基于PSR-MSD模型的长江经济带水资源承载力评价研究

杨康煜　王妮菲　黄歌

摘要：水资源承载力是现有水资源能够持续支撑某地区历史发展阶段最大规模的能力和限度。本文采用PSR模型识别并建立了一套分为压力、状态、反应三个准则层包含17个指标涵盖了人口、产业、排污、水资源等多个方面的逻辑关系严密的指标体系。运用MSD模型计算各指标权重并得出水资源承载力综合评价值，绘出了2014—2018年间武汉市水资源承载力时空动态变化的曲线图以分析发展趋势。数据表明，武汉市的水资源承载力整体呈现逐年上升的态势，其中水资源压力层承载力变化较大。

Abstract： Water resources carrying capacity is the ability and limit of existing water resources to continue to support the largest scale of historical development in a region. This paper uses the PSR model to identify and establish a set of three criteria including pressure， state， and response. The 17 indicators cover the quantitative relationship system of population， industry， sewage， water resources and other aspects. The MSD model is used to calculate the weight of each index and the comprehensive evaluation value of water resources carrying capacity is obtained. The time-space dynamics of Wuhan water resources carrying capacity during 2014-2018 is plotted to analyze the development trend. The data show that the overall water resources carrying capacity of Wuhan City has been increasing year by year， and the bearing capacity of water resources pressure layer has changed greatly.

关键词：PSR模型;均方差决策模型;长江经济带;水资源承载力

Key words： PSR model;mean square error decision model;Yangtze River Economic Belt;water resources carrying capacity

中图分类号：TV213.4                                   文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）05-0290-04

0  引言

2018年4月26日，习近平在武汉主持召开深入推动长江经济带发展座谈会，指出要把修复长江生态环境摆在压倒性位置，共抓大保护、不搞大开发，努力把长江经济带建设成为生态更优美、交通更顺畅、经济更协调、市场更统一、机制更科学的黄金经济带。在长江经济带战略背景下，武汉市将持续推进水生态文明建设，严格按照《武汉市水生态文明建设规划》，高点站位擘画“一核、两轴、四片、百湖”的水生态建设总格局，确保水生态文明建设“一个城市一张蓝图绘到底”。

水资源承载力是城市水环境承载力的演化进程之一，集中反映了一个城市在有限的资源条件下的发展程度和发展规模的最大限度，是自然资源与经济社会发展相适应的重要指标。对于衡量现阶段武汉市自然资源利用与经济发展相适应程度具有重要的指引作用。

目前对于水资源承载力的研究，主要集中在供需平衡理论、多目标决策分析理论、系统动力学理论、熵权理论等。其中具有代表性的研究方法如主成分分析法[3]，但该方法的难点在于降维算法的确定。动态聚类法[4]，缺点在于在样本量较大时，往往会产生聚类分析的偏差，从而影响评价结果。熵权模型[6，7]可避免在计算各个指标权重时产生的人为干扰，但该方法的缺点在于基于熵权的承载力表现为一个宏观层面的结果，对于各个子系统的分析结果难以得知。MSD决策法[9-12]是一种客观赋权方法，国内已有学者用于评价地区区域资源承载力，如张玥、郑玮锋使用均方差决策模型评价厦门市的区域承载力[9];欧弢、廖顺宽等人采用均方差决策模型确定综合承载力权重，然后再借助GIS空间分析技术计算区域资源环境综合承载力[11]。也有学者使用均方差决策模型进行资源可持续利用评价，如王莉芳、周妹和运用均方差决策模型对2007-2012年天津市水资源可持续利用进行评价[10];刘春艳、冯艳玲运用层次分析法构建土地资源承载力的综合评价指标体系，用均方差权值决策法确定各指标权重，对吉林市的土地资源承载力状况进行实证分析评价[12]。该方法可以解决决策方法存在的主观性误差，同时也在一定程度上摆脱了个别客观赋权法存在的局限，且具有简便直观的特点，可以用于全面的反应水资源承载力状况。

