范嘉煒， 黃錦林， 袁明道， 張旭輝， 譚 彩

(1.廣東省水利水電科學研究院 ，廣東 廣州 510635； 2.河口水利技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣東 廣州 510635； 3.廣東省粵港澳大灣區(qū)水安全保障工程技術研究中心， 廣東 廣州 510635)

1 研究背景

水資源承載力是影響地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要因素，也是衡量社會經(jīng)濟發(fā)展受水資源制約的閾值。水資源承載力通常受到多種因素共同作用，因此，對其進行科學合理地評價逐漸成為水利界所研究的重點問題之一[1-2]。

珠江三角洲位于珠江入?？?，是粵港澳大灣區(qū)的重要組成部分，也是我國南方地區(qū)對外開放的門戶，珠三角借助毗鄰港澳的沿海的地理優(yōu)勢，逐漸成為亞太地區(qū)最具活力的經(jīng)濟區(qū)之一[3-5]。

目前在水資源承載力的相關研究中，張杰等[6]建立了基于熵權的模糊綜合評價模型，對廣西省水資源可持續(xù)利用提出了建議；梁彩霞[7]以肇慶市為例，運用熵權法和因子分析法對區(qū)域水資源短缺風險進行了綜合評價；孫月峰等[8]采用基于熵權的模糊綜合評價方法對影響城市水資源安全的因素進行了合理評價；賀欣悅等[9]將熵權法和云理論相結合，對近中遠期目標年的水資源承載力進行了預測評價。雖然評價方法各有優(yōu)勢，但仍以傳統(tǒng)方法為主，且權重分配均基于承載系統(tǒng)整體，子系統(tǒng)對于承載力等級的影響分析不足，具有一定的局限性。本文將傳統(tǒng)熵權理論擴展至水資源承載子系統(tǒng)評價，結合灰關聯(lián)分析法，對珠三角區(qū)域水資源承載力空間差異性[10]進行分析，可改善目前在珠三角水資源承載力研究中仍以傳統(tǒng)熵權分配方法為主的現(xiàn)狀，提供科學合理的評價方法。

2 系統(tǒng)等級與標準化

2.1 系統(tǒng)等級

在基于傳統(tǒng)熵權的水資源承載力評價中，通常將承載力分為Ⅰ～Ⅴ級，其中Ⅰ級、Ⅲ級、Ⅴ級分別代表區(qū)域水資源承載力較高、一般和低下，Ⅱ、Ⅳ級為兩個過渡等級，可通過采取具有針對性地管理措施或合理的開發(fā)利用方式向較優(yōu)等級轉(zhuǎn)變。

水資源承載系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)共同組成，且各子系統(tǒng)的指標普遍具有不確定性、隨機性等特點。為改善評價工作合理性，深入分析影響珠三角區(qū)域水資源承載力因素，提出改善承載力的針對性建議和措施。

本文通過建立珠三角水資源承載力評價體系，將基于子系統(tǒng)的熵權理論應用于承載力系統(tǒng)分析中?；谧酉到y(tǒng)的等級表述詳見表1，Ⅱ、Ⅳ級仍為過渡等級，在表1中略去。

2.2 數(shù)據(jù)標準化

為克服數(shù)據(jù)之間由于量綱、不同取值標準等造成的差異，首先需利用數(shù)據(jù)標準化對指標數(shù)據(jù)和實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一。

本文根據(jù)各市水資源公報、統(tǒng)計年鑒[11]等，結合水資源承載力指標數(shù)據(jù)標準化方法的研究成果[12]，得出各市水資源承載力Ⅰ～Ⅴ級的指標數(shù)據(jù)標準化結果，見表2。

表1 珠三角水資源承載力子系統(tǒng)等級劃分

表2 珠三角水資源承載力評價指標數(shù)據(jù)標準化結果

(1)

(2)

經(jīng)公式(1)、(2)處理可以得到標準化后的各區(qū)域水資源承載力實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)，由于篇幅所限，具體數(shù)據(jù)在此不作羅列。

