基于水資源承載力的青島市城鎮(zhèn)化發(fā)展評價研究

摘 要：為計算青島市城區(qū)水資源能夠承載的最大人口規(guī)模和經(jīng)濟規(guī)模，制定城鎮(zhèn)化和水資源可持續(xù)利用的城市發(fā)展模式，利用熵權(quán)法測度２０１５—２０２２ 年青島市城區(qū)水資源承載力與城鎮(zhèn)化水平綜合指數(shù)，并從水資源和社會經(jīng)濟兩方面構(gòu)建系統(tǒng)動力學(xué)模型，仿真模擬２０２３—２０３０ 年自然發(fā)展、高速發(fā)展、節(jié)水優(yōu)先和綜合發(fā)展４ 種模式的水資源供需情況。結(jié)果表明：２０１５—２０２２ 年青島市城區(qū)水資源承載力呈波動上升趨勢，城鎮(zhèn)化水平穩(wěn)步提升；綜合發(fā)展是青島市城鎮(zhèn)化發(fā)展最優(yōu)模式，能確保水資源在滿足居民生活和經(jīng)濟發(fā)展需求后仍有盈余。

關(guān)鍵詞：水資源承載力；城鎮(zhèn)化；系統(tǒng)動力學(xué)；可承載人口規(guī)模；可承載經(jīng)濟規(guī)模；青島市

中圖分類號：ＴＶ２１３．４ 文獻標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２５．０４．０１４

引用格式：張立新，顏世強，邵志國．基于水資源承載力的青島市城鎮(zhèn)化發(fā)展評價研究［Ｊ］．人民黃河，２０２５，４７（４）：８４－９１，９９．

０ 引言

自“十三五”以來，青島市步入城鎮(zhèn)化高速發(fā)展階段，城鎮(zhèn)化水平的快速提升帶動社會經(jīng)濟高速發(fā)展。水資源承載能力低成為制約城市人口規(guī)模和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的“瓶頸”，粗放型的增長方式和經(jīng)濟社會發(fā)展加劇水資源短缺、水環(huán)境污染和水生態(tài)退化等一系列問題，嚴(yán)重制約經(jīng)濟社會發(fā)展。水資源是城鎮(zhèn)化和支撐人口增長、經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵性資源，若盲目追求城鎮(zhèn)化而忽視對水資源科學(xué)合理開發(fā)利用，則會阻礙經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展［１］ 。在城鎮(zhèn)化進程中，必須充分考慮當(dāng)?shù)厮Y源系統(tǒng)的實際情況并進行水資源優(yōu)化配置，使城鎮(zhèn)化與水資源有機協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展［２］ 。水資源承載力已有研究主要聚焦水資源承載力理論框架［３］ 、水資源承載力評價模型［４－６］ 、水資源承載力系統(tǒng)與情景模擬［７－９］ 等方面，采用的研究方法主要有系統(tǒng)動力學(xué)法［１０－１１］ 、主成分分析法［１２］ 、生態(tài)足跡法［１３－１４］ 、綜合評價法［１５－１７］ 和ＢＰ 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［１８］ 等。

雖然水資源承載力方面的研究成果有很多，但是基于水資源承載力的城鎮(zhèn)化發(fā)展的研究較少。因此，本文利用熵權(quán)法測度２０１５—２０２２ 年青島市城區(qū)水資源承載力與城鎮(zhèn)化水平綜合指數(shù)，評價現(xiàn)階段水資源與城鎮(zhèn)化發(fā)展綜合水平，并從水資源、社會經(jīng)濟方面構(gòu)建水資源承載力系統(tǒng)動力學(xué)仿真預(yù)測模型，模擬自然發(fā)展、高速發(fā)展、節(jié)水優(yōu)先和綜合發(fā)展４ 種模式的水資源供需平衡情況，計算與水資源承載力相適宜的城鎮(zhèn)化發(fā)展人口規(guī)模和經(jīng)濟規(guī)模，尋求最適合青島市城鎮(zhèn)化建設(shè)和水資源開發(fā)利用的發(fā)展模式。

