山東省濱州市水資源承載力綜合評價

張玉冰 張錦水

(1.國家統(tǒng)計局濱州調(diào)查隊，山東 濱州 256600；2.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875)

濱州市是山東省的北大門，區(qū)位優(yōu)勢明顯，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)良好。近年來，濱州市水資源供需矛盾問題日益突出，數(shù)據(jù)顯示：濱州市年均水資源總量30.68億m3，人均水資源占有量僅258m3，為全省人均水資源占有量的77.2%，為全國人均水資源占有量的12.3%，僅為世界人均水資源占有量的3.4%，屬缺水性城市。水資源總量不足、浪費嚴重、環(huán)境惡化、調(diào)蓄能力和抗洪澇災(zāi)害能力差等問題，與社會經(jīng)濟發(fā)展的客觀需要相矛盾。為實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，開展水資源承載力的評價，具有緊迫的現(xiàn)實應(yīng)用價值[1]。

有關(guān)水資源承載力的研究，在20世紀70年代就已經(jīng)出現(xiàn)。1975年，Ayoade[2]對尼日利亞的地表和地下水資源進行了初步評估，發(fā)現(xiàn)氣象、水文和水文地質(zhì)等因素對水資源分布的大小和空間格局起到?jīng)Q定性影響；1998年，F(xiàn)alkenmark et al.[3]討論了水資源短缺的不同評估方法所造成的誤差、缺水情況的空間區(qū)域分布等問題，對水資源承載力指標進行了確認；2014年，Meriem et al.[4]對阿爾及利亞地區(qū)進行了水資源承載力評估，并將評估結(jié)果用于政府水資源戰(zhàn)略布局，為當?shù)厮Y源可持續(xù)發(fā)展提供指導(dǎo)。國外關(guān)于水資源承載力的專門性研究較少，多是在資源可持續(xù)利用的范疇內(nèi)開展的，通過水資源的緊缺程度和自然極限來反映其承載力。

國內(nèi)關(guān)于水資源承載力的研究起步相對較晚，20世紀80年代，以施雅風(fēng)[5]為代表的中國科學(xué)院水資源新疆課題組，率先提出水資源承載力是水資源可開發(fā)利用量在滿足維護生態(tài)環(huán)境用水后所能支撐的工農(nóng)業(yè)最大產(chǎn)值和人口數(shù)量的觀點。隨后，國內(nèi)有關(guān)水資源承載力的研究大量出現(xiàn)，以某個城市或特定區(qū)域、流域的研究居多，能夠綜合分析多重影響因素，量化指標體系逐漸系統(tǒng)完整，在完善水資源承載力概念、創(chuàng)新研究技術(shù)方法、推動水資源可持續(xù)利用上取得了顯著成績。趙強[6]基于模糊綜合評判的方法，對水資源承載力的各個影響因素進行單因素評價，并在此基礎(chǔ)上，確定評價集合、評價權(quán)重，繼而通過評判矩陣，完成了山東省水資源承載力的研究，認為水資源承載力主要受人均水資源量、人口密度、耕地灌溉率等13個因素影響，發(fā)現(xiàn)山東省水資源承載力水平總體偏弱且年度間變化大；朱照宇[7]以珠江三角洲經(jīng)濟區(qū)為研究對象，采用系統(tǒng)動力學(xué)模型，通過建立DYNAMO模型，利用計算機仿真功能，對各市水資源承載力進行了研究，發(fā)現(xiàn)政府決策、水利工程等對水資源承載力水平起到了決定性作用，且認為水資源承載力是可控可調(diào)的；朱一中[8]在張掖地區(qū)水資源承載力多目標情景決策中，通過系統(tǒng)分析和動態(tài)分析方法，探索多目標的整體最優(yōu)，使用的是多目標決策分析法，實現(xiàn)了對水資源承載力動態(tài)變化過程的預(yù)測；左其亭等[9]采用層次分析法和熵權(quán)法組合賦權(quán)的TOPSIS模型對我國九省區(qū)水資源承載力進行了評價，指出了產(chǎn)水模數(shù)、供水模數(shù)、萬元GDP用水量等影響水資源承載力的7大主要障礙因子；韓偉[10]在分析熵權(quán)法和正太云模型理論的基礎(chǔ)上，從水資源調(diào)控力、客體壓力和主體支撐力的角度，運用模型實現(xiàn)了水資源承載力的評估；石汝杰[11]基于三角白化權(quán)函數(shù)，實現(xiàn)了對重慶市水資源承載力的灰色聚類評價；肖杰等[12]運用主成分分析法，將影響水資源承載力的多個變量，轉(zhuǎn)化成少數(shù)綜合指標，以此反映水資源的承載能力；易柏生等[13]根據(jù)漳河流域自然情況，利用氣候生產(chǎn)潛力、水資源負載指數(shù)等模型，實現(xiàn)了對水資源承載指數(shù)和水資源負載指數(shù)的分析；蘇宗奎[14]運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，將水資源承載力的評價指標和對應(yīng)的級別作為訓(xùn)練的樣本，歸納得出水資源承載力評價指標和評價等級的非線性關(guān)系，利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)了江西省水資源承載力的評價；卞海彬[15]應(yīng)用回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GRNN)模型構(gòu)建評價模型，對滄州市水資源承載力進行了評價，并通過對比模糊綜合評價結(jié)果驗證了回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準確性和可適用性。

