臨海市水資源承載力動(dòng)態(tài)變化及驅(qū)動(dòng)因素分析

劉朝露， 陳 星， 崔廣柏， 許 欽， 董鳳軍， 王君諾

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源研究所， 江蘇 南京 210029； 3.山東省臨沂市岸堤水庫(kù)管理處， 山東 臨沂 276217； 4.山東省淮河流域水利管理局規(guī)劃設(shè)計(jì)院， 山東 濟(jì)南 272037)

1 研究背景

城市的發(fā)展依賴于水，也影響著水，事實(shí)證明，水資源短缺等問(wèn)題已經(jīng)成為制約城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸[1]。同時(shí)水資源作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境發(fā)展的支撐條件，與二者均存在著十分復(fù)雜的響應(yīng)關(guān)系[2]。孫富行等[3]提出水資源承載力是關(guān)于水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境等多方面的內(nèi)部特征和相互關(guān)系的綜合指標(biāo)；馬向東等[4]以協(xié)同理論為基礎(chǔ)分析了水資源約束下生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)同進(jìn)化。李慶賀等[5]在構(gòu)建福建省城市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，綜合考慮了水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，水資源短缺與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾日益突出，影響水資源利用的社會(huì)驅(qū)動(dòng)力研究成為熱點(diǎn)。陳雯等[6]應(yīng)用LMDI方法研究了技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應(yīng)對(duì)工業(yè)耗水強(qiáng)度的影響；童玉芬等[7]分析了人口規(guī)模、家庭數(shù)量等人口學(xué)因素對(duì)形成水資源壓力的驅(qū)動(dòng)作用；劉潔等[8]通過(guò)構(gòu)建城鎮(zhèn)化-水資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、響應(yīng)關(guān)系模型，揭示了江蘇省城鎮(zhèn)化與水資源的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程及響應(yīng)特征。

本文基于城市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)分析，以浙江省臨海市為例，評(píng)價(jià)臨海市2010-2015年水資源承載力水平。在分析影響水資源承載力動(dòng)態(tài)變化驅(qū)動(dòng)來(lái)源的基礎(chǔ)上，結(jié)合單因素敏感性分析法和情景分析法，探索城市水資源承載力水平動(dòng)態(tài)變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。在考慮分析水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境響應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，研究水資源承載力水平動(dòng)態(tài)變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，為實(shí)現(xiàn)城市水資源可持續(xù)利用提供決策參考。

2 研究方法

2.1 城市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)

城市水資源承載力表示某一城市，某一特定時(shí)間尺度下，水資源以可持續(xù)發(fā)展為原則，以可預(yù)見(jiàn)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展水平為依據(jù)，以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)為條件，通過(guò)水資源優(yōu)化配置，對(duì)該城市社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)模的最大支撐能力[9-10]。

在城市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)中，水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境三大子系統(tǒng)相互制約、互相影響，內(nèi)在聯(lián)系復(fù)雜(見(jiàn)圖1)[9-12]。其中，水資源與生態(tài)環(huán)境是社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)得以發(fā)展的基礎(chǔ)條件。社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)，一方面通過(guò)水資源的消耗與廢污水的排放對(duì)水資源與生態(tài)環(huán)境造成破壞，降低其承載能力；另一方面通過(guò)水資源管理和水利工程建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境和水資源進(jìn)行補(bǔ)償，來(lái)提高其承載力。水資源子系統(tǒng)是社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)之間的橋梁，它是由自然和人工組成的復(fù)合系統(tǒng)，具有物質(zhì)性和資源性，分別通過(guò)水利工程設(shè)施與水文循環(huán)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。城市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)的最優(yōu)發(fā)展方式是通過(guò)實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用承載社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的發(fā)展[2]。

圖1 城市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)概念模型

2.2 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

遵循評(píng)價(jià)指標(biāo)體系確立原則，基于城市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)的分析，通過(guò)對(duì)臨海市水資源子系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)及其內(nèi)在聯(lián)系的研究，構(gòu)建臨海市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表3)。

