基于物元分析模型的岩溶地区县域“二元”水生态承载力演变过程研究

左太安，张凤太，于世杰，杨 庆

(1.重庆第二师范学院旅游与服务管理学院，重庆 400065；2.重庆理工大学管理学院，重庆 400054)

随着水资源、水环境和水生态等系列问题的日益复杂化及其综合管理的需要[1]，要求学者从更高的角度去审视水生态系统相对于人类社会经济的承载力问题，实现水资源、水环境和水生态的保护和恢复以及区域社会可持续的发展[2-3]。水生态承载力最早是由国内学者李靖等[4]提出，以水生态系统与经济社会协调发展为主要内涵，涵盖水量、水质、水生态综合要素的承载力理念[5]，实质为同时满足水资源承载力和水环境承载力的复合承载力[6]。自2009年以来，水生态承载力研究在概念、指标体系、测度模型等方面均取得了长足进展。不同领域的专家学者运用生态足迹[7-8]、系统动力学[9]、物元分析[10]、模糊综合评价[11]、多目标优化[12]等方法对水生态承载力进行了深入的研究。研究方法的不断完善和进步推动着水生态承载力的研究，由最初基于不同需求的水资源或水环境因素的承载力研究到现今的“自然-经济-社会”复合生态系统，由静态定量研究到现今的多时空多尺度的动态模拟预测研究，更加注重生态系统的整体性、持续性和协调性，已成为评价区域可持续发展能力的重要依据。

目前的水生态承载力研究大多集中在较发达的城市和西部干旱地区，针对西南岩溶贫困县的水生态承载力研究还比较少[13]。西南岩溶区虽然在传统意义上属于水资源丰富区，但在“二元三维”结构的影响下，地表水与地下水相连通，降水渗漏严重造成地表径流系数低，且地表水资源量波动性较大，而地下径流发育，地下水资源丰富但开发难度较大，直接限制了工农业、生活用水的供给量，降低岩溶地区水生态承载能力[7,14]。王先庆等[15]基于生态足迹理论，构建了岩溶地区水资源生态承载力评价指标体系，指出六盘水现有的用水比例不利于生态环境的改善，需要进一步提高用水效率；吕添贵等[16]模拟了贵阳市的水资源承载力动态变化过程，指出贵阳市水资源承载盈余状态与现实水资源缺水情况相背离，主要受喀斯特地区的自然生态机制和人文社会机制的共同影响；左太安等[6]采用物元分析模型，构建了省域尺度的“二元”水生态承载力评价指标体系，指出单位面积地表水资源量、生态用水率、河流水质达标率等指标成为制约贵州省“二元”水生态承载力等级提升的因子。

综上所述，在岩溶地区“二元三维”结构的影响下，岩溶地区的水生态系统非常复杂，水生态承载力涉及的影响因素具有不确定性，评价指标与承载力等级之间存在复杂的非线性关系[17]，至今未能形成统一的通用性强的评价指标体系。从评价方法来看，主要是将分散的评价指标通过模型集合，计算综合承载力分值来评估该地区的承载力水平，缺点是容易遗漏单个指标的承载力影响[18-19]。从研究尺度来看，主要是省或地区(市)为研究单位，以县(区)为研究单位的成果非常少。为此，本研究结合前期的研究成果，基于物元分析模型，构建县域尺度的“二元”水生态承载力评价指标体系，对“二元”水生态承载力的动态演变过程进行研究，为中国岩溶地区的水资源安全、生态安全以及环境建设提供有益的参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

