第二节 水资源承载力评价

承载力（Carrying Capacity，或Bearing Capacity）一词原为力学中一个概念，指物体在不产生任何破坏时所能承受的最大负荷，具有力的量纲。随着事物的不断发展和人类对事物认识与研究的深入，承载力的概念被借用到其他的研究领域，用以表达受体对载体的贡献能力，于是产生了不同领域下的承载力概念，同时承载力也由物理概念成为抽象概念。

水资源是决定一个地区社会经济发展规模以及能否实现可持续发展的关键因素之一，进行水资源承载力评价，度量区域水资源承载状态如何，对于制定有效的水资源调控规划和保护措施、实现经济与环境协调发展具有重要的现实意义。我国学者自20世纪80年代就开始对水资源承载力进行研究，但至今对水资源承载力没有一个通用的定义。这些定义可以归纳为两种观点：一种认为水资源承载力是在一定经济技术水平和社会生产条件下，水资源可供给工农业生产、人民生活和生态环境保护等用水的最大能力；另一种则认为水资源承载力是指某一区域在特定历史阶段的特定技术和社会经济发展水平条件下，以维护生态良性循环和可持续发展为前提，水资源系统可支撑的社会经济活动规模和具有一定生活水平的人口数量。

水资源承载力研究的趋向是能够同时描述水资源承载力的相对状态和大小，本次研究通过建立评价指标体系来评价研究区水资源承载力的状态，通过计算水资源系统可支撑的人口数量和社会经济规模来表达水资源承载力的大小。

一、基于改进AHP的水资源承载力集对分析评价模型

（一）集对分析的原理

集对分析法（Set Pair Analysis，简称SPA）由我国学者赵克勤于1989年提出的一种处理不确定问题的系统分析方法，目前已经应用到现代科学管理、人工智能、信息工程和气象等很多领域。其核心思想是对不确定性系统中的两个有关联的集合构造为集对，对集对的某特性做同一性、差异性、对立性分析，然后建立集对的同异反联系度，即给定集合A和B，并构成集对H（A，B），建立两个集合的联系度表达式：

式中：μ为联系度；N为特征总数；S为集对中两个集合共有的特性个数；P为集对中对立特征的个数；F为两个集合既不共同也不相互对立的特性个数；S/N为集合A和B的同一度，简记为a；F/N为差异度，简记为b；P/N为对立度，简记为c；i为差异度系数，i∈［0，1］，有时仅起差异标记作用；j为对立度系数，其值为-1，有时起对立标记作用。

（二）基于改进AHP的集对分析评价模型

改进的AHP方法即是三标度层次分析法，基于改进AHP的集对分析模型进行水资源承载力评价的步骤如下。

1.联系度的确定

假定有N个评价指标，其中有S个评价指标优于标准，P个评价指标劣于标准，F个指标介于优劣之间。根据公式（3-21）可以计算出样本的联系度μ_m，初步得到承载力情况。不同地区的水资源承载能力即使处于同一级别，也会因评价指标数值的差异而有所不同，因此，对于分级标准还要做同一、差异、对立的集对分析。

水资源承载力评价指标一般包括越大越优型指标和越小越优型指标。

对越大越优型指标联系度计算公式为

对越小越优型指标联系度计算公式为

式中：S₁、S₂、S₃分别为评价指标的门限值；x为各评价区水资源承载力状况的实际值；m为第m个评价区水资源承载力样本；n为评价指标。

2.权重的确定

在水资源承载力评价中，需要用权重系数来衡量各评价指标的重要程度。考虑水资源承载力评价的特性和研究区的实际情况，为了使评价结果更真实、可靠、更符合客观实际，在确定各评价指标的权重时采用三标度层次分析法确定各评价指标的权重。三标度层次分析法避免采用九标度法构造判断矩阵，不仅降低了判断难度，使专家易于接受和操作，而且可以保证易于得到具有足够一致性的判断矩阵。