１ 青島市概況與數(shù)據(jù)來源

１．１ 青島市概況

青島市是山東省轄地級市，地處山東半島南部，轄７ 個區(qū)、代管３ 個縣級市，總面積為１１ ２９３ ｋｍ２。該市屬溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水量年內(nèi)分布不均，２０１５—２０２２年全市年均降水量為７０８ ｍｍ，２０１９ 年降水量最小（僅為４３１．９ ｍｍ）。青島市人均水資源擁有量僅為１５８ ｍ３，是我國北方嚴(yán)重缺水市之一。青島市供水主要來自本地地表水、淺層地下水、外調(diào)水（引黃河水、長江水）、再生水和淡化海水，其中本地地表水為主要供水來源，２０２２ 年其供水量達４７ ４２６ 萬ｍ３， 占總供水量的３９．５６％；其次是引黃濟青和南水北調(diào)工程的外調(diào)水，占總供水量的２８．６９％。居民生活用水、生產(chǎn)用水和生態(tài)用水為主要用水部門。２０２２ 年青島市總?cè)丝跒椋?０３４．２１萬， 城鎮(zhèn)化率為７７． ３２％， ＧＤＰ 為１４ ９２０．７５億元。

１．２ 數(shù)據(jù)來源

本文采用２０１５—２０２２ 年青島市水資源、人口、經(jīng)濟數(shù)據(jù)進行模型構(gòu)建和有效性檢驗。水資源數(shù)據(jù)來源于《青島市水資源公報》，人口、經(jīng)濟相關(guān)數(shù)據(jù)來源于《青島統(tǒng)計年鑒》，部分規(guī)劃數(shù)據(jù)來源于《青島市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和２０３５ 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》。

２ 研究方法

２．１ 熵權(quán)法

２．１．１ 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

評價指標(biāo)選取是客觀評價的基礎(chǔ)，決定了評價是否科學(xué)、全面。本文遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性、可獲得性原則，構(gòu)建水資源承載力與城鎮(zhèn)化水平評價指標(biāo)體系（見表１）。

２．１．２ 方法步驟

熵權(quán)法是一種基于信息熵的客觀賦權(quán)方法，用于多指標(biāo)綜合評價、決策分析和系統(tǒng)優(yōu)化等領(lǐng)域。其核心思想是通過計算各評價指標(biāo)的信息熵來衡量其不確定性或離散程度，進而確定各指標(biāo)在綜合評價中的權(quán)重。信息熵越小，說明該指標(biāo)的變異性越高，提供的信息量越多，其權(quán)重也越大。熵權(quán)法在確權(quán)過程中用到大量客觀數(shù)據(jù)，可減少主觀因素的影響，因此本研究將其用來對水資源承載力與城鎮(zhèn)化水平進行評價，步驟如下。

１）構(gòu)造ｍ 個評價對象、ｎ 個評價指標(biāo)構(gòu)成的初始評價矩陣Ａ：

Ａ ＝ （ａｉｊ ）ｍ×ｎ （ｉ ＝ １，２，…，ｍ；ｊ ＝ １，２，…，ｎ） （１）

式中：ａｉｊ 為評價指標(biāo)的原始值。

２）采用極差化法對原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理。

３）計算第ｊ 個指標(biāo)的占比ｂｉｊ ：

２．２ 系統(tǒng)動力學(xué)模型

系統(tǒng)動力學(xué)是一門結(jié)合系統(tǒng)論、控制論、結(jié)構(gòu)論的綜合學(xué)科，注重研究系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和行為的信息反饋機制，從而系統(tǒng)化地解決復(fù)雜問題［１９］ 。系統(tǒng)動力學(xué)方法具有分析速度快、構(gòu)造簡單、可運用非線性方程等優(yōu)點，可以對影響水資源承載力的多因素耦合復(fù)雜系統(tǒng)進行定量分析與模擬，能夠較為準(zhǔn)確地捕獲水資源系統(tǒng)內(nèi)部的宏觀動態(tài)關(guān)系［１３］ 。本文基于水資源供給與需求關(guān)系構(gòu)建水資源承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型。

２．２．１ 模型邊界定義

系統(tǒng)動力學(xué)模型邊界定義為青島市行政區(qū)邊界，模型時間邊界為２０１５ 年、２０３０ 年，時間步長設(shè)為１ ａ，２０１５—２０２２ 年為歷史檢驗期，２０２３—２０３０ 年為模擬預(yù)測期。以此為基礎(chǔ)，設(shè)置青島市城鎮(zhèn)化自然發(fā)展、高速發(fā)展、節(jié)水優(yōu)先和綜合發(fā)展４ 種模式，確定與青島市水資源承載力相適應(yīng)的城市發(fā)展模式。

