西安市水资源环境承载力评估与预测研究

司训练，赵佩玉，董仲慧

（西安石油大学经济管理学院，陕西 西安 710065）

0 引言

西安市是全国四十多个缺水城市之一，2006—2020年年均降水569.43 mm。2020年西安市水资源总量26.78亿m3，地表水资源量22.76亿m3，地下水资源量11.60亿m3。研究西安市水资源环境承载力，运用科学的方法对水资源环境承载力进行评估和预测。明确西安市水资源和水环境现状，为西安市水资源合理、可持续利用提供指导，促进西安市城市化的合理建设，为经济发展提供重要技术支撑。

水资源环境承载力研究是资源环境领域的重要热点之一。近年来，学者们对水资源或水环境单一承载力的研究取得了丰富的成果。赵伟等[1]将动态三角模糊数与随机模拟相结合来研究水资源承载力。贺辉辉等[2]构建淮河流域的水环境承载力指标体系，运用BP神经网络和主成分分析对比的方法评价区域水环境承载力。秦海旭等[3]基于预警视角从资源、环境、生态等维度选取典型指标构建评价指标体系，分别进行针对资源、环境与生态的基础评价。马艳[4]按照“三条红线”，从可持续水资源能力、用水效率和水环境承载三方面选取指标，对西安市2015年的水资源承载力进行多目标分析。这些研究丰富了水资源环境承载力的相关理论，为后续研究提供了指引。现有研究不足有：①未将水资源环境承载力的内在机制融入指标体系的建立；②缺乏对水资源环境系统的综合研究；③对水资源或水环境承载力动态预测较少。

水资源环境承载力在测度中普遍因复杂性和不确定性的存在，使其动态变化难以准确把握，因此若能进行未来变化趋势的预测，可使得相关部门在水资源环境动态监管过程中进行调控[5]。因水资源环境承载力的概念与有限资源压力和可持续发展的概念密切相关，本文将水资源-水环境-社会-经济纳入同一框架内进行综合研究。从水资源、水环境、社会和经济四个方面构建西安市水资源环境承载力指标体系，引入TOPSIS法、模糊综合评判法实证分析西安市水资源环境承载力，通过GM（1,1）模型预测未来两年（2021和2022年）西安市水资源环境承载力发展状况，为提高西安市水资源环境承载力提供科学依据，也为区域水资源环境承载力研究提供新思路。

1 西安市水资源环境承载力评估指标体系构建

1.1 水资源环境承载力系统

水资源环境承载力是指在特定时间、特定区域内，在保持区域水资源结构符合可持续发展需要，水环境功能维持稳态效应的情况下，水资源环境系统能承受人类各种社会经济活动的能力。在水资源环境承载力系统中，水资源、水环境、社会和经济四大子系统相互制约、互相影响，有复杂的内在联系（见图1）[6-8]。

图1 水资源环境承载力系统概念模型

其中，社会和经济两个子系统必须依靠水资源的支撑来提供能量，其对水资源的消耗必将产生污染并对水环境子系统造成影响；当社会和经济子系统的发展施加给水资源、水环境产生的压力超限时，水资源和水环境子系统的承载力水平会降低，限制社会和经济的可持续发展；当社会和经济子系统发展过程中注重提高环保意识、水环境治理能力时，必将有效改善并提高水环境子系统承载力；当水资源子系统优化水资源结构、提高节水意识时，也将提高水资源承载力。

1.2 指标体系建立

水资源环境承载力是由人类生活生产系统与水资源环境等自然物质系统相互作用形成的[9]，是评估水资源环境与社会经济协调度的重要标准，反映了人与环境相互作用的界面[10]。根据西安市水资源环境承载力及区域特点，采用频数统计方法对国内外相关文献的100多项指标进行分析，同时参考资源环境、水资源和水环境承载力指标体系及相关研究成果，结合西安市实际，从水资源、水环境、社会和经济4个维度中选取了24个指标，构建指标体系（图2）。

图2 西安市水资源环境承载力指标体系

1.3 数据来源

本文关于年降水量、人均日生活用水量、化学需氧量去除量、污水处理厂处理能力、人口密度、第二、三产业比重等指标数据来源于2007—2021年《西安统计年鉴》、2010—2020年《西安市水资源公报》、2014—2019年《西安市生态环境状况公报》、2014—2019年《西安市国民经济和社会发展统计公报》等。