1  水资源承载力PSR模型

PSR模型指Pressure（压力）—State（状态）—Response（反应），包括三个部分：其中压力指标表征引起状态变化的因素，主要是导致不可持续发展的经济发展模式和环境现状;状态代表由于压力影响而产生的变化，而这些变化的性质一般与压力的性质相反，并且同一性质的状态指标会与压力指标呈现正相关的变化关系;反应表示造成压力指标的主体在察觉到状态产生变化后所采取的应对措施[1]。PSR模型最早用于研究资源利用和可持续发展用以评价世界环境状况，可以建立一套逻辑上相互关联、完整的指标体系，具有很强的通用性和代表性。

本文仅就水资源一种资源在局部地区的开发利用和可持续发展状况作为研究重点，采用PSR模型识别并建立一套逻辑关系严密的指标体系，并针对武汉市发展和水资源现状对所识别的指标体系进行约简[4]。参考前人研究成果并综合多个方面因素，选取17个指标构建水资源承载力评价指标体系，详见表1所示。

①压力层指标。主要包括污水排放量、工业用水量、农业用水量等对武汉市水资源造成承载压力的指标，概括了人口、产业、排污、城鎮化发展四个方面。

②状态层指标。主要包括供水模数、人均水资源量、水资源总量等可以反映武汉市水资源现状和社会经济发展现状的指标。

③反应层指标。主要包括污水厂集中处理率、水力发电量、再生水利用量等保护水资源可持续发展的措施且能产生的效益的度量指标。

2  水资源承载力MSD模型

MSD模型指Mean Squared Difference（均方差决策模型）。均方差决策模型，是一种确定权重因子的客观加权方法，均方差决策模型可以避免出于主观因素而出现的主观随意性，让结果更具有代表性和权威性。

均方差决策分析法作为一种决定多指标综合评价指标体系中指标权系数的客观赋权法，可以作为本文中对水资源承载力评价的方法，用以解决水资源承载力评价指标体系的赋权问题和评价方法问题。

2.1 无量纲化处理

本文中，水资源承载力对应一个目标层即M={M}，下分三个准则层即，准则层中分17个指标其属性值为Cij（i=1，2，…，n;j=1，2…，m），由于不同的指标具有不同的量纲和量纲单位，为避免影响最终的决策结果，先将各指标进行无量纲化处理。

对于正向指标，如污水处理厂集中处理率、人均绿地面积等：

i=1，2，…，n;j=1，2，…，m       （1）

对于逆向指标，如污水排放量、城镇化率、人口密

度等：

i=1，2，…，n;j=1，2，…，m       （2）

式中，yij为准则层i的第j个指标的标准化值，Cij为准则层i的第j个指标的现状值。max Cj和min Cj分别为指标Cj的最大值和最小值。m和n表示i和j可取集合中的所有数字序列。

2.2 MSD法决策步骤

①求随机变量yij的均值：

②求yj的均方差：

③求指标yj的权重：

2.3 承载力综合评价指标计算

采用综合指数法用以计算3个准则层的水资源承载力综合评价值。

计算公式如下：

式中，yij为随机变量，wj为权重。

2.4 评价等级确定

由均方差决策模型计算出的权重数值是一个在0到1之间的数，评价标准按数值的大小进行等级分级，数值越大说明水资源承载力越强，参考其他学者的评价模式，可将评价等级分为如下五个等级，见表2所示。

3  实例分析

3.1 研究区概况

长江经济带是指长江附近的经济圈，长江经济带包括上海、江苏、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重庆、四川、云南、贵州等11个省市。占地面积约205万平方公里，总人口和产值超过全国的40%，拥有中国东部、西部和中部三大主要地区，有独特的优势和巨大的发展潜力，改革开放以来长江经济带对外开放已发展成为综合实力最强、战略支撑力最强的地区之一。