三标度层次分析法的基本步骤具体如下。

（1）利用三标度法建立比较矩阵D=（d_ij）_n×m。将评价指标两两比较，记D_i和D_j的相对重要性为d_ij，则

（2）计算重要性排序指数r_i。

（3）构造判断矩阵A=（a_ij）_n×m。

其中 r_max=max{r_i}，r_min=min{r_i}，i=1，2，…，n

找出r_max和r_min所对应的2个基点比较要素，参照九标度判断值可以得到基点比较标度b_m。

（4）构造拟优传递矩阵。利用拟优传递矩阵的概念对矩阵A进行变换，得到一个自然满足一致性要求的判断矩阵，直接求出权重值。

判断矩阵A=（a_ij）_n×m是互反矩阵，求解与A对应的反对称矩阵B=lgA，构造矩阵，则矩阵A^*是A的拟优传递矩阵，且A^*是一致的。

（5）计算权重。计算矩阵A^*的最大特征值λ_max及其对应的特征向量ω=（ω₁，ω₂，…，ω_n），对ω进行归一化处理后，即为对应元素的权重值。

各个目标的权重为

3.建立集对分析水资源承载力评价模型

对中同一、差异、对立各分量进行归一化即可得到平均联系度，比较中a、b、c的相对大小可以判断出评价对象所属等级。若max [a，b，c]=b，则判断为Ⅱ级；若max[a，b，c]=a，且a+b≥0.7，则判断为Ⅰ级，否则判断为Ⅱ级；若max[a，b， c]=c，且b+c≥0.7，则判断为Ⅲ级，否则判断为Ⅱ级。

二、水资源承载力评价指标体系

（一）水资源承载力评价指标体系建立的原则

指标的建立是综合评价的根本条件，指标体系的构建成功与否决定了评价效果的真实性和可行性。为了客观、全面、科学地衡量区域水资源承载力，在研究和确立指标体系时，应遵循如下指导准则。

1.功效性原则

水资源承载力系统极其复杂，评价的目的不同决定了水资源承载力评价指标及其体系是各有侧重的。又由于不同地区的水资源承载力系统及系统环境都有所不同，所以水资源承载力评价指标选择具有多样性。为此，评价指标选取应遵循功效性原则，即对于不同评价目标、不同评价区域、不同评价时段，应选择不同的评价指标。

2.系统性原则

水资源承载力系统是一个多属性的复合系统，涉及到水资源条件和开发利用程度、水资源配置格局、经济社会发展水平、生态环境保护程度、水资源管理水平等多个方面，而这些方面又有着极其复杂的联系，为此，所选取指标能够对水资源承载力系统进行全面描述。

3.层次性原则

由于水资源承载力系统是一个复杂的系统，评价指标涉及到众多方面，每一个方面又存在着诸多影响因素。对于这些方面及其影响因素均可以分别提出相应的指标进行表征。显然，这些指标存在着层次归属问题，也就是说，指标间有一定的层次和隶属关系。也即，对于不同的评价层次，选取不同的指标进行描述。

4.综合性原则

在指标筛选过程中，尽量选取综合性强且具有代表性的指标，使其反映的问题更深刻、更具有实际意义。

5.指标数量适度原则

评价指标的数量应该适度。指标太少，不能充分反映问题的本质；指标太多，就又抓不住问题的主要矛盾，不但给解决问题带来难度，而且还可能得出不符实际的结论。

6.可操作性原则

评价指标的可操作性是指：一是指标内容简单明了，容易理解，通常以人均、百分比、增长率等表示，并具有极强的可比性；二是指标应便于量化，如果其值不易量化，则评价的结果充斥的人为因素可能较大；三是指标易于获得，如果指标不便于收集和取得，那么指标体系的应用就不具备反映水资源承载力实质的功能。

7.实用性原则

指标体系就是要把水资源、社会、经济和生态环境系统之间复杂关系转化为可以度量、计算、比较的数据和数值，以便为分析和制定相关政策提供定量化的依据。

8.动态性原则

对任何事物的认识都是逐步深化的，对水资源承载力评价指标体系的认识也不例外。随着认识水平的提高，指标体系也将随之发展与变化。

（二）影响水资源承载力的主要因素

由水资源承载力概念看出，水资源承载力研究涉及到社会、经济、环境、生态、资源在内的纷繁复杂的大系统。在这个大系统内既有自然因素影响，又有社会、经济、文化等因素的影响。

