快速城市化地區(qū)典型村鎮(zhèn)水資源承載力及影響因素研究

張澤毅，劉臣煒，高 成②，丁華凱

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學研究所，江蘇 南京 210042；3.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

快速城市化是我國東部發(fā)達地區(qū)村鎮(zhèn)發(fā)展的重要特征，主要表現(xiàn)為鄉(xiāng)村人口向鎮(zhèn)區(qū)集聚，農(nóng)村經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，建成區(qū)面積擴張帶來用地性質(zhì)改變，農(nóng)村生活方式轉(zhuǎn)變與基礎設施逐步完善等。城市化也包括城市的進一步社會化和資源的集約化，是一個復雜的空間形態(tài)變化和社會、經(jīng)濟發(fā)展過程[1]。水資源作為基礎性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源，在村鎮(zhèn)建設進程中有著舉足輕重的作用[2]。用水結(jié)構(gòu)不合理、水資源利用效率不高、污水處置水平滯后、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活方式粗放等問題導致村鎮(zhèn)發(fā)展受到水資源承載力制約。鄉(xiāng)村振興要走高質(zhì)量發(fā)展之路，必須堅持資源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展理念，提出水資源及水環(huán)境承載力約束性指標，科學評價水資源承載能力，保障村鎮(zhèn)建設水資源可持續(xù)利用和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

水資源承載力概念最早由新疆水資源軟科學課題組[3]提出，至今已有大量研究[3-6]給出水資源承載力的定義，具體可概括為在維系良好的生態(tài)環(huán)境前提下，利用水資源、其他資源和相關(guān)技術(shù)的條件下所能維持的最大人口規(guī)模以及對人類經(jīng)濟社會活動的最大支撐能力，盡管概念表現(xiàn)形式及側(cè)重點不同，但都體現(xiàn)了最大支撐能力的概念。同樣，水資源對村鎮(zhèn)建設的承載能力不是無限的，只有經(jīng)濟社會活動產(chǎn)生影響小于其自身承受能力時，村鎮(zhèn)發(fā)展才符合綠色可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展要求?！按彐?zhèn)水資源承載力”指在一定自然條件和快速城市化的社會經(jīng)濟發(fā)展背景下，水資源對村鎮(zhèn)經(jīng)濟社會發(fā)展和人們生活需求的最大支撐能力[3-6]。城市化背景下水資源承載力研究大多基于國家[5]、區(qū)域[7-8]、城市等較大尺度，劉潔等[9]從省級角度出發(fā)，對江蘇省城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源開發(fā)利用的關(guān)系進行研究；熊鷹等[10]和李靜芝[11]從城市群角度出發(fā)，分別對長株潭城市群和洞庭湖區(qū)3市構(gòu)建城鎮(zhèn)化綜合發(fā)展水平和水資源開發(fā)利用綜合潛力評價指標體系以及響應關(guān)系模型；張愛國等[12]、李如意等[13]和楊海燕等[14]從城市角度出發(fā)，構(gòu)建天津市、濟寧市和濰坊市水資源承載力狀態(tài)評價模型；盧青等[15]以湖北省團風縣為例，構(gòu)建了基于多資源環(huán)境系統(tǒng)的區(qū)域環(huán)境承載力評價體系。目前鮮有村鎮(zhèn)尺度水資源承載力研究，隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的深入實施，村鎮(zhèn)水資源承載力研究受到更多學者關(guān)注，如段學軍等[16]采用“短板原理”構(gòu)建了村鎮(zhèn)建設資源環(huán)境承載測算體系，王肖波[17]在村鎮(zhèn)尺度構(gòu)建張掖市甘州區(qū)村鎮(zhèn)水資源承載力評價指標集，從生產(chǎn)、生活和生態(tài)3個方面評價村鎮(zhèn)水資源承載力。

該文以南京市江寧區(qū)江寧街道為研究區(qū)，分析村鎮(zhèn)城市化進程中社會經(jīng)濟發(fā)展與水資源、水環(huán)境之間的制約關(guān)系，構(gòu)建研究區(qū)域水資源承載力評價指標初集。利用主、客觀賦權(quán)法相結(jié)合的組合賦權(quán)法識別村鎮(zhèn)水資源承載力關(guān)鍵指標，構(gòu)建評估指標體系，并采用主成分分析法(PCA)開展典型村鎮(zhèn)水資源承載力評價，為同類村鎮(zhèn)建設水資源承載力問題提供參考。

