黄河流域水资源承载力评价

doi:10.31497/zrzyxb.20190815

摘要/Abstract

摘要：

定量评价水资源承载力,可为有效调控水资源,提高水资源承载力和消除水资源超载区提供依据。从水资源承载力新内涵出发,构建“量—质—域—流”的四维水资源承载力评价指标体系,确定指标评价等级标准。针对水资源承载力评价涉及许多不确定因素以及指标间存在耦合关系等特点,采用可考虑指标间耦合关系的EFAST算法计算权重,结合可处理评价不确定性问题的联系熵模型进行水资源承载力评价。以黄河流域为例,计算得权重与熵权法进行比较,对2015年流域61个地市的水资源承载力状况进行了综合评价。结果表明：EFAST算法计算权重比熵权法更合理;黄河流域水资源承载力处于Ⅰ级（极高）、Ⅱ级（较高）、Ⅲ级（中等）、Ⅳ级（较低）和Ⅴ级（极低）的地市数量占评价总地市数的比例分别为0、4.9%、18.1%、63.9%和13.1%,其中Ⅳ级和Ⅴ级分布在除青海省外的其他省区的地市。

关键词: 黄河流域, 水资源承载力, 联系熵模型, EFAST算法

Abstract:

Quantitative evaluation of water resources carrying capacity can provide a basis for effective regulation of water resources, improvement of water resources carrying capacity and elimination of water resources overload areas. Based on the new connotation of water resources carrying capacity, an evaluation index system for water resources carrying capacity was constructed which considered four aspects of water quantity, water quality, watershed and water flow. In traditional research of water resources carrying capacity, there existed many uncertain factors and coupling relationships between indicators. In order to address this issue, this paper calculated the weights using EFAST method, which considers the coupling relationship between indicators. The connection entropy model that can overcome the uncertainty of evaluation was carried out to evaluate comprehensive water resources carrying capacity. By taking the Yellow River Basin as an example, the weights of the carrying capacity indices were calculated using EFAST method and weight entropy method respectively and made a comparison between the two methods. Finally, the water resources carrying capacity of 61 cities in this basin in 2015 was comprehensively evaluated. The results showed that: EFAST method was more reasonable than entropy weight method in identifying important indicators. Cities whose water resources carrying capacity were at grade I (very high), grade II (higher), grade III (medium), grade IV (lower) and grade V (very low) levels accounted for 0%, 4.9%, 18.1%, 63.9% and 13.1% respectively of the number of cities in the Yellow River Basin. The cities of grades IV and V were distributed in provinces except Qinghai.

Key words: Yellow River Basin, water resources carrying capacity, connection entropy model, EFAST algorithm

张宁宁, 粟晓玲, 周云哲, 牛纪苹. 黄河流域水资源承载力评价[J]. 自然资源学报, 2019, 34(8): 1759-1770.

ZHANG Ning-ning, SU Xiao-ling, ZHOU Yun-zhe, NIU Ji-ping. Water resources carrying capacity evaluation of the Yellow River Basin based on EFAST weight algorithm[J]. JOURNAL OF NATURAL RESOURCES, 2019, 34(8): 1759-1770.

图/表 7

图1

表1

表2

黄河流域各地市水资源承载力评分与等级"

