豐水型城市水資源承載力變化與提升途徑
——以南京市為例

朱 嶺，郝麗莎

（南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京210023）

水資源是城市形成和發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一，是城市供水的源泉，世界著名城市幾乎都建在水源豐富的大江大河旁邊［1］。然而，隨著城市化的推進(jìn)、城鎮(zhèn)用地面積擴(kuò)張，眾多湖泊河網(wǎng)衰退消亡，原有的河道水系被人工排水管網(wǎng)所代替，減弱了城市水體的蓄水排澇和納污自?xún)裟芰Γ又鞘邢聣|面的不透水面積大大增加，導(dǎo)致城市地區(qū)的雨洪流量大、洪峰高、歷時(shí)短，洪澇災(zāi)害的發(fā)生頻率與強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)［1－3］。同時(shí)，城市人口的增加、工業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)水資源的需求量不斷增加，水資源供需矛盾愈發(fā)突出；相應(yīng)地，城市污水產(chǎn)生量大、排放相對(duì)集中，對(duì)自?xún)裟芰σ讶蝗趸某鞘泻泳W(wǎng)水環(huán)境造成嚴(yán)重壓力［1］。由此可見(jiàn)，隨著城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，水資源短缺、洪澇災(zāi)害加劇以及水環(huán)境惡化等城市水問(wèn)題將日益嚴(yán)峻，必將削弱城市水資源對(duì)城市人口與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的承載能力，因而，考察城市水資源承載力的變化，從中找出提升城市水資源承載力的途徑和對(duì)策，就顯得日益緊迫了。豐水型城市是指年平均擁有總水量豐富的城市。雖然豐水型城市的水資源并不短缺，但用水多的必然結(jié)果是排污多，勢(shì)必給城市給排水系統(tǒng)和水環(huán)境造成極大壓力，容易導(dǎo)致城市的水質(zhì)型缺水。因此，豐水型城市既有一般城市的水資源承載力特征，又有其一定的特殊性，分析豐水型城市水資源承載力的變化情況及其主要影響因素，對(duì)于加深對(duì)豐水型城市的水資源利用和水環(huán)境管理的認(rèn)識(shí)，提高其水資源承載力具有重要意義。

南京市地處北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，溫暖濕潤(rùn)，多年平均氣溫15.4℃，降水量較為豐沛，到2010年，多年平均降水量1 081.9mm，屬平原水網(wǎng)地區(qū)，年平均地表水資源量2.21×109m3，年平均地下水資源量6.44×108m3，年平均水資源總量2.90×109m3。此外，南京地區(qū)過(guò)境水量十分豐富，主要來(lái)自于長(zhǎng)江、水陽(yáng)江、秦淮河、滁河，年平均水資源總量可達(dá)9.22×1011m3，是典型的豐水型城市。同時(shí)，南京是長(zhǎng)江三角洲重要的區(qū)域中心城市之一，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)、城市化程度最高的城市之一。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，南京已成為以電子、汽車(chē)、化工、鋼鐵為支柱產(chǎn)業(yè)的綜合性工業(yè)基地。截至2011年末，南京的城鎮(zhèn)常住人口達(dá)到646.54萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化率達(dá)到79.73%，城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的需求量日益增加。因此，以南京地區(qū)為例，開(kāi)展豐水型城市的水資源承載力變化及提升途徑分析，具有一定的典型性和可借鑒性。本研究以2006—2010年作為研究時(shí)段，在近20a中，長(zhǎng)江中下游降水量普遍較往年偏少，所選研究時(shí)段屬于南京降水系列的偏枯年份，雖其豐水型特點(diǎn)依然明顯，但不會(huì)因水資源量高于多年平均水平而導(dǎo)致其水資源承載力偏高，從而保證了分析結(jié)果的代表性。

