“三条红线”约束下的鄂尔多斯市水资源承载力评价

李 宁，张文丽，李经伟(内蒙古自治区水利科学研究院，呼和浩特 010020)

水资源承载力是指在某一具体的历史发展阶段下，以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据，以可持续发展为原则，以维护生态与环境良性发展为条件，经过合理的优化配置，水资源对该地区社会经济发展的最大支撑能力[1]。区域水资源承载力直接制约着社会经济的发展。因此，水资源承载力的评价对于指导区域合理充分利用水资源以及促进区域社会经济的可持续发展具有重要的现实意义。尤其是水资源管理“三条红线”提出后，区域的水资源承载力的量化评价更具有实际可操作性和指导性。本文以鄂尔多斯市为例，采用投影寻踪综合评价法对其在“三条红线”约束下的水资源承载力进行分析评价，并提出负载指数评价法对水资源承载力进行分析评价，以期为协调鄂尔多斯市水资源与社会经济发展关系提供参考。

1 研究区概况

鄂尔多斯市位于内蒙古自治区西南部，地处黄河几字湾鄂尔多斯高原腹地。市域面积达87 500 km2，东西长约400 km，南北宽约340 km。地理坐标为北纬37°35′24″～40°51′40″，东经106°42′40″～111°27′20″。鄂尔多斯市辖七旗一区，即鄂托克前旗、鄂托克旗、东胜区、达拉特旗、杭锦旗、准格尔旗、伊金霍洛旗和乌审旗。2012年全市总人口200.42万人。

近几年鄂尔多斯市经济发展迅速，2012年全市国内生产总值3 656.8亿元，已形成羊绒、煤炭、电力、冶金、化工五业并举、协同发展的经营格局。但鄂尔多斯市水资源贫乏，全市水资源量304 158.73万m3，人均水资源量1 517.61 m3，低于我国人均水资源量2 200 m3。

2014年6月，针对区域水资源过度开发、粗放利用、水污染严重3个方面的突出问题，鄂尔多斯市确立了水资源管理“三条红线”，主要是严格控制用水总量过快增长、着力提高用水效率、严格控制入河湖排污总量，对全市市辖旗区的水资源管理制度控制目标进行明确。

2 红线控制指标约束下的水资源承载力评价——基于投影寻踪综合评价法

2.1 投影寻踪综合评价法

投影寻踪法的数学描述为[2]：假设某一数据组的因变量为yi(i=1,2,…,n)，对应的自变量为{x*ij|i=1,2,…,n,j=1,2,…,m|}。如果运用传统的分析方法可以建立y=f(x)的函数关系。依据投影寻踪的思想，先将所有的自变量x进行线性投影得到对应的投影特征值zi，zi能够反映自变量x的综合特征，因此，可以建立y=f(z)的函数关系来代表y=f(x)的关系特征，从而达到变多元分析为一元分析的目的。

投影寻踪法建模的基本步骤如下：

设有m个指标确定的n个样本数据，样本数据表示为xij(i=1,2,…,n,j=1,2,…,m)：

(1)构造投影特征值函数z(i)为：

其中a={a1,a2,…,am}为投影方向向量，aj∈[-1,1]，向量a为单位长度向量。

(2)构造投影指标函数Q(a)。综合投影指标值时，要求投影值zi的散布特征应为：局部投影点尽可能密集，最好凝聚成若干个点团，而在整体上投影点团尽可能散开。因此，投影指标函数构造为：

式中：Sz为投影值zi的标准差；Dz为投影值zi的局部密度；E(z)为序列{zi|i=1,2,…,n}的平均值；R为局部密度的窗口半径(可以根据试验来确定)；rij表示样本之间的距离，rij=|zi-zj|；u(t)为一单位阶跃函数，当t≥0时，其值为1，当t<0时，其函数值为0。

(3)优化投影指标函数。通过求解投影指标函数最大化问题来估计最佳投影方向。优化的目标函数为：

maxQ(a)=SzDz

这是一个以{aj|j=1,2,…m}为优化变量的复杂非线性优化问题，本文应用DPS软件通过非线性优化算法求解最佳投影方向以及投影值。

(4)综合评价值。各投影值即是各样本的综合评价值。

2.2 评价指标的选定

选取鄂尔多斯市辖七旗一区“三条红线”控制指标中的用水总量、万元工业增加值用水量、水功能区水质达标率3项指标作为主要约束评价指标。

为保证评价指标的全面性，再选取工业用水重复利用率、亩均灌溉用水量、耕地灌溉百分比、生态环境用水率、人均生活用水量等5项指标作为评价指标。各评价指标数据的提取由《2012年鄂尔多斯市水资源公报》数据直接得到或是通过计算得到。各评价指标的具体数值见表1。