威宁县位于贵州省西部的乌蒙山区，其西、南、北三面与云南省交界，地处东经103°36′～104°05′，北纬26°30′～27°25′，总面积6 298.73 km2；地势从东南向西北缓平抬升，有较完整的高原平地，平均海拔2 200 m，是贵州省面积最大、海拔最高的县；地形地貌复杂，生态环境脆弱，岩溶面积4 401 km2，占全县国土面积的69%，是全国岩溶地区石漠化综合治理的首批试点县；属亚热带季风湿润气候，有低纬度西部高原季风气候特征，雨量较充沛且雨热同季，多年平均气温10.9℃，多年平均降水量903.6 mm，多集中于5—8月份，平均产流系数为0.46，人均水资源量为1 902.93 m3/人；为乌江、横江的发源地，牛栏江的西源和东源，珠江的北源，是长江和珠江的重要分水岭和生态屏障；县城西北的贵州草海国家级自然保护区总面积120.00 km2，正常蓄水面积为22.39 km2，是贵州省最大的高原天然淡水湖泊。此外，威宁县是典型的少数民族聚居区，有19个少数民族居住于此，少数民族人口占总人口的23.11%，同时也是国家扶贫开发工作重点县和贵州省深度贫困县。

1.2 物元分析模型

物元分析模型由国内学者蔡文教授创立，主要以形式化的模型研究事物拓展的可拓性和开拓规律，解决不相容的复杂问题，能较全面地反映事物质量的综合水平。物元分析模型考虑了事物质量的不确定性及模糊性，能够定性和定量分析现实世界中水资源与水环境的矛盾问题，已在水资源承载力和水环境承载力评价中得到广泛的应用。“二元”水生态承载力的影响因素较多，其评价过程是一个复杂、多层次、信息不完善、指标不相容的综合评价过程[20]，具有一定的模糊性，可基于物元分析模型建立水生态承载力的多指标参数的等级评价体系。基本思路是：首先，选取“二元”水生态承载力相关的评价指标及其特征值作为待评价物元；第二，根据评价标准确定评价指标的经典域和节域，经典域和节域决定了评价结果的科学性；第三，根据各指标的权重及物元分析方法，计算关联函数和关联度，物元模型的关联度将逻辑值从模糊数学的[0,l]闭区间拓展到(∞,+∞)实数轴后，比模糊数学的隶属度所代表的内涵更为丰富，能揭示更多的分异信息[21]；最后，通过模型集成综合关联度，并确定承载力等级。由于篇幅原因，具体研究方法不再赘述，可参考文献[6]。

2 岩溶地区县域“二元”水生态承载力评价指标体系构建

2.1 评价指标及权重

水生态承载力具有复合性和动态性的属性。复合型表现为评价内容不仅包含水生态系统本身的承载力状况，也包括经济、社会系统承载力状况；动态性表现为水生态系统与社会经济系统之间的动态平衡。因此，本研究基于水生态承载力的内涵，并借鉴国内的相关研究成果[22-24]，对前期研究成果“岩溶地区‘二元’水生态承载力评价指标体系”进行优化，主要表现在：①研究尺度的变化，由原来的省域尺度改变为县域尺度，评价指标由17个增加为20个；②考虑到岩溶地区“二元三维”结构的影响下，地表水与地下水相连通，地表水资源量波动性较大的特征，增加了“水库蓄水动态变化量”的指标；③考虑到威宁草海地处威宁县城周边，且是贵州省最大的高原天然淡水湖泊，增加“湖泊水质等级(草海)”的指标；④为凸显水生态系统与社会经济系统的关系，增加了“人均综合用水量”和“供水普及率”指标；⑤参照《生态县、生态市、生态省建设指标(试行)》规范指标的选取，并考虑到数据的可获取性，将原“河流水质达标率”指标替换为“全年III类水质以上河长占比”指标，将原“工业废水排放达标率”替换为“工业用水重复利用率”和“城镇污水处理率指标”，并删除了“工业固体废物综合利用率”指标，具体评价指标见表1。此外，以2006—2017年的具体特征值为依据，将初始数据进行标准化处理，然后采用客观的熵权法确定权重，减少了人为主观性对评价结果的干扰，鉴于篇幅有限，具体计算方法不再赘述。

