基于障碍因素诊断模型的陕西省水资源承载力影响因素识别

贺成民

（陕西省水文水资源勘测中心，陕西 西安 710000）

随着陕西省社会经济的快速发展，陕西省居民生活水平得到了显著提高，工业化进程也得到了进一步的发展，城镇化水平不断提升，与此同时居民生活用水量和工农业用水量逐年增大，陕西省面临着严峻的水资源短缺问题。

1921年帕克和伯吉斯就在有关人类生态学的研究中，提出了承载力的概念[1]。国内对水资源承载力的研究起步较晚，但是发展迅速，施雅风等对乌鲁木齐河流域运用常规趋势法进行水资源承载力研究[2]；王建华采用系统动力学模型，预测分析了乌鲁木齐市1993年～2020年间水资源承载力[3]；曲耀光等在分析黑河流域不同阶段水资源开发利用程度的基础上，分析计算了黑河流域中游地区的水资源承载力[4]；左其亭等在提出“基于模拟和优化的控制目标反推模型”的基础上，考虑水资源、社会经济、生态环境等目标，结合气候变化的影响，通过承载人口的计算，对塔里木河流域不同水平年的水资源承载力进行了分析[5]；余灏哲等基于PSR模型对陕西省水资源承载力进行评价[6]。孙雅茹等基于topsis对盐城市水资源进行评价并进行障碍因素诊断[7]。

本文以陕西省各市为研究对象，基于陕西省各市2015年的指标数据，采用熵权法确定权重，以障碍因素诊断模型作为理论基础，对陕西省各市水资源承载力影响因素识别，为陕西省水资源规划与保护提供理论依据。

1 研究区概况

陕西省地处我国内陆的中纬度地带，土地面积20.58万km2，下辖西安、宝鸡、咸阳、渭南、铜川、汉中、安康、商洛、榆林和延安十市。年平均降水量为656.2 mm，降水量呈南多北少，水资源时空分配严重不均，年降水量多集中于夏秋季。水资源量区域分布不均衡，地表径流量受地形影响很大，地域性差异十分明显，径流深由南向北递减，陕南地区径流量较为丰富，占全省三分之一面积，径流量占全省三分之二。

水资源是与区域发展社会运行息息相关的重要资源。水资源承载力是评价区域可持续发展程度的重要指标，制约或影响着地区的综合发展。基于水规总院2016年印发的水资源承载能力监测预警技术大纲来计算，陕西省目前水资源承载力的承载状态良好，十个省辖市中渭南市处于水资源超载状态，西安市、宝鸡市、汉中市和安康市均处于临界超载状态，剩余五市处于不超载状态。

本研究针对陕西省各市水资源承载力展开障碍因素诊断，根据《陕西省统计年鉴》《陕西省水资源公报》《陕西省水利发展“十三五”规划》《陕西省国民经济与社会发展公报》等相关资料，统计出数据。

2 模型的建立

2.1 指标体系的构建

水资源承载力与社会和经济有着紧密的关系，相互影响。本文研究根据相关文献，从水资源禀赋条件、社会经济发展状况和水资源开发利用情况3个方面考虑，选择了14个指标作为水资源承载力障碍因素诊断指标体系[8～9]，该指标体系较为全面的描述了水资源承载力的相关影响因素，从而可以对地区水资源承载力障碍因素做出准确的诊断识别。各指标见表1。

表1 水资源承载力障碍因素诊断指标体系

2.2 障碍因素诊断模型的构建

为了提高区域水资源承载力，需要对影响区域水资源承载力的主要影响因素进行识别，找出对区域水资源承载力产生负面影响的主要障碍因素。目前障碍因素诊断模型还处于初步发展阶段，该模型主要是采用因子贡献度、指标偏离度和障碍度进行诊断[10～12]。因子贡献度Tj是单项指标对总体目标的影响程度，通常可以用指标权重wj来表示；指标偏离度Sij是第i区域第j指标与水资源承载力最优目标的差距，可以用1与各指标标准化值Xij'之差来表示；障碍度Pij是第i区域第j指标对水资源承载力的影响度。计算公式如下:

3 障碍因素识别判断方法

（1）标准化处理

指标分为正向指标（指标值越大越好）和负向指标（指标值越小越好），为统一指标的单位与量纲，使各指标具可比性，采用极差法对数据进行标准化处理，具体计算公式如下:

对于正向作用的指标:

对于负向作用的指标:

式中:Xij'为第i个区域第j项指标的标准值；Xij为第i个区域第j项指标的原始值；Xjmax为标准化前某项指标最大值；Xjmin为标准化前某项指标最小值。

（2）权重确定

目前评价指标权重的确定有主观赋权法和客观赋权法两种，主观赋权法多采用德尔菲法、层次分析法等，但主观赋权法多带有人为因素，常常因专家的不同而差异较大，使分析结果趋于不稳定。本文为了避免人为因素的影响，使指标权重确定更加具有科学性，采用客观赋权法中的熵权法[12]来确定指标权重。

熵在信息论中是对不确定性的一种度量。可以通过计算熵值来判断某个指标的离散程度，指标的离散程度越大，该指标对总体目标的影响程度越大，因此，可利用信息熵这个工具，计算出各个指标的权重，为障碍因素诊断识别提供依据。熵值法确定权重计算过程如下:

现有m个待评区域，n个评价指标，形成原始数据矩阵:

①数据的非负化处理

对于越大越好的指标:

对于越小越好的指标:

R=（rij）m×n，式中:rij为第i个评价对象在第j个评价指标上的标准值，rij∈[0，1]，标准化方法与上一小节相同。

②计算第j个指标下第i个区域的指标值的比重pij

③计算第j个指标的熵值ej

其中k＞0，ln为自然对数，ej≥0，式中常数k与样本数m有关，一般令k=1/lnm，则 0≤ej≤1。

④计算第j个指标的权重wj

（3）障碍因素识别

将计算好的指标标准化值和权重值带入障碍因素诊断模型。

根据计算的单项指标障碍度，为了找出主要障碍因素，按障碍度大小进行排序，各区域选出前六项指标作为水资源承载力的障碍因素，即影响区域水资源承载力的主要因素。

4 陕西省各市水资源承载力主要影响因素计算及结果分析

4.1 权重确定

根据上文构建的陕西省各市水资源承载力指标体系，运用熵权法，求得权重，具体结果见表2。

4.2 障碍因素识别判断

根据式（3），计算各指标障碍度，基于障碍度排序找出影响陕西省各市水资源承载力的主要影响因素，具体计算结果见表3。

表2 各指标权重

表3 陕西省各市水资源承载力障碍因素计算结果

4.3 计算结果分析

由表3可以看出，根据障碍因素诊断并排序后，陕西省各市中除了安康市，影响其余九市水资源承载状态的主要影响因素是水资源天然禀赋条件的不足，其中人均水资源量是其主要影响因素，这符合西北地区资源型缺水的特点。除了受到天然禀赋条件的影响，对于西安市来说，还受到人均日生活用水量和二产用水占比过的影响；铜川市还受到灌溉覆盖率和二产用水占比的影响，结合实际可以发现铜川市是“矿业型”城市，铝业和电力等耗水型产业是其支柱产业，所以二产用水占比会影响其水资源承载力；渭南市、咸阳市和宝鸡市还受到人均GDP和灌溉水利用系数的影响，结合实际发现三市为陕西省主要粮食产地，灌溉水利用系数会影响其水资源承载力；延安市和榆林市还受到灌溉覆盖率和二产用水占比的影响，结合地区实际发现，两市的支柱产业为油气、电力和化工产业，耗水型企业多，二产用水量大；对于商洛市来说，还受到人均GDP和灌溉覆盖率的影响，结合实际发现，商洛市的人均GDP排在陕西省十市的倒数，经济发展也处于落后的位置，主要经济以一产为主。对于汉中市来说，地区水资源总量相对丰富，但是人均水资源量仍然是地区水资源承载力的主要影响因素，地区还受到人均GDP、一产用水占比和灌溉覆盖率的影响。安康市的水资源天然禀赋条件相对较好，地区水资源承载力主要受到人均GDP的影响，当地经济发展水平一直在陕西省处于落后状态，人均GDP处于倒数的位置。此外，安康市还受到灌溉覆盖率、灌溉水利用系数、人均日生活用水量和工业用水重复利用率的影响。

5 结论与建议

5.1 结论

（1）本文在探究陕西省各市水资源承载力主要影响因素时，考虑到了指标的正、负性对诊断结果的干扰，采用了熵权法来确定指标权重，从而准确诊断出了陕西省各市水资源承载力的主要影响因素。该方法科学简便，对区域水资源承载力判断有一定参考价值。

（2）根据障碍因子诊断模型的计算结果来看，影响陕西省各市水资源承载力的主要因素是水资源天然禀赋条件，具体指标来说人均水资源量是主要影响因素，对于社会经济发展状况和水资源开发利用状况来说，主要是人均GDP、灌溉水利用系数和三产用水占比的影响。

（3）对于人均水资源量的影响，一方面陕西省需要增加地区的水资源量，另一方面可以考虑“生态移民”；对于人均GDP的影响，陕西省经济发展落后地区需要大力发展经济；对于灌溉水利用系数的影响，陕西省需要在主要粮食产区合理选择种植结构，还需要推广节水灌溉；对于三产用水占比不合理，陕西省需要针对地区不同问题，合理调整产业结构，把耗水型产业进行转移，推广水资源集约型产业。

5.2 建议

为了提高陕西省各市水资源承载力，保证地区的水资源可持续发展，各市亟需根据各自水资源承载力的主要影响因素采取对应的措施。针对人均水资源量，一方面可以增加地区水资源量，对水资源进行优化配置，提高水资源利用效率，另一方面可以进行“生态移民”，这也符合国家“生态移民”的政策；针对人均日生活用水量，西安市应该大力推行生活节水器具，合理制定水价，加大节水宣传力度，提高居民节水意识；针对人均GDP，经济发展落后地区需要大力发展经济，经济发展领先地区需要加快发展模式的转型，大力发展“绿色经济”；针对灌溉覆盖率和灌溉水利用系数，各地区一方面需要合理选择种植结构，选择适应地区特点且经济效益高的农作物，另一方面需要推行“喷灌”、“滴灌”等节水型灌溉方式，及时修复和维护老化的农田水利设施；针对用水占比，各地区需要合理调整产业结构与产业布局，推广水资源集约型产业，促使一、二、三产用水达到合理比重；针对工业水重复利用率，安康市需要从政策和经济上支持企业改善设备、改良技术，提高工业水重复利用率。

在水资源管理方面，各地市需要严格执行“最严格的水资源管理制度”，坚持用水“三条红线”，改变不合理的用水方式，以保障水资源承载力处于一个良好的状态。