２．２．２ 系統(tǒng)構(gòu)成

從水資源和社會經(jīng)濟兩方面構(gòu)建水資源承載力系統(tǒng)。水資源子系統(tǒng)分為供水和需水兩部分，其中：供水水源包括本地地表水、淺層地下水、外調(diào)水、再生水和淡化海水，需水包括城鎮(zhèn)居民生活、生產(chǎn)（工業(yè)、建筑業(yè)、服務(wù)業(yè)）和生態(tài)需水。本文研究青島市城區(qū)水資源供需情況以及可承載的人口與經(jīng)濟規(guī)模，故不考慮農(nóng)村、農(nóng)業(yè)用水。社會經(jīng)濟子系統(tǒng)涵蓋經(jīng)濟和人口兩方面。其中：經(jīng)濟方面主要研究水資源供需平衡情況對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響，供過于求說明區(qū)域可用水資源能夠支撐現(xiàn)有社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模，供小于求說明區(qū)域可用水資源不足以支撐現(xiàn)有經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模；經(jīng)濟方面由工業(yè)增加值、建筑業(yè)增加值、服務(wù)業(yè)增加值、ＧＤＰ、人均ＧＤＰ 目標(biāo)值和水資源可承載的經(jīng)濟規(guī)模構(gòu)成。根據(jù)《青島市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和２０３５ 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，人均ＧＤＰ 目標(biāo)值為４ 萬美元。人口方面由總?cè)丝凇⒊擎?zhèn)化率、城鎮(zhèn)人口和水資源可承載的人口規(guī)模構(gòu)成，主要研究水資源供需平衡和經(jīng)濟發(fā)展對城鎮(zhèn)人口的影響。

水資源承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型包含５ 個狀態(tài)變量（總?cè)丝?、城?zhèn)化率、工業(yè)增加值、建筑業(yè)增加值和服務(wù)業(yè)增加值）、５ 個速率變量（總?cè)丝谠隽俊⒊擎?zhèn)化率增量、工業(yè)增加值增量、建筑業(yè)增加值增量和服務(wù)業(yè)增加值增量）、３４ 個輔助變量、２３ 個變量方程式（見表２），３個常數(shù)（生活污水排放系數(shù)、工業(yè)污水排放系數(shù)、服務(wù)業(yè)污水排放系數(shù)，根據(jù)《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》分別?。埃罚罚?、０．７５０、０．４００）。利用Ｖｅｎｓｉｍ 軟件構(gòu)建青島市水資源承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型，其流程圖見圖１（圖中＜Ｔｉｍｅ＞為時間變量）。

２．２．３ 模型驗證

對２０１５—２０２２ 年的ＧＤＰ、城鎮(zhèn)人口、城鎮(zhèn)化率和再生水利用量４ 個關(guān)鍵變量進行一致性檢驗，將模擬數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)進行比較，評估模型的準(zhǔn)確性和參數(shù)的可靠性。若相對誤差控制在±１０％以內(nèi)則表明模擬數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的擬合效果很理想，相對誤差為１０％ ～１５％表明模型效果較好，相對誤差為１５％ ～ ２５％表明模型效果較差［２０］ 。檢驗結(jié)果見表３，除２０１９ 年的ＧＤＰ（相對誤差為１４．４１％）和２０２２ 年的再生水利用量（相對誤差為１１．９１％）外，其他數(shù)據(jù)的相對誤差均在－１０％～１０％范圍內(nèi)，表明模型較為理想，可用來進行青島市水資源承載力仿真模擬分析。

２．２．４ 發(fā)展模式模擬

設(shè)置自然發(fā)展、高速發(fā)展、節(jié)水優(yōu)先和綜合發(fā)展４種模式，測算青島市水資源所能承載的城市最大人口和經(jīng)濟規(guī)模，仿真模擬調(diào)控變量數(shù)值（見表４）。

１）自然發(fā)展。依據(jù)研究區(qū)現(xiàn)有發(fā)展速度和城市規(guī)劃，調(diào)控變量數(shù)值參照２０１５—２０２２ 年實際發(fā)展情況（均值）設(shè)定。此模式涉及的各方面增長率和各類用水定額均保持不變（基準(zhǔn)值），并以此作為其他情景的參考基準(zhǔn)［２１］ 。

２）高速發(fā)展。假設(shè)人口數(shù)量快速增加、經(jīng)濟高速發(fā)展，將人口增長率調(diào)整為２．００％、城鎮(zhèn)化率增長率調(diào)整為２．２５％、工業(yè)增加值增長率調(diào)整為９．００％、建筑業(yè)增加值增長率調(diào)整為１２．２５％、服務(wù)業(yè)增加值增長率調(diào)整為１１．５０％。

