基于協(xié)調(diào)發(fā)展度的南通市水資源承載狀態(tài)預警

李琦蕓，董增川，楊 光，張玉潔，鐘加星

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2.南京水利科學研究院水工水力學研究所，江蘇 南京 210029；3.江蘇省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，江蘇 南京 210012)

經(jīng)濟社會發(fā)展目標與水資源承載力的不匹配將嚴重影響發(fā)展的可持續(xù)性[1]。通過開展水資源承載力的預警研究，預先找出阻礙區(qū)域和諧發(fā)展的關鍵因子，能夠為區(qū)域發(fā)展規(guī)劃及政策的制定提供科學依據(jù)，是新形勢下保障水安全的有效舉措[2]。

水資源承載力常見的表征形式有兩類：區(qū)域水資源可支撐最大人口容量和水資源承載力的綜合評價成果[3-4]。水資源承載力的綜合評價能夠更直觀地反映多個系統(tǒng)維度的綜合情況[5]。本文采用水資源承載狀態(tài)表征綜合評價的內(nèi)涵，指區(qū)域水資源承載一定的社會經(jīng)濟規(guī)模時，水資源、社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)所處狀況及其協(xié)調(diào)程度[6]。學者們已對水資源承載狀態(tài)開展了一系列研究[7-8]，但多是水資源承載狀態(tài)的歷史分析，根據(jù)區(qū)域未來發(fā)展趨勢而進行的預警研究較少。2018年，金菊良等[9]提出預警研究應從診斷、預測、評價和調(diào)控4個方面展開。學者們基于上述框架對安徽省、南京市等地區(qū)的水資源承載狀態(tài)進行預警[10-11]。然而，研究中多是逐個預測計算指標的變化趨勢，一定程度上割裂了水資源、社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的整體性及其之間的動態(tài)聯(lián)系。為提高水資源承載狀態(tài)預測的合理性，需從系統(tǒng)論的角度出發(fā)，探討系統(tǒng)內(nèi)部各組成要素相互作用的過程。

南通市在經(jīng)歷工業(yè)化后，高污染、高排放行業(yè)不斷增加，部分區(qū)域水體污染加劇，水資源系統(tǒng)風險提高。本文構(gòu)建了南通市水資源承載狀態(tài)系統(tǒng)動力學仿真模型，預測2019—2040年水資源承載狀態(tài)的變化趨勢，選取協(xié)調(diào)發(fā)展度為預警指標對水資源承載狀態(tài)進行預警。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

南通市位于江蘇省東南部長江入海口北側(cè)，屬典型平原水網(wǎng)地區(qū)，河網(wǎng)密布。2018年全市水資源總量為40.64億m3，人均水資源量555.95 m3，僅為全國人均水資源量的1/4。常住人口731.00萬人，城鎮(zhèn)化率67.10%，人均GDP 115 280.43元。南通市本地水資源無法滿足居民生活和生產(chǎn)活動的用水需求，且內(nèi)河水環(huán)境質(zhì)量不容樂觀。

研究數(shù)據(jù)來源于南通市水資源綜合規(guī)劃、南通市水資源保護規(guī)劃和《南通市水資源公報》(2009—2018年)、《南通市統(tǒng)計年鑒》(2009—2018年)、《南通市水環(huán)境公報》(2009—2018年)等。

2 水資源承載狀態(tài)預警方法

水資源承載狀態(tài)預警包括明確警義、研判警情、界定警度、預測警情、排除警患5個步驟[9]，預警模型框架見圖1。

圖1 水資源承載狀態(tài)預警模型框架

2.1 明確警義

如承載主客體的發(fā)展程度高，且二者的發(fā)展處于相對協(xié)調(diào)的水平，認為水資源承載狀態(tài)好，則無須報警。其余情況均應發(fā)出警報。

2.2 研判警情

選取協(xié)調(diào)發(fā)展度作為評判水資源承載狀態(tài)的指標。發(fā)展是系統(tǒng)的演變過程，協(xié)調(diào)是系統(tǒng)間良好循環(huán)的基礎。協(xié)調(diào)發(fā)展度是可以同時描述系統(tǒng)要素發(fā)展程度與協(xié)調(diào)水平的綜合性指標[12]。

