江蘇省水資源空間均衡評價

王澤斌，陶佳輝，尹 鑫，張海濱，施小清

（1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院水科學(xué)系，江蘇南京 210023；2.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京 210029）

0 引言

水資源是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟資源［1］。隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，水資源供需矛盾突出，水資源空間分布與經(jīng)濟社會布局不匹配，引起水資源空間不均衡，嚴重制約區(qū)域可持續(xù)發(fā)展［2］。針對水資源問題，習近平總書記于2014年提出了“十六字”治水思路，突出強調(diào)了新時期治水必須始終堅守“空間均衡”重大原則［3］。

江蘇省地處長江經(jīng)濟帶，其具有的水資源時空分布不均、人均水資源占有量較低等特點已成為制約經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的重要因素［4，5］。因此，開展江蘇省水資源空間均衡的評估研究對于指導(dǎo)其水資源管理和區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

目前，水資源空間均衡研究受到廣泛關(guān)注。金菊良等［2］指出水資源空間均衡評價指標體系的構(gòu)建與評價方法的選取是水資源空間均衡評價的兩大關(guān)鍵問題。在評價指標體系方面，馬睿等［6］以水資源稟賦及供用水、經(jīng)濟社會、糧食和能源、水資源與水環(huán)境承載狀況等5 個方面作為子系統(tǒng)，構(gòu)建黃河流域空間均衡評價指標體系；金菊良等［7］從“水資源空間均衡就是區(qū)域水資源承載支撐力與承載壓力在空間分布的協(xié)調(diào)程度”這一角度出發(fā)，基于水資源承載力與壓力兩個子系統(tǒng)構(gòu)建指標體系。迄今，鮮有研究將反映水的需求、水的開發(fā)、水的供需3 個方面的水資源空間均衡基本特征作為子系統(tǒng)，構(gòu)建更具有針對性的評價指標體系。

在評價方法方面，當前水資源空間均衡研究主要有基尼系數(shù)［8］、空間均衡系數(shù)［9］、集對分析聯(lián)系度［10］、可變模糊集［11］等方法。其中，聯(lián)系度方法可定量刻畫評價樣本與評價等級之間的不確定性關(guān)系［7，12，13］，但對于評價等級間的模糊性描述不足，在等級判斷時存在信息丟失問題［14］，而可變模糊集方法可以更準確的反映評價等級間的模糊性［11，15-17］。已有研究表明集對分析與可變模糊集方法應(yīng)用于水資源空間均衡評價具有適用性［11］，但研究側(cè)重于兩種方法評價結(jié)果的綜合分析，未能實現(xiàn)方法間的優(yōu)勢互補。應(yīng)進一步構(gòu)建耦合模型開展評價研究，提高評價結(jié)果的分辨率。

為此，依據(jù)水資源空間均衡理論內(nèi)涵，以水資源空間均衡基本特征作為子系統(tǒng)，針對性地選取指標。將集對分析與可變模糊集方法相結(jié)合，定量刻畫水資源-經(jīng)濟社會-生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)的模糊不確定性特點，構(gòu)建集對分析-可變模糊集耦合模型。選取江蘇省為研究對象開展實例研究，評價江蘇省13個地級市2010-2019年水資源空間均衡程度。通過模型評價結(jié)果對比分析，檢驗其合理性，以期為江蘇省水資源管理和區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展的政策制定提供參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

江蘇省地處長江、淮河下游，省內(nèi)分布長江、太湖、淮河和沂沭泗四大水系。江蘇省湖泊眾多，水網(wǎng)密布，海陸相鄰，水域面積占國土面積16.9%，素有“水鄉(xiāng)”之稱。江蘇省水資源呈現(xiàn)南多北少的空間分布，具有汛期集中，季節(jié)分配不均的特點；江蘇省降水相對豐富，且過境水量豐沛；根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2020 年末江蘇省人均水資源量641.3 m3，人均水資源量遠低于全國人均水平（2 239.8 m3）。

1.2 數(shù)據(jù)來源

水資源及用水指標數(shù)據(jù)主要來自于《全國第三次水資源調(diào)查評價》、江蘇省及各地市2010-2019 年《水資源公報》；經(jīng)濟社會指標數(shù)據(jù)來自于《江蘇省統(tǒng)計年鑒》；生態(tài)環(huán)境指標數(shù)據(jù)主要來自于江蘇省及各地市2010-2019年《環(huán)境狀況公報》。

