基于壓力—狀態(tài)—響應(yīng)模型的城市水資源承載力評價指標體系構(gòu)建研究

劉雅玲 羅雅謙 張文靜 吳悅穎 王 強#

(1.環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012；2.中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100872)

科學(xué)評估城市水資源承載力是實現(xiàn)城市水資源可持續(xù)發(fā)展、解決城市缺水問題的重要課題。城市水資源承載力評估的核心是建立指標體系。已有的研究中，指標的選取基于一定的原則進行，受制于研究者對水資源及相關(guān)系統(tǒng)的判斷及數(shù)據(jù)的可得性。如卞建民[1]從水資源的可供性、開發(fā)的技術(shù)、管理水平及綜合效益4個方面建立了水資源可持續(xù)利用評價的指標體系。劉毅[2]從水資源現(xiàn)狀、水資源利用效率、水資源可持續(xù)利用壓力和水資源可持續(xù)利用能力4個方面對水資源可持續(xù)利用狀況進行綜合評價，得出水資源利用效率低下成為制約水資源可持續(xù)利用的重要因素的結(jié)論。劉婷婷等[3]在定量分析人口增長、經(jīng)濟發(fā)展、資源短缺和環(huán)境污染等因素對流域水環(huán)境的綜合影響后，運用指標體系評價法計算洱海流域水環(huán)境承載力。

本研究綜合考慮了城市水資源承載力評估中指標選取存在的問題，引入壓力—狀態(tài)—響應(yīng)(PSR)模型構(gòu)建了水資源承載力指標體系，結(jié)合層次分析法(AHP)和指標綜合評價法，構(gòu)建城市水資源承載力評估體系，解決城市水資源承載力評估指標選取的主觀性和模糊性，為城市經(jīng)濟社會發(fā)展和水資源可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展提供依據(jù)。

1 指標體系構(gòu)建

1.1 PSR模型構(gòu)建

PSR模型最初由加拿大統(tǒng)計學(xué)家提出，用于分析環(huán)境壓力、現(xiàn)狀與響應(yīng)之間的關(guān)系。20世紀70年代，歐洲經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)對其進行了修改并用于環(huán)境報告[4]。20世紀80年代末至90年代初，OECD在進行環(huán)境指標研究時對PSR模型進行了適用性和有效性評價。該理論認為，人類的經(jīng)濟、社會活動與自然環(huán)境之間存在相互作用關(guān)系，即：人類從自然環(huán)境取得各種資源，通過生產(chǎn)消費又向環(huán)境排放，從而改變了資源的數(shù)量和環(huán)境的質(zhì)量，進而影響了人類的經(jīng)濟社會活動及其福利，如此循環(huán)往復(fù)，形成了人類活動與自然環(huán)境之間的PSR關(guān)系[5]。據(jù)此設(shè)計的指標較好地反映了自然、經(jīng)濟、環(huán)境、資源之間相互依存、相互制約的關(guān)系。目前，PSR模型已廣泛應(yīng)用于生態(tài)安全評價、工業(yè)污染評價、濕地健康評價等領(lǐng)域。

水資源是城市發(fā)展的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性資源，它具有生產(chǎn)要素和生活要素的雙重特征，因此水資源承載力的研究涉及水資源、社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，而PSR模型能較好反映3者關(guān)系。

1.2 指標篩選與指標體系構(gòu)建

本研究從3個方面構(gòu)建PSR模型：(1)分析經(jīng)濟社會及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)對水資源造成的壓力，選取壓力類指標7項；(2)分析社會經(jīng)濟等壓力下的水資源狀態(tài)，選取狀態(tài)類指標5項；(3)分析水資源配置方案、使用效率等對水資源可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生影響的響應(yīng)類指標7項。并利用AHP確定各指標的權(quán)重，具體見表1。

表1 PSR模型指標及其權(quán)重

1.2.1 壓力類指標

壓力類指標是反映研究城市社會發(fā)展、經(jīng)濟效益與水資源的重要指標。

(1) 城鎮(zhèn)化率=城鎮(zhèn)總?cè)丝跀?shù)/總?cè)丝跀?shù)×100%。通常，城鎮(zhèn)化水平越高的城市，人均用水定額、人均生活排污量越大，水資源承載力則相對越小。本研究中以55.0%為評價標準[6]。