3 系統(tǒng)承載力分析

水資源承載系統(tǒng)屬于多指標共同作用的復雜體系，所求目標值無法通過單一的函數(shù)擬合得出，需借助關聯(lián)性分析模型來進行系統(tǒng)承載力分析評價。

熵權理論[6-9]可用來確定各個指標的重要程度，以減少在計算各個指標權重時產(chǎn)生的人為干擾。灰關聯(lián)分析法[13]可用來對比指標數(shù)據(jù)與統(tǒng)計數(shù)據(jù)的相關程度，客觀反映各指標間隱含的灰色特性。結合以上分析理論，本文提出了基于子系統(tǒng)的熵權分配方式，并與傳統(tǒng)熵權的評價結果進行對比，利用灰關聯(lián)分析法對區(qū)域水資源承載力進行深入分析，旨在為水資源承載力評價提供更加科學化、規(guī)范化的方式。

3.1 灰關聯(lián)分析

(3)

3.2 熵權與關聯(lián)度ej

3.2.1 傳統(tǒng)熵權的ej目前，在水資源承載力評價中廣泛應用的傳統(tǒng)熵權評價模型[9,18]可用公式(4)～(6)表示。其中Ei表示信息熵[19]，wi表示熵權，yij表示指標比重。

表3 2017年深圳市水資源承載力指標的灰關聯(lián)系數(shù)

(4)

(5)

(6)

(7)

以深圳市為例，深圳市在各等級下的ej可應用表4以傳統(tǒng)熵權加權求和得出。同理可得出其余城區(qū)基于傳統(tǒng)熵權分配方式的關聯(lián)度ej成果，與最大ej值相應的等級即為總等級。表4為珠三角城市群基于傳統(tǒng)熵權的ej成果。

3.2.2 子系統(tǒng)熵權的ej從上一節(jié)的分析結果可以看出，基于傳統(tǒng)熵權的關聯(lián)度ej雖然可以直觀地反映出珠三角各地區(qū)在不同等級下的關聯(lián)度成果，但對于各個子系統(tǒng)下的承載力情況卻無法得以體現(xiàn)，例如，根據(jù)表4的分析結果可知，廣州、佛山、中山、東莞、珠海5市的水資源承載等級均為Ⅳ級，惠州、肇慶兩市的水資源承載等級均為Ⅰ級，顯然無法從此結果中得出同級別地區(qū)間承載力的相似或差異之處。

另外，基于傳統(tǒng)熵權的承載力等級是一個宏觀層面的問題反映，高等級地區(qū)是否在各個子系統(tǒng)都全面優(yōu)于低等級地區(qū)同樣不得而知。針對此，本文對于珠三角地區(qū)間的水資源承載力特點和差異進行深入分析，以期為各地區(qū)水資源承載力評價提供更合理的方式。

表4 珠三角地區(qū)城市群不同等級的ej值與總等級

本文通過分析傳統(tǒng)熵權wi后，針對推求方法做出改進，提出了考慮子系統(tǒng)熵權影響的水資源承載力評價方法：分別計算每個子系統(tǒng)的熵權wi，公式(4)中的m不再沿用傳統(tǒng)定義的總指標數(shù)，而是每個子系統(tǒng)下的指標數(shù)，即mS1=3、mS2=4、mS3=5……，每個子系統(tǒng)的熵權和均為1。因此，可得出基于此定義下的水資源子系統(tǒng)熵權計算結果，具體權重分配見表5。

根據(jù)公式(7)的關聯(lián)度的定義，得出基于子系統(tǒng)熵權的珠三角地區(qū)各城市在5個承載力等級下的關聯(lián)度ej，在每個子系統(tǒng)下，取5個承載力等級中ej的最高值對應等級匯總于表6， 由于ArcGIS能更直觀地反映珠三角各市水資源承載力的空間分布情況，因此將各區(qū)域空間分布圖匯總于圖1。