2 評價方法

2.1 水資源空間均衡基本特征

圍繞水資源空間均衡理論內(nèi)涵，王浩等［18］闡述了水資源空間均衡的概念，提出面向水資源系統(tǒng)空間均衡的優(yōu)化協(xié)同配置方案；左其亭等［19］認為水資源空間均衡是指某一特定空間區(qū)域下水資源與經(jīng)濟社會、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)之間的相對平衡狀態(tài)；酈建強等［20，21］指出水資源空間均衡的核心為“以水定需”，空間均衡評價應(yīng)抓住“水”、“需”、“定”三個核心要素，進而提出評價體系的構(gòu)建應(yīng)基于契合內(nèi)涵的“水的需求剛性合理、水的開發(fā)規(guī)模適度、高質(zhì)量供需平衡”三大空間均衡基本特征。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合江蘇省實際情況，水資源空間均衡基本特征具體表現(xiàn)為：①水資源需求剛性合理：對需求側(cè)，合理的生活、生產(chǎn)用水要予以滿足，用水合理程度要與區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展水平相適應(yīng)；②水資源開發(fā)規(guī)模適度：對供給側(cè)，水資源的開發(fā)利用不應(yīng)超過區(qū)域水資源承載能力；③高質(zhì)量供需平衡：對供需兩側(cè)，在節(jié)水優(yōu)先的前提下，通過動態(tài)雙向調(diào)節(jié)緩解區(qū)域缺水程度，同時保障生態(tài)用水、提升水生態(tài)水環(huán)境質(zhì)量，最終實現(xiàn)區(qū)域水資源空間均衡。

2.2 評價指標體系及等級標準

2.2.1 指標體系

建立水資源空間均衡評價指標體系是構(gòu)建評價模型的基礎(chǔ)和前提。將上述水資源空間均衡基本特征作為評價子系統(tǒng)，針對性地選取指標，建立如表1 所示的水資源空間均衡評價指標體系。

表1 水資源空間均衡評價指標及權(quán)重、等級劃分標準Tab.1 Evaluation index and weight，classification standard of water resources spatial equilibrium

對于水資源需求剛性合理特征，選取萬元GDP 用水量等4項指標反映需求側(cè)生產(chǎn)、生活用水合理程度及用水效率；考慮到用水合理程度應(yīng)與區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展水平匹配，選取人均GDP 指標表征區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展水平。對于水資源開發(fā)規(guī)模適度特征，選取降水量、人均水資源量2項指標體現(xiàn)區(qū)域水資源稟賦條件；選取水資源開發(fā)利用率指標判斷區(qū)域水資源開發(fā)利用是否規(guī)模適度，并依據(jù)《水資源規(guī)劃規(guī)范》（GB∕T 51051-2014）進行指標值計算；選取再生水利用率指標表征區(qū)域供水結(jié)構(gòu)合理程度。對于高質(zhì)量供需平衡特征，考慮到水資源供需平衡應(yīng)以節(jié)約用水為前提，選取城市供水公共管網(wǎng)漏損率等3項指標表征區(qū)域生產(chǎn)、生活節(jié)約用水水平；選取缺水率指標表征區(qū)域水資源供需平衡程度，基于河道外供需平衡差進行指標值計算［22］；參考《全國第三次水資源調(diào)查評價》與已有研究［2］，選取生態(tài)水位∕水量滿足程度指標表征區(qū)域生態(tài)用水滿足情況，選取I-III 類水質(zhì)河長占比、水功能區(qū)水質(zhì)達標率、飲用水水源地水質(zhì)達標率3 個指標分別反映區(qū)域河流、各類水域以及飲用水水質(zhì)。

2.2.2 指標等級標準

評價指標等級劃分是集對分析中常用的指標分類方法，同時也是集對分析的基礎(chǔ)性工作［7］。參考已有研究［10，11］，將水資源空間均衡程度劃分為“不均衡（I）”、“較不均衡（II）”、“臨界均衡（III）”、“比較均衡（IV）”、“均衡（V）”共5 個等級，進而依據(jù)水利部、江蘇省政府頒布的標準和規(guī)劃目標，咨詢相關(guān)專家意見并結(jié)合各指標極值與均值等，以指標區(qū)間閾值將評價指標劃分為5個等級，指標等級劃分標準如表1所示。