本文立足濱州市水資源供需實際情況，建立濱州市水資源承載力綜合評價體系，利用SPA-VFS(Set Pair Analysis based Variable Fuzzy Set)模型對濱州市水資源承載力進行定量評價，為掌握濱州市水資源承載力現(xiàn)狀提供了科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

濱州市位于山東省北部，黃河下游魯北平原，南北最大跨徑175km，東西最大跨徑120km，總面積94.53萬km2，約占山東省總面積的16%。年平均氣溫14.3℃，年平均降水量587.6mm，年平均日照時數(shù)2632h。

濱州市水資源由本地水資源和客水資源兩部分組成。濱州市多年平均水資源總量30.68億m3，多年平均當?shù)厮Y源量10.16億m3，多年平均客水資源量20.52億m3。其中，當?shù)厮Y源多年平均徑流量為5.55億m3，多年平均地下水資源量為6.53億m3。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，城市對水資源的需求保持在較高水平。以2015年為例，全市總用水量15.41億m3，其中農(nóng)業(yè)灌溉用水10.78億m3，占總用水量69.95%；林牧漁畜用水2.07億m3，占13.43%；工業(yè)用水0.98億m3，占6.36%；城鎮(zhèn)公共用水量0.1億m3，占0.65%；城鎮(zhèn)及農(nóng)村居民生活用水1.04億m3，占6.75%；生態(tài)環(huán)境用水0.42億m3，占2.73%，其他用水量0.02億m3，占0.13%。

濱州市水資源總量匱乏，年度間差異較大，2007—2017年，全市最大年降水量為816.0mm，最小年降水量僅為331.4mm，最大年降水量比最小年降水量多146.2%。黃河作為濱州主要的客水，年度供給不均，含沙量大，且天然徑流呈明顯減少趨勢。與此同時，存在水資源分布不均衡現(xiàn)象。全市地下水和地表水，黃河以南普遍多于黃河以北，地區(qū)間水資源量的不平衡比較明顯。水資源利用方面存在以下問題：一是水質(zhì)污染嚴重，地表水普遍受到污染，污染程度以輕度污染為主；二是地下水超采現(xiàn)象普遍存在，直接造成了地下水位的下降，致使上部含水層稀疏干涸，減少了含水層的有效利用厚度；三是地表水開發(fā)利用率低，水資源調(diào)控能力不足，管理水平相對較低，甚至一些地區(qū)出現(xiàn)由于盲目擴大種植規(guī)模而造成部分中小河流斷流的現(xiàn)象，同時在生產(chǎn)和生活領(lǐng)域存在著嚴重浪費問題；四是水環(huán)境質(zhì)量改善難度較大。濱州地處沿海，鹽堿澇洼，轄區(qū)河流內(nèi)大多為經(jīng)處理后的再生水，地表徑流補充少，水質(zhì)持續(xù)改善難度大。同時，地方環(huán)保投入不足，治污資金短缺，環(huán)境治理明顯滯后于經(jīng)濟發(fā)展。

