贵州高原水环境承载力时空演化分析

尚海龙，撒慧丽

(凯里学院旅游学院，贵州 凯里 556011)

0 引 言

水环境作为社会、经济系统赖以存在与发展的基本因素，其承载能力状况对区域发展具有重要作用[1]。随着区域水资源供需矛盾的日趋突出，水资源分布不均与水环境污染已成为制约社会经济健康发展的“瓶颈”[2]。高效保育水资源，科学提升与调控区域水环境承载力，已经成为欠发达区域生态保护与高质量发展亟需解决的重要问题。

水环境承载力(Water Environmental Carrying Capacity，WECC)是指一定时期、某种水环境状态下，具体区域范围内水环境对人类社会经济活动支持能力的阈值[3]。它是评价区域可持续发展的重要依据和有效方式[4]，其也可以作为衡量区域社会经济与生态环境协调程度的一种判据[5]。目前，关于水环境承载力的研究，国外文献较少，主要参见于可持续发展相关成果中[6- 8]。国内对于水环境承载力的研究方兴未艾，现已成为水科学领域的热点问题之一，专家学者主要从研究方法[9-11]、评价指标体系构建[12-14]和测度模型[15-17]等维度对于流域[12，18-19]、湖库[13，20-21]、城市[5，14，22]等区域的水环境承载力进行研究。纵览已有成果，为区域进行水资源保护与优化配置提供了科学依据，对于促进自然—经济—社会系统的可持续发展具有重要的启发意义和实践价值。但是，学术界关于水环境承载力概念和方法体系的统一认知问题尚未解决，且实证研究领域亟待拓宽，比如探讨高原高原水环境承载力的学术文献仍尚属鲜见。

有鉴于此，本文以西南典型岩溶区贵州高原为研究区域，运用连续年份统计数据，构建水环境承载力评价指标体系与测算模型，对水环境承载力进行测算、判定与分析，并揭示其动态变化规律及主要影响因素，以期为协调高原经济增长与水环境保育关系提供一定参考。

1 研究区概况

贵州高原(103°31′N～109°30′E，24°30′E～29°13′N)位于长江和珠江水系交错地带，为两大水系上游地区的重要生态屏障。它地处云贵高原东斜坡地带，是西南岩溶地区的主体与中心，地势西高东低，山地广布，平均海拔在1 100 m左右，包含毕节、六盘水、安顺等9个地州市。境内碳酸盐岩分布面积12.96万km2，占国土总面积的71.7%，是世界上岩溶面积最集中、最典型、最复杂的区域之一。受亚热带高原山地季风气候影响，降水多集中于夏季，多年平均降水量达1 100～1 300 mm，相对湿度在70%以上，多年水资源总量均值为985.25亿m3，人均拥有水资源2 676 m3，不仅是国内降水量比较丰富的地区，而且也是年变率较小的地区。但由于受特殊的地形地貌与强烈发育的岩溶限制，地表水开发利用难度较大，地下水赋存条件复杂多样。21世纪以来，水资源平均利用率仅为10.07%，致使工程性、资源性及水质性缺水问题十分突出，这对贵州高原与长江、珠江上游地带经济社会可持续发展具有较大制约作用。

2 研究方法与数据来源

2.1 评价指标体系构建

影响水环境承载力的因子复杂多样，指标分布主要涉及社会经济、水资源和水生态方面。这3大子系统在不断交互作用(见图1)[22]中逐渐形成了一个综合性复杂系统。以此为前提，构建贵州高原水环境承载力评价指标体系，是进行水环境承载力评价的核心。

图1 水环境承载力3大子系统相互关系与作用机制

本研究依据国家发展改革委印发的《绿色发展指标体系》和《生态文明建设考核目标体系》、贵州省新闻办发布的《贵州省生态文明建设目标评价考核办法(试行)》等文件，在参考水环境承载力权威研究文献[5，22-25]基础上，充分考虑研究区生态环境与水资源发展现状，并遵循科学性、代表性、相对独立性与数据可得性原则，从3大子系统中整合了使用频率较高的具体评价指标，经过合并与剔除，最终构建了贵州高原水环境承载力指标体系(见表1)。社会经济子系统包含人均GDP、城镇化水平、人口密度等5个具体指标，主要表征研究区人口状况、产业结构及经济发展水平；水资源子系统包括人均水资源量、水资源开发利用率、单位GDP用水量等6个具体指标，主要表征研究区水资源禀赋、供需平衡与开发利用情况；水生态子系统包含污水处理率、森林覆盖率、水功能区水质达标率等7个具体指标，主要表征研究区水环境质量、污染与防治状况。

