水资源承载力诊断体系构建及关键诊断因子识别

卞锦宇，黄昌硕，耿雷华，方 瑞，王远坤

(1.南京水利科学研究院，水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210029；2.江苏省水文水资源勘测局，南京 210029；3.南京大学，南京 210023)

水资源承载力是度量水资源的基本安全和衡量区域可持续发展的一项重要指标。在资源环境开发利用保护的全过程中，首先需要明确资源环境有多大的空间和承载能力，需要抓住能有效识别区域水资源承载力的关键驱动因子，建立有效科学的水资源承载力诊断体系，从源头来控制使得资源环境相均衡。水资源承载力影响因素复杂，需要综合考虑区域社会、经济、资源、生态环境等多个系统的作用及其相互影响[1]，是一个多元的复杂体系，所以明确主体影响因素对水资源承载力研究具有重要意义。

本文在水量、水质等常规要素的基础上，进一步延伸水资源主体要素，拓展水域空间及水能资源开发利用，探讨水域空间、水流动力等特征对水资源承载力的影响因素，建立有效科学的诊断体系，识别区域水资源承载能力的关键驱动因子，是开展定量分析评价水资源承载力的重要基础工作，进而开展客观判断水资源承载能力与支撑小康社会建设、经济社会发展布局的匹配关系研究。

1 国内外研究进展

国际上水资源承载力的单项研究成果较少，大多将其纳入可持续发展理论范畴[2]。如Joardor等从供水角度对城市水资源承载能力进行了分析，并将其纳入城市发展规划当中[3]；Rijberman等在研究城市水资源评价和管理体系时，将水资源承载能力作为城市水资源安全保障的衡量的标准[4]；Harris着重研究了农业生产区域水资源农业承载力，将此作为区域发展潜力的一项衡量标准[5]。

国内水资源承载能力研究始于20世纪80年代，1989年新疆水资源软科学课题组首次对新疆的水资源承载能力和开发战略进行了研究。此后，随着国家可持续发展战略的实施，区域水资源承载能力逐渐成为资源环境领域的研究热点之一，学者们围绕水资源承载能力的概念、内涵、特征、表征指标、评估方法等进行了大量的研究，并提出了诸多观点、概念和方法。在国家层面，科技部、水利部等部门通过设置重点科技攻关项目“西北地区水资源合理开发利用与生态环境保护研究”、国家重点基础研究发展计划项目“黄河流域水资源可再生性理论与评价”、全国水资源综合规划专题项目“水资源承载能力评价方法及其应用研究”、“提高水资源承载能力的综合对策措施与方法技术研究”等，使得区域水资源承载能力研究得到充分发展。

目前针对水资源承载能力的概念和内涵尚未形成统一、公认的界定，从成因上判断水资源承载能力的诊断体系还未有成熟研究，基于区域社会、经济、资源、生态环境等多重影响因素的诊断体系有待进一步完善，区域尺度上水资源承载能力的关键驱动因子尚不是十分明确。

2 水资源承载力概念定义

水资源承载力是随着人类对水资源问题认识的不断深入以及环境科学的发展而被提出并不断完善的[6]，从最初的水资源承载力到后来由于污染问题日益严重而被提出的水环境承载力[7-12]，再到考虑整个生态系统健康发展、包含了水资源、水环境及其他与水有关的水生态承载力[13-16]，反映了不同的历史发展阶段，人与社会和谐发展所面临的不同挑战以及生态环境日益严重问题。为此，在水利部新一轮的水资源承载能力监测与预警技术大纲中，综合考虑水资源承载力的内涵、特征，将水资源承载能力定义为“可预见的时期内在满足合理的河道内生态环境用水和保护生态环境的前提下，综合考虑来水情况、工况条件、用水需求等因素，水资源承载经济社会的最大负荷”[17]。

但是随着社会日新月异的发展，经济社会与水资源、水环境的关系越发密切，不仅表现在对水量、水质的需求，并且一定程度的延伸至对水域空间以及水体流动带来的水体更新、能量循环等的需求。因此本文基于水资源的水量、水质、水域、水流四要素，将水资源承载力概念定义为：在一定流域或区域内，在特定社会、经济与技术条件下，在可预见的时期内在满足合理的河道内生态环境用水、保护生态环境和保障合理的水域空间的前提下，在维持河道内水流更新、水体循环的功能基础上，水资源能够持续支撑的合理程度的经济社会发展规模，并维系良好的流域或区域可持续发展的能力。