(2) 人均生活日用水量=(居民家庭用水量+公共服務(wù)用水量)/(用水人口×天數(shù))。隨著城市經(jīng)濟的發(fā)展，城市居民生活水平不斷提高，人民居住條件、衛(wèi)生條件不斷改善，城市居民日常生活用水量和市政設(shè)施的用水量也不斷提高。本研究中取180.0 L/(人·d)為評價標準[7]。

(3) 人均GDP=城市年GDP/城市總?cè)丝?。人均GDP是目前國際上最通用的衡量一個國家或地區(qū)綜合經(jīng)濟實力的指標。它是按人口平均的一個國家或地區(qū)在一定時期內(nèi)所生產(chǎn)的最終產(chǎn)品與勞務(wù)總價值的貨幣量度。根據(jù)《中國城市統(tǒng)計年鑒(2014年)》，人均GDP為4.93萬元/人。

(4) 第三產(chǎn)業(yè)占GDP比例=第三產(chǎn)業(yè)增加值/城市國內(nèi)生產(chǎn)總值×100%。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例與水資源利用存在著密切的關(guān)系。第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有高產(chǎn)出、高就業(yè)、低消耗、低污染的特點，加強第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可減少污廢水的排放量，達到經(jīng)濟發(fā)展與節(jié)約用水的目的。在英格爾斯的現(xiàn)代化指標中第三產(chǎn)業(yè)占GDP比例為45%，聯(lián)合國劃分貧富的社會指標體系中為50%，目前世界上主要發(fā)達國家接近或超過70%。根據(jù)《國民經(jīng)濟與社會發(fā)展的第十二個五年規(guī)劃綱要》，第三產(chǎn)業(yè)占GDP比例以47.0%為評價標準。

(5) 城市人均COD排放量=城市日均COD排放量/城市總?cè)丝?。城市排放的COD主要來源于城市生活污水、工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)廢水。根據(jù)《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒(2014年)》，該指標以中國113個重點城市的人均COD排放量(67.07 g/(人·d))為評價標準。

(6) 城市人均氨氮排放量=城市日均氨氮排放量/城市總?cè)丝?。自然水體中氨氮濃度過高，加劇水體富營養(yǎng)化程度，破壞自然水體生態(tài)系統(tǒng)平衡。城市氨氮排放來源包括城市生活源、工業(yè)源和農(nóng)業(yè)源。根據(jù)《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒(2014年)》，城市人均氨氮排放量以中國113個重點城市的人均生活污水氨氮排放量(7.51 g/(人·d))為評價標準。

(7) 城鎮(zhèn)人均生活污水排放量=城鎮(zhèn)日均生活污水排放量/城市總?cè)丝?。該指標反映了城市人類生活對水資源的利用排放情況，與社會經(jīng)濟發(fā)展、人們生活方式以及城市水環(huán)境等因素有關(guān)。生活源是城市水環(huán)境的主要污染源之一。由《全國統(tǒng)計公報(2013年)》可知，2013年，城市生活污水占廢水排放總量的69.8%。城市人均生活污水排放量小，在相同人口數(shù)量的條件下，城市水資源承載能力增大。根據(jù)《2013年中國環(huán)境統(tǒng)計年報》，城鎮(zhèn)人均生活污水排放量以181.78 L/(人·d)為評價標準。

1.2.2 狀態(tài)類指標

狀態(tài)類指標可采用國際上通用的衡量水資源壓力及水資源開發(fā)利用情況的指標，反映城市水資源環(huán)境狀況。

(1) 產(chǎn)水系數(shù)=城市水資源量/城市年降水量，屬于發(fā)展類指標。產(chǎn)水系數(shù)反映氣候環(huán)境變化引起的水資源變化大小，其值小于1。2000年，全國產(chǎn)水系數(shù)平均為0.46，北方地區(qū)0.07～0.41，南方地區(qū)0.41～0.62，西北地區(qū)0.06～0.66。本研究中產(chǎn)水系數(shù)以0.60為評價標準[8]。

(2) 水資源開發(fā)利用程度=年取用的淡水資源總量/可獲得的淡水資源總量×100%。世界糧農(nóng)組織、聯(lián)合國教科文衛(wèi)組織、聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展委員會等很多機構(gòu)都選用該指標反映水資源稀缺程度。當水資源開發(fā)利用程度≤10%時為低水資源壓力；當水資源開發(fā)利用程度>10%～20%時為中低水資源壓力；當水資源開發(fā)利用程度>20%～40%時為中高水資源壓力；當水資源開發(fā)利用程度>40%時為高水資源壓力。本研究中，水資源開發(fā)利用程度以40%為評價標準。