1 城市水資源承載力內(nèi)涵與評(píng)價(jià)方法界定

水資源承載力至今還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義，現(xiàn)有研究對(duì)水資源承載力的內(nèi)涵界定大體可分為3類(lèi)［2，4］：水資源的最大支撐能力［5－6］、最大支撐規(guī)模［7－8］和最大開(kāi)發(fā)容量［9］。最大支撐能力是評(píng)價(jià)水資源對(duì)區(qū)域一段時(shí)期內(nèi)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)模的支撐程度，反映發(fā)展規(guī)模是否合理；最大支撐規(guī)模反映在承受能力限度內(nèi)的最大發(fā)展規(guī)模；最大開(kāi)發(fā)容量”則是從一個(gè)側(cè)面反映出最大的發(fā)展規(guī)模［4］。由于水資源承載力的影響因素較多［10］，彼此之間的作用關(guān)系復(fù)雜，因而，要求測(cè)水資源的最大支撐規(guī)模和最大開(kāi)發(fā)容量，一般需要建立多目標(biāo)規(guī)劃模型或系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，這兩種模型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變量眾多，對(duì)數(shù)據(jù)的需求量也很大。而對(duì)水資源最大支撐能力的評(píng)價(jià)，一般通過(guò)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用模糊綜合評(píng)價(jià)、灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)等綜合評(píng)價(jià)方法，得出一個(gè)比較全面的水資源承載能力的評(píng)判，能夠較好地解決水資源承載力評(píng)價(jià)的不確定性和模糊性等問(wèn)題，也適宜開(kāi)展長(zhǎng)系列的年際比較和變化分析。由于本研究主要考察水資源對(duì)城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展支撐作用的變化情況，確定其關(guān)鍵影響因素，并不具體分析影響因素之間的相互關(guān)系，因而，可將城市水資源承載力的內(nèi)涵界定為一段時(shí)期內(nèi)，在維系生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的前提下，水資源對(duì)城市社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模的支撐程度。其中，所研究的城市，特指城市建成區(qū)，不包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地域。

目前，學(xué)者們對(duì)城市水資源承載力的研究亦大體可分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是采用多目標(biāo)規(guī)劃和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，測(cè)度水資源對(duì)城市社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大承載規(guī)模［2－3，6，11－12］，另一 類(lèi) 是 采 用 綜 合 評(píng) 價(jià) 法，評(píng) 價(jià) 水 資源對(duì)城市社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐程度［13－14］。由于一般情況下，城市區(qū)并不是一個(gè)完整的流域，而采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和多目標(biāo)規(guī)劃法計(jì)算城市最大社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模時(shí)，則需要滿(mǎn)足流域或更大區(qū)域尺度上的水資源承載能力要求，即其所研究的實(shí)質(zhì)上是基于一定水資源邊界條件的區(qū)域，而不是特定的城市建成區(qū)［3］。而在城市水資源最大支撐能力的綜合評(píng)價(jià)研究中，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系所體現(xiàn)的城市性亦不足［13－14］。因而，本研究擬在進(jìn)一步完善城市水資源承載力的指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，對(duì)南京地區(qū)多年的城市水資源承載力及其變化進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與數(shù)據(jù)

根據(jù)城市水資源的特性及利用方式，構(gòu)建了城市水資源承載力的指標(biāo)體系。首先，城市水資源承載力最顯著區(qū)別于其他類(lèi)型地域之處，就在于城市下墊面情況改變所帶來(lái)的水文效應(yīng)變化［1，3］；其次，有限的水資源量和無(wú)限的城市用水需求之間的矛盾，是城市水資源承載力的主要矛盾之一，因而，一方面要考察城市的水資源量情況，另一方面則要考察城市的需水規(guī)模和利用效率［15－16］；第三，由于城市徑流的產(chǎn)流和匯流較天然條件下發(fā)生很大變化，因而，人工水循環(huán)系統(tǒng)、特別是排水系統(tǒng)對(duì)雨洪的導(dǎo)流、配置和再利用的作用巨大［1，3］，即排水設(shè)施的發(fā)展水平也應(yīng)是重要的考量指標(biāo)；此外，由于水質(zhì)污染使水資源不能進(jìn)入再生的良性循環(huán)，是影響城市供水和水環(huán)境的又一重要問(wèn)題，因而在水環(huán)境保護(hù)方面，應(yīng)以“治污為本”為原則，強(qiáng)調(diào)污水凈化和排污水質(zhì)控制［1］。基于以上分析，本研究構(gòu)建了3個(gè)子系統(tǒng)、9個(gè)指標(biāo)的城市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其選取理由詳見(jiàn)表1。指標(biāo)中包括正向指標(biāo)和反向指標(biāo)兩類(lèi)，正向指標(biāo)值越大，對(duì)水資源承載能力壓力越?。环聪蛑笜?biāo)值越小，對(duì)水資源承載能力壓力越小。所采用的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)分別來(lái)源于歷年年南京市統(tǒng)計(jì)年鑒、南京市水資源公報(bào)、江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒和江蘇省水資源公報(bào)（表2）。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 南京城市水資源承載力2006－2010年評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)

