郑州市水资源承载力评价指标约简研究

李彦彬，郭嘉伟

（华北水利水电大学，河南 郑州 450046）

0 引言

随着中国产业结构的不断优化、升级，中国经济结构也逐渐走向绿色化、优质化，以传统农业为基础的经济结构已逐渐转向以第二产业、 第三产业为主的高效益经济结构。 经济结构的转变推动人口逐渐从以农业为主的乡镇地区流向人口更加密集的城市地区，致使中国的人口结构趋向城市化［1］。城市化发展必须要考虑资源、环境的承载能力和发展潜力，不能损害支持地球生命的自然系统， 不能超越资源与环境的承载能力［2］。水资源是城市发展的基本保障，城市水资源承载力是以城市的可持续发展为原则，对水资源进行合理的开发， 以保证水资源系统能够给城市人口、经济发展提供最大支持。 研究水资源承载力的目的是为了解决动态变化下水资源供需平衡和经济社会发展之间的矛盾，为合理配置区域资源、调整产业结构和生态布局、制订经济社会发展战略提供参考［3］。 水资源承载力评价指标的选取是研究水资源承载力最为关键的一步， 旨在确保研究数据的科学性、准确性、权威性。 但水资源承载力评价指标体系是一个复杂、庞大的体系，其指标的选取存在数据获取困难、时间维度不统一、重复化等问题。灰色关联分析是一种多因素统计分析方法，它以各因素的样本数据为依据， 用灰色关联度来描述因素间关系的强弱、大小和次序［4］。采用该方法筛选水资源承载力评价指标， 具有计算简单、 样本需求量小、得到的信息多等优势。

郑州市地处中国腹地，是国家新中心城市，具有一定的人口规模，经济实力强劲，其水资源承载力评价指标具有一定的代表性， 对其他中北部城市的水资源承载力评价指标的选取具有一定的参考价值。本研究从郑州市的实际情况出发， 以科学性、 全面性、客观性、预见性为准则，建立了水资源承载力评价指标体系， 并采用灰色关联分析法对其指标进行筛选。

1 研究方法

1.1 水资源承载力评价指标体系的建立

通过对他人研究成果的整理和归纳， 从郑州市的实际情况出发， 笔者将郑州市水资源评价指标概括为水资源条件、人口条件、经济条件和环境条件4个方面。 水资源条件反映了城市水资源系统的供需平衡， 城市水资源的先天条件可以体现出水资源承载力的强弱。 水资源丰富地区的水资源承载力要比水资源短缺地区的强。 水资源承载力的研究是以人为基础的， 人口和水资源承载力相互制约、 相互影响。 经济条件包含城市的经济发展、 用水情况等指标。 经济越发达的地区，水资源承载力越具有优势。环境条件包含城市的环境用水及修复环境所需要的水量等。

1.2 水资源承载力评价指标的选取原则

水资源承载力评价指标的选取应当遵循以下原则：（1）客观、综合考虑评价指标，避免主观意识影响指标的选取。 （2）评价指标应当反映出水资源条件、人口条件、经济条件、环境条件的用水情况，且数据便于获取。 （3）评价指标应具有时间动态性，应尽可能反映研究区域水资源承载状况随时间变化的动态演变过程， 以便于对水资源可持续利用过程进行监测、评估和预警［5］。

整理历年《郑州市水资源公报》《郑州市环境统计年报》《郑州市统计局数据》 等政府公布的水资源文件， 郑州市水资源承载力初步评价指标系统选取21 个二级指标，具体如表1 所示。

表1 郑州市水资源承载力初步评价指标系统Tab.1 Preliminary evaluation index system of water resources carrying capacity in Zhengzhou city

1.3 水资源承载力评价指标筛选方法

本研究采用灰色关联分析法对郑州市水资源承载力评价指标进行筛选。 灰色关联度是衡量事物之间、因素之间关联性大小的量度，它通过比较目标数列和参考数列的相似度来确定参考数列的相关因素和目标数列因素的紧密性， 可较好地描述实物或因素之间的相互变化情况。 如果事物或因素变化的趋势基本一致，则可以认为它们之间的关联度较大；反之，关联度较小［6］。 灰色关联分析法计算步骤为：

