范嘉煒，黃錦林，袁明道，張旭輝，譚 彩

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2. 河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣州 510635；3.廣東省粵港澳大灣區(qū)水安全保障工程技術(shù)研究中心，廣州 510635)

0 引 言

珠江三角洲位于中國廣東省中南部、珠江入?？谔帲◤V州、深圳、佛山、東莞、中山、珠海、江門、惠州、肇慶等城市，是粵港澳大灣區(qū)[1]重要的組成部分，多年來依托毗鄰港澳的沿海區(qū)位優(yōu)勢，一直是我國經(jīng)濟發(fā)展的重要引擎[2]，是我國人口集聚最多、創(chuàng)新能力最強、綜合實力最強的三大城市群之一，有“南海明珠”之稱。

水資源作為珠三角地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的重要基礎資源之一，對區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展起著舉足輕重的作用。水資源承載力是指在一定的水資源開發(fā)利用階段下，可利用水量能夠滿足該地區(qū)人口、環(huán)境與資源發(fā)展目標的最大社會經(jīng)濟規(guī)模[3]，是衡量地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展情況受水資源制約的閾值，也是影響區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素之一。由于受到多種不確定因素的影響，如何科學評估水資源承載力逐漸成為眾多水利學者關注的熱點問題[4]。

近年來，由經(jīng)濟發(fā)展、人口密集等多種因素導致的水資源問題日趨明顯，開展珠三角區(qū)域的水資源承載力和可持續(xù)發(fā)展問題分析和評價，對本區(qū)域和其他地區(qū)都具有一定的指導意義和參考價值。

在已有的對于廣東珠三角地區(qū)水資源承載力研究當中，謝小康[5]等運用模糊綜合評價理論對廣東21個市的水資源承載力現(xiàn)狀進行了量化研究，劉樹鋒[6]等利用相對資源承載力的研究方法，對惠州市的水資源承載力進行了分析評價，朱照宇[7]等根據(jù)指標的年遞增率，采取自然趨勢法對珠三角地區(qū)水資源利用情況作了初步評價。以上傳統(tǒng)的評估方法各有優(yōu)點，但也具有一定的局限性。在對評估方法的研究中，成琨[8]等以黑龍江省為例，提出了基于熵權(quán)的云模型，康艷[9]等以三江平原為例，提出了基于AHP法的變權(quán)灰色關聯(lián)模型，朱玲燕[10]等以衢州市為研究對象，建立了基于熵權(quán)法和灰色關聯(lián)法的水資源承載力模型，王正選[11]等以曲陸壩區(qū)為例，提出了一種改進熵權(quán)的水資源承載力評估方法。目前在珠三角水資源承載力的研究中，仍以傳統(tǒng)的評估方法為主，因此本文以2017年珠三角地區(qū)水資源相關數(shù)據(jù)為基礎，結(jié)合灰色關聯(lián)[12]和信息熵[13]理論，通過建立基于灰色關聯(lián)-熵模型的水資源承載力評估體系，對珠三角區(qū)域水資源承載力空間差異性進行分析，為促進區(qū)域水資源的合理開發(fā)利用提供參考依據(jù)，為珠三角水資源承載力評估工作提供更加合理的方法。

1 指標選取與等級標準

水資源承載系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成，且各子系統(tǒng)的指標普遍具有高度隨機性、不確定性等特點。為保證評估的科學合理性，本文依據(jù)珠三角各市統(tǒng)計年鑒及2017年水資源公報、經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報、環(huán)境質(zhì)量報告[14]等，結(jié)合珠三角地區(qū)水資源特點和已有評估指標成果[5]，建立由水資源數(shù)量、社會經(jīng)濟、用水水平、水資源質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境5個子系統(tǒng)，17個分項指標耦合的珠三角水資源承載力評估體系，將水資源承載力分為Ⅰ～Ⅴ級，其中Ⅰ級表示該區(qū)水資源承載力很高，開發(fā)利用程度較小，對于區(qū)域內(nèi)人口、經(jīng)濟、環(huán)境、資源的協(xié)調(diào)發(fā)展具有較強的承載能力，能夠很好地滿足社會發(fā)展的需求；Ⅲ級表示該區(qū)水資源承載力一般，開發(fā)利用程度中等，能夠基本保證區(qū)域內(nèi)人口、經(jīng)濟、環(huán)境、資源的協(xié)調(diào)發(fā)展，Ⅴ級表示該區(qū)水資源承載力很低，進一步開發(fā)利用的空間很小，水資源問題會成為經(jīng)濟社會發(fā)展的一項阻礙因素；Ⅱ級和Ⅳ級為兩個過渡等級，采用合理的水資源開發(fā)利用方式或管理措施，可以促進過渡等級向較優(yōu)的等級轉(zhuǎn)變。表1為選取的水資源承載力指標與等級劃分情況。

