鹽城市水資源承載狀態(tài)預(yù)警研究

葉海焯，董增川，杭慶豐，劉 淼，陸小明

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局鹽城分局，江蘇 鹽城 224000；3.江蘇省水文水資源勘測(cè)局，江蘇 南京 210029)

作為重要的自然資源之一，水資源往往成為區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的制約因素。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，部分地區(qū)水資源供需矛盾愈發(fā)尖銳，出現(xiàn)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)、水生態(tài)惡化等嚴(yán)重問題[1]。因此，有必要了解區(qū)域水資源對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀支撐狀態(tài)，并對(duì)未來可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行預(yù)警。自20世紀(jì)80年代末，新疆水資源軟科學(xué)課題研究組提出水資源承載力的概念后，學(xué)者們開展了大量關(guān)于水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)的研究，相關(guān)成果主要集中在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建、評(píng)價(jià)方法的選擇等方面[2]。在綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建方面，往往采用系統(tǒng)分析[3]或“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)”[4]的思路；常用的評(píng)價(jià)方法包括模糊綜合評(píng)價(jià)、主成分分析、投影尋蹤[5]等。但迄今為止，針對(duì)水資源承載狀態(tài)預(yù)警的相關(guān)研究較少。筆者按照水利部辦公廳“關(guān)于做好建立全國(guó)水資源承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制工作的通知”的相關(guān)要求并結(jié)合鹽城市水資源開發(fā)利用、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn)，構(gòu)建鹽城市水資源承載狀態(tài)預(yù)警指標(biāo)體系。引入“三類六級(jí)”(三類是指評(píng)價(jià)結(jié)果中超載、臨界超載、不超載三種承載狀態(tài)，六級(jí)是指Ⅴ級(jí)警度、Ⅳ級(jí)警度、Ⅲ級(jí)警度、Ⅱ級(jí)警度、Ⅰ級(jí)警度和無警六個(gè)警度)的預(yù)警思想，闡述承載狀態(tài)預(yù)警方法，以2015年為現(xiàn)狀年，對(duì)鹽城市2020年、2030年水資源承載狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。

1 概況

鹽城市位于江蘇省中部，淮河入海尾閭、黃海之濱，是江蘇省省轄市中面積最大的市，總面積達(dá) 16 972 km2，2015年末常住人口722.85萬，地區(qū)生產(chǎn)總值4 212.5億元，人均GDP 58 299元。下轄響水、濱海、阜寧、射陽、建湖、亭湖、鹽都、大豐及東臺(tái)9個(gè)縣。鹽城市屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，降雨豐沛，過境水量豐富，多年平均水資源總量為 47.89億m3。2015年全市降水量1 326.8 mm，年總用水量 54.41億m3(其中深層地下水0.629億m3)，總耗水量38.17億m3。全市地表水資源量79.47億m3,折合年徑流深510.8 mm。(研究數(shù)據(jù)及來源：①鹽城市水資源綜合規(guī)劃、鹽城市水資源保護(hù)規(guī)劃、鹽城市水資源公報(bào)、鹽城市水利現(xiàn)代化規(guī)劃；②鹽城統(tǒng)計(jì)年鑒、鹽城市國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、鹽城市土地利用總體規(guī)劃；③鹽城市地理位置及行政區(qū)劃圖、鹽城市河流水系圖等。)

2 鹽城市水資源評(píng)價(jià)預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

區(qū)域水資源承載狀態(tài)是通過“水資源—水環(huán)境—社會(huì)—經(jīng)濟(jì)”這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)相互作用而表現(xiàn)出來的一種狀態(tài)，其中涉及水資源、水環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境各個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)部作用以及各個(gè)子系統(tǒng)之間的相互關(guān)聯(lián)和相互影響[6]。筆者在分析影響各個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行主要因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合鹽城市實(shí)際情況，遵循可持續(xù)發(fā)展理論，分別從水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境4個(gè)子系統(tǒng)中選取15個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建水資源承載狀態(tài)預(yù)警指標(biāo)體系。其中，水資源子系統(tǒng)包括水利工程設(shè)施完好率、用水總量控制指標(biāo)比、地下水超采面積比、再生水利用率4個(gè)指標(biāo)，分別反映區(qū)域水利工程、地表水、地下水、再生水情況；社會(huì)子系統(tǒng)包括人口密度、供水管網(wǎng)漏損率、城鎮(zhèn)生活污水集中處理率3個(gè)指標(biāo)，表征居民生活及其用水、排污狀況；采用人均GDP、萬元工業(yè)增加值用水量、灌溉水利用系數(shù)、化肥施用強(qiáng)度、工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率等指標(biāo)表征經(jīng)濟(jì)水平及經(jīng)濟(jì)發(fā)展相關(guān)用水、排污情況；生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)則采用水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、城鎮(zhèn)綠化覆蓋率、水面率等指標(biāo)反應(yīng)，見表1。