表1 岩溶地区县域“二元”水生态承载力评价指标体系及其权重

2.2 经典域、节域的确定

经典域与节域的确定直接影响到评价结果的科学性，是物元分析模型进行事物等级评价的关键环节。本研究以国家环保总局制定的《生态县、生态市、生态省建设指标(试行)》为主要依据，参考西南地区各省份各个指标的平均水平，利用专家评价法、调查测量法确定岩溶地区县域“二元”水生态承载力评价等级、经典域和节域(R01、R02、R03、R04、Rp)。主要将“二元”水生态承载力划分为4个评价等级，即良好承载(Ⅰ级)、可承载(Ⅱ级)、弱可承载(Ⅲ级)和不可承载(Ⅳ级)。

3 威宁县“二元”水生态承载力动态变化过程分析

3.1 威宁县“二元”水生态承载力待评价物元

岩溶地区县域“二元”水生态承载力的评价指标体系包含水生态系统、经济系统和社会系统指标。指标特征值主要来源于2006—2017年《威宁彝族回族苗族自治县统计年鉴》、2006—2017年《毕节市统计年鉴》、2006—2017年《毕节市水资源公报》和2006—2017年《毕节市生态环境状况公报》。依据指标特征值，确定2006—2017年威宁县“二元”水生态承载力待评价物元矩阵，见表2。

表2 2006—2017年威宁县“二元”水生态承载力待评价物元矩阵

3.2 承载力评价与结果分析

3.2.1确定各评价指标的关联度

根据物元分析模型的关联度公式及待评价物元特征值，计算得出威宁县“二元”水生态承载力各评价指标的关联度，具体见表3。这里以径流系数指标为例，2006年威宁县的地表径流系数为0.33，计算各相应评价等级的关联度分别为：k(v1)1=-0.4475、k(v1)2=0.1050、k(v1)3=-0.0868、k(v1)4=-0.2840，k(v1)2>0>k(v1)3>k(v1)4>k(v1)1，可以判定该评价指标属于“可承载”等级。同理，可以计算并确定其他指标的关联度和相应等级。

表3 威宁县“二元”水生态承载力评价指标关联度

续表3 威宁县“二元”水生态承载力评价指标关联度

3.2.2计算综合关联度并确定等级

根据物元分析模型的综合关联度公式、各指标对应的权重以及各指标对应的关联度，计算得出该年份“二元”水生态承载力各相应等级的综合关联度。以2006年威宁县“二元”水生态承载力综合关联度为例，计算得出K1(p2006)=-0.2007、K2(p2006)=-0.1027、K3(p2006)=-0.0373、K4(p2006)=-0.3652，即0>K3(p2006)>K2(p2006)>K1(p2006)>K4(p2006)，由此可以判定2006年威宁县“二元”水生态承载力属于“弱承载”等级，但不完全符合“弱承载”的标准，而是相对于其他评价等级更倾向于“弱承载”等级。同理，确定出2007—2017年威宁县“二元”水生态承载力等级，见表4。

表4 威宁县“二元”水生态承载力等级

3.2.3结果分析

根据威宁县“二元”水生态承载力的综合关联度数量值和评定的承载力等级，可以看出以下情况。

a)2006—2017年威宁县“二元”水生态承载力水平不断提升。除2006、2011年评定为“弱承载”水平外，2007—2010年、2012—2013年、2017年，评定为“可承载”水平，2014—2016年，更是评定为“良好承载”水平。对照评价物元指标的数值(表2)及物元模型关联度(表3)，经济系统和社会系统的部分指标对威宁县水生态承载力的提升具有重要的贡献。如万元GDP用水量(c10指标)由2006年的430.97 m3/万元降低为2017年的53.32 m3/万元，承载力等级由Ⅲ级/弱承载升级为Ⅰ级/良好承载；城镇污水处理率(c20指标)由2007年的45.63%提升为2017年的94.27%，承载力等级由Ⅳ级/不可承载升级为Ⅰ级/良好承载。说明随着社会经济的发展，科学技术的进步以及人们对水生态环境的重视是岩溶地区“二元”水生态承载力不断提升的重要原因。