1.水资源的质、量及开发利用程度

由于自然地理条件的不同，水资源在数量上都有其独特的时空分布规律，在质量上也有所差异，如地下水的矿化度、埋深条件，水资源的开发利用程度及方式也会影响可以用来进行社会生产的可利用水资源的数量。

2.生产力水平

不同历史时期或同一历史时期不同地区都具有不同的生产力水平，在不同的生产力水平下利用单方水可生产不同数量及不同质量的工农业产品，因此在研究某一地区的水资源承载能力时必须估测现状与未来的生产力水平。

3.消费水平与结构

在社会生产能力确定的条件下，消费水平及结构层次将决定水资源承载能力的大小。

4.科学技术

科学技术是生产力，现代历史过程已经证明了科学技术是推动生产力进步的重要因素。未来的基因工程、信息工程等高新技术将对提高工农业生产水平具有不可低估的作用，进而对提高水资源承载能力产生重要影响。

5.人口与劳动力

社会生产的主体是人，水资源承载能力的对象也是人，因此人口和劳动力与水资源承载能力具有互相影响的关系。

6.其他资源潜力

社会生产不仅需要水资源，而且还需要其他诸如矿藏、森林、土地等资源的支持。这些主要因素之间关系错综复杂，但弄清其本质联系，可从中获得一些有用信息，建立合适的水资源承载力评价指标体系。

（三）评价指标体系的建立

根据水资源承载力评价指标体系设计的指导思想与原则，综合考虑自然、经济社会和生态环境等水资源承载能力影响因素，建立黄河三角洲水资源承载力评价指标体系。该体系由三个层次构成，分别为目标层、准则层和指标层。目标层（A）表达的是水资源承载力；准则层（B）包括6方面指标：水资源条件、水资源开发利用状况、社会经济发展状况、生活用水情况、生产用水情况和生态环境状况；指标层（C）包括25个指标。各评价指标分为正向指标（越大越优）和逆向指标（越小越优）和适度指标（优于标准的按越小越优、劣于标准的按越大越优）三类。黄河三角洲水资源承载力评价指标体系见图3-6，定义与计算见表3-4。

图3-6 黄河三角洲水资源承载力评价指标体系

三、水资源承载力评价指标分级标准

为了描述水资源承载力的相对状态，将评价指标对水资源承载力的影响程度划分为三个等级。Ⅰ级表示水资源承载能力较强，开发利用潜力较大；Ⅱ级表示水资源承载力中等，水资源仍有进一步开发的潜力；Ⅲ级表示水资源承载力较差，开发利用已经接近饱和。

指标评价标准的确定是多因素综合评价的关键之一，各指标的评价标准直接关系到最终评判结果的科学性。由于水资源承载力评价以可持续发展为总的指导原则，以实现水资源可持续利用为最终目标，所以水资源承载力评价指标评价标准的确定应面向可持续发展，应有利于水资源的开发利用和保护，而且具有可操作性。本次评价标准的确定是在充分借鉴国内外其他学者研究成果的基础上，遵循不同的指标标准确定原则：对大多数指标，以国内外已有研究成果为确定依据；对于没有规定标准的指标如人均GDP、第三产业比例等，通过参考山东省平均、全国平均和世界平均水平，结合研究区实际情况确定该项指标的上限和下限；对于那些缺少明确标准的指标，通过请教专家和当地水务部门的人员，确定其上下限。

黄河三角洲水资源承载力评价指标分级标准见表3-5。

四、评价指标值

本次水资源承载力状态评价以2010年为水平年，根据《东营市统计年鉴2011》、《东营市水资源公报2010年》等资料确定水资源承载力评价值，结果见表3-6。

五、水资源承载力评价结果

以黄河三角洲水资源承载力评价指标体系各指标的评价标准值作为集对分析联系度表达式中的同一度、差异度和对立度的取值依据，利用式（3-21）计算各评价区域的联系度。

比较5个评价区域的联系度，承载力相对较强的是垦利县，其次是东营区和河口区，相对较弱的是利津县和广饶县。为进一步分析评价指标的数值与指标分级标准之间的关系，需要继续对各评价区域做同一、差异、对立的集对分析。