2.2.1構(gòu)建評價指標體系

南通市地處長江流域下游，地區(qū)用水多依賴于外調(diào)長江水，考慮區(qū)域可供水量的評價指標無法準確反映其水資源開發(fā)利用的程度。因此，本文在考慮最嚴格水資源管理制度的基礎上將“三條紅線”納入評價指標體系，分別從水資源、社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境3個方面選取9個指標如表1所示；結(jié)合南通市相關規(guī)劃和標準確定指標評價等級標準值，見表2。

表2 南通市水資源承載狀態(tài)評價指標等級標準值

2.2.2歸一化處理

因所選指標量綱不同需要對數(shù)據(jù)進行歸一化處理。為合理確定區(qū)域水資源承載狀態(tài)的好壞，應將評價方案中的數(shù)據(jù)值與指標劃分等級標準值一同進行歸一化處理。正向指標和逆向指標的歸一化公式為

(1)

式中：xij、pij分別為第j個歸一化方案中第i個指標的原始值和歸一化值；max(xij)、min(xij)分別為所有待歸一化方案中第i個指標的最大值和最小值。

2.2.3基于博弈論的綜合賦權(quán)法

采用基于博弈論的綜合賦權(quán)法分別確定承載主體與承載客體的指標權(quán)重[13]，采用層次分析法[14]計算主觀權(quán)重，采用熵權(quán)法[15]計算客觀權(quán)重。具體計算方法詳見參考文獻。

2.2.4基于協(xié)調(diào)發(fā)展度的水資源承載狀態(tài)判別

協(xié)調(diào)發(fā)展度越大則區(qū)域水資源承載狀態(tài)越好[11]。協(xié)調(diào)發(fā)展度計算公式如下：

(2)

其中

T=αf(pj)+βg(pj)

式中：D為協(xié)調(diào)發(fā)展度；C為承載主客體間的協(xié)調(diào)度；T為系統(tǒng)綜合指數(shù)；f(pj)、g(pj)分別為第j個歸一化方案中承載主體和承載客體發(fā)展度；pij為第j個歸一化方案中第i個指標的歸一化值；第1～k1個指標為承載主體指標，第k1+1～k個指標為承載客體指標；usi為承載主體第i個指標的權(quán)重i=1,2,…,k1；uoi為承載客體第i個指標的權(quán)重i=k1+1,k1+2,…,k；Cfg為離差系數(shù)；K為調(diào)節(jié)系數(shù)，取K=2；α、β為權(quán)重系數(shù)。

2.3 界定警度

選定協(xié)調(diào)發(fā)展度作為水資源承載狀態(tài)預警指標，采用不同顏色的信號燈標明警情重要級別。將“好、中、差”3個等級標準(表2)對應的歸一化值按式(3)計算協(xié)調(diào)發(fā)展度，以此作為水資源承載狀態(tài)的評判標準[11]。協(xié)調(diào)發(fā)展度大于0.893時，水資源承載狀態(tài)好；協(xié)調(diào)發(fā)展度小于0.618時，水資源承載狀態(tài)差；協(xié)調(diào)發(fā)展度不大于0.893且不小于0.618時，水資源承載狀態(tài)為中。

由預警年份水資源承載狀態(tài)的評價等級和下一年協(xié)調(diào)發(fā)展度的變化共同確定預警年份警情級別，下一年協(xié)調(diào)發(fā)展度增大則水資源承載狀態(tài)好轉(zhuǎn)，警情級別降低，反之則警情級別升高。預警信號分5級，Ⅰ級警情最為嚴重，預警信號判別標準見圖2。

圖2 水資源承載狀態(tài)預警信號判別標準示意圖

2.4 預測警情

本文從系統(tǒng)分析的角度出發(fā)，采用系統(tǒng)動力學法對水資源承載狀態(tài)的各項評價指標進行預測。已有多數(shù)成果在構(gòu)建水資源承載力系統(tǒng)動力學模型時忽略了年際間缺水量以及環(huán)境污染對經(jīng)濟社會發(fā)展的限制作用，導致對社會經(jīng)濟與水資源相關指標的模擬存在一定誤差[16]。結(jié)合已構(gòu)建的評價指標體系可確定系統(tǒng)動力學模型中需要模擬的主要變量有：人口、GDP、總用水量、COD入河量、氨氮入河量、綠地面積以及生態(tài)環(huán)境用水量。