国务院办公厅《长江经济带发展趋势规划纲要》将上海市、武汉市、重庆市列入超大城市。武汉市凭着优异的自然地理位列入长江经济带关键大城市。总体来看，武汉市的水资源较为充沛：现有水面总面积2117.6km2，约占全市国土面积1/4，其中，境内河流5km以上的有165条，水面面积471.31km2;全市列入保护目录的湖泊有166个，水域蓝线控制面积867.07km2;全市过境水总量6731亿m3，水库共264座（其中大型水库3座、中型水库6座），总库容8.75亿m3。2018年全市总用水量36.23亿m3，按农业、工业、生活、生态环境统计，其中农业用水量8.97亿m3，工业用水量14.93亿m3，生活用水量11.89亿m3，生态环境用水量0.44亿m3，全市水资源总量35.16亿m3，其中地表水、地下水重复计算量为6.70亿m3，产水模数41.39万m3/km2，全市人均用水量327m3。武汉市在长江经济带建设中的作用越来越重要，具有巨大的发展潜力和优势，所以准确把握武汉市水资源承载力动态变化对于推进武汉市乃至整个长江经济带的“共抓大保护”战略举措具有重要意义。

3.2 PSR-MSD模型计算

本文研究数据均来自于2014年至2018年武汉市水务局所发布的《水资源公报》、《武汉市水环境状况》及武汉市统计局所发布的《武汉市统计年鉴》等。首先对所得数据进行无量纲化处理，再运用均方差决策模型计算出各指标权重，见表3所示。

3.3 武汉市水资源承载力变化评价分析

已知各指标权重，根据上述承载力综合评价指标计算方法计算武汉市2014-2018年各准则层承载力和武汉市水资源综合承载力，见表4所示。再根据计算所得数据，绘出武汉市 2014-2018 年的水资源承载力变化趋势，见图1所示。

由表4及图1结果可以看出：

①武汉市的水资源承载力整体呈现逐年上升的态势。其中水资源压力层承载力变化较大，主要是与近年来武汉市经济的快速发展有关。武汉市的城镇化率近年逐年增长，并且人口密度因高校不断扩招、外来务工人员增多等多方面因素影响而不断增大。武汉市的工业企业的污水排放在2014至2015年间并未得到切实有效的整改，工业污水排放尚未得到控制。随着武汉市的快速发展，对水资源的需求和废污水排放的压力不断加大。导致2014至2015年间，压力层承载力大幅下降。在2015年以后，压力层承载力明显增长，其变化主要与武汉市水环境治理措施转型有关。武汉市查處工业废水乱排乱放的力度加大，严令整改环保设备不达标企业，推行“四水共治”水环境治理有效措施，将水治理工作作为工作重心，并且积极进行了产业结构转型，提高了用水效率，改变了武汉市的城市水环境面貌。

②状态层与反应层承载力都呈现不断增长的趋势，同时状态层承载力略大于反映层承载力。以2016年两准则层承载力大致相等为界限。在2016年以前，由于武汉市本身丰富的水资源和较为密集的水网系统，武汉市可以利用的自然水资源承载力较大，而使得状态层承载力略大于反映层承载力。2016年以后，随着各种环保措施力度加大和环保政策出台，武汉市对于污水处理、水重复利用等方面投入增加，城市污水处理系统日趋完善。同时武汉市开始发展转型、调整产业结构，走新型工业化道路，推行“四水共治”水治理模式，使得反应层承载力大于状态层承载力。

4  结语

武汉市的水资源承载力变化，主要与武汉市的社会经济发展和水环境治理密切相关。随着武汉市的发展愈加迅速，城市污水排放和水供需压力将越来越大。所以积极投入建设城市基础设施（城市水管网、污水处理系统等）、控制城市水污染水平和污水排放及维护现阶段水环境治理成果等措施对于武汉市水生态文明建设具有重要意义。在长江经济带战略背景下，武汉的未来发展必须一方面谋求促进经济发展机遇以转变和改善经济发展，一方面也必须继续促进环境的改善。环境保护要从基础设施建设、环保技术发展创新和生态保护模式创新等角度入手，多维促进长江经济区的经济建设和环境协调，以实现共同的发展目标。

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