揚州市水資源承載能力綜合評價研究

吳 楓 ，洪 達 ，蔣利俊

（1.寶應縣水務局，江蘇 寶應 225800；2.揚州市勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225000；3.宜興市西渚鎮(zhèn)水利農機站，江蘇 宜興 214236）

當前工業(yè)化生產創(chuàng)造了充足的物質財富，然而人口劇增與超負荷的經濟活動不斷擠壓生態(tài)空間，還引起土地退化、水污染、資源短缺、生物多樣性下降等系列環(huán)境問題，這對人與自然可持續(xù)發(fā)展帶來挑戰(zhàn)。其中，水資源作為生命演替的物質基礎，更容易受到不合理的人為活動的影響。水資源承載力是指基于當前經濟技術背景，一定區(qū)域內水環(huán)境要素在維持自身平衡演替的前提下，對區(qū)域人口和社會發(fā)展最大的支撐能力，用以定量表征區(qū)域自然環(huán)境與經濟社會發(fā)展的協調程度與發(fā)展?jié)摿1]。2005年世界減災大會中提出建立國際、社區(qū)尺度上環(huán)境承載力評估框架，并將水資源承載力的研究作為核心工作之一[2]。當前，國內外學者針對景觀水平、省際尺度上水資源承載力評價模型，研究尺度單元較大，大多注重其時間變化特性，忽略了其空間分布差異。揚州是長江中下游經濟較發(fā)達城市，區(qū)域水資源總量相對豐富、人口密集、水環(huán)境壓力較大，以GIS技術研究市域水資源承載力空間分布差異，以期為區(qū)域資源管理提供決策依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

揚州地處江蘇省中部，江淮流域下游，政區(qū)面積6591 km2；其中，屬長江流域面積為1089 km2，屬淮河流域面積為5502 km2。全市地形平坦開闊，長江與京杭大運河交匯，境內有白馬湖、寶應湖、高郵湖、邵伯湖等，水域面積達1365 km2，占全市面積的20.7%。受東亞季風與西伯利亞高壓控制，形成北亞熱帶濕潤季風氣候，冬季干冷，夏季炎熱多雨，多年平均氣溫15.2℃，降水量為1007.3 mm。揚州市地狹人稠，用水結構主要依賴長江、淮河過境水資源量；本地水資源以地表徑流為主，多年平均水資源總量為20.20億m3，人均占有量為448 m3，低于800 m3的閾值水平，按本地水資源量統計，屬于水資源匱乏區(qū)。

1.2 水資源承載力評價指標系統

PSR(Pressure-State-Response)概念框架是聯合國環(huán)境署用于人地關系、環(huán)境評價的經典范式[3]，該模型以因果關系闡釋資源環(huán)境系統、經濟社會需要、人與自然交互影響之間，可以深刻地描述水資源對自然因素的依賴性與對經濟社會的脅迫性，依據該概念建立的指標體系涵蓋了水資源承載力的綜合反饋機理，具有廣泛應用性。借鑒相關學者們的經驗[3～4]，在對區(qū)域人口、經濟、資源、環(huán)境等要素進行系統分析的基礎上，構建揚州市水資源承載力評價指標體系。

1.2.1 熵權法

熵權法是依據指標信息熵的離散度進行客觀賦權。設揚州市水資源環(huán)境評估矩陣[X]m*n：

按照指標性質進行標準化處理：

其中，正向指標為指標數值越大，表明水資源承載力越高，負向指標則反之。yij為xij的標準化值，i∈n，表示評價對象序列，j∈m，表示指標序列，xmax、xmin分別表示第j項指標中的最大值、最小值。

在此基礎上計算各項指標的信息熵：

式中：hj為第j指標的信息熵，fij表示第i個對象的第j個指標歸一化值占所有指標的分值。最后根據各項指標信息熵分量確定權重。

式中：wj為第j個指標的權重。

1.2.2 TOPSIS評估模型

TOPSIS（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution）是通過檢測評價對象與最優(yōu)解、最劣解之間的距離的一種多目標決策方法[5～6]。其結合熵權法構造水資源承載力評估模型過程如下。先以熵權法確定的指標權重與歸一化值加權處理：

再根據加權判斷矩陣獲取評估目標的最優(yōu)解、最劣解：

其中，Y+、Y-分別表示最優(yōu)解、最劣解。則各評估目標的最優(yōu)解與最劣解之間的歐氏距離分別為，定義如下：

相對接近程度Ii計算公式如下：

其單調性大小表征評估目標的優(yōu)劣程度。

1.2.3 數據處理

揚州市水資源承載力評價指標體系的原始數據整理通過Excel 2016軟件完成，并根據前述公式在Excel中進行歸一化處理、信息熵計算、TOPSIS模型評分。將各維度指標權重累加分別得到壓力層、狀態(tài)層、響應層的綜合權重（表1），然后分層加權求和并通過GIS平臺進行空間可視化，從而得到揚州市水資源承載力的壓力層、狀態(tài)層、響應層指數的空間分布；水資源承載力綜合指數則為所有指標因子加權求和得到。