表1 水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)預(yù)警指標(biāo)體系

2.2 權(quán)重確定

層次分析法(AHP)能夠把決策者的主觀判斷和推理緊密地聯(lián)系起來，對(duì)決策者的推理過程進(jìn)行量化描述，體現(xiàn)了決策思維過程中分解、判斷、綜合的基本特征，是一種有特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)的多準(zhǔn)則決策方法，因此近年來得到了廣泛應(yīng)用[7]。運(yùn)用層次分析法的具體步驟如下：

a. 遞階層次結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建。將問題包含的因素分層：最高層(解決問題的目標(biāo))；中間層(實(shí)現(xiàn)總目標(biāo)而采取的各種措施、必須考慮的準(zhǔn)則等，也可稱為方略層、約束層或者準(zhǔn)則層)；最底層(用于解決問題的各種措施、方案等)。

b. 構(gòu)造多因子比較矩陣。為了綜合不同方面專家的意見，主要采用發(fā)放專家意見調(diào)查表的方法。問卷中詳細(xì)介紹了各指標(biāo)的具體內(nèi)容,并對(duì)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行說明。根據(jù)專家意見判斷其相對(duì)重要性,并將這些判斷用數(shù)值表示，得到一個(gè)n階互反性判斷矩陣A，即所謂的判斷矩陣。各指標(biāo)層次排序標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 層次排序標(biāo)準(zhǔn)

c. 因子權(quán)重系數(shù)的確定。對(duì)比較矩陣A，先計(jì)算出矩陣的最大特征根λmax，然后求出其相應(yīng)的規(guī)范化特征向量W，即AW=λmaxW，其中，W的分量(w1,w2,…,wn)就是對(duì)應(yīng)于n個(gè)因子的權(quán)重系數(shù)。

d. 求解特征向量和特征值。直接求解特征向量和特征值比較繁瑣，由于專家進(jìn)行兩兩因子相對(duì)重要性比較的精度有限，在實(shí)際工作中采用近似算法可以簡(jiǎn)易地計(jì)算權(quán)重系數(shù)。該方法的步驟：

對(duì)B按列規(guī)范化：

(1)

再按行相加求和數(shù)：

(2)

再規(guī)范化，即得權(quán)重系數(shù)Wi：

(3)

e. 一致性檢驗(yàn)。為了檢驗(yàn)層次分析法得出的結(jié)果是否合理，需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。所謂一致性，即指當(dāng)X1比X2重要、X2比X3重要時(shí)，則認(rèn)為X1一定比X3重要。判斷矩陣一致性指標(biāo)CI與同階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的比值稱為隨機(jī)一致性比率，即：CR=CI/RI。根據(jù)判斷矩陣的一致性準(zhǔn)則，當(dāng)CR<0.1時(shí)，就認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性；否則，就需要不斷改動(dòng)判斷矩陣，直到取得較為合理的一致性為止。

準(zhǔn)則層及各子系統(tǒng)比較矩陣見表3～7。

表3 水資源子系統(tǒng)比較矩陣

表5 經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)比較矩陣

表6 生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)比較矩陣

表7 準(zhǔn)則層比較矩陣

經(jīng)檢驗(yàn)，各子系統(tǒng)指標(biāo)比較矩陣以及準(zhǔn)則層比較矩陣CR值均小于0.1，則認(rèn)為以上矩陣具有合理的一致性。

f. 層次性總排序。利用同一層次中所有層次單排序的結(jié)果，就可計(jì)算針對(duì)上一層的本層次所有因素的重要性權(quán)值。

各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 鹽城市水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定

根據(jù)國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家和地方發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)和要求、國(guó)際關(guān)于某些指標(biāo)的發(fā)展規(guī)劃值和相關(guān)專家看法，結(jié)合鹽城市的實(shí)際情況，確定指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見表9。