1 研究區(qū)概況

江寧街道位于南京市江寧區(qū)西南(圖1)，地處蘇皖交界，北靠南京主城，西臨長江，南接馬鞍山。街道總面積為262.22 km2，轄22個村社區(qū)，總?cè)丝诩s9.4萬，區(qū)域內(nèi)有牛首山-云臺山生態(tài)綠楔，擁有大量農(nóng)業(yè)用地和眾多湖泊魚塘，形成水田阡陌、河網(wǎng)交織的生態(tài)格局，生態(tài)環(huán)境優(yōu)越，是蘇皖沿江城市帶重要節(jié)點和南京市城鄉(xiāng)統(tǒng)籌示范區(qū)。街道西側(cè)的長江自西南向東北流動，江岸線長19.2 km，轄區(qū)內(nèi)水系主要有江寧河、牧龍河、銅井河等，均為通江水系。

街道自2005年設立以來，緊抓南京沿江發(fā)展主軸向南延伸機遇，經(jīng)濟快速發(fā)展，人口持續(xù)增加，城市化進程具有“起點低、速度快”的顯著特征。研究區(qū)水資源承載力面臨的主要問題包括：(1)水質(zhì)型缺水特征明顯，生產(chǎn)、生活污水處置及生態(tài)建設水平滯后于經(jīng)濟社會發(fā)展，出現(xiàn)水功能區(qū)斷面水質(zhì)不能穩(wěn)定達標情況；(2)水資源利用效率仍需提高，具體表現(xiàn)為萬元工業(yè)增加值耗水量偏高，工業(yè)用水重復利用率低，農(nóng)業(yè)節(jié)水型載體建設不足；(3)水量總體充沛，但人口密度大、產(chǎn)業(yè)發(fā)達，用水需求的不斷提高加大了水資源供給壓力，亦存在枯水期生態(tài)流量不足等問題。

2 研究方法

2.1 村鎮(zhèn)水資源承載力指標體系構(gòu)建方法

采用主客觀相結(jié)合的組合賦權(quán)法對村鎮(zhèn)水資源承載力主要影響指標進行識別，構(gòu)建村鎮(zhèn)水資源承載力指標體系，其中主觀賦權(quán)采用基于指數(shù)標度的層次分析法(AHP)，客觀賦權(quán)采用改進的熵權(quán)法。

2.1.1基于指數(shù)標度的層次分析法

層次分析法是計算指標權(quán)重的主觀賦權(quán)法，是一種定性與定量相結(jié)合，系統(tǒng)化、層次化的分析方法[18]?；谥笖?shù)標度的AHP法在原有方法基礎上進行改良，使用指數(shù)標度構(gòu)建指標兩兩判斷矩陣。指數(shù)標度具有良好的有界封閉性、自治性和一致性容量，在一定程度上解決了傳統(tǒng)層次分析法存在的一致矩陣構(gòu)造能力弱、標度值與排序方法不一致等問題，具有一定優(yōu)越性[19-20]。具體步驟如下：

(1)依據(jù)指數(shù)標度，構(gòu)造評定指標判斷矩陣K=(uij)n×n，其中，uij為評定指標i與指標j的重要性關(guān)系標度值，賦值見表1；n為評定指標個數(shù)。

表1 判斷矩陣標度

(2)計算得到判斷矩陣K的最大特征值λmax，通過計算一致性指標CI對其進行隨機一致性檢驗，如能滿足要求，進行下一步計算。否則，調(diào)整判斷矩陣K，直到λmax滿足要求為止。一致性指標計算公式為

(1)

式(1)中，IC為一致性指標；n為判斷矩陣的階數(shù)；λmax為判斷矩陣最大特征值。

隨機一致性檢驗指標RI值只與指數(shù)標度階數(shù)有關(guān)，指數(shù)標度階數(shù)分別為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11和12時，RI值分別為0、0、0.36、0.58、0.72、0.82、0.88、0.93、0.97、0.99、0.101和0.103。根據(jù)指數(shù)標度階數(shù)，對RI進行取值，并計算一致性比例，其計算公式為

(2)