表5 珠三角水資源承載子系統(tǒng)熵權權重

從表6和圖1的結果中可以看出，各地區(qū)間水資源承載子系統(tǒng)等級與總等級均存在差別：深圳市由于受S1、S2、S5子系統(tǒng)影響，總等級為Ⅴ級，但通過基于子系統(tǒng)熵權的ej分析后可發(fā)現(xiàn)，深圳市的S3、S4子系統(tǒng)均為Ⅰ級，即處于用水水平高、水資源質(zhì)量優(yōu)的良好狀態(tài)。這是基于傳統(tǒng)熵權的分析所是無法反映的。

同理可得出，S1、S2也是導致佛山、中山、廣州、東莞、珠海水資源承載力低下的主要因素。另外，水質(zhì)問題是目前社會熱點之一，東莞市在S4子系統(tǒng)(水資源質(zhì)量)的等級較其他城市低(Ⅳ級)，應予以重點關注，并采取相應的治理措施。江門、惠州和肇慶水資源承載等級較高，但S3子系統(tǒng)的承載等級較低，分別為Ⅴ級、Ⅳ級、Ⅴ級，在今后的城市發(fā)展建設中需注意用水水平的提高。這種特點與深圳市恰是相反的。

圖1 珠三角各市水資源承載力評價結果

分類廣州深圳佛山中山東莞珠?；葜萁T肇慶S1等級ⅣⅤⅣⅣⅤⅣⅠⅡⅠ相應ej0.7820.7410.8040.7750.6860.7441.0000.9540.732S2等級ⅣⅤⅣⅣⅢⅣⅢⅠⅠ相應ej0.6831.0000.7490.6620.7050.7170.7850.8050.975S3等級ⅡⅠⅢⅢⅡⅡⅣⅤⅤ相應ej0.6300.8780.6620.6910.7300.6720.6130.8080.715

續(xù)表6

分類廣州深圳佛山中山東莞珠海惠州江門肇慶S4等級ⅢⅠⅠⅡⅣⅡⅡⅢⅠ相應ej0.7810.7840.6440.7560.8520.7260.7660.6140.662S5等級ⅢⅤⅣⅠⅢⅣⅠⅢⅠ相應ej0.7710.7860.8040.6580.7250.7680.8760.7580.973總等級ⅣⅤⅣⅣⅣⅣⅠⅡⅠ相應ej0.6680.6440.6870.6440.6840.6290.7190.6560.709

4 結 論

(1)為科學地對珠三角地區(qū)水資源承載力，促進水資源合理開發(fā)和利用，本文基于子系統(tǒng)的熵權分配方式對指標熵權進行了合理劃分，與灰關聯(lián)分析法相結合，改善了目前在珠三角水資源承載力研究中仍以傳統(tǒng)熵權分配方法為主的現(xiàn)狀，提供更加合理的評價方法。

(2)各地區(qū)間水資源承載子系統(tǒng)等級與總等級均存在差別，除江門、惠州和肇慶外，其余地區(qū)水資源量不足，水資源開發(fā)利用程度已接近飽和；深圳、佛山、珠海3市由于受社會人口、經(jīng)濟發(fā)展過快影響，水資源供給對社會經(jīng)濟支持力較弱，已不能滿足經(jīng)濟發(fā)展需求；江門和肇慶水資源承載力總等級雖然較高，但工、農(nóng)業(yè)及居民生活用水效率低下，耗水率高，導致水資源未得到充分利用，應對此采取相應的治理措施；對于水資源質(zhì)量子系統(tǒng)，珠三角區(qū)域內(nèi)除東莞市外，污水處理與排放工作均落實到位，水質(zhì)情況優(yōu)良，S4等級處于較理想的水平。

(3)為改善區(qū)域內(nèi)水資源整體承載力，各區(qū)域應根據(jù)子系統(tǒng)現(xiàn)狀等級，有針對性地采取相應措施，合理分配在提高用水水平、改善城區(qū)水質(zhì)等方面的治理力度，以保證未來經(jīng)濟-環(huán)境-資源的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。