2 研究方法

2.1 评估方法

2.1.1 TOPSIS评估法

TOPSIS法以定义目标空间中的某一测度为起点，通过计算其靠近/偏离正负理想解的程度来评估承载力，是解决多要素复杂系统的方法之一。模型构建步骤如下：

步骤1：标准化评估矩阵（X′）的构建：

式（1）~（3）中：X—初始评估矩阵；xij—第i个指标第j年的初始值；—第i个指标第j年的标准化值；i=1, 2, …, m,j=1, 2, …, n, m为评估指标数、n为评估年份数。

步骤2 ： 构建基于熵权的评估矩阵（Z=X′·wi，其中wi为第i项指标的权重，权重采用熵权法确定），并确定正理想解（z+）和负理想解（z-）：

步骤3：采用欧式计算法确定指标到正、负理想解的距离，计算公式为：

步骤4：计算综合评估值Tj，Tj∈（0, 1]。值越接近1表示该年水资源环境承载力越接近最优承载力水平，越接近0表示水资源环境承载力越接近最劣承载力水平。计算公式为：

2.1.2 模糊综合评判法

模糊综合评判的理论基础来源于模糊数学，利用模糊变换原理及隶属度理论将定性评估转化为定量评估，从而解决人们主观难以确定的问题。模型构建步骤如下[11]：

步骤2：使用“半梯形分布”构造各评估等级的隶属函数。评估等级集分为等。并确定指标对不同等级的隶属度rij，计算模糊关系矩阵R;

步骤3 ： 构建模糊综合评估矩阵Z（Z=R·W）。“·”为模糊算子，本文选择根据权重值大小平衡所有评估因素的M（·，+）模糊算子进行计算，使评估结果更为合理[12]。

步骤4：计算综合评估值并采用加权平均法确定隶属等级：

式中：j=1,0.8,0.6,0.4,0.2为各评估等级I，II，III，IV，V的秩。

2.2 预测方法

本研究利用灰色预测模型（即GM（1,1）模型），根据西安市水资源环境承载力指标体系中各相关因素对水资源环境系统的影响程度，建立模型并求解。步骤如下：

步骤4：通过对xˆ()1求导得到：

步骤5：计算相对误差e(t)：

步骤6：检验模型[13]。后验差比C值检验模型精度，越小越好，一般C＜0.35精度等级好，0.35≤C＜0.5精度合格，0.5≤C＜0.65勉强合格，C≥0.65不合格；小误差概率p＜0.7模型不合格，0.7≤p＜0.8模型勉强合格，0.8≤p＜0.95模型合格，p≥0.95模型精度很好。

2.3 评估与预测结果划分标准

本文在客观地TOPSIS法和主观的模糊综合评判法分别求综合评估值的基础上，通过加权平均求取综合得分。并参考国家标准、相关准则及研究成果，根据西安市实际，将水资源环境承载力指标划分为5个等级：I、II、III、IV和V。同时结合信号灯将承载状态与信号灯相对应，将其划分超载类型[14]。具体评估结果划分标准如表1所示。

表1 西安市水资源环境承载力评估与预测结果划分标准

3 实证研究

3.1 数据处理与权重计算

对标准化后的数据进行指标的信度分析来检验其稳定性和可靠性，避免个人主观判断对指标选择的影响[15]。基于原始数据的完整性与可获取性对比，本文选取西安市2006—2020年共15年的统计数据，采用SPSS软件对数据标准化，并利用克朗巴哈（Cronbach）α系数分析指标体系的信度[16]，结果表明，西安市水资源环境承载力指标体系的Cronbachα系数为0.902，＞0.9（若α≥0.9，指标体系十分可信；0.7≤α＜0.9，指标体系可接受；0.5≤α＜0.7，指标体系需修改；α＜0.5，指标体系需重新构建），表明所选指标体系具有较高的内在信度，能够较为客观地评估西安市水资源环境承载力。由熵权法求得水资源子系统各指标权重（表2）。