3 水资源承载力影响因素分析

水资源承载力可以分为承载主体与承载客体。水资源承载力的承载主体是可以有效利用的水资源，承载客体是经济系统、社会系统、生态系统和环境系统。无论是承载主体还是承载客体都会对水资源承载力产生影响，包括水量、水质、水域、水流四要素下的承载力，主体和客体都会对其发生影响作用，反映在区域水资源、自然地理环境条件、经济社会、技术、管理等方面的作用。因此可以从承载力主客体出发，分析自然水系统、社会经济系统、生态环境系统的结构和功能作用于水资源承载力的影响，具体分类及相关影响因素见表1。

4 水资源承载力诊断体系

4.1 诊断框架

从国内外的实际应用情况看，指标体系多采用多指标层次分析法。从诊断目标出发，围绕诊断对象影响因素逐层展开，有利于构建全面、清晰的诊断结构。因此，本文建立由目标层、要素层、表征层和指标层构成的多层次水资源承载力诊断指标体系。

(1)目标层。水资源承载力作为总目标层，反映我国水资源承载力在水量、水质、水域、水流等方面所处的状态。水资源承载力研究是要实现水资源对社会经济、生态环境的贡献，能支持社会经济的可持续发展，诊断的目标是辨识影响区域水资源承载状况或水平的主要因素，识别造成水资源承载力高低的关键驱动因子，以此作为提高水资源承载力的调控因子，从而为促进水资源承载水平提出对策和建议。

表1 水资源承载力影响因素

续表1 水资源承载力影响因素

(2)要素层。要素层包括4个方面：①水量要素，是指在保障合理生态用水的前提下，允许经济社会取用的最大水量；②水质要素，是指在满足水域使用功能水质要求的前提下，一个区域或水体允许开发利用的水环境容量的上限，即允许排入污染的数量阈值；③水域要素，是指一个区域的水体水面、滩涂、滨岸等空间允许开发利用的上限；④水流要素，是指在天然状态或人类活动下的河湖水流动状况及由水流动形成的河湖水流更新状况。

(3)表征层。针对水资源承载力主客体，其表征分别为承载能力和承载负荷，分别表示水资源对社会经济、生态环境发展的支撑力以及后者对水资源利用的压力，为此要素层也可从能力和负荷两方面进行分析，并用表征指标表示。

(4)指标层。指标层是指定义清晰、可通过直接的计算或从统计资料中获得的指标变量。指标层是构成水资源承载力诊断指标体系的最基本的元素。

区域水资源承载力分成水量、水质、水域、水流四要素，分别从水资源承载能力和负荷两方面表征，确立四要素的能力与负荷8个表征指标，构建相应的诊断指标，形成由目标层、要素层、表征层及指标层构成的多层次、分要素、能力-负荷双向表征的水资源承载力诊断指标体系，见图1。若水量、水质、水生态、水流的区域水资源承载能力表征指标大于、等于、小于水资源承载负荷表征指标，则该区域判为不超载、临界超载、超载。

图1 水资源承载力诊断指标体系框架

4.2 诊断指标初集

根据水资源承载力诊断指标体系框架，针对量、质、域、流四要素的能力与负荷表征指标，基于承载力影响因素分析筛选，选取出与水资源承载力相关的各项指标，构建水资源承载力诊断指标集，具体指标见表2～表5。

4.3 关键诊断指标识别

4.3.1 诊断识别方法

熵权法是用于指标筛选识别的常用方法之一，其基本原理是根据指标变异性的大小来确定客观权重，以此确定指标重要程度。一般来说，若某个指标的信息熵Ei越小，表明指标值得变异程度越大，提供的信息量越多，在综合评价中所能起到的作用也越大，其权重也就越大。相反，某个指标的信息熵Ei越大，表明指标值得变异程度越小，提供的信息量也越少，在综合评价中所起到的作用也越小，其权重也就越小。