３）節(jié)水優(yōu)先。為保障青島市水資源可持續(xù)利用，提倡節(jié)約用水和中水回用，將污水處理率提升至１００．００％、中水回用率調(diào)整到５０．００％，在現(xiàn)有居民用水基礎(chǔ)上，將居民人均生活用水量降至２５．５５ ｍ３ ／ ａ，將每年海水淡化量提升至４ ５００ 萬ｍ３，優(yōu)先利用引黃濟青、南水北調(diào)東線工程等外調(diào)水，將每年調(diào)水計劃額度提升至５０ ０００ 萬ｍ３，其他方面按照自然發(fā)展模式。

４）綜合發(fā)展。結(jié)合高速發(fā)展和節(jié)水優(yōu)先模式，以協(xié)調(diào)全面發(fā)展為目標(biāo)，在節(jié)約水資源的基礎(chǔ)上尋求人口增加和經(jīng)濟發(fā)展提速。

３ 結(jié)果與分析

３．１ 水資源承載力與城鎮(zhèn)化水平評價結(jié)果分析

由表１ 可知，水資源稟賦（權(quán)重為０．３８２）對城市水資源承載力系統(tǒng)的影響最大，水資源管理（權(quán)重為０．３２０）次之，水資源利用（權(quán)重為０．２９８）最小。水資源稟賦、水資源利用和水資源管理對水資源承載力的影響主要體現(xiàn)在產(chǎn)水模數(shù)、水資源開發(fā)利用率和污水處理總量，權(quán)重分別為０．１３１、０．１３３、０．１６５。人口、經(jīng)濟、社會和生態(tài)對城鎮(zhèn)化水平的影響權(quán)重分別為０．２２０、０．２６４、０．２２６、０．２９０，其中影響較大的指標(biāo)有每萬人中大學(xué)畢業(yè)人數(shù)、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占ＧＤＰ 的比例、每萬人醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)床位數(shù)和建成區(qū)綠地覆蓋率（權(quán)重分別為０．０８８、０．１３３、０．０８６、０．１３３）。

２０１５—２０２２ 年青島市水資源承載力和城鎮(zhèn)化水平各準(zhǔn)則層綜合指數(shù)變化情況見圖２。從圖２（ａ）可以看出：水資源稟賦綜合指數(shù)變化較大，原因是其受年降水量影響較大；水資源利用綜合指數(shù)變化大致分為２０１５—２０１９ 年（Ｕ 形上升）、２０２０—２０２２ 年（波動下降）兩個階段，表明近年來青島市水資源利用效率呈下降趨勢；水資源管理綜合指數(shù)呈波動上升趨勢，表明青島市污水處理和工業(yè)用水重復(fù)利用技術(shù)不斷提升；青島市水資源承載力綜合指數(shù)從２０１５ 年的０．１８９ 大幅度增長至２０２２ 年的０．７３５，主要原因是水資源稟賦和水資源管理水平得到較大提升，抵消了水資源利用水平低的不利影響。從圖２（ｂ）可以看出：２０１５—２０２２年青島市城鎮(zhèn)化水平穩(wěn)步提升且幅度較大，原因是影響城鎮(zhèn)化水平的人口、社會、生態(tài)綜合指數(shù)總體呈上升趨勢。

３．２ 不同發(fā)展模式的模擬結(jié)果

利用系統(tǒng)動力學(xué)模型計算的２０１５—２０３０ 年青島市城區(qū)水資源供需情況見表５。

１）自然發(fā)展。自然發(fā)展模式的青島市城區(qū)人口與經(jīng)濟規(guī)模變化情況見圖３。保證青島市城區(qū)人口增長和社會經(jīng)濟發(fā)展，保持現(xiàn)有供水能力，２０１５—２０２７年城市水資源儲備仍有盈余，到２０２８ 年需水總量達到１０．６４ 億ｍ３，供水總量１０．１９ 億ｍ３，出現(xiàn)供水量小于需水量情況，缺水量為０．４５ 億ｍ３（見表５）。２０２２ 年可承載人口７２３．２５ 萬人，２０２５ 年可承載人口７４３．６ 萬人，２０３０ 年可承載人口９０７．９４ 萬人，實際與預(yù)測人口數(shù)量始終超出本地水資源可承載人口規(guī)模。２０２８ 年起當(dāng)?shù)兀牵模?超出水資源可承載的經(jīng)濟規(guī)模。按照當(dāng)前人口增長和社會經(jīng)濟發(fā)展速度，青島市城區(qū)水資源承載力已超出極限，難以維持人口增長和社會經(jīng)濟發(fā)展需求，未來青島市城區(qū)存在較大缺水危機。