2.4.1因果互饋關系分析

用水量與用水總量控制紅線的比值表征水資源壓力的大小。因農(nóng)村和城鎮(zhèn)的用水習慣不同，農(nóng)村生活用水和城鎮(zhèn)生活用水應分別計算；生態(tài)用水考慮城鎮(zhèn)生態(tài)用水和人工河湖補水；各產(chǎn)業(yè)用水受到產(chǎn)業(yè)增加值和產(chǎn)業(yè)節(jié)水技術(shù)水平的影響。人口增長和社會經(jīng)濟發(fā)展將持續(xù)激增用水需求，水資源壓力加大。水資源壓力反作用于經(jīng)濟發(fā)展，減緩各產(chǎn)業(yè)增加值增長速度。

污染物入河總量與限制排污紅線的比值表征水環(huán)境壓力的大小。農(nóng)村和城鎮(zhèn)生活污水處理覆蓋面積不一致需分開計算；第一產(chǎn)業(yè)污水排放方式為面源排放，以污染物入河系數(shù)表征區(qū)域截污能力，其余污水為點源排放方式可通過污水處理率計算。水污染負荷增加使水環(huán)境壓力不斷增大。水環(huán)境壓力反作用于經(jīng)濟發(fā)展，三次產(chǎn)業(yè)增加值增長速度降低，進而減輕水環(huán)境壓力。水資源壓力、水環(huán)境壓力各影響因素的因果互饋關系如圖3所示，藍色箭頭表示指向變量隨源發(fā)變量的增加而增加，紅色箭頭意義相反。

2.4.2基于動態(tài)反饋的水資源承載力SD預測模型

為更清晰地表現(xiàn)模型內(nèi)各變量間的因果互饋關系，本文將南通市水資源承載狀態(tài)SD仿真預測模型流圖劃分為兩個部分，第一部分對水資源供給關系進行模擬，第二部分對污染物排放入河過程進行模擬，兩個部分之間通過水量建立聯(lián)系，模型流圖見圖4。

模型中共包含兩個反饋回路：①三次產(chǎn)業(yè)用水增加→水資源用控比比值增大→三次產(chǎn)業(yè)增加值增長率減小→三次產(chǎn)業(yè)用水增加量減少→用水壓力的增加速率放緩；②污染物入河量增加→污染物限排比增大→三次產(chǎn)業(yè)增加值增長率減小→三次產(chǎn)業(yè)入河污染物增加量減少→水環(huán)境壓力的增加速率放緩。通過這些因素間的互饋關系鏈將水資源、水環(huán)境、社會經(jīng)濟系統(tǒng)關聯(lián)起來，年際間用水壓力和環(huán)境壓力都對社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生限制作用，模型模擬結(jié)果更貼近經(jīng)濟社會發(fā)展實況。

模型仿真時間為2009—2040年，時間步長為1年，其中2009—2018年為基礎數(shù)據(jù)年。模型中輸入的初始參數(shù)從南通市相關規(guī)劃政策及水資源、水環(huán)境公報中獲取，其余中間變量通過對基礎數(shù)據(jù)年份進行模擬、校正獲取。利用系統(tǒng)動力學模型對未來年份進行預測時，則通過綜合考慮相關規(guī)劃及政策對模型控制參數(shù)做合理的趨勢外延，如三次產(chǎn)業(yè)增加值增長率、污水處理回歸利用率等。

(a)水資源壓力

(a)水資源

2.5 排除警患

對出現(xiàn)警情的年份，通過比較各項預警指標的預測值與等級“好”的標準值(表2)之間的差距大小，找出區(qū)域發(fā)展進程中存在的問題，并提出相應的調(diào)控措施。

3 結(jié)果與分析

3.1 指標權(quán)重

采用綜合賦權(quán)法分別計算承載主體和承載客體的指標權(quán)重，計算結(jié)果見表3。

表3 南通市水資源承載狀態(tài)評價指標權(quán)重

3.2 模型有效性檢驗

利用模型進行仿真預測前應對模型進行有效性檢驗。因模型涉及變量較多，結(jié)合模型結(jié)構(gòu)考慮選取具代表性的指標進行檢驗，人口、GDP、用水量可作為有效性檢驗的主要指標。2009—2018年模擬誤差結(jié)果見圖5，各項指標誤差均在15%的范圍內(nèi)[1]，表明模型結(jié)構(gòu)正確。