表1 鄂尔多斯市2012年各评价指标数据值

2.3 红线控制指标约束下的水资源承载力评价——基于投影寻踪综合评价法

采用投影寻踪综合评价法对红线控制指标约束下的鄂尔多斯市水资源承载力进行评价，具体步骤如下。

(1)按照指标体系层次结构排列各旗区2012年各评价指标数据值。

(2)边界值X+j、X-j的确定。在投影寻踪综合评价法的水资源承载力评价模型中，指标值越接近X+j的含义是水资源开发利用程度越高，水资源可开发潜力越小，反映的水资源承载力越小；指标值越接近X-j的含义是水资源开发利用程度越低，水资源可开发潜力越大，反映的水资源承载力越大。

对于选取的“三条红线”指标的边界值确定。依据边界值的含义，用水总量控制指标应作为上限边界值X+1，以用水总量控制指标的50%作为边界值下限边界值X-1；万元工业增加值用水量控制指标应作为下限边界值X-2，以万元工业增加值用水量控制指标的10%作为边界值上限边界值X+2；水功能区水质达标率以100%作为上限边界值X+3，以0%作为下限边界值X-3。

其他指标的边界值确定参照边界值的含义、区域规划和相关定额标准进行确定，不再赘述。

(3)各评价指标数据值的归一化处理。将各旗区2012年各评价指标数据值X1ij按照以下公式进行指标的归一化处理得到取值在[0,1]的处理后数据样本x1ij。

对于指标值越大水资源开发利用程度越高的指标x1ij=(X1ij-X-j)/(X+j-X-j)；对于指标值越大水资源开发利用程度越低的指标x1ij=(X+j-X1ij)/(X+j-X-j)。

(4)将隶属于同一层次指标的各分指标的样本数据输入DPS界面，通过求解得到投影值。投影值即鄂尔多斯市各旗区的水资源承载力综合评价值，综合评价值越大，水资源承载力越小；综合评价值越小，水资源承载力越大。

鄂尔多斯市各旗区归一化的评价指标值和水资源承载力综合评价值见表2。

表2 鄂尔多斯市各旗区基于投影寻踪法的水资源承载力综合评价值

(5)结合本文选取的投影寻踪评价方法，将水资源承载力划分为3个等级。

Ⅰ级：区域水资源开发利用程度较高，水资源承载力较小，综合评价指数为>1.0；

Ⅱ级：区域水资源开发利用程度一般，存在一定的水资源承载力，综合评价指数为0.6～1.0；

Ⅲ级：区域水资源开发利用程度较低，水资源承载力较大，综合评价指数为<0.6。

3 红线控制指标约束下的水资源承载力评价——基于负载指数

3.1 基于负载指数的水资源承载力评价模型

水资源负载指数模型所表达的物理意义是一定区域内水资源量与人口和国内生产总值之间的关系，反映了区域水资源利用程度和开发潜力[3,4]。本文引入“水资源负载指数模型”对红线控制指标约束下的鄂尔多斯市水资源承载力进行分析评价。区域水资源负载指数计算模型为：

式中：C为水资源负载指数；P为区域人口总数，万人；G为国内生产总值，亿元；W为区域水资源总量，亿m3；K为区域降雨量的分段函数；R为降雨量，mm。

3.2 参数的确定和计算结果

基于水资源负载指数的红线控制指标约束下的水资源承载力评价模型中，区域水资源总量W采用鄂尔多斯市各旗区的用水总量红线控制指标值，区域人口总数P和国内生产总值G采用2012年鄂尔多斯市各旗区的统计数据。