表2 水资源承载力水量要素诊断指标集

表3 水资源承载力水质要素诊断指标集

表4 水资源承载力水域要素诊断指标集

熵权法赋权步骤如下。

(1)数据标准化。假设给定了k个指标X1，X2，…，Xk，其中Xi={x1，x2，…，xn}。假设对各指标数据标准化后的值为Y1，Y2，…，Yk，那么：

(1)

(2)求各指标的信息熵。根据信息论中信息熵的定义，一组数据的信息熵：

(2)

(3)

(3)确定各指标权重。根据信息熵的计算公式，计算出各个指标的信息熵为E1，E2，…，Ek。通过信息熵计算各指标的权重：

(4)

4.3.2 水量、水质诊断指标识别

搜集全国1997-2016年共20 a的水量、水质诊断指标数据，统计数据来源于中国统计年鉴、水资源公报、环境公报及中国气象局资料等。

根据数据收集情况，共确定水量类23个指标，其中能力表征指标为区域可利用水量，能力诊断指标包括：降水量、蒸发量、水资源总量、地表水资源量、地下水资源量、大中型水库蓄水量、跨流域调水量、干旱指数、人均水资源量；负荷表征指标为区域总用水量，负荷诊断指标包括：人口密度、城镇化率、人均GDP、第三产业用水比例、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、城镇居民人均用水量、农村居民人均用水量、水资源开发利用率、人均用水量、地下水开采量、第三产业产值占国内总产值比例。

分别对能力表征指标、负荷表征指标进行了熵权法计算，结果列于表6。由表6可知：能力诊断指标中，降水量、水资源总量、大中型水库蓄水量所占权重较大，分别为31.2%、21.61%、19.07%；负荷诊断指标中，人口密度、万元工业增加值用水量、万元GDP用水量、水资源开发利用率占权重较大，分别为30.1%、24.23%、22.24%和17.53%。以此确定水量要素关键诊断因子，结果见表7。

表7 水量要素关键诊断因子识别结果

采用同样方法进行水质要素的能力表征指标、负荷表征指标进行诊断指标权重计算，根据权重排序得到关键诊断因子，结果见表8。

表8 水质要素关键诊断因子识别结果

4.3.3 水域、水流要素关键指标识别

受资料条件限制，本次尚未收集到关于水域、水流要素诊断指标的系列年份数据，故采用DEMATEL(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory)法进行关键因子识别。DEMATEL方法中文含义是决策试行与评价实验室，是1971年在日内瓦的Battelle协会上，为了解决现实世界中复杂困难问题而提出的方法，该法是进行因素分析与识别的一种有效方法。这种方法充分利用专家的经验和知识来处理复杂的社会问题，主要使用图论理论，以构造图的矩阵演算为中心，其核心是通过计算各因素受到所有其他因素的影响度和被影响度，得到反映每一个因素影响程度的中心度和原因度，中心度表示该因素在系统中的重要程度，原因度表示该因素与其他因素的因果逻辑关系程度，再根据中心度和原因度判定出各个因素的重要程度。图2和图3为水域要素和水流要素诊断因子识别结果图。

图2 水域要素诊断因子识别结果图

图3 水流要素诊断因子识别结果图

根据图2，第一象限内的因素天然水域面积率K1、降水量K3、年径流量K6、实际水域面积率K7，属于水资源承载力水域要素的关键影响因素；第四象限内的因素生态基流保证率K5、水系阻隔率K12、景观破碎度K14、水土流失率K15、植被覆盖率K16、水文连接度K19中心度较高，但原因度较低且为负，属于次要因素；第二象限内的因素湿地减少率K8、地下水超采率K9、地面沉降面积比K10、地下水位降落漏斗面积变化率K11原因度较高，但中心度偏低；第三象限内的因素河道基流量K2、河湖补水量K13、城市绿化用水量K17中心度都偏低，且原因度为负，说明不对其他因素产生驱动作用，且对系统的影响较低。关键诊断指标基本属于第一和第四象限，具体见表9。