省(自治区)	编号	地市	水量		水质		水域		水流		综合
省(自治区)	编号	地市	评分	等级	评分	等级	评分	等级	评分	等级	评分	等级
青海	1	西宁市	-0.35	4	-0.61	4	-0.83	5	0.07	3	-0.40	4
	2	海东市	-0.02	3	0.51	2	-0.58	4	0.15	3	-0.02	3
	3	海北州	0.26	2	0.66	2	-0.67	4	0.03	3	0.10	3
	4	黄南州	0.19	3	0.57	2	-1.04	5	0.11	3	0.00	3
	5	海南州	0.53	2	0.73	2	0.18	3	0.07	3	0.41	2
	6	果洛州	0.71	2	0.82	1	-0.59	4	0.05	3	0.36	2
	7	玉树州	0.92	1	0.72	2	-0.65	4	0.18	3	0.46	2
	8	海西州	0.36	2	-0.54	4	-1.14	5	0.13	3	-0.12	3
甘肃	9	武威市	-0.73	4	-0.25	4	-1.04	5	0.05	3	-0.65	4
	10	兰州市	-1.26	5	0.00	3	-0.49	4	-0.33	4	-0.76	4
	11	白银市	-1.02	5	-0.56	4	-0.90	5	0.06	3	-0.93	5
	12	临夏州	-0.79	4	0.01	3	-0.46	4	-0.25	4	-0.52	4
	13	定西市	-1.06	5	0.40	2	-0.83	5	-0.01	3	-0.62	4
	14	天水市	-0.50	4	0.32	2	-0.37	4	-0.30	4	-0.32	4
	15	平凉市	-0.23	4	-0.13	3	-0.77	4	-0.34	4	-0.34	4
	16	庆阳市	-0.74	4	0.04	3	-0.76	4	-0.28	4	-0.54	4
	17	甘南州	0.39	2	0.47	2	-0.55	4	0.03	3	0.16	3
宁夏	18	银川市	-0.93	5	-0.38	4	-0.53	4	-0.07	3	-0.62	4
	19	石嘴山	-0.80	5	-0.34	4	-0.33	4	-0.15	3	-0.53	4
	20	吴忠市	-0.78	4	-0.52	4	-0.99	5	-0.13	3	-0.66	4
	21	中卫市	-0.76	4	-0.78	4	-0.54	4	-0.13	3	-0.61	4
	22	固原市	-0.31	4	-0.97	5	-0.58	4	-0.32	4	-0.46	4
省(自治区)	编号	地市	水量		水质		水域		水流		综合
省(自治区)	编号	地市	评分	等级	评分	等级	评分	等级	评分	等级	评分	等级
内蒙古	23	呼和浩特市	-0.93	5	-0.21	4	-0.42	4	-0.12	3	-0.58	4
	24	包头市	-1.04	5	-0.57	4	-0.51	4	-0.08	3	-0.83	5
	25	乌海市	-0.81	5	-0.70	4	-0.39	4	-0.27	4	-0.62	4
	26	乌兰察布市	-1.03	5	-0.40	4	-0.62	4	-0.13	3	-0.70	4
	27	鄂尔多斯	-0.81	5	-1.04	5	0.18	3	-0.49	4	-0.60	4
	28	巴彦淖尔	-0.96	5	-0.81	5	-0.09	3	-0.15	3	-0.94	5
	29	阿拉善盟	-1.08	5	-0.53	4	-1.15	5	-0.87	5	-0.98	5
陕西	30	西安市	0.18	3	-0.34	4	-0.44	4	-0.42	4	-0.12	3
	31	铜川市	-0.43	4	-0.33	4	-0.94	5	-0.48	4	-0.52	4
	32	宝鸡市	-0.82	5	0.08	3	-0.71	4	-0.41	4	-0.59	4
	33	咸阳市	-1.04	5	0.07	3	-0.18	3	-0.51	4	-0.62	4
	34	渭南市	-0.82	5	0.12	3	-0.31	4	-0.48	4	-0.53	4
	35	延安市	-0.07	3	0.06	3	-0.91	5	-0.76	4	-0.34	4
	36	榆林市	-0.75	4	-0.47	4	-1.01	5	-0.93	5	-0.88	5
	37	商洛市	0.05	3	0.17	3	-0.83	5	-0.22	4	-0.15	3
山西	38	太原市	-1.06	5	-0.04	3	-0.47	4	-1.06	5	-0.92	5
	39	长治市	-0.76	4	0.14	3	-0.54	4	-0.42	4	-0.53	4
	40	晋城市	-0.50	4	-0.12	3	-0.47	4	-1.10	5	-0.55	4
	41	朔州市	-0.52	4	-0.10	3	-0.43	4	-0.51	4	-0.44	4
	42	忻州市	0.10	3	0.07	3	-0.36	4	-0.44	4	-0.09	3
	43	吕梁市	-0.69	4	-0.22	4	-0.69	4	-0.54	4	-0.59	4
	44	晋中市	-0.52	4	-0.10	3	-0.76	4	-0.50	4	-0.50	4
	45	临汾市	-0.37	4	-0.62	4	-0.69	4	-0.54	4	-0.50	4
	46	运城市	-1.11	5	-1.08	5	-0.06	3	-1.20	5	-1.05	5
河南	47	郑州市	-0.70	4	-0.27	4	-0.37	4	-0.69	4	-0.58	4
	48	开封市	0.10	3	0.03	3	-0.22	4	-0.25	4	-0.03	3
	49	洛阳市	0.40	2	0.23	2	-0.21	4	-0.49	4	0.10	3
	50	安阳市	0.01	3	-0.24	4	-0.76	4	-0.67	4	-0.29	4
	51	濮阳市	-0.60	4	-0.98	5	-0.30	4	-0.46	4	-0.62	4
	52	新乡市	-0.48	4	-0.58	4	-0.28	4	-0.27	4	-0.42	4
	53	焦作市	-0.79	4	-0.65	4	-0.13	3	-0.43	4	-0.58	4
	54	三门峡	-0.02	3	0.09	3	-0.37	4	-1.00	5	-0.31	4
山东	55	济南市	-0.39	4	-0.20	4	-0.35	4	-1.15	5	-0.52	4
	56	东营市	-0.35	4	0.11	3	0.03	3	-0.86	5	-0.44	4
	57	济宁市	0.01	3	-0.09	3	0.03	3	-0.68	4	-0.13	3
	58	泰安市	-0.07	3	-0.12	3	-0.12	3	-0.92	5	-0.37	4
	59	莱芜市	-1.01	5	0.34	2	-0.36	4	-1.11	5	-0.80	5
	60	聊城市	-0.41	4	-0.52	4	-0.31	4	-1.07	5	-0.53	4
	61	菏泽市	-0.35	4	-0.27	4	-0.28	4	-0.84	5	-0.42	4

