基于協(xié)調(diào)發(fā)展的南京市水資源承載狀態(tài)評價與障礙因子診斷

鮑慶煜，周 強，陳 霞，周 毅，張 游，郝曼秋

(1.江蘇省水文水資源勘測局南京分局，江蘇 南京 210009；2.江蘇省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，江蘇 南京 210012；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基，是人類生存和社會經(jīng)濟發(fā)展不可或缺的資源[1]。我國人多水少、水資源時空分布不均勻，并且面臨著水資源浪費、水污染嚴(yán)重、水生態(tài)惡化等諸多問題，部分地區(qū)水資源供需矛盾十分尖銳，水資源、水環(huán)境有限的支撐能力成為社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸[2-3]。

南京市作為江蘇省會，是長三角及華東地區(qū)特大城市之一，隨著社會經(jīng)濟規(guī)模的不斷擴大，南京市社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源需求的無限性和水資源承載能力的有限性以及污染的無限性與水環(huán)境支撐能力的有限性之間的矛盾愈發(fā)突出，因此，研究南京市的水資源承載能力和承載狀態(tài)是非常必要的[4]。

目前學(xué)者關(guān)于水資源承載力概念并沒有形成一致的觀點，主要可以歸納為水資源開發(fā)規(guī)模論、可承載社會經(jīng)濟規(guī)模論以及抽象的水資源承載力[5-7]。第一種觀點認(rèn)為水資源承載力是在一定的技術(shù)經(jīng)濟水平和社會生產(chǎn)條件下水資源最大供給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活和生態(tài)環(huán)境保護等用水能力[8]。在這一觀點中，通過社會經(jīng)濟取用水量反映水資源承載力，沒有繼續(xù)深入分析其與社會經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀的關(guān)系。第二種觀點認(rèn)為水資源承載力是在某一具體的發(fā)展階段下，以可預(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)展為前提，在水資源合理配置和高效利用的條件下，區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的最大人口容量[9]。在這一觀點中，在分析技術(shù)水平、社會經(jīng)濟發(fā)展階段的基礎(chǔ)上，通過社會經(jīng)濟的規(guī)模反映水資源承載力。第三種觀點提出水資源承載力是指某一地區(qū)的水資源在某一具體歷史發(fā)展階段下，以可預(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)境良性循環(huán)發(fā)展為條件，經(jīng)過合理優(yōu)化配置，對該地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的支撐力[10]。這一觀點中，沒有指明水資源承載力的表征指標(biāo)，較為抽象。

水資源環(huán)境承載力的研究尚處于起步階段，馬軍霞[11]選用鄭州市作為研究區(qū)，通過水量水質(zhì)模擬的手段，利用“基于模擬和優(yōu)化的控制目標(biāo)反推模型(COIM)”反推水資源與水環(huán)境承載力，并探討了水資源承載力與水環(huán)境承載力的概念及兩者之間的關(guān)系；竇明等[12]通過構(gòu)建水環(huán)境綜合承載力計算和評價模型，描述社會經(jīng)濟、水資源、水環(huán)境三者內(nèi)部聯(lián)系，并將模型應(yīng)用于淮河流域；趙巨偉等[13]將水資源系統(tǒng)理論與遺傳算法基礎(chǔ)理論相結(jié)合，對沈陽市的水資源承載力和水環(huán)境容量的水環(huán)境綜合承載力進(jìn)行了研究；姜大川[14]從水質(zhì)水量聯(lián)合角度對水資源環(huán)境承載力計算方法進(jìn)行了討論，并將其應(yīng)用于沂河流域。

目前，針對水資源環(huán)境承載力的專門研究相對較少，沒有深入探討水資源環(huán)境承載力與水資源承載力、水環(huán)境承載力在內(nèi)涵上的區(qū)別及聯(lián)系。此外，關(guān)于承載能力提升的研究多數(shù)集中在理論層面，一般以建議或者意見的形式提出，沒有能夠定量分析提升措施的提升效果。因此，本文引入?yún)f(xié)調(diào)發(fā)展度作為區(qū)域水資源承載狀態(tài)的預(yù)警指標(biāo)，探究承載主體與承載客體的協(xié)調(diào)程度，建立水資源承載狀態(tài)評價指標(biāo)體系，并在此基礎(chǔ)上識別出影響南京市水資源環(huán)境承載能力的主要障礙因素。