2 指標體系與數(shù)據(jù)來源

2.1 指標體系

從承載媒介和被承載對象的角度，將水資源承載力分為供給能力和消耗能力兩個方面，構(gòu)建起水資源承載力綜合評價指標體系。第一層為目標層，即建立指標體系的目標，內(nèi)容為水資源承載力。第二層為能力層，依據(jù)水資源承載力的定義，劃分為水資源供給能力和水資源消耗能力。第三層為系統(tǒng)層，是對能力層的具體劃分，是能力層的實現(xiàn)載體，分為水資源系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、社會系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)4個子系統(tǒng)。第四層為特性層，是系統(tǒng)層對能力層實現(xiàn)的具體特性，如水資源系統(tǒng)，主要受水資源數(shù)量和質(zhì)量兩個方面影響。第五層為指標層，依據(jù)特性層選取能夠體現(xiàn)該特性的指標，如年降水量是影響水資源數(shù)量的重要因素，故將其作為體現(xiàn)水資源數(shù)量的具體指標。

根據(jù)濱州市水資源總量不足、分布不均等區(qū)域特性和天然稟賦，結(jié)合經(jīng)濟社會發(fā)展形勢、生態(tài)環(huán)境整體情況、水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀等，充分遵照科學(xué)性、整體性、動態(tài)性與靜態(tài)性相結(jié)合，定性與定量相結(jié)合，可比性、可行性的指標選取原則，最終選取了25個指標對濱州市水資源承載力進行評價。具體見表1。

表1 水資源承載力評價指標

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究數(shù)據(jù)主要來源于《濱州市水資源公報》《濱州市統(tǒng)計年鑒》《濱州市環(huán)境質(zhì)量報告書》、濱州市統(tǒng)計信息網(wǎng)等符合公開規(guī)定的統(tǒng)計信息資料。所用研究數(shù)據(jù)來源詳見表2。

表2 研究數(shù)據(jù)情況匯總

3 基于SPA-VFS模型的水資源承載力評價

水資源承載力影響因素較多，而且其本身就是在發(fā)展變化中的，對水資源承載力進行的評價難以具體化，標準具有一定模糊性。SPA(Set Pair Analysis)即集對分析方法，該方法體現(xiàn)了一種對立統(tǒng)一的思想，可以建立兩個集對間的同質(zhì)性聯(lián)系，能夠充分考慮指標值和標準值的關(guān)系，同時通過聯(lián)系度進行定量反映，進而建立起較好的聯(lián)系。VFS(Variable Fuzzy Set)即可變模糊集，這種方法選取評價目標的具體內(nèi)容為評價指標，基于對評價指標等級的劃分，利用隸屬度函數(shù)，從多個指標對待評價事物隸屬等級情況開展綜合性評判，評價的合理性和科學(xué)性大大提高。本研究將兩者進行結(jié)合，采用SPA-VFS模型(集對分析-可變模糊集耦合)模型對水資源承載力進行評價。余灝哲[16]利用SPA耦合模型，實現(xiàn)了對山東省水資源承載力的研究。具體過程見圖1。

圖1 SPA-VFS評價流程

考慮到25項指標的數(shù)據(jù)特點，本研究將濱州市水資源承載力分為Ⅰ級(完全承載)、Ⅱ級(基本承載)、Ⅲ級(略有超載)、Ⅴ級(超載)4個等級。利用集對分析方法，將各項評價指標分級的臨界值組成數(shù)據(jù)序列，代入SPA-VFS評價模型，經(jīng)計算可得水資源承載力分級之間的限值。具體分級標準見表3。

表3 水資源承載力分級標準

借助SPA-VFS評價模型，計算2007—2017年水資源承載力評價結(jié)果，公式為

(1)

表4 2007—2017年濱州市水資源承載力評價結(jié)果

續(xù)表

從評價結(jié)果可知：2007—2017年，濱州市水資源承載力綜合得分曲線窄幅震蕩。11年間，共有7年水資源承載力等級為Ⅱ級，屬于基本承載年份，分別為2007—2010年、2012年、2013年和2017年；共有4年水資源承載力等級為Ⅲ級，屬于略有超載年份，分別為2011年、2014—2016年；無Ⅰ級完全承載和Ⅴ級超載年份。水資源承載力趨勢線向下，主要是在水資源供給和科技發(fā)展水平未發(fā)生大的變化的前提下，城市快速發(fā)展導(dǎo)致的水資源消耗增大。近年來，水資源承載力得分多數(shù)在趨勢線以下，說明濱州市水資源承載力仍面臨較大壓力?？傮w上看，盡管水資源承載力趨勢下行，但下行速度相對較緩，整體仍保持相對穩(wěn)定。

