江蘇省水資源承載力計算分析與評價研究

(江蘇省水文水資源勘測局連云港分局，江蘇連云港222004)

水資源是重要的生命資源，也是一種重要的戰(zhàn)略資源。如今，水資源短缺、水污染等問題已嚴重制約了城市的經(jīng)濟發(fā)展和現(xiàn)代化進程。隨著中國水資源供需矛盾的日趨緊張和最嚴格水資源管理制度的實施，眾多學(xué)者已開始重視水資源對社會經(jīng)濟的支撐能力的研究，即水資源承載力。承載力最開始是在物理學(xué)領(lǐng)域提出的，是指物體在不產(chǎn)生任何破壞時所能承受的最大負荷。后來，國外學(xué)者將這一概念引入生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，水資源承載力是承載力概念在水資源領(lǐng)域的具體應(yīng)用。在國內(nèi)，最早由施雅風(fēng)院士于20世紀90年代初明確提出水資源承載力的概念：水資源承載能力是指在某一歷史發(fā)展階段，以可以預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟和社會發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維護生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為條件，經(jīng)過合理的優(yōu)化配置，水資源對該區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的最大支撐能力[1]。水資源承載力是可持續(xù)發(fā)展與水資源安全戰(zhàn)略中的一個突出課題，也是水資源科學(xué)研究中的一個熱點問題[2]。城市的水資源承載能力受到“自然—社會”二元模式的影響，自然系統(tǒng)、社會系統(tǒng)以及水資源系統(tǒng)相互影響、相互作用。因此，對城市水資源承載力進行評價，必然要涉及到資源、環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展水平等眾多因素的影響。目前，研究水資源承載力方法眾多，主要有指標體系評價法、經(jīng)驗公式估算法和系統(tǒng)動力學(xué)法等。水資源承載力評價就是采用合適的水資源承載力評價指標，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，對一個地區(qū)的水資源開發(fā)利用程度進行評價，分析其水資源承載力狀況，并為水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)和決策[3]。迄今為止，對水資源承載力的評價還未有一個統(tǒng)一的模型，各個方法都有各自的優(yōu)缺點。對城市水資源承載力進行研究，對于實行最嚴格水資源管理制度與“三條紅線”控制具有重要的意義。

江蘇省是個經(jīng)濟大省，水資源對社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用，眾多學(xué)者對江蘇省的水資源承載力進行了研究。黃莉新[4]使用系統(tǒng)動力學(xué)方法計算了包含經(jīng)濟增長率、供水水平和保證率3種參數(shù)8種典型方案的江蘇省水資源承載能力。宋曉猛[5]等人以承載人口規(guī)模為綜合指標按照溫飽型、過渡性、小康型以及初步富裕型4種標準對江蘇省水資源承載力進行了評價。馬學(xué)良[6]等人運用半升Γ型分布函數(shù)對城鎮(zhèn)化進程中的江蘇省水資源承載力進行了縱向分析與研究。許朗[7]等人則從時間與空間上運用主成分分析法對江蘇省水資源承載力進行了綜合評價。本文在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，綜合考慮主觀賦權(quán)和客觀賦權(quán)各自的優(yōu)缺點，選取不同的指標構(gòu)建了江蘇省水資源承載力評價的數(shù)學(xué)模型，對江蘇省2004—2016年的水資源承載力進行了量化分析，為水資源承載力的科學(xué)評價提供了依據(jù)。

1 評價模型的構(gòu)建

1.1 水資源承載力模型

綜合指標體系法是對水資源承載力進行量化評價的常用方法，其基本方法是選擇單項或者多項指標，通過一定的數(shù)學(xué)模型對水資源承載力進行量化計算，從而判斷水資源承載力的相對大小。

按照水資源承載力的概念，水資源承載力是在一定條件下，區(qū)域水資源對人類社會經(jīng)濟活動支撐能力的閾值，它是在一定條件約束下的目標值或者理想值[8]，本文通過量化分析過程建立評價指標體系，最終計算出來的承載力值是一個介于0～1之間的無量綱值，通過這個數(shù)值反映區(qū)域水資源承載力的相對大小。

影響水資源承載力的各個單項指標與綜合承載力之間并不是簡單的線性關(guān)系，為保證綜合承載力評價結(jié)果可靠，單項指標承載力的計算需要合理進行。常規(guī)的做法是對各項指標進行歸一化和無量綱化，然后直接將指標代入模型計算。這實際上假定了單向指標與綜合承載力關(guān)系是線性的，這一假定并非對每一項指標都是合理的。在此引入單項指標影響函數(shù)的概念，影響函數(shù)不僅可以準確給出單項指標對上一層指標的影響變化趨勢，同時也完成了對單項指標的無量綱化和歸一化[9]。