1 研究區(qū)概況

南京市位于江蘇省西南部，境內(nèi)湖泊、水庫、河流眾多，水域面積占14.3%。根據(jù)水利普查的初步成果，全市境內(nèi)有河流616條，河流總長度3 373.4 km，河流密度為每10 km298條。其中大江大河干流有4條，大江大河分洪河道6條，大江大河干流(含石臼湖、固城湖)的1級支流河道72條，流域范圍跨鄰省、市河道30條。南京市現(xiàn)有湖泊12個，其中中型湖泊1個，小型湖泊2個，城市湖泊9個。

2 研究方法

2.1 協(xié)調(diào)發(fā)展度計算

2.1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

結(jié)合典型區(qū)實際特征以及現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料，構(gòu)建了基于協(xié)調(diào)發(fā)展度的區(qū)域水資源環(huán)境承載狀態(tài)綜合評價預(yù)警指標(biāo)體系，基于協(xié)調(diào)發(fā)展度的區(qū)域水資源環(huán)境承載狀態(tài)預(yù)警指標(biāo)體系具體如表1。目標(biāo)層為“水資源環(huán)境承載狀態(tài)預(yù)警”，準(zhǔn)則層設(shè)立“承載主體——水資源子系統(tǒng)B1、承載客體——社會經(jīng)濟子系統(tǒng)B2和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)B3”，指標(biāo)層共設(shè)11個指標(biāo)Ci(i=1,2…，11)，指標(biāo)選取全面反映影響區(qū)域水資源環(huán)境承載狀態(tài)的各主要因素。具體選取的指標(biāo)如表1所示。根據(jù)江蘇省典型區(qū)的社會經(jīng)濟、水利相關(guān)規(guī)劃、公報，分別確定各單元各計算水平年指標(biāo)值。

表1 區(qū)域水資源承載狀態(tài)預(yù)警指標(biāo)體系

2.1.2 指標(biāo)歸一化與權(quán)重確定

(1)指標(biāo)歸一化

考慮了不同指標(biāo)類型對水資源環(huán)境承載狀態(tài)的影響的差異，把指標(biāo)分為成本型指標(biāo)(指標(biāo)值越大越好)和收益型指標(biāo)(指標(biāo)值越小越好)，所選評價指標(biāo)因為量綱不同需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[15]。具體歸一化公式如下：

①本型指標(biāo)

(1)

②收益型指標(biāo)

(2)

式中，xij和pij分別為j個標(biāo)準(zhǔn)化方案中第i個指標(biāo)的原始值和標(biāo)準(zhǔn)化值，當(dāng)j=1，…，n時，xij和pij分別為待評價方案的指標(biāo)原始值和標(biāo)準(zhǔn)化值，當(dāng)j=n+1，…，n+(m-1)時，xij和pij分別為各指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)劃分的臨界值及其標(biāo)準(zhǔn)化值；max(xij)和min(xij)分別為s個待標(biāo)準(zhǔn)化方案中第i個指標(biāo)的最大值和最小值。

(2)權(quán)重確定

綜合考慮主觀與客觀賦權(quán)方法對評價結(jié)果的影響，采用組合賦權(quán)法對指標(biāo)體系進(jìn)行賦權(quán)，計算公式如下：

Z=λ*βi+(1-λ)*αi

(3)

式中，Z為組合權(quán)重值，αi為層次分析法得到的權(quán)重，βi為熵權(quán)法得到的權(quán)重，λ為偏好系數(shù)，本文取0.5[16]。

2.1.3 發(fā)展指數(shù)與協(xié)調(diào)度計算

(1)發(fā)展指數(shù)計算

發(fā)展指數(shù)是反映承載主體、承載客體各自發(fā)展情況的定量指標(biāo)，計算具體如下所示：

(4)

(5)

式中，f(x)、g(y)分別為承載主體發(fā)展指數(shù)、承載客體發(fā)展指數(shù)，xi、xj分別為經(jīng)過歸一化后承載主體和承載客體的指標(biāo)值。

(2)協(xié)調(diào)度計算

離差系數(shù)可以反映系統(tǒng)間組合協(xié)調(diào)的數(shù)量程度，還可以表征系統(tǒng)間運動軌跡的相似程度和接近程度。因此，系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)度可用離差系數(shù)進(jìn)行度量，具體如下式所示：

C=(1-C2fg)K

(6)

(7)