由圖3可知：濱州市水資源供給能力基本能夠滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需要，11年間，有8年呈基本承載狀態(tài)。但年度波動較大，這與濱州市降水量年度變化大等特點有關(guān)，年降水量對水資源承載力產(chǎn)生重要影響，如2011年、2014年為枯水年，全市年降水量、水資源總量等指標遠低于多年平均值，水資源供給能力的下降，直接拉低了水資源承載力的綜合得分，導(dǎo)致這兩年水資源承載力呈現(xiàn)略有超載狀態(tài)。

圖3 2007—2017年水資源供給能力得分趨勢

值得注意的是，2017年水資源供給能力再次出現(xiàn)略有超載現(xiàn)象。2017年，濱州市狠抓中央環(huán)保督察反饋問題整改工作，加大河流斷面監(jiān)控，保障水質(zhì)穩(wěn)定達標，市控重點河流化學(xué)需氧量(COD)平均濃度為27.71mg/L，比2016年下降4.35mg/L，氨氮(NH3-N)平均濃度1.01mg/L，比2016年下降0.74mg/L，全市水資源質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)。但是，水資源總量、地表水資源量等反映水資源數(shù)量的指標出現(xiàn)了一定幅度的下降。經(jīng)綜合分析，水資源供給能力對水資源數(shù)量的敏感程度要高于水資源質(zhì)量。

圖4顯示濱州市水資源消耗能力曲線相對平緩，波動幅度不大，且與綜合得分曲線的變化趨勢表現(xiàn)出較強的一致性。不難發(fā)現(xiàn)，除2012年外，水資源消耗能力等級與水資源承載力整體等級保持一致?？梢姡Y源承載力與水資源消耗能力關(guān)系密切。水資源消耗能力受生態(tài)、社會、經(jīng)濟3個子系統(tǒng)綜合影響，具體情況如下：

圖4 2007—2017年水資源消耗能力及分系統(tǒng)得分趨勢

a.生態(tài)系統(tǒng)與水資源承載力關(guān)系密切，近年呈快速上漲態(tài)勢。生態(tài)系統(tǒng)指標中的“當年完成環(huán)保驗收項目環(huán)?？偼顿Y占GDP比重”的權(quán)重為0.14，在指標體系中最高，對水資源承載力影響較大。2014以來，濱州市環(huán)保項目、環(huán)保投資大幅增長，重點流域和區(qū)域性水污染防治取得實質(zhì)效果。受“雙控行動”影響，濱州市水資源消耗總量和消耗強度減小，各行各業(yè)節(jié)約用水力度持續(xù)加強，用水效益大幅提高，水資源消耗穩(wěn)定在合理區(qū)間，水資源承載力已初現(xiàn)緩慢上升態(tài)勢。2017年完成環(huán)保驗收項目環(huán)?？偼顿Y84.87億元，占GDP比重為3.3%，比2016年增長了2.83%；每平方公里工業(yè)廢水排放量1.89萬t，比2016年下降10.7%；每平方公里工業(yè)廢水中COD排放量0.88t，比2016年下降15.4%。水生態(tài)環(huán)境狀況改善，壓力減小，使2017年生態(tài)系統(tǒng)得分較2016年出現(xiàn)大幅度增長。

b.社會系統(tǒng)綜合得分曲線一路下行，形勢不容樂觀。近年來，濱州市人口不斷增加，人口密度保持持續(xù)增長態(tài)勢。城鎮(zhèn)化率快速提高，2017年常住人口城鎮(zhèn)化率為58.6%，比2007年高出23.23%。對水資源的消耗總量日益加大，一定程度上拉低了水資源消耗能力綜合得分，進而對水資源承載力產(chǎn)生負面影響。2007—2012年，社會系統(tǒng)得分等級為Ⅱ級，處于基本承載狀態(tài)。2013—2016年，城市快速發(fā)展，人均居民家庭用水量、人均城鎮(zhèn)全年用水總量等指標持續(xù)增長，使得水資源承載力出現(xiàn)略有超載現(xiàn)象。2017年，濱州市人口密度、常住人口城鎮(zhèn)化率、人均居民家庭用水量、人均城鎮(zhèn)全年用水總量等指標較2016年出現(xiàn)大幅增長，且達到近年來新高，水資源承載力首次出現(xiàn)了超載現(xiàn)象。社會系統(tǒng)得分表現(xiàn)出明顯的加速下降之勢，對水資源承載力影響較大，形勢不容樂觀，亟待引起關(guān)注。