表1 珠三角水資源承載力評估指標與等級劃分Tab.1 Water resources carrying capacity evaluation index and grade standards in Pearl River Delta

2 灰色關聯(lián)-熵模型

水資源承載系統(tǒng)受人為、自然環(huán)境等多因素影響，屬于多指標共同作用的復雜體系，因此目標值的評估無法通過單一的函數(shù)擬合來實現(xiàn)，而是需要通過綜合評估模型來完成本項工作。本文基于灰色系統(tǒng)理論，建立了信息熵和灰色關聯(lián)分析相結(jié)合的灰色關聯(lián)-熵模型。其中，信息熵及熵權(quán)理論可減少計算權(quán)重時產(chǎn)生的人為干擾，合理確定各個指標的重要程度；灰色關聯(lián)分析法通過對比參考數(shù)據(jù)與比較數(shù)據(jù)[15]的相關程度，可以客觀反映各指標間隱含的灰色特性。兩種方法耦合的評估模型，可使水資源承載力評估更加科學化、規(guī)范化。

2.1 數(shù)據(jù)標準化

在對水資源承載力進行評估之前，為了克服評估體系中數(shù)據(jù)之間由于量綱、不同取值標準等造成的差異，需利用數(shù)據(jù)標準化將參考數(shù)據(jù)和比較數(shù)據(jù)進行尺度統(tǒng)一(表2，表3)。

2.1.1 參考數(shù)據(jù)標準化

(1)

其中當k=2，3，4時，zik取等級k的上下限平均值。

2.1.2 比較數(shù)據(jù)標準化

設組成的比較數(shù)列指標矩陣為Xij，比較數(shù)列指標為xij(i=

表2 各等級下珠三角水資源承載力參考指標數(shù)據(jù)標準化Tab.2 Standardization of reference index for water resources carrying capacity of Pearl River Delta

(2)

(3)

表3 珠三角水資源承載力比較指標數(shù)據(jù)標準化Tab.3 Standardization of water resources carrying capacity comparison index in Pearl River Delta

2.2 信息熵與熵權(quán)

熵原是在熱力學中對系統(tǒng)無序程度的一個度量。根據(jù)信息論基本原理的解釋，信息熵代表該指標在所研究問題當中，提供有參考價值信息量的多寡程度。若指標的信息熵越小，則表明該指標所包含的信息量越大，即各個評估對象對于該指標存在較大的差異性，在綜合評估中起到的作用就越大，權(quán)重應越高；如果指標的信息熵越大，則表明對于該項指標而言，各評估對象之間的差異較小，在綜合評估中起到的作用就越小，權(quán)重應越低。文中以wi表示熵權(quán)，以Ei表示信息熵，yij為指標比重，K為參數(shù)。具體評估公式如下：

(4)

(5)

并設當yij=0時，yijlnyij=0。

分別求得17個指標與水資源承載力的熵權(quán)，具體結(jié)果見圖1、表4?？梢缘贸?，I13權(quán)重值最大，I5、I6、I7指標權(quán)重較小。在設定的5個子系統(tǒng)中，水資源數(shù)量的指標比重為0.209，社會經(jīng)濟的指標比重為0.162，用水水平的指標比重為0.286，水資源質(zhì)量的指標比重為0.241，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的指標比重為0.102，可見，水資源數(shù)量、用水水平和水資源質(zhì)量對珠三角地區(qū)水資源承載力影響相對較大。

圖1 珠三角水資源承載力指標熵權(quán)權(quán)重Fig.1 Entropy weight of water resources carrying capacity index in Pearl River Delta

指標順序Wi指標順序WiI1310.106I8100.059I120.089I2110.057I930.084I7120.043I1040.073I11130.036I1550.072I12140.035I1660.071I17150.031I470.069I6160.027I380.064I5170.024I1490.063

