鄂尔多斯市水资源-环境-生态三维系统承载力评估与预警研究

《Ecological Indicators》：Assessment and early warning of the coupled carrying capacity of water resources, environment, and ecology: A case study of Ordos

本研究针对水资源、水环境和水生态相互关联的复杂系统，构建了基于DPSIR-TOPSIS的三维水系统承载力(TDWCC)评估模型，结合熵权-变权法确定指标权重，对鄂尔多斯市2000-2023年承载力进行时空演化分析，并预测2030-2050年风险预警。结果表明鄂尔多斯TDWCC从2000年0.35提升至2023年0.59，但仍处于较弱承载状态；未来承载力将呈现先降后升趋势，关键驱动因素为生态流量满足度、绿地覆盖率和万元工业增加值用水量。研究成果为资源型城市水生态治理提供理论指导和决策支持。

　　

随着全球气候变化和经济社会快速发展，水资源短缺、水环境污染和生态退化等问题日益严峻。作为重要的自然资源，水资源的安全保障对人类社会发展至关重要，然而人类活动导致的水安全问題已成为全球关注热点。水资源、水环境和水生态既相互区别又内在关联，构成了复杂的三维水系统。传统研究多关注单一或两个系统的相互作用，忽视了三维水系统承载力(TDWCC)的复杂内在联系。

鄂尔多斯市位于内蒙古西南部，属于典型温带大陆性气候，降水量少、蒸发量大，人均水资源量低于全国和内蒙古平均水平，水资源短缺、干旱严重、生态极度脆弱等问题严重制约经济社会可持续发展。为解决资源型城市水系统综合治理的难题，研究人员在《Ecological Indicators》发表了题为"Assessment and early warning of the coupled carrying capacity of water resources, environment, and ecology: A case study of Ordos"的研究论文。

本研究建立了驱动-压力-状态-影响-响应(DPSIR)模型，并结合逼近理想解排序法(TOPSIS)评估鄂尔多斯TDWCC。通过熵权与变权相结合确定综合指标权重，基于TDWCC现状和未来趋势预测2030、2040和2050年的风险。研究团队构建了包含20个二级指标的评价体系，采用长短期记忆网络(LSTM)和线性回归(LR)组合模型预测未来指标，并运用SHapley加性解释(SHAP)分析关键驱动因素的贡献。

主要技术方法

研究采用DPSIR框架构建TDWCC评价指标体系，包含5个子系统20个指标。运用熵权法计算初始权重，引入变权函数动态调整权重，采用TOPSIS法计算TDWCC指数分析时空演化。对于历史时期(2000-2023)基于鄂尔多斯统计年鉴和水资源公报观测数据直接评估；未来时期(2030-2050)采用LSTM和LR组合模型预测评价指标，获得相应TDWCC指数和预警结果。最后通过SHAP分析解释结果，识别关键驱动因素。

4.1. 指标权重

五个子系统及其对应权重排序为：驱动(0.2651)、响应(0.2447)、压力(0.2062)、影响(0.1691)和状态(0.1448)。各子系统内权重最高的指标分别是GDP(0.0690)、工业用水量(0.0799)、水资源总量(0.0327)、再生水回用率(0.0608)和绿地覆盖率(0.0967)。

4.2. TDWCC时空演化

4.2.1. 整体TDWCC评价

鄂尔多斯TDWCC等级从2000年0.35(II级)上升到2023年0.59(III级)，平均TDWCC仅为0.47，处于较弱承载状态。康巴什区改善最快，TDWCC从2016年0.46(III级)上升到2023年0.69(IV级)；准格尔旗始终维持在II级或III级，承载能力相对较低。

4.2.2. 子系统承载力评价

压力子系统和影响子系统承载力等级相对较高。驱动子系统承载力从2000年0.41上升到2023年0.59；影响子系统在2017年后呈现明显上升趋势，2023年达到0.87(V级)；响应子系统在2007年后显著改善，维持在III级和IV级临界值附近。

4.3. 未来TDWCC预警

4.3.1. 精度分析

预测模型所有指标平均平均绝对百分比误差(MAPE)为2.59%，决定系数(R²)在0.98-0.69之间，表明预测结果可靠。

4.3.2. 预警结果

2030年TDWCC暂时下降至0.51，预警等级升至严重警告；2040年和205年分别上升至0.63和0.68，进入轻度警告范围。达拉特旗、准格尔旗、鄂托克前旗、杭锦旗和伊金霍洛旗等区域风险水平较高。

5.1. 关键驱动因素

生态流量满足度(X₂₀)对鄂尔多斯TDWCC影响最大，其次是绿地覆盖率(X₁₇)、万元工业增加值用水量(X₁₅)和人均GDP(X₂)。生态流量满足度、绿地覆盖率和人均GDP的增加，以及万元工业增加值用水量的减少，都对TDWCC等级提升有积极贡献。

5.2. TDWCC权重比较

变权法与传统熵权法相比，能更有效反映指标对系统实际影响的差异。压力子系统中总用水量和工业用水量权重分别从0.0375和0.0331增加到0.0750和0.0799，增幅达100%和141%，凸显了密集型用水对承载系统的主导约束作用。

5.3. 结果可能原因

鄂尔多斯TDWCC演化可分为三个阶段：2000-2008年因煤炭主导的资源型产业结构长期处于超载状态；2009-2021年在产业结构调整驱动下稳步上升；2022-2023年受用水总量压力增长制约出现停滞。空间差异可能源于当地水资源管理政策、产业结构和地形气候条件等因素。

5.4. 政策启示

应优化水资源空间配置，调整用水结构，提高工业农业用水效率，增强生态调控能力和再生水利用，建立多元化协同水治理体系。特别需要针对达拉特旗、准格尔旗等风险较高区域实施差异化治理策略。

本研究通过构建TDWCC评估预警体系，揭示了鄂尔多斯市水资源-环境-生态复合系统的承载状况和演化规律。研究发现尽管鄂尔多斯TDWCC呈上升趋势，但仍面临生态约束、结构低效和资源配置不均等多重挑战。变权法的引入增强了模型对实际约束条件的敏感性，SHAP分析明确了生态流量满足度和用水效率改善的关键作用。研究成果不仅为鄂尔多斯市水资源可持续利用和分区管理提供决策支持，也为资源约束型城市水生态治理提供了理论方法借鉴。未来研究可进一步探索多尺度TDWCC耦合机制和跨区域协同治理路径，为全球类似地区水资源综合管理提供科学依据。