c.經(jīng)濟系統(tǒng)綜合得分曲線始終保持正斜率，增長趨勢明顯。近十年來，濱州市經(jīng)濟結(jié)構(gòu)日趨合理，第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占GDP比重逐年增長，由2007年的29.48%增長到2017年的44.2%。隨著技術(shù)手段的不斷更新和企業(yè)生產(chǎn)節(jié)水意識的增強，濱州市億元工業(yè)總產(chǎn)值規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)取水量呈現(xiàn)明顯下降趨勢。2012年，濱州市經(jīng)濟系統(tǒng)得分等級由Ⅲ級升為Ⅱ級，即由略有超載轉(zhuǎn)為基本承載狀態(tài)，且一直保持向好趨勢。由于經(jīng)濟發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變和結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化，經(jīng)濟發(fā)展狀況明顯改觀，經(jīng)濟用水壓力有所緩解，這對于提高水資源承載力產(chǎn)生了積極作用。

4 結(jié)論與思考

濱州市地表水徑流量年際變化大，利用率較低；大面積地下水為咸水區(qū)，不能飲用和灌溉；降水主要集中在汛期，年內(nèi)分配不均勻；工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水對引黃客水依賴性較大[17]?？梢?，濱州市水資源現(xiàn)狀不容樂觀，進行水資源承載力研究迫在眉睫。本文運用SPA-VFS模型完成了對濱州市2007—2017年水資源承載力的評價，為當前和未來濱州市水資源規(guī)劃管理提供了科學(xué)參考。

研究表明：2007—2017年，濱州市水資源承載力綜合得分曲線窄幅震蕩，2007—2010年、2012年、2013年和2017年水資源承載力等級為Ⅱ級(基本承載)，2011年、2014—2016年水資源承載力等級為Ⅲ級(略有超載)，無Ⅰ級(完全承載)和Ⅴ級(超載)情況。在水資源供給和科技發(fā)展水平未發(fā)生大的變化的前提下，城市快速發(fā)展導(dǎo)致水資源消耗的增大，造成水資源承載力趨勢線已向下。但總體看下行速度較緩，說明水資源承載力整體保持相對穩(wěn)定。從評價結(jié)果看，降水量、COD平均濃度、人口密度、城市建成區(qū)面積、環(huán)保投資等是影響水資源承載力的主要因素。

本研究從自然、社會、經(jīng)濟、生態(tài)4個方面深入分析，提出了提高水資源承載力的方法和對策。

a.努力彌補資源稟賦不足。從數(shù)量入手，推進海綿城市建設(shè)，下雨時做好吸水、蓄水、滲水等工作，統(tǒng)籌用好自然降水、地表水以及地下水，協(xié)調(diào)給水、排水等各個環(huán)節(jié)。從質(zhì)量發(fā)力，重點監(jiān)測重點河流化學(xué)需氧量(COD)濃度和氨氮(NH3-N)濃度，嚴厲查處影響水源水質(zhì)安全的環(huán)境違法行為。

b.重點發(fā)揮人的關(guān)鍵力量。進一步穩(wěn)定人口總量，提高人口素質(zhì)，使得人口的增長速度和整體素質(zhì)與水資源的承載力相適應(yīng)。合理限制城市擴張速度和規(guī)模，用實際行動有效控制居民家庭用水量和城鎮(zhèn)供水量，減少社會耗水，降低社會因素對水資源承載力的負面影響。

c.不斷優(yōu)化經(jīng)濟發(fā)展結(jié)構(gòu)。加快新舊動能轉(zhuǎn)換，增加第三產(chǎn)業(yè)比重，減少水資源消耗，如降低億元工業(yè)總產(chǎn)值規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)取水量，保障水資源對經(jīng)濟社會發(fā)展的承載能力。加快開發(fā)新能源，出臺鼓勵政策引導(dǎo)人們使用清潔能源，間接地減少水資源的消耗量。

d.加強水資源的科學(xué)管理。合理增加環(huán)?？偼顿Y在GDP中的比重，積極改善生態(tài)環(huán)境狀況，為提升水資源承載力提供支撐。重視生態(tài)系統(tǒng)對水資源消耗能力的影響作用，用最嚴格的制度保護生態(tài)環(huán)境，用最嚴密的法治保護生態(tài)環(huán)境，以此提升水資源承載力。