3 承載力評(píng)價(jià)及變化分析

基于構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法來(lái)量化南京城市水資源承載力，并確定其等級(jí)。模糊綜合評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建［9］：有限域U＝｛u1，u2，…，u9｝，代表上述9項(xiàng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)集合；V＝｛v1，v2，v3｝，代表評(píng)語(yǔ)集合，即將南京城市水資源承載力的各項(xiàng)指標(biāo)劃分為3個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其中v1表示承載能力高，v2表示承載能力適中，v3表示承載能力低（表3）。為量化評(píng)語(yǔ)的3個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可對(duì)v1～v3進(jìn)行0～1區(qū)間的評(píng)分，其中α1＝0.95，α2＝0.5，α3＝0.05。W＝｛w1，w2，…，w9｝，表示評(píng)價(jià)指標(biāo)ui的權(quán)重，根據(jù)層次分析法［17］，求出各指標(biāo)權(quán)重（表4）。R 為單指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣，其中rij表示指標(biāo)ui的評(píng)價(jià)對(duì)Vi的隸屬度。綜合評(píng)判結(jié)果矩陣為B＝W·R，式中B＝｛b1，b2，b3｝，是V上的模糊子集，表示綜合評(píng)判結(jié)果，bj為各等級(jí)隸屬度，其中系數(shù)較大者則代表水資源承載能力屬于該級(jí)別的程度較高。進(jìn)而，利用公式：A＝α1b1＋α2b2＋α3b3，計(jì)算基于綜合評(píng)判結(jié)果矩陣B的水資源承載力綜合評(píng)分值A(chǔ)，A值越高，表明水資源承載力越強(qiáng)［9］。

表3 南京城市水資源承載力指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)以上方法，可得出2006—2010年南京城市水資源承載力（表5）。由此可知，2006—2010年，南京城市水資源承載力總體上呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，大致處于適載范圍內(nèi)；其中，2008和2010年，南京城市水資源承載力略有回落?？梢?jiàn)，南京城市水資源承載能力有限，且呈波動(dòng)走勢(shì)，表明影響南京城市水資源承載力的正向指標(biāo)還有上升空間，而負(fù)向指標(biāo)亦有待進(jìn)一步控制。

表5 南京城市水資源承載力2006－2010年綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

為進(jìn)一步分析影響南京城市水資源承載力變化的關(guān)鍵因素，可以2006年為基準(zhǔn)年，采用單因素敏感性分析法找出影響南京城市水資源承載力的主要敏感性指標(biāo)。單因素敏感性分析是指在其他指標(biāo)值保持不變的情況下，將某個(gè)特定指標(biāo)的數(shù)值按一定比例進(jìn)行變化，計(jì)算由此形成的水資源承載力水平，及其相對(duì)于實(shí)際承載力的變化情況［18］。由于城市水資源承載力各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)際年際變化幅度相差較大，如南京市人均GDP的年際變化幅度多在10%以上，而污水處理率的年際變化僅在1%左右，因而，對(duì)所有指標(biāo)設(shè)定相同的變化幅度是不合理的，可首先計(jì)算各指標(biāo)年際變化的平均水平，如取其中位數(shù)，再對(duì)平均變化水平按－10%，－5%，5%和10%進(jìn)行縮放，即通過(guò)小幅調(diào)整特定指標(biāo)的變化幅度（速度），來(lái)考察它在2006年基礎(chǔ)上的變化值和相應(yīng)的水資源承載能力。