(3) 人均水資源量=自產(chǎn)水資源量/總?cè)丝?。世界資源研究所根據(jù)干旱區(qū)中等發(fā)達國家的人均需水量確定了人均水資源量的臨界值：當人均水資源量低于1 700 t/人時出現(xiàn)水資源壓力，當人均水資源量低于1 000 t/人時出現(xiàn)慢性水資源短缺。即人均可重復(fù)使用的淡水資源總量低于1 000 t/人，是水資源“數(shù)量壓力”指數(shù)的臨界標志。本研究中取1 000 t/人為評價標準。

(4) 水資源供需比=水資源可供水量/需水量。水資源供需比可反應(yīng)一個城市水資源的供需矛盾。水資源可供水量與其開發(fā)技術(shù)水平有關(guān)；實際需水量與生產(chǎn)發(fā)展程度、人民生活水平及水資源利用技術(shù)等有關(guān)。故在不同時期，可供水量與實際需水量是可變的，供需關(guān)系可能出現(xiàn)3種情況：①供大于需，說明可利用的水資源尚有一定潛力；②供等于需，是較理想的供需狀態(tài)，說明水資源的開發(fā)程度適應(yīng)現(xiàn)階段的生產(chǎn)、生活需要；③供小于需，說明水資源短缺，需立即采取開源節(jié)流等措施，以緩解供需矛盾。取供需平衡，即水資源供需比=1.0為評價標準。

(5) 污徑比=廢污水排放量/河川徑流量×100%。在美國，污徑比<1%時，可以不考慮治理污染；當污徑比>10%時，必須進行嚴格的毒理實驗。目前認為，污徑比在5%以內(nèi)時，在受納水體的天然自凈能力范圍內(nèi)；當污徑比超過10%時，河流的天然自凈能力受到破壞。根據(jù)上述情況，設(shè)計污徑比的分級標準：≤1%為極高標準；>1%～2%為高標準；>2%～5%為中等標準；>5%～10%為低標準；>10%為極低標準。本研究中污徑比以2.59%為評價標準[9]。

1.2.3 響應(yīng)類指標

響應(yīng)類指標反映了城市進行生產(chǎn)生活過程中對水資源的使用效率，對水資源承載力具有重要影響。

(1) 萬元工業(yè)增加值用水量=工業(yè)用水量/工業(yè)增加值，可以反映城市生產(chǎn)技術(shù)水平和工業(yè)對水環(huán)境索取的強度，該指標高，則單位水資源創(chuàng)造出的效益就越低。目前，中國工業(yè)萬元增加值用水量為78 t/萬元，用水水平很低，約為發(fā)達國家的5～10倍。

(2) 萬元GDP用水量=城市年總用水量/城市年GDP，它可以反映城市經(jīng)濟發(fā)展對水資源的索取強度，與城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、科技水平及生產(chǎn)力關(guān)系密切。根據(jù)《生態(tài)市建設(shè)指標》，萬元GDP用水量以150 t/萬元為評價標準。

(3) 農(nóng)業(yè)灌溉公頃用水量=農(nóng)田灌溉用水量/農(nóng)田灌溉公頃數(shù)。發(fā)達國家農(nóng)業(yè)灌溉公頃用水量一般為3 000～7 500 t/hm2，以色列是5 250 t/hm2。2020年，我國農(nóng)業(yè)灌溉公頃用水量可能降到6 000 t/hm2。根據(jù)《2000年中國水資源公報》，全國農(nóng)業(yè)灌溉公頃用水量平均為7 185 t/hm2，東、中、西部地區(qū)分別為3 780～15 915、2 955～9 750、3 810～18 195 t/hm2。根據(jù)《全國節(jié)水規(guī)劃》，灌溉有效用水系數(shù)為0.53，核算得出城市農(nóng)業(yè)灌溉公頃用水量，取7 000 t/hm2為評價標準。

(4) 再生水利用率=污水再生利用量/污水排放量×100%。在水資源日趨緊張的背景下，再生水利用開始受到各國政府的重視。根據(jù)《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)國家環(huán)境保護“十二五”規(guī)劃的通知》(國發(fā)[2011]42號)，到2015年，全國城市再生水利用率要達到20%以上，因此取20.0%為評價標準。