表2

图2

图3

图4

图5

参考文献 22

[1]	左其亭, 张修宇. 气候变化下水资源动态承载力研究. 水利学报, 2015, 46(4): 387-395.
	[ZUO Q T, ZHANG X Y.Dynamic carrying capacity of water resources under climate change. Journal of Hydraulic Engineering, 2015, 46(4): 387-395.]
[2]	金菊良, 董涛, 郦建强, 等. 不同承载标准下水资源承载力评价. 水科学进展, 2018, 29(1): 31-39.
	[JIN J L, DONG T, LI J Q, et al.Water resources carrying capacity evaluation method under different carrying standards. Advances in Water Science, 2018, 29(1): 31-39.]
[3]	汪嘉杨, 李祚泳, 余静. 水资源承载力评价的升半Г型分布指数公式. 自然资源学报, 2014, 29(5): 868-874.
	[WANG J Y, LI Z Y, YU J.Water resources carrying capacity evaluation based on Γ-type distribution function. Journal of Natural Resources, 2014, 29(5): 868-874.]
[4]	姜秋香, 付强, 王子龙. 三江平原水资源承载力评价及区域差异. 农业工程学报, 2011, 27(9): 184-190.
	[JIANG Q X, FU Q, WANG Z L.Evaluation and regional differences of water resources carrying capacity in Sanjiang Plain. Transactions of the CSAE, 2011, 27(9): 184-190.]
[5]	王建华, 姜大川, 肖伟华, 等. 水资源承载力理论基础探析: 定义内涵与科学问题. 水利学报, 2017, 48(12): 1399-1409.
	[WANG J H, JIANG D C, XIAO W H, et al.Study on theoretical analysis of water resources carrying capacity: Definition and scientific topics. Journal of Hydraulic Engineering, 2017, 48(12): 1399-1409.]
[6]	门宝辉, 王志良, 梁川, 等. 物元模型在区域地下水资源承载力综合评价中的应用. 四川大学学报: 工程科学版, 2003, (1): 34-37.
	[MEN B H, WANG Z L, LIANG C, et al.Application of matter element model to evaluating on of resources carrying capacity of regional groundwater. Journal of Science University: Engineering Science Edition, 2003, (1): 34-37.]
[7]	周亮广, 梁虹. 基于主成分分析和熵的喀斯特地区水资源承载力动态变化研究: 以贵阳市为例. 自然资源学报, 2006, 21(5): 827-833.
	[ZHOU L G, LIANG H.A study on the evolution of water resource carrying capacity in Karst area based on component analysis and entropy. Journal of Natural Resources, 2006, 21(5): 827-833.]
[8]	田静宜, 王新军. 基于熵权模糊物元模型的干旱区水资源承载力研究: 以甘肃民勤县为例. 复旦学报: 自然科学版, 2013, 52(1): 86-93.
	[TIAN J Y, WANG X J.A study on the evolution of water resource carrying capacity in Karst area based on component analysis and entropy. Journal of Fudan University: Natural Science, 2013, 52(1): 86-93.]
[9]	赵军凯, 李九发, 戴志军, 等. 基于熵模型的城市水资源承载力研究: 以开封市为例. 自然资源学报, 2009, 24(11): 1944-1951.
	[ZHAO J K, LI J F, DAI Z J, et al.Study on water resources carrying capacity of urbanized area based on entropy model: A case study in Kaifeng city. Journal of Natural Resources, 2009, 24(11): 1944-1951.]
[10]	李宁, 张文丽, 李经伟. “三条红线”约束下的鄂尔多斯市水资源承载力评价. 中国农村水利水电, 2016, (1): 8-11.
	[LI N, ZHANG W L, LI J W.Water resources carrying capacity evaluation in Erdos under the restriction of three red line. China Rural Water and Hydropower, 2016, (1): 8-11.]
