长江上游流域水资源承载力及其障碍因子研究

周建中，朱龙军，吕 昊，曾小凡，贾本军

(华中科技大学水电与数字化工程学院，湖北 武汉 430074)

1 研究背景

长江上游流域水资源总量和地表水资源量占到了整个长江流域的四成，影响着整个长江流域的水资源变化，对全国的水资源发展战略有着重要的影响。长江上游水资源安全有着举足轻重的地位，探明其发展状况则是保障水资源系统安全健康的重要前提。故通过引入水资源承载力概念来评价长江上游流域的水资源整体发展状况，进而评估长江上游水资源的安全情势，为流域的可持续发展提供有力保障[2]。

2 计算方法

水资源承载力是衡量水资源可持续利用的重要命题，具有极高模糊性，通常涉及到水资源的数量、质量及开发利用程度等多个因素的影响[3]。模糊分析法则能够全面系统地覆盖各个要素，且能够将系统中单独的各因子联系起来[4]。具体评判方法如下：

取2组有限论域U={u1，u2，…，um}，V={v1，v2，…，vm}，U为综合评价因素集，V为模糊评判集，将评价等级V1、V2的临界值定为k1，V2和V3等级的临界值定位k3，k2为V2区间的中点值。

当k1>k2>k3则为

(1)

(2)

(3)

对于k1

Ri=(ri1，ri2，ri3，ri4…，rim)为对第i个因素ui的单因素评判结果。

以各评价因子对水资源承载力影响的程度，分别对赋予其权重，并令权重矩阵A=(a1，a2，…，am)。其中，ai分别对应vi的权重系数，为得到各个指标的综合评价结果，并充分考虑个指标权重，引入矩阵

B=A×R

(4)

式中，B为综合评判结果，可以将评价指标对整体承载力的影响具体量化并最终得到综合的评分值。

3 结果计算与分析

3.1 现状年水资源承载力计算

长江上游流域水资源系统复杂多变，本文为了探求长江上游流域的水资源承载力选取了水资源承载力常用评价体系中的水资源利用率、人均生活用水量、万元工业增加值用水量，万元GDP用水量、人口密度、农业用水率、人均水资源量和生态用水率，并结合已有文献资料与相关专家的建议进行等级分级与确定权重(见表1)。

表1 评价指标分级

依据选定的评价因子对长江上游流域水资源承载力的影响强弱程度将其影响能力划分为三等，为V1，V2，V3(见表2)。令V3=0.05表示其处于较差的状况下，水资源承载力接近极限值；V1=0.95则表示其情况较好，具有进一步开发的潜力；V2=0.5介于前面两者间，说明地区水资源开发利用具有相当规模，但是依旧有开发潜力。通过查阅相关研究报告[4-8]确定本文中权重值定为A=[0.08，0.17，0.17，0.17，0.13，0.13，0.08，0.08]。

表2 临界值

计算2005年～2017年实测年长江上游水资源承载力变化情况如表3所示。

表3 2005年～2017年水资源承载力综合评分

由表3可见，水资源承载力在2010年之后恶化势头得到了极大改善，并逐步趋于平稳发展。

3.2 预测年水资源承载力计算

为了探求未来长时间长江上游水资源承载力整体发展趋势，利用现有能够收集到的数据在matlab中利用NAR动态神经网络进行趋势预测。NAR神经网络是一种用来模拟时间序列的神经网络，一个典型的NAR神经网络主要由输入层、隐含层和输出层及输入和输出的延时构成。网络的输出取决于当前的输入和过去的输出，NAR模型方程为

y(t)=f(y(t-1)，…y(t-d))

(5)

式中，y(t)为神经网输出；d为延时阶数；f为用神经网络实现的非线性函数[9]，在以目前发展现状为基础的理想发展情况下进行预测，可以得到预测年份的结果(见表4)。

表4 预测年份水资源承载力计算结果

由表3与表4可以看出：长江上游流域在2010年之前水资源承载力处于逐年下降的趋势，在2010年开始有所改善。2010年国务院下发了《关于加快水利改革发展的决定》(中发(2011)1号)以及《关于实施最严格水资源管理制度的意见》(国发(2012)3号)两大重要水资源管理工作纲领性文件，这可能是水资源承载力在2010年发生快速改变的重要原因。通过水资源承载力的长期预测结果可以推断如果继续保持对水资源的重视，长江上游的承载力在临近2030年达到全民小康的社会进程中水资源承载力也会逐渐发展到平稳阶段。

3.3 障碍度计算

为了探讨长江上游流域水资源承载力发展变化过程中，各项指标对流域水资源承载力的阻碍程度，引入了障碍度的相关概念来进行分析探讨[10]。障碍度表示单项指标对水资源承载力的影响值，该指标是水资源承载能力诊断的目的和结果，障碍度计算公式如下，即

(6)

x′ij=(xij+xmin)/(xmin+xmax)

(7)

为了对长江上游地区的水资源承载力的发展趋势进行干预，使其在未来时间中处于更好的水平，本文对水资源承载力的预测结果进行障碍度分析，分析得到的结果如图1所示。

图1 2005年～2035年各指标障碍度

由图1可以看出，障碍度较高指标(指标2、3、4、5、6)在实测年份中万元工业增加值用水量障碍度多年增量最大，由2005年0.117 0增长至2017年0.193 2；人均生活用水量对水资源承载力的阻碍作用显著减少，由2005年0.203 3减少至2017年0.146 2。

从长时间序列计算结果可以看出，人均生活用水量、万元工业增加值用水量、万元GDP用水量、人口密度和农业用水率对研究区域的水资源承载力阻碍程度一直处于相对较高水平。对于人均水资源量和农业用水率两者在进入21世纪后随着人们的节水意识增强和节水措施技术提升，这两因素对水资源承载力的制约作用逐年减少。由于长江上游经济的不断发展，特别是工业的发展，万元工业增加值用水量与万元GDP用水量对于水资源承载力的阻碍作用经历了先降后升的变化；而人口密度和人均水资源量在近20年时间里对于水资源承载力的阻碍作用一直处于较为稳定的相对低影响状态。

4 结 论

(1)在实测年份中，长江上游水资源承载力急剧恶化势头在2010年得到了有效遏止并逐渐向好，综合评分值由2005年0.448 8降至2010年0.326 2的历史最低值，于2017年增长至0.352 1。

(2)在预测年份中，长江上游的水资源承载力发展处于平稳发展的趋势，通过计算结果可知，最终的评分值在0.465 0附近达到发展极限。经过20 余年的发展恢复，长江上游水资源承载力达到甚至略微超过了2005年的初值。

(3)在2010年之前，对长江上游流域水资源承载力阻碍程度最大的指标是人均生活用水量，2017年其障碍度相较于2005年下降接近50%。2010年后万元工业增加值用水量和万元GDP用水量对水资源承载力的抑制作用逐渐增强，成为阻碍程度最大的两种因素，并分别在2017年与2019达到峰值0.193 2和0.194 6；虽然在后续年份有所下降，但下降幅度较小仍然处于相对高位。