表9 鹽城市水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

注：數(shù)據(jù)來源于《鹽城市水利現(xiàn)代化規(guī)劃(2011—2020)》《江蘇省水利廳、省發(fā)展和改革委員會(huì)關(guān)于核準(zhǔn)同意省轄市實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度考核指標(biāo)縣級(jí)(市、區(qū))分解方案的批復(fù)》《鹽城市水資源公報(bào)(2015年)》《鹽城市市區(qū)節(jié)水規(guī)劃》《鹽城節(jié)水型社會(huì)規(guī)劃》《江蘇基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化指標(biāo)體系》《江蘇全面建成小康社會(huì)指標(biāo)體系》等

2.4 評(píng)價(jià)及預(yù)警方法

2.4.1 評(píng)價(jià)方法

由于評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是區(qū)間的概念，為了科學(xué)地對(duì)水資源承載狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，筆者采用可變模糊方法。該方法能夠科學(xué)、合理地確定樣本指標(biāo)對(duì)各級(jí)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的相對(duì)隸屬度，并且能夠通過變化模型及其參數(shù)，合理地確定樣本水資源承載能力的評(píng)價(jià)等級(jí)，提高對(duì)樣本等級(jí)評(píng)價(jià)的可信度[8]。可變模糊法的主要原理如下：

設(shè)水資源環(huán)境承載能力綜合評(píng)價(jià)的特性用m個(gè)指標(biāo)特值指表示：

X=(xi)

(4)

式中：xi為指標(biāo)i的特征值，i=1，2，…，m。m個(gè)指標(biāo)按c個(gè)級(jí)別的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值進(jìn)行識(shí)別,則有m×c階指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣：

Y=(yih)

(5)

式中：yih為級(jí)別h指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)特征值，其中h=1，2，…，c。

參照指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣和待評(píng)價(jià)區(qū)域的實(shí)際情況，確定水資源承載能力可變集合的吸引(為主)域矩陣與范圍域矩陣：

Iab=([aih,bih])

(6)

Icd=([cih,dih])

(7)

根據(jù)水資源承載能力分為c個(gè)級(jí)別的實(shí)際情況，確定吸引(為主)域[aih,bih]中DA(xi)h=1的點(diǎn)值Mih的矩陣：

M=(Mih)

(8)

判斷特征值xi在Mih點(diǎn)的左側(cè)還是右側(cè)，據(jù)此計(jì)算差異度DA(xi)h,再由式(9)計(jì)算指標(biāo)對(duì)h級(jí)的相對(duì)隸屬度μA(xi)h矩陣：

Uh=(μA(xi)h)

(9)

模糊評(píng)價(jià)模型：

(10)

歸一化處理得到綜合相對(duì)隸屬度矩陣：

U=(uh)

(11)

采用p=1,α=1;p=1,α=2;p=2,α=1;p=2,α=2共4種參數(shù)情況進(jìn)行計(jì)算，并采用4種情況的隸屬度均值作為最終結(jié)果。

最大隸屬度原則是模糊集合論中一個(gè)重要的判斷準(zhǔn)則，具有簡(jiǎn)明直觀的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于模糊集領(lǐng)域。但是最大隸屬度原則也有不適用性，當(dāng)結(jié)果與2種或者2種以上級(jí)的隸屬度相近時(shí)，利用最大隸屬度原則不能作出合理的判斷[9]。為了解決最大隸屬度原則的不適用性，筆者采用級(jí)別特征值對(duì)狀態(tài)進(jìn)行判斷。級(jí)別特征值H表示了h與uh分布列的整體相對(duì)特征，利用了狀態(tài)變量h的全部相對(duì)隸屬度信息，使樣本歸屬于何種狀態(tài)更加全面和客觀[10]。

H=(1,2，…，c)U

(12)

根據(jù)級(jí)別特征值，按照下式對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行判別：

(13)

2.4.2 預(yù)警方法

結(jié)合現(xiàn)狀年份(2015年)和未來年份(2020年、2030年)的評(píng)價(jià)結(jié)果，采用“三類六級(jí)”的預(yù)警思路，對(duì)鹽城市水資源承載狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。對(duì)水資源承載狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警時(shí)，需要同時(shí)考慮預(yù)警年份評(píng)價(jià)結(jié)果及其與基準(zhǔn)年份承載狀態(tài)的變化趨勢(shì)。其中，承載狀態(tài)的變化趨勢(shì)是指H值變化情況，如果預(yù)警年份H值小于基準(zhǔn)年份，那么承載狀態(tài)呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)趨勢(shì)；反之，如果預(yù)警年份H值大于基準(zhǔn)年份，則呈現(xiàn)出惡化趨勢(shì)。具體預(yù)警原則見表10。