2.3 模型構(gòu)建

在建立評價指標體系、劃分指標等級的基礎(chǔ)上，采用層次分析-熵權(quán)法確定指標權(quán)重；將集對分析（Set Pair Analysis，SPA）理論中聯(lián)系度概念與可變模糊集（Variable Fuzzy Set，VFS）理論中相對隸屬度概念相結(jié)合，構(gòu)造函數(shù)使得評價指標、樣本只與相鄰等級存在模糊隸屬關(guān)系；最終通過級別特征值法與屬性識別法確定指標、樣本評價等級［23］。綜上，構(gòu)建集對分析-可變模糊集耦合模型（Set Pair Analysis-Variable Fuzzy Set Coupling Model，SPA-VFSCM），具體計算步驟如下：

（1）確定指標權(quán)重。指標權(quán)重的合理性是綜合評價的重點，已有SPA-VFSCM 模型僅以單一的主觀或客觀賦權(quán)方法確定指標權(quán)重，模型評價結(jié)果可靠性有待于提高［14，23-25］。對此，采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）計算指標主觀權(quán)重ω′［26］，采用熵權(quán)法計算指標客觀權(quán)重ω′′［27］，進而采用拉格朗日乘子法求解AHP-熵權(quán)法的組合權(quán)重ω［28］。計算公式為：

（2）計算模糊聯(lián)系度。基于SPA、VFS 理論，構(gòu)造函數(shù)式計算單指標模糊聯(lián)系度uijkg：

式中：i代表評價樣本；j代表子系統(tǒng)；k代表評價指標；g代表指標等級；xijk為評價樣本值；sgjk為指標的標準值。

（3）計算相對隸屬度?；趩沃笜寺?lián)系度uijkg與VFS 理論，得到樣本隸屬于等級g的歸一化綜合隸屬度向量vig計算公式為：

式中：ωjk為子系統(tǒng)j中指標k的權(quán)重；ωj為子系統(tǒng)j的權(quán)重。

（4）級別特征值法與屬性識別法確定評價等級。考慮到基于最大隸屬度原則的模糊識別可能造成結(jié)果失真，將級別特征值作為評價等級值，以提高精度。樣本評價等級hi計算公式為：

為增強評價結(jié)果的合理性，同時采用屬性識別法，評判樣本的水資源空間均衡程度等級［23，29，30］。計算公式為：

式中：hi′為屬性識別評判等級；λ為置信度，一般在[0.5，0.7]內(nèi)取值［30］，為得到較為穩(wěn)妥的評價結(jié)果，取λ=0.5。

3 結(jié)果與討論

3.1 模型計算結(jié)果

利用式（1）計算得到的主客觀兼?zhèn)涞脑u價指標組合權(quán)重見表1，評價體系中水資源需求剛性合理子系統(tǒng)、水資源開發(fā)規(guī)模適度子系統(tǒng)、高質(zhì)量供需平衡子系統(tǒng)權(quán)重分別為0.308、0.297、0.395。

限于篇幅，以南京市（2019 年）為例，展示樣本評價計算過程。由式（2）～式（3）計算得到的綜合相對隸屬度向量vig=[0.165，0.094，0.132，0.274，0.335]，由式（4）～式（5）分別計算得到級別特征值hi=3.52，評判等級hi′=4，為IV 級。相同地，由式（2）～式（5）計算得到的江蘇省各地市2010-2019 年水資源空間均衡級別特征值、評判等級結(jié)果見表2、3。

表2 江蘇省水資源空間均衡評價級別特征值Tab.2 Level eigenvalue of water resources spatial equilibrium in Jiangsu Province

3.2 江蘇省水資源空間均衡評價等級分析

根據(jù)表3 選取2010、2013、2016、2019 年評價結(jié)果繪制江蘇省各地市水資源空間均衡等級分布情況，見圖1。為便于分析江蘇省水資源空間均衡空間分布差異，參考《江蘇省城鎮(zhèn)體系規(guī)劃》，考慮水資源稟賦、經(jīng)濟發(fā)展水平、生態(tài)功能定位等要素將13 個地市劃分為三大研究區(qū)域：①沿江地區(qū)（南京、鎮(zhèn)江、揚州、泰州、常州、無錫、蘇州、南通）；②江淮地區(qū)（淮安、宿遷、徐州）；③沿海地區(qū)（連云港、鹽城）。