式(2)中，RC為一致性比例；IC為一致性指標；IR為一致性檢驗指標。當RC值<0.1時，認為該判斷矩陣的一致性符合需求；反之，調(diào)整判斷矩陣。

(3)計算得到λmax對應的特征向量W，并進行歸一化處理，得到評定指標權(quán)重系數(shù)ωi。

2.1.2改進的熵權(quán)法

熵權(quán)法是計算指標權(quán)重的一種客觀賦權(quán)法，其基本思路為根據(jù)指標變異性大小來確定客觀權(quán)重。與傳統(tǒng)熵權(quán)法相比，改進的熵權(quán)法在賦予熵權(quán)值差異很小的指標權(quán)重時，比值w1/w2的變化幅度也很小，權(quán)重分配更為合理[21]。計算方法如下：

(1)數(shù)據(jù)標準化

因各指標量綱、量級不一致，需先對各指標數(shù)據(jù)進行標準化處理。對給定的第i年j指標值(Xij)進行標準化處理，各指標標準化數(shù)值Yij計算公式為

(3)

(2)計算各指標信息熵

根據(jù)信息熵定義，一組數(shù)據(jù)的信息熵(Ei)計算公式為

(4)

(5)

式(4)～(5)中，pij為第i年指標j數(shù)值占該指標總數(shù)值的比例。

(3)確定各指標權(quán)重

由信息熵計算得到各指標權(quán)重，其公式為

(6)

2.1.3組合賦權(quán)法

將基于指數(shù)標度的AHP法與改進的熵值法結(jié)合起來，得到主客觀組合賦權(quán)模型[22]，其表達式為

(7)

式(7)中，[I1，I2，…，In]為水資源承載力系統(tǒng)的n項評價指標；A表示AHP法；E表示熵權(quán)法；R為主客觀賦權(quán)方法之間的聯(lián)系，即主、客觀賦權(quán)的組合表示；[w1，w2，…，wn]為水資源承載力系統(tǒng)中各指標組合權(quán)重值。

根據(jù)加法集成法，結(jié)合基于指數(shù)標度的AHP法與改進的熵權(quán)法，構(gòu)建指標組合權(quán)重向量W：

W=αWS+βWO。

(8)

式(8)中，α、β分別為主、客觀權(quán)重向量的待定系數(shù)，采用差異系數(shù)法進行計算得到；WS為AHP法得到的主觀權(quán)重向量；WO為熵值法確定的客觀權(quán)重向量。

2.2 村鎮(zhèn)水資源承載力評價方法

主成分分析法是一種多元統(tǒng)計方法，能將多個不相關(guān)指標匯集為少數(shù)幾個獨立的綜合性指標，使問題分析更簡便，所得結(jié)果的科學性更強[23-24]。計算步驟如下：(1)原始數(shù)據(jù)標準化，排除量綱影響；(2)計算標準化后的樣本相關(guān)矩陣R，并計算其特征值；(3)計算累計貢獻率，確定主成分數(shù)量；(4)計算主成分特征向量和表達式；(5)計算得分矩陣，對歷年水資源承載力進行綜合評價。采用SPSS 19.0軟件進行主成分分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要來源于《南京統(tǒng)計年鑒》(2013—2018年)、《江寧統(tǒng)計年鑒》(2013—2018年)、《江寧區(qū)水資源公報》(2013—2018年)和《江寧街道社會經(jīng)濟簡明資料》(2013—2018年)以及依據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)資料整理計算獲得。

3.2 村鎮(zhèn)水資源承載力指標初集構(gòu)建

結(jié)合江寧街道水資源承載力與經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展面臨的主要問題，參考地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展指標、生態(tài)文明建設指標、“三線一單”管控要求和所在地區(qū)水資源承載力相關(guān)文獻[25-27]，圍繞空間管控、水資源利用、社會經(jīng)濟、生活宜居和生態(tài)環(huán)境治理5個方面構(gòu)建村鎮(zhèn)水資源承載力評價指標初集(表2)。從不同角度選取指標以便能全面反映水資源承載力內(nèi)涵和狀態(tài)，體現(xiàn)評價的科學性、系統(tǒng)性和層次性。

表2 村鎮(zhèn)水資源承載力評價指標初集

3.3 一致性檢驗

為避免主、客觀權(quán)重差異過大，在組合賦權(quán)前，對不同方法得到的賦權(quán)結(jié)果進行一致性檢驗[28]，采用Spearman等級相關(guān)系數(shù)對AHP法和熵權(quán)法計算的權(quán)重進行一致性檢驗。經(jīng)計算得Spearman相關(guān)系數(shù)范圍在[0，0.15]，表明兩者具有一致性。