2.3 灰色關聯(lián)分析

灰色關聯(lián)分析是灰色系統(tǒng)理論中的一個重要組成部分，通常不需要大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，即可完成信息量不夠全面情況下的評估分析。作為應用于水文水資源領域新興的分析方法，它通過確定各比較數(shù)據(jù)曲線與參考數(shù)據(jù)曲線的相近程度來對兩者的相關性大小進行判定，反映兩者相關性大小的量度以灰色關聯(lián)度表示。

(6)

(7)

(8)

表5 2017年廣州市水資源承載力指標灰色關聯(lián)系數(shù)和關聯(lián)度Tab.5 Grey correlation coefficient and correlation degree of water resources carrying capacity index in Guangzhou (2017)

表6 珠三角各地區(qū)不同等級下的關聯(lián)度成果Tab.6 Results of correlation in different grades of Pearl River Delta

按照表6中研究區(qū)域排序，各市在5個等級中的最大關聯(lián)度成果分別為0.668，0.644，0.687，0.644，0.684，0.629，0.719，0.656，0.709。相應水資源承載力級別見表6中的結(jié)果欄。因此按照水資源承載力由低到高排序，可以得出：深圳<佛山<廣州<東莞<中山<珠海<江門<惠州<肇慶，值得關注的是，深圳水資源承載力為Ⅴ級，水資源已處于超載狀態(tài)，佛山、廣州、東莞、中山、珠海5個經(jīng)濟水平較發(fā)達的城市水資源承載力為Ⅳ級，6個城市進一步開發(fā)利用的空間很小，若不加以相應措施進行合理調(diào)控，未來水資源問題會成為當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展的阻礙；珠海水資源承載力雖為Ⅳ級，但Ⅱ級關聯(lián)系數(shù)(0.626)與Ⅲ級關聯(lián)系數(shù)(0.607)與Ⅳ級關聯(lián)系數(shù)(0.629)在同屬Ⅳ級的其余4個城市中差別最小，目前能夠基本保證區(qū)域內(nèi)人口、經(jīng)濟、環(huán)境、資源的協(xié)調(diào)發(fā)展，水資源開發(fā)利用程度中等；江門水資源承載力為Ⅱ級，開發(fā)利用程度較小，水資源潛力較大；肇慶、惠州水資源承載力為Ⅰ級，區(qū)域內(nèi)人口、經(jīng)濟、環(huán)境、資源的協(xié)調(diào)發(fā)展，具有較強的承載能力，能夠很好地滿足社會發(fā)展的需求。

3 結(jié) 語

(1)由經(jīng)濟發(fā)展、人口密集等因素導致的珠三角區(qū)域水資源問題日趨明顯，為科學地評估水資源承載力，保證水資源合理利用，促進區(qū)域未來可持續(xù)發(fā)展，本文結(jié)合珠三角地區(qū)水資源特點和已有評估指標成果，以最新統(tǒng)計資料為依據(jù)，建立了由5個子系統(tǒng)，17個分項指標組成的評估體系，并對承載力等級進行了合理劃分，對本區(qū)域和我國其他地區(qū)的水資源承載力等級判定具有一定的參考價值。

(2)基于信息熵理論，引入灰色關聯(lián)-熵模型的概念，根據(jù)各指標的差異性大小對指標熵權(quán)進行了合理劃分，與水資源承載力評估相結(jié)合，改善了目前在珠三角水資源承載力的研究中仍以傳統(tǒng)的評估方法為主的現(xiàn)狀，克服了傳統(tǒng)方法的局限性，提供了更加合理的評估方法。

(3)結(jié)果顯示，水資源數(shù)量、用水水平、水資源質(zhì)量3個子系統(tǒng)對于珠三角地區(qū)水資源承載力影響較大，權(quán)重分別為0.209、0.286、0.241。珠三角區(qū)域水資源整體壓力較大，社會經(jīng)濟發(fā)展較快的如深圳、佛山、廣州等水資源已處于超載狀態(tài)，應在提高水資源利用率、保護水環(huán)境、改善城區(qū)水質(zhì)等方面采取合理的措施，以保證未來經(jīng)濟-環(huán)境-資源的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。