式中，C為承載主體和承載客體之間協(xié)調(diào)度；Cfg為離差系數(shù)，Cfg越大，系統(tǒng)間協(xié)調(diào)性越高；K為調(diào)節(jié)系數(shù)，一般取2～5[17]。

為既能承載主體與承載客體之間的協(xié)調(diào)狀況及其發(fā)展水平高低，本文引入?yún)f(xié)調(diào)發(fā)展度的概念。

2.2 承載狀態(tài)預(yù)警指標(biāo)體系評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)協(xié)調(diào)發(fā)展度劃分區(qū)域水資源環(huán)境承載狀態(tài)等級，是進(jìn)行承載狀態(tài)預(yù)警的基礎(chǔ)工作。在實際水資源環(huán)境承載狀態(tài)預(yù)警過程中，參考表2中水資源環(huán)境承載狀態(tài)的評價預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，將標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行歸一化并進(jìn)行協(xié)調(diào)發(fā)展度計算，得出評價標(biāo)準(zhǔn)所代表的承載狀態(tài)區(qū)分界限。

表2 區(qū)域水資源環(huán)境承載狀態(tài)預(yù)警指標(biāo)體系評價標(biāo)準(zhǔn)

2.3 水資源環(huán)境承載狀態(tài)障礙因子分析

為有效提升區(qū)域水資源環(huán)境承載能力，對各項指標(biāo)的障礙作用大小進(jìn)行評估，識別出影響水資源環(huán)境承載能力的主要障礙因素，為此引入指標(biāo)偏離度、因子貢獻(xiàn)度、障礙度的概念。其中，指標(biāo)偏離度Ski是第k分區(qū)第i指標(biāo)與水資源環(huán)境承載狀態(tài)目標(biāo)的差距，計算公式如下：

Ski=1-xi

(8)

因子貢獻(xiàn)度Ti是單項指標(biāo)對總體目標(biāo)的影響程度，計算公式如下：

Ti=wi

(9)

障礙度Pki是第k分區(qū)第i指標(biāo)對水資源環(huán)境承載狀態(tài)的影響度，計算公式如下：

(10)

計算單項指標(biāo)的障礙度，找出主要障礙因素，按障礙度大小進(jìn)行排序，各分區(qū)選出占主導(dǎo)地位的多個指標(biāo)作為水資源環(huán)境承載力的障礙因素，為后續(xù)提升措施的提出提供可靠的依據(jù)[18]。

3 結(jié)果與分析

3.1 指標(biāo)值確定

通過上述計算所得指標(biāo)值見表3。

表3 指標(biāo)值確定

3.2 歸一化

2015—2035年南京市各評價單元評價指標(biāo)值見表4。

表4 2015—2035年南京市各評價單元評價指標(biāo)值

(續(xù)表4)

3.3 權(quán)重確定

根據(jù)南京市水資源、社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，采用組合賦權(quán)法，分別確定評價指標(biāo)體系中11個指標(biāo)權(quán)重。將層次分析法權(quán)重與熵權(quán)法權(quán)重進(jìn)行組合，計算得出南京市水資源環(huán)境承載狀態(tài)評價指標(biāo)體系各評價指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表5所示。

表5 南京市各指標(biāo)相對目標(biāo)層綜合權(quán)重

根據(jù)協(xié)調(diào)發(fā)展度計算結(jié)果顯示，“差”標(biāo)準(zhǔn)與“中”標(biāo)準(zhǔn)臨界值所對應(yīng)協(xié)調(diào)發(fā)展度值D為0.669，“中”標(biāo)準(zhǔn)與“好”標(biāo)準(zhǔn)臨界值所對應(yīng)協(xié)調(diào)發(fā)展度值D為0.840。具體劃分標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。

表6 水資源環(huán)境承載狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)

