《Water》：Spatiotemporal Evaluation of Multi-Dimensional Water Resources Carrying Capacity in China’s Seventh Largest Desert
编辑推荐：
库布齐沙漠是中国第七大沙漠，面临着严重的水资源供需失衡与生态脆弱性问题。本研究采用基于博弈论组合赋权的TOPSIS模型（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，逼近理想解排序
库布齐沙漠是中国第七大沙漠，面临着严重的水资源供需失衡与生态脆弱性问题。本研究采用基于博弈论组合赋权的TOPSIS模型（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，逼近理想解排序法），对该沙漠及其下属旗县的水资源承载力（Water Resources Carrying Capacity，WRCC）进行了多维度动态评价，并利用障碍度模型识别了主要障碍因子。结果表明，综合WRCC指数从2010年的0.351上升至2023年的0.584，呈阶梯式上升趋势，WRCC等级逐步由2010年的II级向2023年的III级转变。生态环境与社会经济条件子系统的改善最为显著，其对综合WRCC的贡献率逐年增长；水资源子系统则在较窄区间内波动，大体保持在III级水平。各旗县的WRCC表现出显著的时空异质性，形成了“东高西低”的空间格局，WRCC值由高到低依次为准格尔旗、达拉特旗和杭锦旗，多年平均值分别为0.541、0.516和0.492。2010—2014年间，除准格尔旗外，各旗大多年份均处于超载状态；2015年以来，随着WRCC提升，各旗承载状况普遍好转，全区达到临界可承载状态。制约WRCC的主要障碍因子包括生态用水率、水土流失率、供水模数、干旱指数、水利环保投资率、水资源开发利用率、水功能区水质达标率、万元GDP（Gross Domestic Product，国内生产总值）用水量和森林覆盖率，其中3项属于水资源子系统，4项属于生态环境子系统，2项属于社会经济条件子系统，表明社会经济指标对WRCC的制约作用最弱。未来WRCC提升与治理应坚持以水资源刚性约束为底线，优先优化产业结构和城镇布局，实施分区水土流失治理并稳步提高森林覆盖率，推动库布齐沙漠实现绿色低碳高效发展。
**论文解读**
**一、研究背景与意义**
水资源既是基础性自然资源，也是战略性经济资源，是维持社会经济发展和维系生态健康的关键基础。在全球气候变化加剧与人类活动不断增强的双重压力下，干旱地区的水资源短缺、水污染和水生态系统退化问题日益突出，水资源已成为制约区域发展的关键瓶颈。水资源承载力（Water Resources Carrying Capacity，WRCC）是指在可持续发展原则下、满足生态需水的前提下，水资源所能支撑的最大人口与社会经济规模，是衡量水资源—社会经济—生态环境三者协调程度的重要指标。科学评价区域WRCC，不仅能为水资源优化配置和管理决策提供依据，更是协调人水关系、实现区域高质量发展和推进生态文明建设的基础。
库布齐沙漠是中国第七大沙漠，地处黄河流域腹地，是北方重要的生态安全屏障，但面临严重的荒漠化和水资源短缺问题。区域内水系年径流以洪水为主、难以有效利用，高耗水农业在各用水部门中占比最大，严重挤压其他产业用水，导致本地水资源不足以支撑人口和产业集聚。因此，科学评价WRCC并破解水资源短缺危机，已成为该地区亟待解决的首要问题。然而，现有WRCC研究多针对单一行政单元或流域，评价多局限于整体WRCC，难以全面反映干旱区WRCC状况及其驱动机制。鉴于此，本研究选取生态脆弱的库布齐沙漠为研究对象，构建了涵盖水资源、社会经济条件和生态环境3个子系统共22项指标的多维度评价指标体系，采用博弈论组合赋权的TOPSIS模型进行2010—2023年多维度WRCC动态评价，并利用障碍度模型识别主要障碍因子及其障碍度，揭示WRCC的时空演变格局、核心制约因素及区域分异驱动机制，将WRCC研究从整体评估拓展至多因子归因分析，为库布齐沙漠及全球类似干旱区的水资源精细化管理提供参考。