２）高速發(fā)展。高速發(fā)展模式的青島市城區(qū)人口與經(jīng)濟規(guī)模變化情況見圖４。青島市２０２７—２０３０ 年將一直處于缺水狀態(tài)，２０２７ 年缺水量為０．３１ 億ｍ３（見表５）；２０２７ 年ＧＤＰ 為２４ １７９．７０ 億元，水資源可承載的經(jīng)濟規(guī)模僅為２３ ４７３．７９ 億元，不足以支撐產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展。青島市城區(qū)水資源能夠承載的人口規(guī)模始終低于高速增長模式的人口規(guī)模，說明高速發(fā)展模式表現(xiàn)出嚴(yán)重的水資源缺乏問題，水資源承載力不足以支撐迅猛的人口增長和城市化發(fā)展。

３）節(jié)水優(yōu)先。節(jié)水優(yōu)先模式的青島市城區(qū)人口與經(jīng)濟規(guī)模變化情況見圖５。

該模式下青島市水資源供給城鎮(zhèn)居民日常生活、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和生態(tài)保護后仍有盈余（見表５），表明采取減少城鎮(zhèn)居民人均生活用水量、加強中水回用、增加外調(diào)水、淡化海水等措施，未來缺水危機將得到緩解。該模式下水資源能夠支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程，但經(jīng)濟發(fā)展與人口增長均較慢。

４）綜合發(fā)展。綜合發(fā)展模式的青島市城區(qū)人口與經(jīng)濟規(guī)模變化情況見圖６。２０３０ 年青島市人口數(shù)量將達到１ ０９３．１３ 萬人，ＧＤＰ 將達到３３ ０３３．５ 億元。該模式下水資源量充足，不存在缺水現(xiàn)象（見表５）。綜合發(fā)展模式從協(xié)調(diào)平衡的角度出發(fā)，在實現(xiàn)水資源節(jié)約集約利用的同時能夠滿足城鎮(zhèn)化高速發(fā)展的需要，實現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展。因此，綜合發(fā)展模式是在水資源可持續(xù)利用和生態(tài)保護的基礎(chǔ)上，推進城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟發(fā)展的最優(yōu)方案。

４ 結(jié)論與建議

１）２０１５—２０２２ 年青島市水資源承載力和城鎮(zhèn)化發(fā)展水平綜合指數(shù)總體呈上升趨勢。水資源承載力受水資源稟賦和水資源管理影響較大，主要影響指標(biāo)為產(chǎn)水模數(shù)、水資源開發(fā)利用率和污水處理總量。對城鎮(zhèn)化水平影響較大的指標(biāo)是每萬人中大學(xué)畢業(yè)人數(shù)、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占ＧＤＰ 的比例、每萬人醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)床位數(shù)和建成區(qū)綠地覆蓋率。建議通過造林種草等水土保持措施，增強水源涵養(yǎng)能力，提高水資源自然補給量；推行水資源節(jié)約集約利用，提高水資源利用效率；擴大污水處理設(shè)施規(guī)模，發(fā)展和應(yīng)用先進的污水處理技術(shù)，提高污水處理能力；擴大高等教育規(guī)模，為地區(qū)發(fā)展培養(yǎng)更多高素質(zhì)人才；優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加大對第二產(chǎn)業(yè)的投入；加大醫(yī)療設(shè)施建設(shè)投入，滿足居民基本醫(yī)療需求，提高醫(yī)療服務(wù)水平；增加城市綠化投入，改善城市生態(tài)環(huán)境。

２）若維持自然發(fā)展模式不變，未來青島市城區(qū)水資源將會供不應(yīng)求，缺水量不斷增大。綜合發(fā)展模式是確保城鎮(zhèn)化和水資源可持續(xù)發(fā)展的最優(yōu)模式，該模式下２０３０ 年青島市城區(qū)人口將達到１ ０９３．１３ 萬人、ＧＤＰ 將達到為３３ ０３３．５ 億元，水資源承載力足以支撐社會經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化的發(fā)展。應(yīng)采取措施鼓勵居民節(jié)約用水，提高中水回用率，加大引黃濟青、南水北調(diào)等外調(diào)水保障能力，提升海水淡化能力，確保各部門用水都能得到保證。

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【責(zé)任編輯 張華興】

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目（７２３０４１６１）