3.4 村鎮(zhèn)水資源承載力評價指標體系

采用組合賦權(quán)法對指標初集26個指標因子進行關(guān)鍵指標識別，篩選得到18個指標，構(gòu)建典型村鎮(zhèn)水資源承載力評價指標體系(表3)。

表3 村鎮(zhèn)水資源承載力評價指標體系

由表3可知，子系統(tǒng)層中，空間管控、生態(tài)環(huán)境治理及水資源利用子系統(tǒng)層權(quán)重占比較高，分別為0.279、0.250和0.200；指標層中，水功能區(qū)水質(zhì)達標率、生態(tài)環(huán)境補水量、城市化率、萬元工業(yè)增加值用水量占比較高。

3.5 村鎮(zhèn)水資源承載力評價分析

采用2013—2018年研究區(qū)數(shù)據(jù)分析各評價指標特征值和累積貢獻率。如表4所示，前4個成分累積貢獻率達到97.518%，因此選取前4個成分作為主成分對典型村鎮(zhèn)水資源承載力狀況進行評價。

主成分載荷矩陣計算結(jié)果見表5。如表5所示，第1主成分與生態(tài)環(huán)境補水量、農(nóng)民人均純收入、城市化率、環(huán)境治理投資、萬元GDP用水量、工業(yè)廢水排放達標率、鎮(zhèn)區(qū)綠化面積、建成區(qū)綠化覆蓋率和農(nóng)業(yè)用水占比有強相關(guān)性。因此，第1主成分主要反映了生態(tài)空間管控、污染治理水平以及經(jīng)濟社會發(fā)展對村鎮(zhèn)水資源承載力的影響。

表4 主成分的特征值及貢獻率

第2主成分與產(chǎn)水模數(shù)、地表水資源量、人均水資源量和水資源開發(fā)利用率有強相關(guān)性，主要反映水資源利用對村鎮(zhèn)水資源承載力的影響。第3主成分與人均用水量和生活用水占比有強相關(guān)性，表明第3主成分主要反映居民生活用水情況對村鎮(zhèn)水資源承載力的影響。第4主成分與二產(chǎn)增加值占GDP比例和萬元工業(yè)增加值用水量有強相關(guān)性，主要反映村鎮(zhèn)工業(yè)發(fā)展狀況對村鎮(zhèn)水資源承載力的影響。4個主成分分別從不同側(cè)面反映了村鎮(zhèn)水資源承載力變化的驅(qū)動因子。

表5 主成分荷載矩陣

計算主成分的系數(shù)矩陣，將其與關(guān)鍵評價指標因子標準化數(shù)值矩陣相乘，得到2013—2018年研究區(qū)4個主成分的得分矩陣。根據(jù)主成分綜合指數(shù)得分計算公式，建立村鎮(zhèn)水資源承載力綜合評價模型〔式(9)〕，計算典型區(qū)村鎮(zhèn)水資源承載力綜合得分，計算得2013、2014、2015、2016、2017和2018年典型區(qū)村鎮(zhèn)水資源承載力綜合得分分別為0.242 1、0.429 6、0.512 1、0.734 6、0.469 7和0.503 5。各主成分和承載力綜合得分見圖2。

Fi=0.541 0Fi1+0.283 7Fi2+0.102 7Fi3+0.072 6Fi4。

(9)

式(9)中，F(xiàn)i為第i年水資源承載力；Fij為第i年第j個主成分。

主成分得分的正負并不能表示水資源承載力真實水平，而能表示水資源承載力所處的相對位置[29]。由圖2可知，綜合分析村鎮(zhèn)水資源承載力綜合得分與各主成分得分的變化趨勢，第1主成分與水資源承載力綜合得分的波動趨勢很相近，表明生態(tài)環(huán)境治理水平、空間管控和城市化程度是村鎮(zhèn)水資源承載力的主要影響方面；第2主成分反映水資源利用現(xiàn)狀對村鎮(zhèn)水資源承載力的影響，與水資源承載力綜合得分的波動趨勢相近，表明水資源量與水資源利用水平是保障村鎮(zhèn)水資源承載力的基礎。