表10 水資源承載狀態(tài)預(yù)警示意表

2.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)值的確定

以2015年作為基準(zhǔn)年，在評(píng)價(jià)2015年、2020年和2030年鹽城市水資源承載狀態(tài)的基礎(chǔ)上，對(duì)2020年和2030年2個(gè)年份水資源承載狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。預(yù)警指標(biāo)值主要參考鹽城市相關(guān)規(guī)劃、公報(bào)、統(tǒng)計(jì)資料。具體指標(biāo)值見表11。

表11 鹽城市水資源承載狀態(tài)預(yù)警指標(biāo)值

根據(jù)式(13)確定級(jí)別特征值判別標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)H<1.5時(shí)，則判定為該年份承載狀態(tài)為不超載；當(dāng)2.5>H>1.5時(shí)，則判定該年份承載狀態(tài)為臨界超載；當(dāng)H>2.5時(shí)，則判定該年份承載狀態(tài)為超載。

3 評(píng)價(jià)預(yù)警結(jié)果及分析

按照上述方法，分別計(jì)算鹽城市不同水平年承載狀態(tài)級(jí)別特征值，并按照式(13)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判別，結(jié)果如表12所示。結(jié)合鹽城市2020年和2030年的承載狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果和圖1所示承載狀態(tài)變化趨勢(shì)，清晰展示了從2015—2030年鹽城市水資源承載狀態(tài)的變化趨勢(shì)，對(duì)2020年和2030年的水資源承載狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警，結(jié)果如表13所示?？梢钥闯觯}城市2015和2020年水資源承載狀態(tài)處于臨界超載，2030年處于不超載狀態(tài)；同時(shí)，就預(yù)警結(jié)果可以看出，鹽城市2020年水資源承載狀態(tài)處于Ⅰ級(jí)警度，2030年處于無警的警度。

表12 鹽城市各水平年承載狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果

圖1 鹽城市水資源承載狀態(tài)變化趨勢(shì)

表13 鹽城市未來年份水資源承載狀態(tài)預(yù)警結(jié)果

鹽城市位處長(zhǎng)江下游平原河網(wǎng)區(qū)，水資源具有總量充沛、年內(nèi)分配不均、水環(huán)境受上游影響大、水質(zhì)不容樂觀等特點(diǎn)；在社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面，鹽城市以農(nóng)業(yè)用水為主，用水方式較為粗獷，面源污染不易控制，導(dǎo)致鹽城市現(xiàn)狀水資源處于臨界超載的狀態(tài)。針對(duì)鹽城市水資源稟賦條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的特殊性，從水資源供給、需求以及水環(huán)境保護(hù)等方面提出了相應(yīng)保護(hù)措施，主要包括：蓄淡工程優(yōu)化布局、沿海地區(qū)非傳統(tǒng)水資源開發(fā)利用、產(chǎn)業(yè)布局調(diào)整、源頭治理、河道整治等方面，使鹽城市在未來年份水資源開發(fā)利用、水環(huán)境治理等方面有長(zhǎng)足提高，水資源承載狀態(tài)也就隨之呈現(xiàn)出持續(xù)好轉(zhuǎn)的狀態(tài)。至2030年，鹽城市水資源承載狀態(tài)將處于無警的警度。

4 結(jié) 語

a. 通過引入“三類六級(jí)”預(yù)警思路，結(jié)合各年份

承載狀態(tài)的評(píng)價(jià)結(jié)果以及相應(yīng)的變化趨勢(shì)，對(duì)未來年份的水資源承載狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警，預(yù)警結(jié)果更加精細(xì)，為之后相關(guān)研究拓寬思路。

b. 鹽城市地處流域供水末梢區(qū)域，水功能區(qū)水質(zhì)狀況不容樂觀。同時(shí)，鹽城市以農(nóng)業(yè)為主，整體用水效率偏低，這造成鹽城市水資源承載現(xiàn)狀較差。在未來，隨著“水十條”“最嚴(yán)格水資源管理制度”等相關(guān)政策、措施的實(shí)施，鹽城市用水水平得到提高、水環(huán)境狀況持續(xù)改善，水資源承載狀態(tài)呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，故而預(yù)警警度逐漸減輕，至2030年，整體上為無警的警度。