[11]	刘树锋, 陈俊合. 基于神经网络理论的水资源承载力研究. 资源科学, 2007, 29(1): 99-105.
	[LIU S F, CHEN J H.Water resources carrying capacity based on the theory of ANN. Resources Science, 2007, 29(1): 99-105.]
[12]	PAN Z, JIN J, LI C, et al.A connection entropy approach to water resources vulnerability analysis in a changing environment. Entropy, 2017, 19(11): 591.
[13]	王莉, 田水承, 王晓宁. 联系熵在煤矿安全预评价中的应用. 中国安全科学学报, 2006, 16(9): 129-133.
	[WANG L, TIAN S C, WANG X N.Application of connection entropy in safety pre evaluation of coalmine. China Safety Science Journal, 2006, 16(9): 129-133.]
[14]	常晓林, 张美丽, 杨海云, 等. 基于联系熵的围岩稳定性评价研究. 岩土力学, 2010, 31(1): 99-101.
	[CHANG X L, ZHANG M L, YANG H Y, et al.Application of connection entropy to stability evaluation of adjoining rock. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(1): 99-101.]
[15]	管杜娟, 郭鹏. 基于脆性联系熵的项目组合脆性风险分析. 管理学报, 2015, 12(10): 1553-1561.
	[GUAN D J, GUO P.Brittleness risk analysis of project portfolio based on brittle link. Chinese Journal of Management, 2015, 12(10): 1553-1561.]
[16]	LUAN W, LU L, LI X, et al.Weight determination of sustainable development indicators using a global sensitivity analysis method. Sustainability, 2017, 9(2): 303.
[17]	马晓超, 粟晓玲. 渭河生态水文特征变化研究. 水资源与水工程学报, 2011, 22(1): 16-21.
	[MA X C, SU X L.Research on ecohydrological alternation of Weihe River Basin. Journal of Water Resources & Water Engineering, 2011, 22(1): 16-21.]
[18]	任启伟, 陈洋波, 舒晓娟. 基于Extend FAST方法的新安江模型参数全局敏感性分析. 中山大学学报: 自然科学版, 2010, 49(3): 127-134.
	[REN Q W, CHEN Y B, SHU X J.Global sensitivity analysis of Xinanjiang model parameters based on extend FAST method. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni, 2010, 49(3): 127-134.]
[19]	赵克勤. 集对分析与熵的研究. 浙江大学学报, 1992, 6(2): 65-72.
	[ZHAO K Q.Study on set pair analysis and entropy. Journal of Zhejiang University, 1992, 6(2): 65-72.]
[20]	南彩艳, 粟晓玲. 基于改进SPA的关中地区水土资源承载力综合评价. 自然资源学报, 2012, 27(12): 104-114.
	[NAN C Y, SU X L.Comprehensive evaluation for soil-water resources carrying capacity in Guanzhong area based on improved Set Pair Analysis. Journal of Natural Resources, 2012, 27(12): 104-114.]
[21]	苏贤保, 李勋贵, 赵军峰. 水资源—水环境阈值耦合下的水资源系统承载力研究. 资源科学, 2018, 40(5): 1016-1025.
	[SU X B, LI X G, ZHAO J F.Carrying capacity of water resources system coupling water resources with water environment thresholds. Resources Science, 2018, 40(5): 1016-1025.]
[22]	马付苍. 山东省水资源时空分布及其承载力综合评价. 陕西水利, 2018, 5(9): 11-14.
	[MA F C.Spatial and temporal distribution of water resources and comprehensive evaluation of bearing capacity in Shandong province. Shaanxi Water Resources, 2018, 5(9): 11-14.]