3.3南通市水資源承載狀態(tài)歷史分析

依據(jù)南通市2009—2018年的歷史數(shù)據(jù)計算其承載主客體的協(xié)調(diào)發(fā)展度，確定各年份水資源承載狀態(tài)評價等級，水資源承載狀態(tài)歷史變化情況如圖6所示。

圖6 水資源承載狀態(tài)歷史變化情況

2009—2013年水資源承載狀態(tài)為差，自2014年起由差轉(zhuǎn)變?yōu)橹?。協(xié)調(diào)發(fā)展度整體呈上升趨勢表明水資源承載狀態(tài)趨好。據(jù)各評價指標的原始數(shù)據(jù)進行分析。用水總量變化不大，水體污染負荷不斷減少，水資源子系統(tǒng)狀態(tài)逐漸好轉(zhuǎn)。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級，人均GDP逐漸上升，用水效率與污水處理率提高，生態(tài)環(huán)境保護得到重視，綠地面積逐年增加，承載客體發(fā)展程度提高。

3.4 南通市水資源承載狀態(tài)預警

據(jù)現(xiàn)狀發(fā)展模式下未來南通市水資源承載狀態(tài)的預測結(jié)果，計算南通市2019—2040年承載主體與承載客體之間的協(xié)調(diào)發(fā)展度，南通市水資源承載狀態(tài)預警結(jié)果如圖7所示。

(a)GDP

圖7 水資源承載狀態(tài)預警結(jié)果

未來南通市水資源承載狀態(tài)維持在中等，承載主客體間的協(xié)調(diào)發(fā)展度出現(xiàn)小幅增加后呈持續(xù)減小趨勢。2020—2024年，節(jié)水和截污水平不斷提高使得承載主體發(fā)展較好，承載主客體間的協(xié)調(diào)發(fā)展度持續(xù)增加，但仍處于中等水平，預警警度為Ⅳ級。2025—2040年，南通市用水量不斷增加，氨氮入河量亦呈增長趨勢，水資源子系統(tǒng)狀態(tài)愈下，水資源的過度開發(fā)導致水資源承載主體的支撐力不斷減小，不足以支撐社會經(jīng)濟的發(fā)展、滿足改善生態(tài)環(huán)境的需求，水資源承載主客體間的發(fā)展無法達到相對協(xié)調(diào)的狀態(tài)，南通市水資源承載狀態(tài)趨差，預警警度上升為Ⅲ級。

3.5 南通市水資源承載狀態(tài)調(diào)控措施

針對上述問題應及時采取調(diào)控措施。用水總量控制方面：①應完善循環(huán)用水系統(tǒng)、加強對灌區(qū)的渠系改造并大力推廣節(jié)水器具，從工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活3個方面提高用水效率；②增加長江引調(diào)水，緩解用水緊張。污染控制方面：①監(jiān)管高污染、高排放企業(yè)，全面實施禁磷措施，加強對現(xiàn)有污水處理廠的監(jiān)督檢查，提升截污限排水平；②對南通市施行江河庫渠聯(lián)調(diào)聯(lián)控方案，通過合理的水生態(tài)調(diào)控可有效提升河道水質(zhì)，改善水生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié) 論

a.提出了基于系統(tǒng)動力學與協(xié)調(diào)發(fā)展度的水資源承載狀態(tài)預警方法，并對南通市現(xiàn)狀發(fā)展趨勢下未來水資源承載狀態(tài)的警情進行了分析。南通市水資源承載狀態(tài)自2025年起長期處于黃燈區(qū)，協(xié)調(diào)發(fā)展度一直在減小，該發(fā)展模式是不可持續(xù)的。

b.通過構(gòu)建南通市水資源-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學仿真模型對南通市2019—2040年的水資源承載狀態(tài)進行預測。南通市的節(jié)水技術(shù)水平未得到有效提高使得用水量持續(xù)增加；治污能力較弱導致區(qū)域水環(huán)境污染超負荷。