2.3 水資源承載力評(píng)價(jià)方法

在城市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)中，水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境之間內(nèi)在聯(lián)系的復(fù)雜性和不確定性，評(píng)價(jià)存在模糊性，因此選擇模糊綜合評(píng)判法[13-15]，評(píng)價(jià)過(guò)程包括確定評(píng)價(jià)因素集和評(píng)語(yǔ)集、計(jì)算隸屬矩陣、多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)三大步驟。為避免主觀隨意性過(guò)大，相對(duì)客觀地度量事物或現(xiàn)象的不確定性，采用熵值法[14-15]來(lái)確定研究區(qū)域水資源承載力各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。通過(guò)模糊綜合評(píng)判法和熵值法聯(lián)合求解，相對(duì)客觀、準(zhǔn)確地反映研究區(qū)域的水資源承載力水平。

為定量化表示城市水資源承載力水平，按照各個(gè)因素的影響程度，將評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分為5個(gè)等級(jí)(由弱到強(qiáng)分別為V1～V5，表1)[15-16]，并對(duì)5個(gè)等級(jí)設(shè)置評(píng)分值(表2)，綜合評(píng)分值大小代表水資源承載力水平[17]。

表1 城市水資源承載力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表2 水資源承載力水平分級(jí)

3 城市水資源承載力評(píng)價(jià)

3.1 研究區(qū)域概況

臨海市位于浙江沿海中部，東連東海、西接仙居、南連黃巖、北靠天臺(tái)，全市土地面積2 203 km2，其中山地丘陵占68.4%，平原占25.1%，水域占6.5%，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候。根據(jù)市內(nèi)氣象和水文資料統(tǒng)計(jì)：年平均氣溫16.5～17.8℃，多年平均降雨量1 710.4 mm，年內(nèi)降雨主要集中在5、6月梅雨季和7-9月的臺(tái)風(fēng)雨季。豐枯水期明顯、冬夏季風(fēng)交替分明。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，臨海市水資源水量時(shí)空分配與經(jīng)濟(jì)發(fā)展不協(xié)調(diào)、水質(zhì)逐漸惡化、水資源開(kāi)發(fā)利用程度不高和可調(diào)配水量少等問(wèn)題日益突出，因此，科學(xué)評(píng)價(jià)臨海市水資源承載力，通過(guò)研究其動(dòng)態(tài)變化分析臨海市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)因素，是探索實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的重要手段。

3.2 水資源承載力評(píng)價(jià)

研究區(qū)域?yàn)榕R海市，資料與數(shù)據(jù)來(lái)源主要有《臺(tái)州市統(tǒng)計(jì)年鑒》、《臺(tái)州市水資源公報(bào)》等。采用熵值法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表3。采用模糊綜合評(píng)判法評(píng)價(jià)水資源承載力水平，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 臨海市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

在臨海市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)中，綜合評(píng)分值代表了各個(gè)子系統(tǒng)以及復(fù)合系統(tǒng)的水資源承載力水平，分值越大，表示水資源承載力水平越高，表明水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展程度越好，水資源開(kāi)發(fā)利用空間越大。

根據(jù)以上評(píng)價(jià)結(jié)果(表4、圖2)可見(jiàn)，2010-2015年臨海市水資源承載力總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，均處于可承載水平及以上，其中2011年與2013年，水資源承載水平略低，2015年達(dá)到良好承載力水平。2011年臨海市水資源承載力水平下降的原因主要是水資源子系統(tǒng)中產(chǎn)水模數(shù)下降50.5%，人均水資源量減少50.8%，而社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)中人均綜合用水量增加14.3%，萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量升高5.5%，畝均農(nóng)田灌溉用水量升高10.6%，導(dǎo)致臨海市水資源供需矛盾加劇。2013年臨海市水資源承載力水平回落的原因主要是生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)中生態(tài)環(huán)境用水率減少30.1%，排水管道密度減少16.3%，綠化覆蓋率減少16.7%，表明在經(jīng)濟(jì)得到更快發(fā)展的同時(shí)生態(tài)環(huán)境代價(jià)也更為突出，并且生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的響應(yīng)具有一定滯后性。