由水資源環(huán)境承載狀態(tài)計算方法，計算得到2020、2025及2030年南京市各單元協(xié)調(diào)發(fā)展度D如表7示。

表7 2015—2035年南京市協(xié)調(diào)發(fā)展度計算結(jié)果

3.4 南京市承載狀態(tài)評價

根據(jù)上述計算，南京市2020、2025、2030年水資源環(huán)境承載狀態(tài)評價結(jié)果詳見表8。由表8可知，2020年南京市各分區(qū)水資源環(huán)境承載狀態(tài)評價結(jié)果均為“中”狀態(tài)和“好”狀態(tài)；2025年南京市各分區(qū)水資源環(huán)境承載狀態(tài)評價結(jié)果依然均為“中”狀態(tài)以上，除浦口、溧水水資源環(huán)境承載狀態(tài)為“好”外，其余各區(qū)以及全市綜合評價結(jié)果均為“中”狀態(tài)；2030年南京市全市各分區(qū)水資源環(huán)境承載狀態(tài)評價結(jié)果均為“中”狀態(tài)及以上，其中浦口、六合評價結(jié)果為“好”。從時間角度看，南京市各分區(qū)水資源環(huán)境承載狀態(tài)隨著時間發(fā)展，均有不同程度的好轉(zhuǎn)趨勢。浦口區(qū)和溧水區(qū)在各計算水平年中均為評價結(jié)果較好的分區(qū)，市區(qū)、高淳水資源環(huán)境承載狀態(tài)在各水平年中得分均為各分區(qū)中較差，面臨較嚴(yán)峻的水資源環(huán)境承載情勢。

表8 南京市水資源承載狀態(tài)評價結(jié)果

3.5 障礙因子診斷

對各項指標(biāo)的障礙作用大小進(jìn)行評估，識別出影響南京市水資源環(huán)境承載能力的主要障礙因素，有助于提升南京市水資源承載能力。本研究基于障礙因子診斷模型，得到了南京市2020、2025、2030年3個水平年的水資源環(huán)境承載能力障礙因子診斷結(jié)果，基于障礙度排序，找出影響南京市水資源承載力的主要障礙因子，列出排名前5的指標(biāo)因子見表9，可知2020—2030年，水資源子系統(tǒng)的障礙度顯著增加，從2020年的29.47%增加到2030年的57.03%，成為影響南京市水資源承載力的首要因素；社會經(jīng)濟子系統(tǒng)則由2020年的29.47%減至2030年的23.82%，其原因主要是由于用水效率提高，從而社會經(jīng)濟子系統(tǒng)呈現(xiàn)下降的趨勢。對于生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)而言，2020年生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)為39.07%，為影響南京市水資源承載力的首要因素，在2025與2030年分別降至29.23%和15.58%，且在2025與2030年障礙度排序均為第三。

表9 影響南京市水資源承載力排名前5的障礙因子

2020年與2025年影響水資源承載力的首要障礙因子均為COD入河量超限比(C3)和人口密度(C8)，其次為植被覆蓋度(C11)。2030年影響水資源承載力的為COD入河量超限比(C3)、氨氮入河量超限比(C4)和人口密度(C8)均為主要的障礙因子，都為23.82%，2030年C3指標(biāo)的障礙度降低，但是區(qū)域排污與水環(huán)境容量關(guān)系指標(biāo)(即C3與C4)整體比重升高。通過2020、2025、2030年的障礙因子診斷結(jié)果可知，影響南京市的水資源承載力障礙度最大的因素為區(qū)域排污與水環(huán)境容量關(guān)系指標(biāo)(即C3與C4)，因此應(yīng)積極整治水環(huán)境，加強水環(huán)境修復(fù)與保護。其次為區(qū)域社會規(guī)模指標(biāo)(即C8)，隨著人口密度增大，單位面積水資源量降低，應(yīng)注重水資源的優(yōu)化配置，豐富水資源可利用量。

各子系統(tǒng)障礙度的變化趨勢見圖1。

圖1 2020—2030年南京市各評價單元障礙度計算結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)2020年南京市各分區(qū)水資源環(huán)境承載狀態(tài)評價結(jié)果均為“中”狀態(tài)和“好”狀態(tài)，2025年南京市各分區(qū)水資源環(huán)境承載狀態(tài)評價結(jié)果均為“中”狀態(tài)以上，2030年南京市全市各分區(qū)水資源環(huán)境承載狀態(tài)評價結(jié)果均為“中”狀態(tài)及以上。南京市各分區(qū)水資源環(huán)境承載狀態(tài)隨著時間發(fā)展，均有不同程度的好轉(zhuǎn)趨勢。

(2)影響南京市的水資源承載力障礙度最大的因素為區(qū)域排污與水環(huán)境容量關(guān)系指標(biāo)，因此應(yīng)積極整治水環(huán)境，加強水環(huán)境修復(fù)與保護；其次為區(qū)域社會規(guī)模指標(biāo)，隨著人口密度增大，單位面積水資源量降低，應(yīng)注重水資源的優(yōu)化配置，豐富水資源可利用量。