准则层	指标代码	指标名称	权重	Ⅰ级(极高)	Ⅱ级(较高)	Ⅲ级(中等)	Ⅳ级(较低)	Ⅴ级(极低)
准则层	指标代码	指标名称	权重	承载潜力大	可承载	临界超载	超载	严重超载
量	C1	人均水资源量/(m³/人)	0.072	3000~4000	2000~3000	1000~2000	500~1000	300~500
	C2	降水深/mm	0.057	800~1000	600~800	400~600	200~400	0~200
	C3	万元农业产值用水量/(m³/万元)	0.047	0~40	40~100	100~200	200~400	400~600
	C4	人均生活用水量/(L/人·d)	0.037	10~30	30~40	40~50	50~60	60~80
	C5	地下水开采系数	0.118	0~0.5	0.5~0.75	0.75~0.9	0.9~1.05	1.05~1.3
	C6	万元工业增加值用水量/(m³/万元)	0.034	0~10	10~20	20~40	40~100	100~200
	C7	生态环境用水率/%	0.120	6~8	4~6	2~4	1~2	0~1
质	C8	水功能区水质达标率/%	0.064	90~100	70~90	60~70	40~60	30~40
	C9	人均氨氮排放量/(kg/人)	0.035	0~0.5	0.5~1	1~2	2~3	3~4
	C10	人均化学需氧量排放量/(kg/人)	0.045	0~2	2~5	5~10	10~15	15~20
域	C11	水域面积率/%	0.052	5~8	3.5~5	2~3.5	1~2	0.5~1
	C12	湿地保留率/%	0.065	90~100	70~90	50~70	30~50	20~30
	C13	植被覆盖率/%	0.072	65~75	55~65	45~55	30~45	15~30
流	C14	河网密度/(1/km)	0.037	0.6~0.8	0.35~0.6	0.1~0.35	0.05~0.1	0~0.05
	C15	最小3日流量千分比/‰	0.067	3.5~5	3.0~3.5	2.5~3.0	1.5~2.5	1.0~1.5
	C16	流量逆转次数/次	0.043	60~70	70~80	80~100	100~120	120~140
	C17	纵向连通性/(座/10³km)	0.035	0~50	50~100	100~200	200~300	300~400