表2 西安市水资源环境承载力评价指标权重

3.2 水资源环境承载力评估结果及分析

基于2006—2020年西安市水资源环境相关数据，以TOPSIS评估法、模糊综合评判法作为理论基础，实证研究西安市水资源环境承载力状况，研究结果如图3所示。

图3 2006—2020年西安市水资源环境及各子系统承载力变化趋势

3.2.1 水资源环境承载力分析

如图3所示，从超载类型变化看，按照水资源环境承载力评估结果划分标准，西安市水资源环境承载力超载类型时间节点性明显，整体趋势向好，但涨幅不大。2006—2008年为超载水平，2009—2018年为临界超载水平，2019年上升为不超载，但2020年又降为临界超载水平。其中，2008年承载力水平最低，最低达到0.3521。随后，呈小幅持续增长，并在2019年承载力水平达到最高，最高为0.8051。

从综合评估等级和各指标变化趋势看，2006—2008年，西安市水资源环境承载力综合评估值介于0.3521~0.3857，处于IV级（橙灯）区间；2009年起西安市水资源环境承载力综合评估值上升较为明显，2009—2014年一直保持在III级（黄灯）状态，2015—2020年基本保持为II级（蓝灯）区间或以上，在2019年达到I级（绿灯）区间。综合评估值不断上升，表明水资源环境承载力能够为西安市社会经济发展提供基础保障。但2008、2012、2018和2020年这4年水资源环境承载力综合评估值出现微弱下降，究其原因，社会和经济的快速发展对水资源子系统承载力带来更大压力，水资源保障能力的提高仍无法满足这种飞速发展对水资源日益增长的需求。

3.2.2 子系统承载力分析

（1）水资源子系统评估结果分析：从各指标变化趋势和评估等级看（图3），2006—2020年西安市水资源子系统的综合评估值波动频繁，在2013年达到最小值0.4127，而后又出现上升，并变成幅度较小的波动，2020年达到最大值0.8083。评估等级基本都是II级或III级，仅在2020年达到最高级I级，信号灯则徘徊在黄/蓝灯之间，直到2020年信号灯变为了绿灯。

从该子系统内部看，2006—2020年，年降水量在423.9~723.6 mm波动。地表水资源量和产水模数在近15年时间内分别增加了0.96亿m3和0.1053万m3/km2。人均日生活用水量从2006年的126.5 L上升到2020年的176.38 L，虽上升幅度不大，但对水资源子系统的综合评分仍存在影响。工业取水量从2012年的15424.89万t迅速增加到2013年的最高值44480.28万t，是水资源子系统综合得分快速从2012年的0.4927下降到2013年的0.4127的原因之一。万元GDP用水量在2006—2020年一直保持较为稳定的下降趋势。

（2）水环境子系统评估结果分析：从各指标变化趋势和评估等级看（图3），2006—2020年西安市水环境子系统的综合评估值一直呈现上升的趋势，综合得分介于0.2412~0.8454。评估等级在2006—2009年处于IV级区间，2010—2014年处于III级区间，2015—2018年处于II级区间，2019—2020年上升为I级区间，信号灯则从2006年的橙灯一路上升为2020年的绿灯。

从该子系统内部看，废水排放总量虽上升幅度不大，但也从2006年的36631.5万t上升到了2020年的56581.24万t，原因可能是西安市人口的增加和工业化水平的提高导致生活污水排放量和工业废水排放量增加，但个别年份可能也会由于治理方案或政策等的实施，出现废水排放总量的快速下降，如从2019年的96602.7万t快速下降到2020年的56581.24万t，下降幅度达40021.46万t。化学需氧量去除量和氨氮去除量在2006—2020年，分别增加了281518.45 t和26463.95 t。污水处理厂处理能力从2006年的41万t/d一直持续上升到2020年的287.55万t/d，上升了246.55万t/d。而污水处理率和生态环境用水率虽然变化幅度不大，但是也一直处于不断向好的良好发展态势。

（3）社会子系统评估结果分析：从各指标变化趋势和评估等级看（图3），2006—2020年西安市社会子系统的综合评估值呈大致上升的趋势，综合得分介于0.4230~0.7316。评估等级在2006—2012年间处于III级区间，从2013年至今处于II级区间，信号灯则也是从2006—2012年一直保持的黄灯上升为2013—2020年的蓝灯。