表3 江蘇省水資源空間均衡評價等級Tab.3 Level of water resources spatial equilibrium in Jiangsu Province

由表2 與圖1（a）可知，2010 年沿江地區(qū)除泰州評價等級為II 級外，其余地市達到III 級；江淮地區(qū)徐州評價等級為II 級，淮安、宿遷評價等級達到III級；沿海地區(qū)連云港、鹽城評價等級均為II級，級別特征值分別為2.24、2.46。

由表2 與圖1（b）可知，2013 年沿江地區(qū)的蘇州、無錫評價等級提升至IV 級，泰州由II 級提升至III 級，其余地市評價等級仍為III 級。通過分析指標可發(fā)現(xiàn)2010 年至2013 年，蘇州農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)C3由0.604 增加到0.652，I～III 類水質(zhì)河長占比C5由26.82%增加到30.50%?？梢姡?jié)水水平以及水質(zhì)的提升是蘇州市評價等級變化的主要原因。無錫萬元GDP 用水量A1由58.88 m3∕萬元減少至43.58 m3∕萬元，農(nóng)田單位面積灌溉用水量A4由6 780 m3∕hm2減少至5 835 m3∕hm2；而泰州萬元工業(yè)增加值用水量A3由30.21 m3∕萬元減少為13.46 m3∕萬元、農(nóng)田灌溉單位面積用水量A4由8 835 m3∕hm2減少到7 200 m3∕hm2?？梢姡盟实奶岣呤菬o錫、泰州評價等級提升的主要因素。江淮地區(qū)徐州評價等級提升至III級，主要原因為萬元工業(yè)增加值用水量A3由34.49 m3∕萬元減少到16.59 m3∕萬元，用水效率提升；城市供水公共管網(wǎng)漏損率C1由15.60%降低到14.00%、農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)C3由0.538 增加到0.598，節(jié)水水平提高。沿海地區(qū)連云港、鹽城評價等級仍為II 級，其級別特征值分別為2.36、2.59，未有明顯改善。

圖1 江蘇省水資源空間均衡等級分布Fig.1 Distribution of water resources spatial equilibrium level in Jiangsu Province

由表2 與圖1（c）可知，至2016 年，沿江地區(qū)除南通以外，其余地市評價等級均達到IV級。南通水資源稟賦條件稍差，水資源承載能力較弱，且該市再生水利用率較低，供水結(jié)構(gòu)不夠合理，導(dǎo)致其評價等級相對滯后；江淮地區(qū)地市評價等級仍為III級；沿海地區(qū)鹽城市用水效率提升，例如萬元GDP 用水量A1由2013 年的155.42 m3∕萬元降低至121.42 m3∕萬元；節(jié)水水平有明顯改善，例如城市供水公共管網(wǎng)漏損率C1由2013 年的13.00%降低到7.97%，導(dǎo)致其評價等級提升至III 級。連云港市級別特征值雖由2010年的2.24提升至2.49，但評價等級仍為II級。

由表2與圖1（d）可知，至2019年，沿江地區(qū)除揚州外，其余地市評價等級維持于IV 級。造成揚州評價等級由IV 級降至III級的原因為：盡管該市用水效率有所提高，例如萬元工業(yè)增加值用水量A3由2016年的42.17 m3∕萬元減少為29.06 m3∕萬元，但其降雨量B1695.0 mm 相比于2016 的1 475.5 mm 明顯減少，其水資源承載能力下降，最終導(dǎo)致評價等級降低。結(jié)合級別特征值分析可以發(fā)現(xiàn)，與2016-2018 年相比，2019 年揚州市級別特征值（3.26）略有降低。

綜上所述，從空間分布角度分析，江蘇省沿江地區(qū)各地市的水資源空間均衡程度相對較高，沿海地區(qū)連云港、鹽城市相對較差。從動態(tài)變化角度分析，2010-2019年沿江地區(qū)除泰州、揚州外，其余地市評價等級由III 級提升至IV 級，其中蘇州、無錫級別特征值相對較高；泰州評價等級由II 級提升至IV 級，改善幅度最大；揚州評價等級于2016年提升至IV 級，2019年降至III 級。江淮地區(qū)中宿遷、淮安評價等級維持在III 級，徐州與沿海地區(qū)連云港、鹽城評價等級由II級提升至III級。需進一步通過指標評價等級分析連云港與鹽城均衡程度滯后的原因。