以东营区为例，由式（3-22）、式（3-23）可计算出25项评价因子相对于分级标准的联系度，μ_1.1=0+0i+1j，…，μ_1.24=1+0i+0j，μ_1.25=0+0i+1j。根据式（3-24）、式（3-25）计算出各评价指标的权重，见表3-7。

根据式 （3-26）计算出东营区的平均联系度：=0.138+0.005i+0.276j，通过归一化可得东营区的最终平均联系度：=0.329+0.011i+0.660j。同理，可以得到其他四个区域的平均联系度：=0.201+0.044i+0.755j；=0.198+0.227i+0.575j。

根据最终的平均联系度得到各评价区域的水资源承载力等级。评价结果见表3-8，水资源承载力分区见图3-7。

由表3-8和图3-7可看出，东营区和垦利县水资源承载力属于中等，河口区、利津县和广饶县水资源承载力相对较弱，在现有的条件下水资源继续开发的潜力相对较小，水资源供需矛盾突出。

六、敏感性分析

敏感性分析是研究一个系统的状态对系统参数或周围条件变化的敏感程度的方法，通过敏感性分析可以确定哪些参数或因素对系统有较大的影响，并采取针对性措施降低不确定因素的影响。通过对水资源承载力的影响因素进行敏感性分析，可以确定影响水资源承载力的最主要因素，为有针对性地采取相应对策和措施提供依据。

图3-7 研究区水资源承载力评价结果分区

（一）敏感性因素分析

在实际计算时，敏感性分析一般通过将影响参数或影响因素在其变化范围内取几个离散的数值，不同的数值称为水平值，在不同水平值条件下分别计算系统的影响指标，分析影响指标对不同影响因素变化的敏感程度。

本次研究主要从以下三个方面分析影响黄河三角洲水资源承载力的敏感性因素，设定各因素的水平值。

1.可供水量

包括当地地表水可供水量、地下水可供水量、客水可供水量以及非常规水资源可供水量，可供水量取3个水平值，即正常值、上下浮动10%。

2.万元GDP取水量

用万元GDP取水量表示用水效率，与可供水量相同，用水效率也上下浮动10%。

3.人口密度

用人口密度表示人类活动对水资源承载力的影响，取3个水平值，即正常值、上下浮动10%。

敏感性分析的各影响因素及水平值，见表3-9。

（二）正交试验

如果采用全面试验的方法，三个因素将总共有3×4×4=48个试验方案，为减少计算工作量，采用正交试验法进行分析。正交试验法是研究处理多因素试验的一种科学方法，它利用正交表科学地挑选试验条件，合理安排试验，从很多试验条件中选出代表性强的少数次条件，通过对少数次试验条件的分析，找出最优或较优的试验方案。本次研究选定三个因素三个水平，故正交试验表为L₉（3⁴），见表3-10。

黄河三角洲水资源承载力影响指标用易损性表示，易损性为研究区现状年缺水量与需水量的比值。计算结果见表3-11。

（三）正交试验结果的极差分析

极值分析法简单明了，通俗易懂，计算工作量少，本次研究采用极值分析法确定各因素的敏感性。将各个因素相同水平的试验结果求平均值，极差是在各水平的平均值中由最大值减去最小值求平均值，极差越大说明此因素的不同水平对计算结果产生的差异就越大，水资源承载力影响对该因素越敏感。易损性极差分析见表3-12。

由表3-12可以看出，在可供水量、万元GDP取水量和人口密度三个因素中，对易损性而言，黄河三角洲水资源承载系统对可供水量的敏感性最大，其次是万元GDP取水量，再次是人口密度。

针对研究区的水资源承载力现状，水资源开发利用应以可持续发展为基础，增加外调水量，积极拓展非常规水资源利用，增加“开源”途径；大力实行最严格的水资源管理制度，全面推进节水型社会建设，提高水资源的利用效率和效益；调整用水结构，实现水资源的合理配置；做好城市水资源综合规划，合理确定城市发展规模；做好农村供水工作，保障农村饮用安全；加强水污染治理，防止水环境恶化；不断提高水资源承载能力，以更好地保证研究区社会经济的可持续发展。