在選取單項指標承載力的計算模型時，借鑒了水安全度的計算模型。對于各單項指標承載力值來說，正向指標承載力隨著指標值的增大而增大，當指標值增加到一定程度后，承載力的增加則越來越緩慢，并趨于飽和；負向指標承載力的值則隨著指標值的增加而減小，而當指標值增加到一定程度后承載力的減小越來越慢，并趨于零。即是x的減函數(shù)，常見函數(shù)中的對數(shù)函數(shù)、指數(shù)小于1的冪函數(shù)等符合這一變化規(guī)律[10]。對數(shù)函數(shù)關(guān)系簡單，適合單純指標的計算，還可以準確地反映二者之間的關(guān)系。因此，本文選用對數(shù)函數(shù)[11]作為單項指標承載力的計算模型，即：

y=a+blgx

(1)

式中y、x——因變量和自變量；a、b——模型參數(shù)。

為了確定承載力模型中的模型參數(shù)，需明確各評價指標的核算標準，根據(jù)國際公認的部分標準值、相關(guān)標準、區(qū)域?qū)嶋H情況以及現(xiàn)有專家的研究成果上，經(jīng)過綜合考量，最終確定各指標的核算標準，并確定相應(yīng)的評分，從而建立各指標的承載力模型。

綜合承載力計算公式為：

(2)

式中Ei——各單項指標所對應(yīng)的承載力；wi——相應(yīng)的權(quán)重。

計算出來的綜合承載力是一個處于0～1之間的無量綱值，該評價值反映水資源承載力的相對大小，越接近1，說明水資源承載力狀況越好，水資源對社會經(jīng)濟的支撐能力越大；反之，越接近0，說明水資源承載力狀況越差，水資源對社會經(jīng)濟的支撐能力越小。結(jié)合現(xiàn)有研究成果與有關(guān)專家意見，對水資源承載力的取值劃分為4個區(qū)間[12]：Ⅰ級為不可承載狀態(tài)，判斷區(qū)間為(0～0.2)；Ⅱ級為弱承載狀態(tài)，判斷區(qū)間為(0.2～0.5)；Ⅲ級為基本可承載狀態(tài)，判斷區(qū)間為(0.5～0.8) ；Ⅳ級為良好可承載狀態(tài)，判斷區(qū)間為(0.8～1)。

1.2 評價指標權(quán)重的確定

在進行水資源承載力評價時，需確定各評價指標的大小。關(guān)于權(quán)重的確定，一般分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩大類，主觀賦權(quán)法主要是專家根據(jù)經(jīng)驗進行主觀判斷得到權(quán)重，容易受到主觀偏重的影響，包括層次分析法、專家調(diào)查法、二項系數(shù)法等；客觀賦權(quán)法是從指標的數(shù)值差異程度客觀地反映指標的重要程度，容易受到原始數(shù)值的影響，主要有熵權(quán)法、變異系數(shù)法、主成分分析法等。為了使指標權(quán)重更加合理，避免單一賦權(quán)的片面性，將主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法結(jié)合，確定組合賦權(quán)。

1.2.1主觀權(quán)重的確定

主觀權(quán)重的確定選用層次分析法(簡稱AHP)。層次分析法的原理是將與決策有關(guān)的元素分解成目標、準則、指標等層次，在同一層次對該層次元素間進行兩兩比較，建立判斷矩陣，然后對判斷矩陣進行一致性檢驗，得出指標層元素對準則層元素的權(quán)重。層次分析法的方法與步驟見圖1。

圖1 層次分析法確定權(quán)重的流程

1.2.2客觀權(quán)重的確定

客觀權(quán)重的確定方法采用變異系數(shù)法，是直接利用各項指標所包含的信息，通過計算得到指標的權(quán)重，其基本原理是:在評價指標體系中，指標取值差異越大的指標，也就是越難以實現(xiàn)的指標，這樣的指標更能反映被評價單位的差距。

由于評價指標體系中的各項指標的量綱不同，不宜直接比較其差別程度。為了消除各項評價指標的量綱不同影響，需要用各項指標的變異系數(shù)來衡量各項指標取值的差異程度。各項指標的變異系數(shù)公式如下：