圖2 2010-2015年臨海市水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果

在臨海市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)中，社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)與復(fù)合系統(tǒng)的演變趨勢(shì)較一致，表明社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)對(duì)城市水資源承載力的整體貢獻(xiàn)較大。之后依次是生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)和水資源子系統(tǒng)，表明由于臨海市處于東南沿海濕潤(rùn)地區(qū)，年均降水量大、地表水資源豐富，水資源總量相對(duì)豐沛，水資源子系統(tǒng)對(duì)水資源承載力的制約力度較小。而社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展造成用水的時(shí)空不均勻、水資源供需矛盾加劇等問(wèn)題，對(duì)臨海市的水資源承載力產(chǎn)生較大影響，特別是粗放型的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式會(huì)造成水資源的不可持續(xù)發(fā)展，并進(jìn)一步對(duì)生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)產(chǎn)生影響，使得水生態(tài)環(huán)境惡化，降低水資源的可利用性。因此臨海市水資源承載力動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)因素主要來(lái)源于社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)。

4 城市水資源動(dòng)態(tài)變化驅(qū)動(dòng)力分析

4.1 單因素敏感性分析

單因素敏感性分析[18-19]是假定其它評(píng)價(jià)因素均保持不變，分析單個(gè)不確定因素的變動(dòng)對(duì)不同情景方案下水資源承載力影響的方法。為進(jìn)一步分析臨海市水資源承載力水平動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)因素，采用單因素敏感性分析確定社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)中的主要敏感性因素，即在各指標(biāo)平均年際變化率基礎(chǔ)上分別增加或減少5%和10%，保持其他指標(biāo)數(shù)據(jù)不變的情況下，計(jì)算單指標(biāo)增減不同百分比后的水資源承載力，比較綜合評(píng)分變化率，變化率越大，表示指標(biāo)越敏感。

由分析結(jié)果(表5)可知，社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)中城鎮(zhèn)化率、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、工業(yè)用水重復(fù)利用率3個(gè)指標(biāo)是臨海市水資源承載力水平動(dòng)態(tài)變化的主要敏感性因素。

表5 單因素敏感性分析結(jié)果

4.2 驅(qū)動(dòng)力情景分析

基于單因素敏感性分析結(jié)果，利用模糊綜合評(píng)判法、熵值法聯(lián)合，以城鎮(zhèn)化率、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、工業(yè)用水重復(fù)利用率為情景分析指標(biāo)對(duì)不同情景下2025年臨海市水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。各項(xiàng)指標(biāo)預(yù)測(cè)方法及預(yù)測(cè)值見(jiàn)表6，其中各指標(biāo)預(yù)測(cè)值基于對(duì)數(shù)擬合或相關(guān)規(guī)劃并結(jié)合實(shí)際略作修正，情景分析指標(biāo)采用2015年指標(biāo)值作為低預(yù)測(cè)值，國(guó)家先進(jìn)值作為高預(yù)測(cè)值。情景設(shè)置和評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖3，其中U表示城鎮(zhèn)化率(Urbanization Rate)，T表示第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重(The Tertiary Industry Rate)，I表示工業(yè)用水重復(fù)利用率(Industrial Water Reuse Rate)，H表示高預(yù)測(cè)值，L表示低預(yù)測(cè)值，如HU-HT-HI表示城鎮(zhèn)化率、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重和工業(yè)用水重復(fù)利用率均為高預(yù)測(cè)值的情景。

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果可知，不同情景下2025年臨海市水資源承載力均處于良好承載水平，其中情景HU-LT-LI、LU-LT-HI和 LU-LT-LI的綜合評(píng)分低于2015年。進(jìn)一步觀察圖3可知，城鎮(zhèn)化率、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重和工業(yè)用水重復(fù)利用率3個(gè)敏感性因素中，第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重對(duì)臨海市水資源承載力水平動(dòng)態(tài)變化影響較為突出。從3個(gè)具體的指標(biāo)來(lái)看：