表9 水域要素关键诊断因子识别结果

根据图3，第一象限内的因素年径流量X5、实际水体年更新水量X6、年径流变化率X8、水能开发利用率X9、水系连通性X11中心度和原因度均较高，因此这些因素是水资源承载力水流要素影响的关键因素；第四象限内的因素天然水体年更新水量X1、水体换水周期X2、河道断流天数X10中心度较高，但原因度较低且为负，属于次要因素；第二象限内的因素河网密度X3、河道比降原因度X4、中心度都偏低；第三象限内的因素流量过程变异程度X7、水库调蓄系数X12、水体自净能力X13原因度和中心度都偏低，且原因度为负，说明不对其他因素产生驱动作用，且对系统的影响较低。关键诊断因子基本属于第一和第四象限，具体见表10。

表10 水流要素关键诊断因子识别结果

4.3.4 识别结果分析

根据各要素指标识别结果，识别出的关键诊断因子基本都是与各要素相关度较高的指标，以水量要素为例，关键驱动因子降水量、水资源总量与能力表征指标区域可利用水量相关性都较好(见图4)，两两相关性系数都在0.9以上。关键驱动因子人口密度、万元GDP用水量与负荷表征指标区域总用水量相关性都较好(见图4)，两两相关性系数都在0.8以上。降水量的多少是衡量一个地区水资源丰富程度的重要方面，是决定区域水资源总量的主要因素之一，我国降水量地区分布很不均匀，导致地区水资源分布出现很大差异，造成区域水资源禀赋条件的自然差异较大，从而造成水资源承载主体的差异；水资源总量是表征水资源数量的主要指标，是影响水资源承载主体即水资源可利用量的最直接的自然因素；大中型水库蓄水量是反映水资源开发利用的工程调蓄能力，是影响水资源承载主体的人为因素。人口密度是反映区域人口状况的社会因素，万元GDP用水量、万元工业增加值用水量为经济因素，涉及的人口、经济发展是造成水资源消耗的主体负荷，因此作为负荷表征指标关键诊断因子是合理的。

图4 水量要素关键诊断因子与表征指标相关性

5 结 语

本文从自然条件、社会经济、生态环境等方面提出水资源承载力影响因素，结合水资源承载力四要素，从水量、水质、水域、水流四要素确定水资源承载能力和负荷表征指标，并针对表征指标分别确定诊断指标，构建了水资源承载力诊断指标体系，主要研究成果包括以下几个方面：

(1)提出了基于水资源的量、质、域、流四要素的水资源承载力概念定义。

(2)根据水资源承载力主客体特性，从影响承载力主体的自然水系统、影响承载力客体的社会经济系统、生态环境系统提出水资源承载力影响因素，构建水资源承载力影响因素基础集。

(3)构建由目标层、要素层、表征层及指标层构成的多层次、分要素、能力-负荷双向表征的水资源承载力诊断指标体系。其中要素分为水量、水质、水域、水流，水资源承载力表征分为能力和负荷两方面，水量要素能力和负荷表征指标分别为区域可利用的水量/区域用水量，水质要素能力和负荷表征指标分别水功能区纳污能力/水功能区污染物排放量，水域要素能力与负荷表征指标为天然水域面积率/实际水域面积率，水流要素能力和负荷表征指标分别天然水体年更新水量/实际水体年更新水量。

(4)进行了水资源承载力关键诊断指标识别，收集全国1997-2016年水资源承载能力和负荷指标相关数据，采用熵权法等进行关键诊断因子识别，识别结果为：水量要素能力表征指标“区域可利用的水量”的关键诊断因子为降水量、水资源总量、大中型水库蓄水量，水量要素负荷表征指标“区域用水量”的关键诊断驱动因子为人口密度、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、水资源开发利用率等；水质要素能力表征指标关键诊断因子为水功能区入河污染物限排量、河道年平均流速等，负荷表征指标关键诊断因子为氨氮排放总量、COD排放总量、城市污水处理率等；水域要素能力表征指标的关键诊断因子为降水量、年径流量等，负荷表征指标的关键诊断因子为水土流失率、植被覆盖率等；水流要素能力表征指标的关键诊断因子为年径流量、水体换水周期等，负荷表征指标的关键诊断驱动因子为水系连通性、年径流变化率等。