(3)

各項指標的權(quán)重為：

(4)

1.2.3組合權(quán)重的確定

設(shè)用層次分析法得到的指標層權(quán)重為Wi=(Wi1,Wi2,…,Wik)，由變異系數(shù)法得到的指標層權(quán)重為Wj=(Wj1,Wj2,…,Wjk)，則指標層第k個指標組合權(quán)重為：

(5)

2 實例分析

2.1 區(qū)域概況

江蘇省地處長江、淮河下游，東瀕黃海，省內(nèi)分布長江、太湖、淮河和沂沭泗四大水系，長江橫穿東西，大運河縱貫?zāi)媳?，?jīng)濟發(fā)達，城市密集，人口眾多。其氣候具有明顯的季風(fēng)特征，處于亞熱帶向暖溫帶過渡地帶。全省年降水量為700～1 250 mm，年徑流深為150～400 mm，降水主要集中在6—9月汛期。

江蘇本地水資源不足，過境水豐沛，全省多年平均本地水資源量322億m3，多年平均過境水量為9 490億m3，是本地水資源量的30倍。豐富的過境水資源，特別是長江的過境水資源，為江蘇省的開發(fā)利用提供了得天獨厚的條件。然而長江、淮河匯集200萬km2國土面積的流域洪水穿境入海，縱橫交錯的流域行洪河道把全省分割成眾多區(qū)域，平原洼地普遍處于洪潮水位之下，面臨外洪內(nèi)澇威脅。降水量在年際之間變化大，年內(nèi)又集中在汛期，容易出現(xiàn)突發(fā)性、災(zāi)害性的暴雨洪水，以及旱澇急轉(zhuǎn)、干旱缺水。特定的地理位置和氣候特點，導(dǎo)致江蘇省局部洪水頻繁、區(qū)域洪水常見、流域洪水易發(fā)，決定了防洪任務(wù)的艱巨性；流域上中游來水主要集中在汛期，水資源時空分布不均，調(diào)蓄能力差，大部分排泄入江入海，形成棄水而不能利用，淮北、沿海、丘陵高地階段性水資源緊缺。

2.2 評價指標體系的選擇

結(jié)合江蘇省實際情況，并根據(jù)指標體系選擇的原則，以水資源承載力為目標層，準則層選取水資源數(shù)量因素、社會經(jīng)濟用水水平、水資源質(zhì)量因素，選取人均水資源占有量、產(chǎn)水模數(shù)、折合降水總量、年入境水量、人均供水量、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、農(nóng)田灌溉畝均用水量、污徑比、優(yōu)于Ⅲ類水控制河長比例、水功能區(qū)達標率、廢污水排放量等影響因素作為指標層，建立評價指標體系。為方便起見，用字母表示各層要素，見表1。

表1 水資源承載力評價指標體系

2.3 原始數(shù)據(jù)

通過變異系數(shù)法確定各指標的權(quán)重以及單項指標承載力值的計算需要根據(jù)各指標的原始值。

由各指標層因素，查閱相關(guān)資料，根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒》《江蘇省統(tǒng)計年鑒》《江蘇省水資源公報》等相關(guān)資料，統(tǒng)計出各單項指標2004—2016年的原始數(shù)據(jù)。統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 江蘇省2004—2016年水資源承載力各指標原始值

2.4 單項指標承載力模型的確定

水資源單項指標承載力的計算用的是對數(shù)函數(shù)，根據(jù)《國家級生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標》《全國水生態(tài)文明城市評價指標體系》和國際公認的標準以及相關(guān)專家的研究成果上，將各指標的核算標準分為三級并給出評分。最差值評分確定為0，及格值為0.6，最優(yōu)值確定為1。評價指標有正向指標與負向指標之分。正向指標表示指標越大承載力值越大，用“+”表示，負向指標表示指標越大承載力值越小，用“-”表示。

根據(jù)各指標的核算標準，通過對數(shù)函數(shù)確定模型參數(shù)，從而確定各單項指標承載力模型，見表3。

表3 單項指標評價標準及承載力模型

3 評價結(jié)果與分析

3.1 組合權(quán)重的確定

對評價指標兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣，使用層次分析法確定相應(yīng)的權(quán)重，再根據(jù)各指標的原始值利用變異系數(shù)法公式確定各指標權(quán)重，最后由式(5)得出各指標組合權(quán)重，結(jié)果見表4。