基于水资源负载指数的红线控制指标约束下的鄂尔多斯市水资源负载指数计算值和各旗区排序见表3。

表3 鄂尔多斯市各旗区的水资源负载指数值

4 评价结果分析与结论

(1)在对区域水资源承载力现状分析的基础上，运用投影寻踪综合评价法和负载指数法，对鄂尔多斯市各旗区在红线控制指标约束下的水资源承载力进行综合评价。

投影寻踪综合评价法的评价结论是，东胜区、准格尔旗、伊金霍洛旗的水资源开发利用程度较高，综合评价值分别为2.562 4、1.030 5、1.018 9，在“三条红线”约束下的水资源承载力相对较小，属于区域水资源承载力评价等级Ⅰ级；鄂托克前旗、达拉特旗、鄂托克旗和杭锦旗水资源开发利用程度一般，综合评价值分别为0.996 6、0.847 4、0.625 4、0.616 3，在“三条红线”约束下仍具有一定的水资源承载力，属于区域水资源承载力评价等级Ⅱ级；乌审旗水资源开发利用程度较低，综合评价值分别为0.508 4，在“三条红线”约束下具有较大的水资源承载力，属于区域水资源承载力评价等级Ⅲ级。

投影寻踪综合评价法综合各评价指标所反映的区域水资源承载力信息，对区域水资源承载力等级进行判别。由于其在选取的红线评价指标基础上，同时选取了其他5项评价指标，涵盖了区域水资源承载力情况的各方面信息，避免了单一指标信息的片面性；同时该方法客观地确定各个指标的权重，避免了人为主观臆断性。其评价结果准确、全面，能够准确判别评价等级，可为区域水资源的合理开发利用提供决策性依据。

相比较而言，负载指数法采用3个参数对区域水资源承载力进行概略评判，其优点是计算简便、数据易得，适用于资料缺乏情况下的区域水资源承载力评价。但由于其指标数据较少，评价结论不够准确、全面。负载指数法对在“三条红线”约束下水资源承载力评价结果显示，由于其参数少、反映的区域水资源信息少，从评价结果来看，与投影寻踪法相较，其评价结论只能粗略反映区域水资源承载力相对排序，不能准确判断承载力大小。

(2)基于投影寻踪法的水资源承载力综合评价结论给出了各评价区域的水资源承载力等级类别，各评价指标的潜力大小通过各指标的归一化数值反映，决策者可在综合评价结果的基础上针对具体指标进行水资源潜力挖掘，对于提出水资源合理开发利用措施具有指导意义。

从基于投影寻踪法的水资源承载力各评价指标值来看，鄂尔多斯市各旗区“三条红线”评价指标中，鄂托克旗、达拉特旗、伊金霍洛旗的现状水资源用水总量指标值归一化后分别为：0.998 8、0.997 9、0.986 2，已接近红线指标1，即接近区域水资源用水总量控制指标，用水总量潜力很小；鄂托克旗、达拉特旗的万元工业增加值用水量指标值归一化后分别为：0.493 5、0.643 8，较接近红线指标0，即较接近区域万元工业增加值用水量控制指标，现状用水效率偏低，用水效率仍存在提高的潜力；准格尔旗的现状水功能区达标率指标值归一化后为：0.330 0，较接近红线指标0，水功能区水质存在提高的潜力。

(3)依据水资源承载力综合评价结论，本文建议今后东胜区、准格尔旗、伊金霍洛旗应以维护生态与环境良性发展为前提，加强水资源管理，以节约用水、高效用水、提高污废水的回用效率为指导思路，严格限制高耗水、高污染的新上项目；已建项目加快生产工艺、设备的更新改造，淘汰落后工艺设备。同时大力推广非常规水资源的利用，即城市污水处理回用、疏干水和雨洪水利用技术。全市水资源空间分布不均匀，通过二期水权转换工程、节水工程建设、节水型社会建设和跨区域调水工程来平衡水资源与经济发展的问题，应高度重视水资源管理模式，大力提高水资源合理开发和有效利用，保障鄂尔多斯市的经济可持续发展。

(4)投影寻踪法是用来处理和分析高维数据的一类统计方法[5,6]，它通过把高维数据投影到低维子空间上，寻找出能够反映高维数据结构或特征的投影，从而研究和分析高维数据的特性，能够客观地确定各个指标的权重，避免人为主观臆断性。基于投影寻踪法的水资源承载力综合评价结果客观地反映了鄂尔多斯市水资源开发利用现状，对指导今后鄂尔多斯市水资源的可持续利用具有一定现实意义。

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[1] 王 浩，陈敏建，何希吾,等．西北地区水资源合理配置与承载能力研究[J]. 中国水利，2004，(22)：43-45.

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[3] 张 丹，封志明，刘登伟．基于负载指数的中国水资源三级流域分区开发潜力评价[J]．资源科学，2008，30(10)：1 471-1 477.

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