表1 揚州市省水資源承載力評價指標系統

2 結果與分析

2.1 水資源承載力指標體系分析

水資源承載力受區(qū)域人口社會經濟系統的壓力與水資源環(huán)境系統的自維持力。PSR模型水資源承載力分解為壓力、狀態(tài)和響應維度，明確了水資源承載力指標框架下各維度、指標間的聯系，另外該指標框架可結合區(qū)域本地環(huán)境特性進行擴充，因此具有全面性、系統性和可選擇性的特點。該指標體系能夠幫助水資源管理部門直觀認識水資源承載力的結構因子，從而因地制宜采取科學措施提升水環(huán)境質量。揚州市水資源承載力評價指標體系由18項因子組成。以各指標原始數值為基礎，基于上熵權公式(1～5)逐級計算信息熵，由此得到各指標以及維度權重，結果見表1。結果表明壓力層權值最高，達到0.394，表明其揚州水資源承載力的關鍵影響因素；狀態(tài)、響應維度的影響程度次之，為0.324、0.261，PSR各維度存在功能差異。

2.2 揚州市水資源承載力PSR分析

采用前述TOPSIS融合熵權歸一化矩陣，獲取揚州市水資源承載力PSR準則層指數大小，為了便于比較其層次差異，采樣自然列分將其劃分為I、II和III三個等級，并通過GIS平臺進行可視化。明顯可知，各縣區(qū)PSR指數分布不一，說明各地水資源承載力的結構存在一定差異。結果見圖1～ 圖 4。

圖1 揚州市水資源承載力壓力指數分布

由圖1可知，由于在指標量化過程中對負向指標逆處理，其壓力指數越大說明水資源承載力越高，其中邗江和市中心地區(qū)水資源壓力屬于I級，為全市最低水平，這是由于該區(qū)土地空間狹小、人口集中，人均水資源量極低。儀征和高郵為II級，兩地水域面積寬闊、地表徑流相對豐富，一定程度上緩解了承載壓力。寶應和江都的水資源壓力最小，為III級，前者由于人口相對較小，單位土地水資源較多，而江都則是人均水資源量居多。

圖2 揚州市水資源承載力狀態(tài)指數分布

由圖2可知，揚州市水資源承載力狀態(tài)指數分布與水資源環(huán)境質量基本一致。不難發(fā)現邗江區(qū)和市廣陵區(qū)水資源狀態(tài)指數屬于I級，表明其水資源環(huán)境質量、水源涵養(yǎng)能力與開發(fā)潛力不足；儀征屬于II級水平；江都、高郵和寶應處第III級較好水平，表明該區(qū)水生態(tài)環(huán)境較好，自然狀態(tài)下水源涵養(yǎng)能夠基本保障生態(tài)所需。

圖3 揚州市水資源承載力響應指數分布

由圖3可知，邗江區(qū)和市廣陵區(qū)對水資源環(huán)境保護的響應措施最不明顯，屬于I級，這是由于該區(qū)域水域面積較小、水生態(tài)用地類型稀少，可采取的防護措施有限。江都和儀征次之，為II級，寶應和高郵水資源承載力響應指數最高，該區(qū)是區(qū)域地表徑流、湖泊密集區(qū)，集中了東線南水北調源頭工程、高郵湖清水工程，且作為全市水源地，該區(qū)水資源保護與水利建設最完善。

圖4 揚州市水資源承載力指數分布圖

由于縣區(qū)水資源承載力面臨的壓力、狀態(tài)、響應等各分維結構與特性存在差異，故揚州市水資源承載力指數空間分布具有異質性。由圖4可知，寶應和高郵地區(qū)的承載力最高，達0.5238、0.4917，屬III級，表明該區(qū)水資源基本滿足生態(tài)用水與經濟社會用水需要。江都儀征地區(qū)水資源承載力次之，承載力指數依次為0.4308、3952，為中等水平；邗江與廣陵區(qū)水資源承載力最弱，表明其承壓過載，水環(huán)境質量難以維系自然與社會屬性的協調與可持續(xù)。

3 結論

基于PSR-TOPSIS水資源承載力評估模型反映的是水資源承壓、水環(huán)境狀態(tài)以及經濟社會響應三個維度對水資源可支撐能力的綜合效應，從模型效果來看，壓力是影響全省水資源承載力的首要因素，水環(huán)境壓力與人口壓力從根本上影響著承載能力；源于地理環(huán)境特征與經濟人口分別特征，各縣區(qū)州的水環(huán)境質量基礎與水環(huán)境工程治理投入能力互有差異，這也影響著水資源承載力的大小。GIS分析表明，揚州市各縣區(qū)水資源承載力呈層次化分異，今后應當注重水資源與人口密度、經濟結構布局的協調性，并科學進行水資源空間調配。