3.3 沿海地區(qū)指標評價等級分析

基于模型計算結(jié)果，連云港、鹽城市2019 年水資源空間均衡指標評價等級見圖2。

圖2 沿海地區(qū)水資源空間均衡指標評價等級Fig.2 Index evaluation level of coastal area

由圖2可知，連云港市與鹽城市萬元GDP用水量A1、再生水利用率B2、人均水資源量B4、水功能區(qū)水質(zhì)達標率C64 項指標評價等級同為I 級；連云港市與鹽城市水資源開發(fā)利用率B32項指標同為II 級，連云港市飲用水源地水質(zhì)達標率C7為II 級，鹽城市工業(yè)用水重復(fù)利用率C2為II級。綜上，導(dǎo)致沿海地區(qū)兩市水資源空間均衡程度相對滯后的主要因素為萬元GDP 用水量、再生水利用率、人均水資源量、水功能區(qū)水質(zhì)達標率以及水資源開發(fā)利用率。

3.4 結(jié)果對比分析

為檢驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)果可靠性，選取2019年耦合模型評價等級結(jié)果分別與集對分析方法、可變模糊集方法的評價結(jié)果進行對比分析，3種方法評價等級結(jié)果見圖3。

圖3 3種方法評價等級結(jié)果對比Fig.3 Comparison of evaluation level results in three methods

由圖3可知，耦合模型評價結(jié)果與集對分析方法、可變模糊集方法評價結(jié)果一致率分別為53.85%、84.62%。由于集對分析方法的評價準則為最大隸屬度原則，可能存在等級判斷信息丟失問題，導(dǎo)致部分地市評價等級相比于耦合模型的評價結(jié)果提高了一個等級，其中無錫、常州、蘇州、南通的評價等級達到V級，與實際情況不符；可變模糊集方法在評價過程中權(quán)向量與所構(gòu)建模糊矩陣可能不匹配，影響評價結(jié)果分辨率，這導(dǎo)致連云港、鎮(zhèn)江的評價等級相比于耦合模型的評價結(jié)果降低了一個等級，其中連云港評價等級為II 級，同樣與實際情況不符。由此可見，3 種方法中，集對分析方法的評價等級整體偏高，可變模糊集方法整體上趨于保守，而耦合模型位于二者之間，這一規(guī)律在前人對于區(qū)域地下水水質(zhì)評價的研究中也得到了證實［25］。因此，構(gòu)建的耦合模型評價結(jié)果與已有方法評價結(jié)果基本一致且更為客觀，表明集對分析-可變模糊集耦合模型應(yīng)用于江蘇省水資源空間均衡程度評價合理可行。

4 結(jié)論

（1）從空間分布角度分析，江蘇省沿江地區(qū)各地市的水資源空間均衡程度相對較高，沿海地區(qū)連云港、鹽城市相對較差。從動態(tài)變化角度分析，2010-2019年江蘇省沿江地區(qū)中南京、無錫等5 個地市空間均衡程度由臨界均衡提升至比較均衡，泰州由較不均衡提升至比較均衡，揚州市于2016年由臨界均衡提升至比較均衡，后于2019年降至臨界均衡；江淮地區(qū)中淮安、宿遷市均衡程度維持于臨界均衡，徐州與沿海地區(qū)連云港、鹽城市均衡程度由較不均衡提升至臨界均衡；連云港、鹽城市均衡程度相對滯后。

（2）連云港、鹽城市水資源空間均衡程度相對滯后的主要影響因素為萬元GDP 用水量、再生水利用率、人均水資源量、水功能區(qū)水質(zhì)達標率以及水資源開發(fā)利用率。因此，可考慮新增外調(diào)水源并設(shè)置不同節(jié)水情景，進一步深入研究江蘇省沿海地區(qū)水資源空間均衡程度優(yōu)化調(diào)控方案。

（3）模型評價結(jié)果與集對分析方法、可變模糊集方法評價結(jié)果基本一致，且更為客觀。依據(jù)水資源空間均衡基本特征構(gòu)建評價指標體系并基于耦合模型評價區(qū)域水資源空間均衡程度合理可行。