表1 贵州高原水环境承载力评价指标体系

2.2 改进的熵值法

由于影响水环境承载力的因素众多，且各因素之间的关系较复杂；所以，合理确定指标体系中各指标的权重，是准确评价水环境承载力的关键。为使指标权重更为科学、精确，本研究采用改进的熵值法测算子系统与具体指标的标权重(如表1所示)。该方法主要通过数据标准化变换，避免了主观确定的人为因素带来的偏差，是一种客观赋值方法[26]。具体步骤如下：

(1)数据标准化处理采用Z-Score法对各具体指标原始值进行标准差标准化。其中，经济数据根据贵州省历年统计年鉴提供的价格指数进行换算，使其成为可以比较的数值。即

(1)

(2)

(2)计算第j项指标下第i功能团指标值的比重

(3)

按式(3)对构造的判断矩阵做无量纲化处理，得到标准矩阵为Y=|yij|n×m。

(3)计算第j项指标熵值

(4)

式中，k>0；Ej≥0。如果yij对于给定的j全部相等，那么

(5)

此时Ej取极大值。即

(6)

根据式(6)，设k=1/lnm，于是就得到0≤Ej≤1。于是，定义冗余度系数为1-Ej，当1-Ej越大时，指标越重要。

(4)计算j项指标的信息权重

(7)

式中，Ej为i项指标的信息熵；1-Ej为冗余度；m为评价年数；l为具体指标个数。

2.3 水环境承载力评价模型

根据式(7)测算的权重与式(8)、式(9)的处理数据，运用式(10)[27]能够获取水环境子系统承载力。在此基础上，采用“模加和”法可求水环境综合承载力评价指数[28]。即

(8)

(9)

(10)

(11)

表2 水环境承载力判断标准

2.4 数据来源

统计资料：根据《贵州统计年鉴》、《贵州省水资源公报》、《贵州省生态环境状况公报》、贵州省宏观经济数据库及地州市《统计年鉴》与《水资源公报》获取基础数据，进行整理与计算。矢量数据：研究区边界矢量来源于国家测绘地理信息局标准地图服务网站(底图无修改)，通过运用ArcGIS10.2软件将地理单元的矢量数据与水环境承载力数据进行空间分析，生成水环境承载力空间分异图。

3 结果与分析

以2008年～2017年研究区水环境指标变量处理数据为基础(见表2)，运用改进的熵值法与水环境承载力评价模型，测算贵州高原社会经济承载力、水资源承载力、水生态承载力与水环境承载力(见图2～3)。

图2 贵州高原水环境承载力子系统评价结果

图3 贵州高原水环境承载力综合评价结果

3.1 贵州高原水环境承载力时间维度演化分析

根据贵州高原水环境承载力测算结果(见图2～3)，对研究区水环境承载力的时间维度演化状况进行深入分析，结果发现：

(1)3大子系统承载力发展不均衡，综合评价指数呈现波动上升趋势。2008年～2017年社会经济承载力、水资源承载力与水生态承载力指数年均增长率分别为21.26%、32.98%与10.49%。社会经济承载力指数2008年～2014年波动上升，2015年～2017年呈现持续上升趋势，研究期时段平均值为0.116，总体水平不高。这对水生态环境保育和修复产生一定的制约作用。水资源承载力指数2009年～2010年出现较大波动。特别是2009年达到最低值(0.06)，2011年～2017年呈现较快增长趋势，研究期时段平均值为0.186，综合水平显著增强。这为社会经济承载力提升与水资源供需矛盾缓解奠定了良好的自然资源基础；但山地广布、岩溶发育典型的地貌，高原面漏水性强、蓄水不易，成为制约水资源承载力增强的重要因素。水生态承载力指数除2014年出现波降外，整个时间序列均呈现快速上升趋势，研究时段平均值为0.143，发展水平较高；但水环境污染依然较为严重，且保护措施与补偿机制不完善，成为水环境质量改善的主要胁迫因素。

(2)高原水环境承载力表现为缓慢增长与较快增长两个时段，总体发展水平较低。测算结果显示(见图3)，2008年～2017年贵州高原水环境承载力指数呈现波动上升趋势，其变化范围在0.03～0.29之间，2014年成为缓慢增长与较快增长两个时期的分界线。2008年～2014年水环境承载力处于不可承载阶段、呈现崩溃状态，2015年～2017年处于弱可承载阶段、呈现脆弱状态。究其原因，其一，第三产业占GDP比例、人均水资源量、水功能区水质达标率等影响因子对于高原水环境承载力发展水平产生较大制约作用；其二，社会经济子系统承载力滞后于水资源子系统与水生态子系统，研究区经济实力不足对脆弱的岩溶区生态环境保育产生了较大影响。