2013—2018年，典型區(qū)村鎮(zhèn)水資源承載力水平存在波動，但整體呈現(xiàn)上升趨勢。水資源承載力具有自然-社會雙重屬性，2016年研究區(qū)水資源承載能力最高，這主要是由于2016年研究區(qū)降水量遠高于其他年份，地表水資源量、產(chǎn)水模數(shù)等指標明顯增大，水資源承載力受自然因素影響明顯?？傮w來看，在水資源利用方面，村鎮(zhèn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的不斷改良，促使水資源利用與配置不斷優(yōu)化；在環(huán)境治理方面，江寧街道強化三水統(tǒng)籌，建設污染處理設施，保障生態(tài)流量，生態(tài)環(huán)境治理能力不斷提升；在社會生活方面，村鎮(zhèn)居民低碳生活方式逐漸形成，環(huán)保意識不斷加強，使江寧街道村鎮(zhèn)水資源承載能力總體呈現(xiàn)上升趨勢。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

(1)筆者采用PCA法對村鎮(zhèn)水資源承載力進行研究分析，在盡可能保留評價指標信息的基礎上能有效降低指標維度，客觀地對村鎮(zhèn)水資源承載狀況進行差異分析，為村鎮(zhèn)水資源合理配置與經(jīng)濟社會的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展提供決策參考。

(2)基于快速城市化背景下村鎮(zhèn)水資源承載力系統(tǒng)中水資源、水環(huán)境和經(jīng)濟社會發(fā)展相互關(guān)系研究，分析得出影響水資源承載力的主要影響因素，可為處于城市化進程中城鄉(xiāng)融合型村鎮(zhèn)建設提供參考。但受村鎮(zhèn)尺度資料獲取限制，選取的指標還不全面，如空間管控層指標偏少，未能較好地反映村鎮(zhèn)尺度空間管控與村鎮(zhèn)水資源承載力的關(guān)系。

(3)該研究僅針對江寧街道，后續(xù)可加入東部多個同類典型村鎮(zhèn)研究區(qū)樣本，進一步挖掘城市化背景下村鎮(zhèn)建設水資源承載力影響因素，建立更具代表性的評價指標體系，科學評價村鎮(zhèn)建設水資源承載力水平。

4.2 結(jié)論

針對快速城市化發(fā)展背景下水質(zhì)型缺水地區(qū)典型村鎮(zhèn)江寧街道開展水資源承載力研究，識別影響村鎮(zhèn)水資源承載力的主要指標因子，構(gòu)建評價指標體系，開展江寧街道村鎮(zhèn)水資源承載力評價分析，得出以下結(jié)論：

(1)采用組合賦權(quán)法對村鎮(zhèn)水資源承載力指標初集進行優(yōu)選，克服了單一權(quán)重方法的片面性；結(jié)合村鎮(zhèn)城市化發(fā)展特征，基于空間管控、水資源利用、經(jīng)濟發(fā)展、社會生活和生態(tài)環(huán)境治理5個層面，構(gòu)建村鎮(zhèn)水資源承載力評價指標體系，符合村鎮(zhèn)建設現(xiàn)狀，體現(xiàn)村鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展需求。

(2)應用主成分分析法對典型村鎮(zhèn)水資源承載力進行評價分析，結(jié)果表明，江寧街道水資源承載力水平存在波動，但整體呈現(xiàn)上升趨勢。在影響村鎮(zhèn)水資源承載力的4個主成分中，反映第1主成分的生態(tài)環(huán)境治理、空間管控和社會經(jīng)濟發(fā)展等因素是典型村鎮(zhèn)水資源承載力主要影響方面；反映第2主成分的水資源利用水平也是保障水資源承載力的重要方面，而生活宜居、工業(yè)發(fā)展方面因素對水資源承載力影響相對較小。

(3)評價結(jié)果表明，村鎮(zhèn)建設若要實現(xiàn)經(jīng)濟社會與水資源承載力協(xié)調(diào)發(fā)展，應充分認識生態(tài)環(huán)境保護、空間管控的重要性，制定適宜的產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策。同時，在城市化進程下，村鎮(zhèn)水資源開發(fā)利用需求不斷上升，水資源供給量有限，節(jié)約利用水資源是提升村鎮(zhèn)水資源承載力的重要途徑。