从该子系统内部看，人口密度从2006年的745人/km2一直上升到2020年的969人/km2，上升了224人/km2；人口自然增长率从2006年的4.52‰一直上升到2020年的6.79‰，上升了2.27‰。城镇居民家庭和农村居民家庭恩格尔系数分别从2006年的34.4%和36.8%下降为2020年的28.1%和28%，分别下降了6.3%和8.8%；万人拥有医疗卫生机构床位数从2006年的42张/万人增加到2020年的76张/万人，增加了34张/万人。而人均公园绿地面积大致上也一直呈现出良好的发展趋势，仅在2017—2018年出现小幅度的下降，这可能也是导致社会子系统在2017—2018年综合得分下降的原因之一。

（4）经济子系统评估结果分析：从各指标变化趋势和评估等级看（图3），2006—2020年西安市经济子系统的综合评估值呈大致上升的趋势，综合得分介于0.2235~0.9368。评估等级在2006—2011年间处于IV级区间，2012—2014年处于III级区间，2015—2018年处于II级区间，2019—2020年上升到I级区间，信号灯则从2006年的橙灯上升为2020年的绿灯。

从该子系统内部看，人均国内生产总值从2006年的18567元/人增加到2020年的79181元/人，增加了60614元/人；城镇和农村居民人均可支配收入从2006年到2020年，分别增加了32808元和11941元；第二产业比重和第三产业比重近15年的变动趋势呈现出较明显的对称变化，如2012—2013年，第二产业比重增加了3.85%，第三产业比重减少了4.17%。节能环保支出近15年大致呈现出上升的趋势，仅在2015—2016年和2019—2020年出现小幅度的下降，这也是经济子系统综合得分在这两个区间降低的主要原因之一。

3.3 水资源环境承载力预测结果及分析

运用GM（1,1）模型对2006—2020年西安市水资源环境承载力进行预测，首先进行拟合，从图4可以看出，预测结果与原始值拟合效果良好。其次，C值0.027＜0.35且p＞0.95，代表模型精度等级非常好。误差计算见表3，模型相对误差最大值0.102≤0.2，表示模型拟合效果达到要求。

表3 西安市水资源环境承载力原始值与预测值的相对误差

图4 西安市水资源环境承载力原始值与灰色预测值拟合趋势

综上所述，误差要求合格，该模型可以预测西安市2021—2022年水资源环境承载力，并依次建立GM（1,1）模型预测水资源环境各子系统承载力。结合表4具体预测值来看，未来两年水资源环境承载力是逐年递增的，且都已达优质水平；水资源子系统承载力水平堪忧，承载力在未来两年居于蓝色信号灯水平；水环境、社会和经济子系统承载力是逐年递增的。这说明虽然个别子系统的水平堪忧，但对西安市水资源环境承载力整体水平影响较低，水资源环境承载力稳步迈向更好方向。未来西安市仍需重点关注水资源和社会子系统，将原本在经济、生态、资源利用等方面取得的优势最大化，实现四大系统的共同发展。

表4 西安市水资源环境承载力预测值

4 主要结论

（1）该评估指标体系有别于承载力现状评估，可以较好地反映西安市水资源环境承载力动态特征，对西安市水资源环境承载力研究具有很好的启示。此外，TOPSIS法作为一种客观地综合评估模型，依赖于各指标的原始数据，将其与较主观的模糊综合评判法相结合，能充分反映水资源环境承载力现状，运用GM（1,1）模型对水资源环境承载力发展趋势进行预测，为监管措施的制定提供参考，同时也对丰富水资源环境承载力评估与预测的方法体系具有一定的意义。

（2）总体而言，2006—2020年西安市水资源环境承载力综合评估值呈波动上升态势，时间节点性明显，评估等级由IV级（橙灯）上升到II级（蓝灯）；2021和2022年水资源环境承载力逐年递增，且都已达优质水平。就各子系统而言，2006—2020年，西安市水资源环境承载力各子系统的综合评估值均有所上升，水资源、水环境和经济3个子系统的评估等级均在2020年转至I级（绿灯），社会子系统由III级（黄灯）转至II级（蓝灯），各子系统发展趋势向好；2021和2022年，水环境和经济子系统均保持I级（绿灯），社会子系统在2022年将由II级（蓝灯）上升至I级（绿灯），水资源子系统水平仍堪忧，在未来两年将继续保持II级（蓝灯）。