水资源承载指数为0.504，水资源承载力级别为2级，表示流域整体水资源承载状态一般，区域经济社会发展仍处于水资源承载力的可载状态。流域各区域水资源承载指数介于0.310～0.766，水资源承载状况差异显著，总体呈现中上游区域优于上游、中下游区域的空间格局。按主要水系划分，珠江流域分为西江、北江、东江及珠江三角洲诸河等4个区域，珠江三角洲诸河区域水资源承载力等级以1级为主，表示该区域面临较大的水资源承载压力，东江流域水资源承载状况亦不容乐观，水资源承载力等级以1级、2级居多，北江流域水资源承载状况相对良好，水资源承载力等级以3级为主，西江流域整体水资源承载状况相对良好，但流域内各区域差异明显，上游及中下游区域水资源承载力等级以2级为主，中上游水资源承载力等级达到3级。水资源承载指数最低的3个城市为深圳市、佛山市、广州市，均位于珠江三角洲区域，3座城市发展势头强劲，人口密度过高且增长势头不减，给当地水资源承载带来巨大压力。

珠江流域水资源承载力差异显著主要有两大原因，一是流域内降水量分布极其不均，导致流域内水资源总量空间变幅大，总体上呈现出东西差异大、南北差异小、自东向西逐渐递减的特点，流域西部地区水资源承载力较差正是由于地处河流上游源头区，水资源禀赋条件差，开发利用难度大；二是流域内各区域社会经济发展不平衡，珠江三角洲区域城镇化快速发展，国土面积仅占流域6%，水资源总量仅占流域10%，承载了流域35%的人口，创造了流域60%的GDP，西部上游区域是云南省工农业经济最发达，城市较集中区域，而流域中西部地区经济较为落后，虽然人均水资源占有量丰富，但用水效率不高，人均GDP远低于流域平均值，流域内出现水资源短缺与浪费使用并存现象。

3.3 水资源承载力风险识别

在ArcGIS支持下，对珠江流域水资源承载指数进行空间自相关(Global Moran’s I)分析，计算结果见表6。结果显示，流域水资源承载指数p值小于显著性水平0.05，即置信度大于95%，z得分显著大于临界值2.58，Moran’s I指数为0.43，表明水资源承载指数呈现空间集聚趋势。

表6 珠江流域水资源承载力全局Moran’s I及其检验值

为进一步测度水资源承载力局部空间聚类分布特征，从不同置信水平的角度识别水资源承载指数的区域高低值特征，对珠江流域水资源承载指数开展冷热点分析，分析结果见图2。从承载力高风险区域来看，处于热点-99%置信程度的城市有5个，分别为深圳市、东莞市、广州市、佛山市、中山市，处于热点-95%置信程度的城市为惠州市，处于冷点-95%置信程度的城市为邵阳市、怀化市，处于冷点-90%置信程度的城市为崇左市、防城港市、云浮市、永州市。分析结果显示，流域绝大部份区域水资源承载力风险不显著，高风险区域集中在珠江三角洲区域，该区域人口高度集聚，经济社会快速发展，水资源供需矛盾突出。未来，珠三角广东区域将加强与港澳地区的经济、文化交流，建成富有活力和国际竞争力的一流湾区和世界级城市群，势必要求更高的水资源利用水平和效率，更强的水资源供给能力，以支撑区域高质量发展。流域西部玉溪市虽然水资源承载力等级低，但热点分析计算结果显示z得分为1.34，p值为0.18，不是具有显著统计学意义的热点，因此该区域水资源承载力风险不显著。

图2 流域水资源承载力风险热点分析

为缓解流域水资源承载压力，在“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路引领下，流域机构连同相关省(自治区)开展《珠江“十四五”水安全保障规划》《粤港澳大湾区水安全保障规划》等规划编制工作，提前谋划，积极推进珠江三角洲水资源配置工程、环北部湾水资源配置工程等一批标志性的引调水骨干工程和重大水源工程，对提高流域水资源统筹调配能力和供水安全保障能力具有重要意义。

4 结论与讨论

4.1 结论

流域整体水资源承载指数为0.504，水资源承载力级别为2级，流域整体水资源承载状态一般。流域各区域水资源承载指数介于0.310～0.766，水资源承载状况差异显著，总体呈现中上游区域优于上游、中下游区域的空间格局，其中珠江三角洲区域面临较大的水资源承载压力，东江流域水资源承载状况亦不容乐观。

流域水资源承载状况分布具有高度集聚态势，热点分析结果显示，流域绝大部份区域水资源承载力风险不显著，深圳市、东莞市、广州市、佛山市、中山市等5个城市处于热点-99%置信程度区间，为水资源承载力高风险区域，均集中在珠江三角洲区域。

4.2 讨论

由于水资源系统本身的复杂性、随机性和模糊性以及影响水资源承载能力因素的多方面性、多层次性等，学术界对水资源承载力的内涵与表征尚有分歧，水资源承载力相关研究必然还存在诸多科学问题有待明晰。

本研究参考众多研究成果，综合考虑流域水资源特征、社会经济发展情况及生态环境等因素，选用使用频率高的13项指标开展评价，评价指标体系具有一定代表性，但未考虑过境可用水量等因素，存在不同准则层所含指标数量差异较大等问题，指标体系完整性有待提高。研究采用组合赋权-TOPSIS模型开展评价，从表3可以看出主观权重、客观权重存在差异，差异较大的指标为人均水资源占有量、生态环境用水率，主要由于水资源、生态环境2个准则层所含指标数量差异较大导致生态环境用水率主观权重计算结果偏大，同时各地市人均水资源占有量差异大导致该项指标客观权重过大。本研究采用基于最小相对信息熵原理的乘法合成综合权重，有助于避免单一权重偏大直接影响评价结果，在一定程度上提高了评价结果的科学性与准确性。

本研究与相关研究对比，总体来看研究结果基本一致，但存在部分差异。王菲等[16]分析结果显示粤港澳大湾区2018年水资源承载状况总体为临界状态，其中深圳、东莞为超载，主要原因为两市水质达标率较低、COD及氨氮超出其限排总量，导致水质要素评价结果为超载。本研究结果显示粤港澳大湾区中，除肇庆水资源承载力相对良好，江门、惠州一般，其他地市均相对超载，与研究结果[16]基本相符。李洋等[17]研究结果显示广西水资源处于富余状态，高承载区主要集中于桂北，中等承载区主要集中于桂西，低承载区主要集中于桂中和桂东南。本研究结果显示流域各省(自治区)中，广西水资源承载力总体较好，呈现桂中、桂东南低，桂西、桂北高的分布格局，与研究结果[17]基本相符。王万宾等[18]研究结果显示云南滇中地区(昆明、曲靖、玉溪)水资源承载率较高，与本研究结果基本一致。本研究水资源承载力评价结果及承载力分布格局与第三次水资源调查评价结果基本一致。

本研究主要采用2018年数据进行分析，近年来，流域机构及相关省(自治区)深入落实最严格水资源管理制度，开展水资源承载能力监测预警机制建设有关工作，研究挖掘流域水资源调配工程的供水潜力，大力推进跨流域跨区域重大引调水工程建设，有效提升了流域水资源承载能力。近几年水资源公报数据显示，珠江流域人均综合用水量、万元GDP用水量、耕地实际灌溉亩均用水量、人均生活用水量、万元工业增加值用水量等多项重要用水指标呈现下降趋势，流域用水效率明显提高，与此同时，云南德厚、云南阿岗、湖南莽山等一批供水重大水利工程建成发挥效益，供水保障能力进一步提升，流域水资源承载能力稳步提高。