(5) 工業(yè)用水重復(fù)利用率=重復(fù)利用水量/(生產(chǎn)用水量+重復(fù)利用水量)×100%，是宏觀上評價城市用水水平及節(jié)水水平的重要指標，提高重復(fù)利用率是城市節(jié)約用水的主要途徑之一。根據(jù)《2013年中國環(huán)境統(tǒng)計年報》，城市工業(yè)用水重復(fù)利用率取87.0%為評價標準。

(6) 萬元工業(yè)產(chǎn)值廢水排放量=工業(yè)廢水排放量/工業(yè)總產(chǎn)值。該指標反映了城市工業(yè)生產(chǎn)活動的排污水平。根據(jù)《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒(2014年)》，4.507 t/萬元為該指標的評價標準。

(7) 城市污水處理率=城市污水處理量/城市污水排放量×100%。隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，城鎮(zhèn)污水處理廠的數(shù)目和規(guī)模逐漸擴大，城鎮(zhèn)污水處理率不斷上升。2013年，我國大部分省(市、自治區(qū))的城市污水處理率高于83%。城市污水處理率越高，則表示排放到自然水體中的污水所含污染物濃度低，對城市水資源污染程度低，提高了水資源承載力。根據(jù)《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒(2014)》，城市污水處理率的評價標準為89.3%。

1.3 指標體系評價方法

本研究中水資源承載力評價采用指標綜合評價法，公式見式(1)至式(3)，單位根據(jù)實際指標確定。

(1)

(2)

(3)

式中：i為指標序號；CSi為第i個指標的承載度；CCs，i為第i個指標的承載指數(shù)，即滿足某一生態(tài)環(huán)境功能要求的標準限值；CCi為第i個指標的實際監(jiān)測或調(diào)查值；CCPL為水資源承載度；n為指標總數(shù)；Wi為第i個指標的權(quán)重。

當CCPL=1時，承載狀況恰好滿足水資源承載力；當CCPL<1時，承載狀況在水資源承載力內(nèi)；當CCPL>1時，承載狀況超出了水資源承載力，值越大說明承載狀況超出水資源承載力越多，支持強度越低。

2 實例研究

本研究收集整理了2010—2013年福州水資源公報、環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)、統(tǒng)計年鑒等各方面的資料，計算得到水資源評價指標體系中福州各項評價指標值，結(jié)果見表2。

根據(jù)式(1)至式(3)，計算獲得2010—2013年福州水資源承載度，結(jié)果見表3。

從壓力類指標可以看出，2010—2013年福州經(jīng)濟發(fā)展對水資源承載力的支持強度呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。從2010年開始，由于福州城鎮(zhèn)化進程、經(jīng)濟發(fā)展加快，人均生活日用水量明顯增加，經(jīng)濟社會發(fā)展超出了水資源承載能力。

表2 福州水資源承載力各指標值

表3 2010—2013年福州市水資源承載度

狀態(tài)類指標顯示，2010—2013年福州水資源承載力整體呈下降趨勢，僅2012年降雨量較大，水資源量較多，水資源承載度好轉(zhuǎn)。為滿足經(jīng)濟社會發(fā)展，福州近年水資源開發(fā)利用程度不斷加大，水資源供需比總體降低，致使福州水資源承載力逐年下降。

響應(yīng)類指標顯示，現(xiàn)有水資源管理措施對水資源承載力的支持強度呈上升趨勢，這對福州實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標具有重要意義。萬元工業(yè)增加值用水量和萬元GDP用水量的不斷降低對福州水資源承載力水平有著重要意義。但是，工業(yè)用水重復(fù)利用率有下降趨勢、再生水利用率較低對水資源承載力的提升有負面作用。

3 結(jié) 語

通過PSR模型建立城市水資源承載力評價指標體系，采用AHP確定指標權(quán)重，引入指標綜合評價法評估城市水資源承載力，可以建立客觀、完善、多要素的指標體系和評價系統(tǒng)。城市逐年的水資源承載度能直觀反映水資源的變化趨勢，識別壓力、狀態(tài)、響應(yīng)類指標對水資源承載力的影響程度，能夠客觀、科學(xué)地評判城市的發(fā)展歷程、狀況和發(fā)展趨勢，為城市的可持續(xù)發(fā)展提供有效的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

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