（1）确定比较对象和参考数列。 设Y＝Y（k）|k＝（1，2，…，n）为参考数列，Xi＝Xi（k）|k＝（1，2，…，n），i＝（1，2，…，m）为比较数列。

（2）对各指标进行无量纲化处理。因各指标含义不同，且数据大小不一，不易比较或难以得到正确的结果，因此在进行灰色关联度分析时，需要对其进行无量纲化（归一化）处理。 本文采取初值化法对比较数列进行无量纲化处理，计算式为式（1）。

2 数据处理

2.1 关联系数计算

郑州市水资源承载力评价指标系统初步选取21 个指标，查阅《郑州市水资源公报》《郑州市环境统计年报》《河南省环境统计年报》 等资料， 整理出2010～2019 年评价指标数据，如表2 所示。

表2 评价指标2010～2019 年原始数据Tab.2 Evaluation index raw data from 2010 to 2019

续表2

应用式（1）对表2 数据进行无量纲化处理，并根据数据的正向化或逆向化处理结果，确定参考值。因正向指标数值越大，越能体现其优势，反之亦然。因此，正向指标取最大值，逆向指标取最小值，结果如表3 所示。

表3 评价指标2010～2019 年数据无量纲化处理结果Tab.3 Non-dimension treatment results of evaluation index data from 2010 to 2019

应用式（2）计算比较数列对应指标的绝对差值，结果如表4 所示。

表4 指标绝对差值计算结果Tab.4 Calculation results of index absolute difference

表5 比较数列和相对参考数列的灰色关联系数计算结果Tab.5 Grey correlation coefficient calculation results of comparative progression and relative progression

续表5

根据式（4）求出各指标的关联系数，结果如表6所示。

表6 各指标关联系数计算结果Tab.6 Calculation results of each index correlation coefficient

对关联系数比较，得出以下指标的排序。水资源条件的排序为：w1＞w7＞w4＞w2＞w3＞w5＞w6； 人口条件的排序为：p2＞p1＞p4＞p3； 经济条件的排序为：e2＞e3＞e4＞e6＞e5＞e1；环境条件的排序为：r1＞r3＞r2＞r4。

2.2 结果分析

筛选后的水资源条件指标的灰色关联系数大多在0.847 1～0.905 4 之间，故保留水资源总量、人均水资源量、产水模数、降水总量、耗水总量、城市供水量。 水库年蓄水变量的灰色关联系数为0.538 9，与其他数值相差过大，因此被删除。水资源总量排序为首，具有一定的合理性，水资源总量的大小最为明显地反映水资源承载力，能够体现其先天条件，其他保留指标都与水资源总量的关系相对密切。

筛选后的人口条件指标的灰色关联系数大多在0.847 3～0.848 5 之间，故保留城镇化率、人口总数、人口密度。 人口自然增长率灰色关联系数为0.793 1，与其他指标相差大，因此被删除。

筛选后的经济条件指标的灰色关联系数值大多在0.824 3～0.879 5 之间， 故保留万元GDP 用水量、万元工业增加值用水量、灌溉用水定额。第三产业结构和人均GDP 灰色关联系数分别为0.782 9、0.692 0，与其他经济指标关联系数差距大，故筛除。

筛选后的环境条件指标的灰色关联系数值大多位于0.806 4～0.865 6 之间，故保留生态环境用水量、工业废水排放量及生态环境耗水量。 生活废水排放量灰色关联系数值为0.745 9，数值关联不大，因此被删除。

通过对21 个指标的灰色关联系数排序及筛选，最终保留水资源总量、人均水资源量、产水模数、降水总量、耗水总量、城市供水量、城镇化率、人口总数、人口密度、万元GDP 用水量、万元工业增加值用水量、灌溉用水定额、生态环境用水量、工业废水排放量、生态环境耗水量。

3 结语

本研究针对郑州市的实际情况， 从水资源、人口、经济、环境4 个方面考虑，初步建立了水资源承载力评价指标体系， 再运用灰色关联分析法对指标进行约简，删除不重要的指标，以客观的角度分析评价指标。本研究初步筛选的21 个评价指标在一定程度上解决了郑州市水资源承载力评价指标的复杂化、重复化以及时间维度不统一等问题。运用灰色关联分析法删除关联不紧密的指标，最终保留的15 个指标分别与水资源、人口、经济、环境关系密切，具有一定的合理性。