b)2006—2017年威宁县“二元”水生态承载力主要集中在“可承载”等级，有7个年份，承载力等级并不高。究其原因：威宁县境内岩溶地貌广布，受地表与地下岩溶“二元”结构的影响，降雨漏失严重，地表径流系数低，地下水资源丰富，但赋存规律复杂，利用难度大，致使水资源承载力较低；其次，受岩溶“二元”结构的影响，地表水与地下水形成联动污染，降低了地表与地下水资源的纳污能力，造成水环境生态承载力较低。

c)2006、2011年威宁县“二元”水承载力为评价为“弱承载”。究其原因：2006、2011年为枯水年，降雨量较少，2011年西南地区还出现了百年一遇的大旱；此外，岩溶地区地表水具有支流少、切割深、坡降大等典型特征，在枯水年岩溶地区容易发生旱灾，而在丰水年，由于地表水与地下水相通，地下水大量涌向地表，容易形成洪灾，造成水资源承载力波动较大。由此说明“二元”水生态承载力等级不稳定，容易受到极端气候变化的制约，仍需要进一步巩固已取得的成果。

d)2014—2016年，威宁县“二元”水生态承载力为“良好承载”等级，表明威宁县“二元”水生态承载已呈现较好的水平，但值得注意的是0>K2(p2014)>K2(p2015)>K2(p2016)>-1，不完全符合“良好承载”的标准，是具备转化为“良好承载”的条件。以c2(水库蓄水动态变化量)指标为例，对照评价物元指标的数值(表2)及物元模型关联度(表3)，威宁县水库蓄水动态变化量常年波动较大，2014年水库蓄水增加952.00万m3(Ⅲ级/弱承载)，2016年则迅速减少400.00万m3(Ⅱ级/可承载)，水库蓄水量的急剧波动不利于水资源的管理。同理，湖泊水质等级、工业用水重复利用率、人均水资源量、人均综合用水量、供水普及率等指标是制约威宁县“二元”水生态承载力转化为“良好承载”最主要的因素，也是威宁县今后需要关注的问题。

4 结语

为促进岩溶地区生态环境保护和经济社会发展相协调，亟需以水生态承载力为抓手，系统评估岩溶地区水生态环境状况与短板，演绎贫困地区水生态系统的支撑能力的演变过程，为岩溶地区的生态文明建设以及精准扶贫提供科学依据。从前人的研究成果来看，研究尺度主要是以省或地区(市)为研究单位，以县(区)为研究单位的成果非常少。为此，本研究基于物元分析模型，构建了县域尺度的“二元”水生态承载力评价指标体系，对岩溶地区的县域“二元”水生态承载力量化评价做出初步探索，为岩溶地区的水资源安全、生态安全以及环境建设提供有益的参考。

本文是基于前期的研究成果完成的，除了研究尺度的改变外，还对“二元”水生态承载力评价体系进行了完善与优化，强调了水生态系统与经济社会协调发展的主要内涵，凸显岩溶地区“二元三维”结构特征，并模拟了长时间序列的威宁县“二元”水生态承载力动态演变过程。此外，采用了更加客观的熵权法确定评价指标的权重，减少了人为主观性对评价结果的干扰。

基于物元分析模型开展县域“二元”水生态承载力研究，可定量掌握长时间序列的县域水生态承载力动态演变状况，且评价结果与现实水生态承载力状况基本吻合。此外，物元分析模型简单易行，可操作性强，其关联度分析可对每个评价指标进行定量分析，揭示了更多的分异信息，该研究方法可为西南地区同类型区县提供参考。应注意的是，由于水生态承载力研究尚处于探索阶段，还未形成统一科学的评价指标体系，如何科学地界定经典域、节域、评价等级以及如何量化各指标对最终结果作用方式和程度，仍是今后尚需进一步探索和完善的问题。