(3)2009年～2010年高原水环境承载力发生波降，主要是局部干旱所致。2009年7月～2010年3月川黔滇及渝部分地区大旱导致贵州高原水资源供应严重短缺，引起水环境承载力速降。本次西南大旱是全球变暖背景下极端气候事件增多的典型案例，主要源于青藏高原热力强迫与厄尔尼诺现象影响，云贵川地区较长时间受副热带高压控制，旱情持续时间较长与危害程度较大，加剧了水资源供供需矛盾。

3.2 贵州高原水环境承载力空间格局演化分析

根据式(10)、(11)测算出2008年、2011年、2015年与2017年贵州高原9个地级市(州)单元的水环境承载力E值，通过ArcGIS 10.2软件将E值与地州市边界矢量数据进行空间链接，分别生成2008年、2011年、2015年与2017年水环境承载力空间分布图(见图4～7)。

图4 2008年贵州高原水环境承载力状态空间分布

图5 2011年贵州高原水环境承载力状态空间分布

图6 2014年贵州高原水环境承载力状态空间分布

图7 2017年贵州高原水环境承载力状态空间分布

根据贵州高原地州市水环境承载力测算结果(图4～7)，对水环境承载力的空间维度演化状况进行深入分析，结果发现：

(1)贵州高原水环境承载力异质性突出，地域分异较明显。其一，黔东、黔中地区水环境承载力发展水平略优于黔西地区，分异的主导因素是经济基础；其二，3个民族自治州水环境承载力发展水平不均衡，黔南州最差，黔西南州居中，黔东南州最优，分异的主导因素为水资源禀赋；其三，岩溶地貌面积比例较高的地州市水环境承载力较低，分异主导因素是岩溶作用。据统计贵阳市、毕节市、安顺市、黔南州岩溶面积比例超过70%，而黔西南州与黔东南州比例较低，特别是黔东南州仅为23.20%[30]。

(2)贵州高原区域水环境承载力均呈现缓慢增长趋势。水环境承载力指数从2008年发展水平最低的贵阳市(0.08)上升至2017年发展水平最高的黔东南州(0.28)，近10年大部分单元经历了不可承载、弱可承载两个阶段，发展水平实现了由崩溃到脆弱状态的转变。当前，除黔西地区3市外，其他各地州市水环境承载力状态均为脆弱。

(3)贵州高原水环境承载力整体呈现“崩溃状态均衡、崩溃状态主导、崩溃与脆弱状态交错和脆弱状态主导”的格局演化特征。2008年9个地州市水环境承载力均显示崩溃状态，且指数偏低，整体呈现崩溃状态均衡的发展格局；2011年8个地州市呈现崩溃状态，仅黔东南州进入弱可承载阶段，整体为崩溃主导的发展格局；2014年5个地州市表现崩溃状态、4个地州市为脆弱状态，整体呈现崩溃与脆弱交错的发展格局；2017年6个地州市呈现脆弱状态、3个地州市仍处于不可承载阶段，整体呈现脆弱主导的发展格局，水环境承载力之间的差距渐趋缩小。

以上分析结果反映出贵州高原水环境承载力空间格局演化与经济社会发展实力及水资源禀赋密切相关。经济实力雄厚的区域生态文明建设实践效益显著，在绿色发展与低碳发展进程中，较好地促进了水环境与社会经济的可持续发展。而水资源禀赋不足，工业污染较为严重的区域，亟待在发展中缓解、调控水生态环境与经济建设的矛盾，从而实现岩溶区生态系统的良性循环。

4 结 语

本文通过构建贵州高原水环境承载力评价指标体系，运用计量模型测算了2008年～2017年水环境承载力指数，并对其演化趋势及影响因素进行分析，得出以下结论：贵州高原水环境承载力指数呈现缓慢波动上升趋势。水环境承载力经历了不可承载到弱可承载2个阶段，其中水环境承载力在不可承载阶段持续时间较长，在弱可承载阶段持续时间短、且增速较快。当前，水环境承载力整体发展水平处于脆弱状态；贵州高原水环境承载力地域分异明显，水环境承载力空间维度表现为“崩溃状态均衡、崩溃状态主导、崩溃与脆弱状态交错、脆弱状态主导”的格局演化特征；社会经济子系统承载力滞后于水资源子系统与水生态子系统，对贵州高原水环境承载力发展水平提升胁迫作用较突出。为此，提出贵州高原水环境承载力提升策略。即：加快生态省、生态市建设步伐，强化岩溶区水环境治理，解决“两江”流域上游生产污染问题；大力发展生态经济、旅游经济与低碳经济，创新节水科技，推进水源保护区生态文明建设；全面深入推行“河长制”，严格完善水环境保育措施。