表4 水資源承載力各指標的權(quán)重

3.2 單項指標承載力的計算

由各指標承載力的原始數(shù)據(jù)，按照確定的各單項指標承載力模型，計算歷年單項指標承載力。當正向指標小于最差值或負向指標大于最差值時，所得出的單項承載力值為負數(shù)，表示不可承載，記為零；而當正向指標大于最優(yōu)值或負向指標小于最優(yōu)值，計算出的承載力值大于1，表示完全可承載，記為1。計算結(jié)果見表5。

表5 水資源承載力各單項指標承載力值

3.3 綜合承載力結(jié)果

由表5各指標單項承載力的結(jié)果和表4中的各指標的權(quán)重，將其代入式(2)，得出綜合承載力，并根據(jù)水資源承載力劃分區(qū)間得出結(jié)果。

表6 水資源承載力評價結(jié)果

由圖2及表6可以發(fā)現(xiàn)，2004—2016年江蘇省水資源承載力基本上呈現(xiàn)一個穩(wěn)中上升的過程，由2004年的0.304上升至2016年的0.614。2004—2014年，江蘇省水資源承載力處于Ⅱ級狀態(tài)，2013年以后，承載力上升幅度變大，2014年以后上升為Ⅲ級。

分析圖2，江蘇省水資源承載力在2005—2006年、2007—2008年以及2011—2013年有小幅度下降的過程。分析各指標單項承載力，2006年水資源承載力由2005年的0.359下降至0.330主要是由水資源數(shù)量減小以及農(nóng)田灌溉畝均用水量、污徑比、廢污水排放量增加引起的；2008年水資源承載力由2007年的0.373下降至0.335主要是由水資源數(shù)量減少以及農(nóng)田灌溉畝均用水量增加、污徑比增加以及優(yōu)于Ⅲ類水控制河長比例減小引起的；而2011—2013年水資源承載力下降幅度最為明顯，由2011年的0.440下降至2013年的0.394，下降了10.5%，主要原因是水資源數(shù)量減小、污徑比增加以及廢污水排放量增加。2013年以后，隨著最嚴格水資源管理制度的實施，水資源承載力增加幅度明顯變大，2015、2016年已達到Ⅲ級。

圖2 2004—2016年江蘇省水資源承載力變化趨勢

4 結(jié)論與展望

本文基于組合權(quán)重結(jié)合對數(shù)函數(shù)量化分析了2004—2016年的江蘇省水資源承載力。為了使評價結(jié)果更具科學(xué)性，通過層次分析法和變異系數(shù)法相結(jié)合計算組合賦權(quán)，避免了單一賦權(quán)方法的片面性，并通過對數(shù)函數(shù)對各評價指標進行了歸一化和無量綱化，最后得出的承載力值是一個無量綱數(shù)值。計算結(jié)果表明，近年來，江蘇省水資源承載力整體上處于穩(wěn)中上升的狀態(tài)，然而仍有較大的改善需求和空間。從各項評價指標來看，水資源數(shù)量以及水資源質(zhì)量是水資源承載力的主要影響因素。隨著最嚴格水資源管理制度的實施和水資源“三條紅線”的逐漸落實，江蘇省水資源承載力必然會繼續(xù)增長。

許朗[7]等人通過主成分分析法得出2000—2009年江蘇省水資源承載力整體上呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的趨勢；馬海良[6]使用半升Γ型分布函數(shù)得出2003—2013年江蘇省的水資源承載力經(jīng)歷了小幅度波動增長的發(fā)展階段。雖然由于指標的選取與評價方法的不同，評價結(jié)果存在一定的誤差，但是總體趨勢基本一致，因此，本文的評價模型具有較好的可信度。為有效提高江蘇省水資源承載力，可以從以下2個方面著手。

a) 開源與節(jié)流并舉?？梢蚤_展河流的疏浚工作，因地制宜開發(fā)新水源，例如沿海地區(qū)可以考慮海水利用以及海水淡化，有條件的地區(qū)開展再生水利用。同時，要加強民眾的節(jié)水意識，大力開展節(jié)水型企業(yè)與節(jié)水型社會的建設(shè)，全面提高水資源的利用效率。

b) 嚴格落實最嚴格水資源管理制度，守住水資源“三條紅線”，改善水環(huán)境質(zhì)量。加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展模式，嚴格控制排污總量，加大對高能耗、高污染企業(yè)的管理，控制工業(yè)廢水的排放以及農(nóng)業(yè)面源污染。