(1)第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重，表示區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，間接反映了區(qū)域生產(chǎn)用水結(jié)構(gòu)。諸多研究表明，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演進(jìn)將帶動(dòng)用水結(jié)構(gòu)、用水量及用水量變化，對(duì)水資源消耗具有一定遏制作用[20-21]。臨海市2014年的第三產(chǎn)業(yè)占比超過(guò)第二產(chǎn)業(yè)，工業(yè)用水量減少了494×104m3。2025年HU-HT-LI情景第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重與2015年相比增加了21.3%，綜合評(píng)分比2015年提高0.02，均表明產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整升級(jí)帶動(dòng)了水資源利用方式的改變，水資源與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)關(guān)系的均衡發(fā)展有利于提高水資源承載力水平。

表6 指標(biāo)預(yù)測(cè)值

注：預(yù)測(cè)值括號(hào)中數(shù)據(jù)表示(高預(yù)測(cè)值/低預(yù)測(cè)值)。

圖3 驅(qū)動(dòng)力情景分析結(jié)果

(2)城鎮(zhèn)化率，不僅表現(xiàn)為城市規(guī)模擴(kuò)張與結(jié)構(gòu)變化兩個(gè)方面，同時(shí)也伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量和效率的變化[7]。2010-2015年臨海市城鎮(zhèn)化率由45.8%上升到57.7%，城鎮(zhèn)人口增加29%，城鎮(zhèn)公共用水量增加27%。LU-LT-LI情景2025年城鎮(zhèn)化率較2015年提高了29.9%，水資源承載力綜合評(píng)分下降0.02，表明隨著城鎮(zhèn)化的深入發(fā)展，水資源供需矛盾將更加突出，進(jìn)而對(duì)水資源承載力造成巨大壓力。

(3)工業(yè)用水重復(fù)利用率，反映了工業(yè)用水在一定技術(shù)條件和循環(huán)用水水平之下的效率。就目前經(jīng)濟(jì)狀況而言，臨海市仍以擴(kuò)大再生產(chǎn)作為發(fā)展工業(yè)的重要手段，技術(shù)水平發(fā)展較為緩慢，工業(yè)用水量?jī)H次于農(nóng)業(yè)灌溉用水量，加強(qiáng)工業(yè)節(jié)水是減少工業(yè)用水量、緩解水資源壓力的主要手段。由2025年HU-LT-HI情景與2015年相比可見(jiàn)，2025年臨海市工業(yè)用水重復(fù)率增長(zhǎng)到97%，水資源承載力綜合評(píng)分增加0.0051，因此在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，提升工業(yè)用水重復(fù)利用水平仍是工業(yè)節(jié)水的一大重要措施。

綜合以上分析，城鎮(zhèn)化率、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重和工業(yè)用水重復(fù)利用率為臨海市水資源承載力變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，提高第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重和工業(yè)用水重復(fù)利用率，控制城鎮(zhèn)化率是臨海市提升水資源承載力水平的主要途徑。其中，借助政策手段，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是同時(shí)實(shí)現(xiàn)城市用水結(jié)構(gòu)優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的首要措施；借助管理手段，通過(guò)水資源綜合管理協(xié)調(diào)城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源利用，提高城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量是促進(jìn)臨海市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的主要措施；同時(shí)借助科技手段，提高城市工業(yè)用水水平是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)能夠有效減少水資源壓力的重要措施。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，適應(yīng)水資源與生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的用水結(jié)構(gòu)升級(jí)是實(shí)現(xiàn)臨海市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

5 結(jié) 論

(1)本文基于城市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)分析，從水資源子系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)出發(fā)，結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H特點(diǎn)，選取了19項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建臨海市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

(2)利用模糊綜合評(píng)判法和熵值法聯(lián)合對(duì)臨海市水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)臨海市水資源承載力動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，得出2010-2015年臨海市水資源承載力總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，均處于可承載水平及以上，臨海市水資源承載力動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)因素主要來(lái)源于社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)。

(3)采用基于單因素敏感性分析的情景分析識(shí)別臨海市水資源承載力驅(qū)動(dòng)因素，結(jié)果顯示，社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)中的城鎮(zhèn)化率、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重和工業(yè)用水重復(fù)利用率為主要驅(qū)動(dòng)因素，其中第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重對(duì)臨海市水資源承載力水平動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)影響較為突出。并根據(jù)分析結(jié)果，提出了促進(jìn)臨海市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的措施。