**二、主要技术方法**
研究以库布齐沙漠为整体研究区，以达拉特旗、准格尔旗和杭锦旗3个旗为子区域评价单元。数据主要来源于各旗及鄂尔多斯市2010—2023年的统计年鉴、水资源公报、国土公报、水土保持公报、环境质量公报和国民经济与社会发展统计公报，辅以《鄂尔多斯市“四水四定”规划》（2022年）和《鄂尔多斯市水资源可持续利用规划》（2023年）。缺失值采用相邻年份线性插值填充，月度数据取均值转化为年度值。研究方法方面：（1）构建了包含22项指标的水资源—社会经济条件—生态环境三维评价指标体系，各指标按对WRCC影响方向分为正向和负向指标；（2）采用极差法对指标进行标准化处理；（3）通过层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）邀请10位水资源管理领域专家进行指标重要性评分确定主观权重，通过熵权法（Entropy Weight Method，EWM）基于指标数据确定客观权重，再利用博弈论（Game Theory）优化主观与客观权重的组合系数，求解组合权重；（4）运用TOPSIS模型计算各评价对象与正、负理想解的加权欧氏距离及贴近度，并参照干旱半干旱区既有研究采用固定的五级等宽标准（严重超载、超载、临界可承载、弱可承载、可承载）对WRCC进行等级划分；（5）引入障碍度模型，由因子贡献度、指标偏离度和障碍度三部分构成，选取障碍度最高的前8项指标作为主要障碍因子进行诊断，以降低权重结构对排序的干扰。
**三、主要研究结果**
**3.1 指标权重结果**
博弈论求得库布齐沙漠及各旗主观权重与客观权重的组合系数，各区域权重模式高度一致，三个子系统权重由大到小依次为水资源子系统（均值约0.368）、生态环境子系统（均值约0.334）和社会经济条件子系统（均值约0.298）。主导指标为干旱指数、水土流失率、万元GDP用水量、供水模数和生态用水率，平均值分别约为0.115、0.101、0.089、0.083和0.082，综合反映了水资源本底条件、生态治理能力和经济发展水平。各子系统及指标均无过度主导性权重，说明指标选取较为合理。
**3.2 WRCC时间演变分析**
在区域尺度上，库布齐沙漠综合WRCC指数从2010年的0.351上升至2023年的0.584，最低值出现在2010年，峰值出现在2021年，整体呈阶梯式上升趋势。WRCC等级从2010年的超载状态（II级）逐步向2023年的临界可承载状态（III级）转变，表明区域WRCC得到有效提升。整体趋势可分为两个阶段：2010—2016年，快速城镇化加剧水资源供需失衡，年均水资源开发利用率达61.82%，地下水开采系数为0.83，生态用水率长期低于4%，工农业高用水需求对生活、生态等用水部门产生结构性挤出效应，WRCC长期处于低位，等级以超载和临界可承载状态为主；2017—2023年，库布齐沙漠深入实施“生态优先、绿色发展”的高质量发展战略，严格落实“四水四定”水资源管理政策，推动各行业用水效率持续提升，叠加库布齐锁边林工程的固沙效益，综合WRCC指数稳步增长，2021年达到峰值0.622，等级以临界可承载和弱可承载状态为主。
从准则层看，生态环境和社会经济条件子系统改善最为显著，对综合WRCC的贡献率逐年增大，而水资源子系统在较窄区间波动，大体稳定在III级水平，其贡献率呈下降趋势。时间上，2010—2015年间水资源子系统承载力最高，且与综合WRCC变化趋势较为一致，是该阶段综合WRCC的主要影响因素；2016年以后，随着社会经济条件和生态环境子系统的大幅改善，水资源子系统与综合WRCC的差距逐步拉大，综合WRCC的变化更多依赖于后两者的协同效应。进一步分析表明，供水模数、干旱指数和水资源开发利用率等自然本底指标在2010—2023年间未见显著变化，而万元GDP用水量、人均生活用水量、森林覆盖率、水功能区水质达标率和万元GDP污染物排放量等调控性指标改善显著，说明干旱半干旱区的水资源管理可通过节水技术和生态修复工程克服自然本底约束，提升区域WRCC。
**3.3 WRCC空间格局分析**
各旗综合WRCC演变态势与库布齐沙漠整体趋势相似，均呈“M”型波动上升。达拉特旗综合WRCC指数由2010年的0.337（II级）增至2023年的0.598（III级），2021年达到峰值0.625；准格尔旗由0.352（II级）增至0.627（IV级），2016年达到峰值0.639；杭锦旗由0.324（II级）增至0.558（III级），2018年达到峰值0.633。三年多年平均WRCC分别为0.516、0.541和0.492。空间分布上，库布齐沙漠WRCC呈现“东高西低”的格局，由高到低依次为准格尔旗、达拉特旗和杭锦旗。2010—2014年间，除准格尔旗外，各旗大多年份均处于超载状态；2015年以来，各旗承载状况普遍好转，全区进入临界可承载状态。
准格尔旗WRCC最高，因其靠近地下水补给区，降水相对丰沛、地下水浅层丰富，且黄河与窟野河穿境提供稳定外源补给；同时以煤炭、化工、电力为主的产业结构水资源利用效率和经济效益远超传统农牧业，雄厚财力支撑跨流域调水工程和节水技术推广，形成“以资换水”模式。达拉特旗WRCC居中，北临黄河、地处河套平原灌区，水源保障相对稳定，但作为鄂尔多斯市的“粮仓”，低效传统灌溉农业耗水量大，农业—生态—工业用水竞争并存，水资源整体经济效益低于准格尔旗。杭锦旗WRCC最低，水资源严重短缺且开发利用难度大，产业结构以传统畜牧业和小规模农业为主，水资源经济产出极低，同时作为沙漠化治理核心区需将大量水资源用于生态修复，叠加水利基础设施陈旧和节水潜力有限，陷入“水资源总量低—利用效率低—刚性生态需水高”的恶性循环。
**3.4 WRCC障碍因子诊断**
基于2010—2023年障碍出现频率，选取前8项指标进行障碍因子诊断。全区共识别出9项主要障碍因子，按障碍度由大到小依次为生态用水率、水土流失率、供水模数、干旱指数、水利环保投资率、水资源开发利用率、水功能区水质达标率、万元GDP用水量和森林覆盖率。其中，3项属于水资源子系统，4项属于生态环境子系统，2项属于社会经济条件子系统，表明社会经济指标对WRCC的制约作用最弱。旗级层面，达拉特旗障碍因子主要集中于水资源子系统，核心约束在于有限的水资源禀赋与用水需求之间失配，表现为人均生活用水量偏低、水资源开发利用率偏高；准格尔旗和杭锦旗障碍因子多源于生态环境子系统，核心挑战是水资源开发利用带来的生态负反馈，如地下水超采、生态用水不足等。空间上，同一障碍因子在不同旗县的障碍度存在差异，间接验证了各旗水土资源禀赋差异及人口、水资源、产业、城镇空间分布的错位。时间上，2010—2023年间主要障碍因子构成总体不变，同一因子的年际障碍度变化幅度较小，表明WRCC障碍因子受空间异质性影响大于时间变化的影响。
**四、讨论与结论**
本研究构建的多维度评价指标体系较以往研究增加了干旱指数、森林覆盖率和土壤侵蚀率等更能反映沙漠地区WRCC实际状况的指标，并纳入水资源子系统以直接体现自然禀赋对WRCC的影响。采用博弈论优化主客观权重融合，相比线性组合赋权方法，更准确地反映了三个子系统之间的耦合与反馈关系。在TOPSIS模型中，社会经济与生态指标的改善可在数学上对水资源短缺形成一定补偿效应，但WRCC的提升并不意味水资源短缺得到根本解决，该补偿效应不能替代严格的水资源管理。WRCC综合反映了三个子系统的集成状态，而非判定区域水资源余缺的绝对标准，其空间差异受用水效率、产业结构和生态环境条件共同影响。
基于研究发现，从三个维度提出了改善建议：（1）水资源方面，各旗应严守水资源刚性约束，实施全社会节水行动，加快跨旗引调水工程建设，推进跨区域水权交易，扩大地表水供水能力，强化地下水涵养与压采，优先利用矿井疏干水和再生水等非常规水源；（2）社会经济条件方面，应充分发挥库布齐沙漠独特优势，以水资源为核心约束优化人口规模、产业结构和城镇布局，达拉特旗应调整农业种植结构、提升灌溉效率，准格尔旗应升级工业节水技术、推动绿色低碳转型，杭锦旗应重点发展低耗水高附加值特色产业；（3）生态环境方面，应实施分区水土流失治理，保障生态需水，稳步提高区域森林覆盖率，达拉特旗应优先推进灌区排灌系统升级和土壤盐渍化治理，准格尔旗应强化水功能区监管和污染源治理，杭锦旗应加快沙漠锁边林草带和生态绿色廊道建设。
研究结论为：2010—2023年库布齐沙漠综合WRCC指数从0.351上升至0.584，呈阶梯式上升趋势，等级由II级转向III级，整体趋势从2010—2016年的低位波动向2017—2023年的相对高位稳定转变；社会经济条件和生态环境子系统的贡献稳步上升，水资源子系统贡献持续下降，自然本底类指标未见显著变化而社会经济与生态调控类指标显著改善，表明节水技术和生态修复工程可有效提升区域WRCC。库布齐沙漠WRCC呈现显著的时空异质性和“东高西低”的空间格局，WRCC值依次为准格尔旗>达拉特旗>杭锦旗；2010—2014年除准格尔旗外各旗大多处于超载状态，2015年以来各旗承载状况普遍好转，全区进入临界可承载状态。制约WRCC的主要障碍因子为生态用水率、水土流失率、供水模数、干旱指数、水利环保投资率、水资源开发利用率、水功能区水质达标率、万元GDP用水量和森林覆盖率。未来WRCC提升与治理应严守水资源刚性约束，实施全社会节水行动，优化产业结构和城镇布局，分区治理水土流失，稳步提高森林覆盖率，推动库布齐沙漠绿色低碳高效发展。研究同时指出，由于旗级统计数据包含沙漠边界以外的区域，评价结果代表的是沙漠区域及其邻近地区的WRCC状况；生态修复效果主要通过森林覆盖率和水土流失率等间接指标反映，缺乏反映沙漠面积和植被结构动态变化的荒漠化治理指标；未来应融合高分辨率遥感数据和动态土地利用监测信息，分析WRCC与沙漠覆盖率、植被结构等指标的关系，揭示深层驱动机制，并纳入未来气候情景预测分析。