由表6可知，人均GDP、常住人口增長(zhǎng)率、萬(wàn)元GDP用水量、城市人均日生活用水量的小幅變化將導(dǎo)致南京城市水資源承載力的顯著變化，即為主要敏感性指標(biāo)；同時(shí)，南京城市水資源承載力對(duì)人均水資源量和污水處理率的變化也有一定敏感性。其中，正向指標(biāo)人均水資源量和污水處理率均呈總體上升走勢(shì)，負(fù)向指標(biāo)萬(wàn)元GDP耗水量呈顯著單調(diào)遞減態(tài)勢(shì)，3者共同支撐起南京城市水資源承載力的總體上升走勢(shì)；同時(shí)，負(fù)向指標(biāo)城市人均日生活用水量和人均GDP卻總體上呈明顯上升走勢(shì)，從而相應(yīng)抑制了南京城市水資源承載力的持續(xù)增長(zhǎng)；特別是2008年南京的偏干特征明顯，人均水資源量顯著下降，導(dǎo)致2008年的承載力大幅下降；而2010年，城市常住人口增長(zhǎng)率逆勢(shì)大幅上升，與其他主要負(fù)向影響因素一起，共同導(dǎo)致了當(dāng)年承載力的明顯回落。反映出水資源量并不是制約豐水型城市水資源承載力的最主要因素，而快速的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來(lái)的強(qiáng)用水需求壓力，以及水資源的低利用效率，則會(huì)加劇豐水型城市水資源供給量與需求量之間的矛盾；同時(shí)，污水處理設(shè)施不完備和利用率低，則會(huì)加劇水環(huán)境惡化、制約水資源的循環(huán)利用潛力，從而造成城市的污染型和設(shè)施型缺水，降低水資源對(duì)城市社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐能力。

表6 南京城市水資源承載力敏感性分析結(jié)果

4 水資源承載力提升途徑分析

4.1 提升途徑情景分析

針對(duì)確定的主要敏感性指標(biāo)，開(kāi)展情景分析，對(duì)這些指標(biāo)制定相應(yīng)的調(diào)控對(duì)策，獲得提升未來(lái)南京城市水資源承載力的最優(yōu)途徑。由于常住人口增長(zhǎng)率和人均水資源量均難以由政策因素加以控制，因而本研究?jī)H選擇人均GDP、萬(wàn)元GDP用水量、人均日生活用水量和污水處理率這4個(gè)敏感性指標(biāo)作為情景分析指標(biāo)。

根據(jù)南京市“十二五”規(guī)劃和南京節(jié)水型社會(huì)建設(shè)規(guī)劃（2007年），設(shè)置4項(xiàng)敏感性指標(biāo)2015年發(fā)展的中方案，在此基礎(chǔ)上，對(duì)各指標(biāo)的平均年際變化幅度（絕對(duì)值）分別增減10%，設(shè)置正向指標(biāo)的高、低發(fā)展方案，并反向設(shè)置負(fù)向指標(biāo)的高、低發(fā)展方案，其他指標(biāo)采用2015年預(yù)測(cè)值（表7）。進(jìn)而，制定了提升南京城市水資源承載力的12種可行的備選方案，分別對(duì)其進(jìn)行綜合分析，得出的水資源承載力水平按降序排列（表8）。其中，人均GDP代表經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)規(guī)模，萬(wàn)元GDP用水量代表用水效率，城市人均日生活用水量代表用水節(jié)約水平，污水處理率代表污水處理水平。后3項(xiàng)指標(biāo)可以統(tǒng)稱(chēng)為水資源的利用率指標(biāo)。

表7 各項(xiàng)指標(biāo)2015年預(yù)測(cè)值

表8 不同方案情景下的水資源承載力

根據(jù)表8可知，未來(lái)南京城市水資源承載力的最優(yōu)提升方案為低增長(zhǎng)、高效率、高節(jié)約、高處理率，而最差方案為高增長(zhǎng)、低效率、低節(jié)約、低處理率。進(jìn)一步考察4項(xiàng)指標(biāo)的情景方案組合結(jié)果可知，高水資源利用率的情景方案均排在前列，而低水資源利用率的情景方案基本均居后位，表明提高水資源的利用率比控制經(jīng)濟(jì)的發(fā)展規(guī)模更有利于提高南京城市水資源的承載力，但在水資源利用率相同的情景下，低增長(zhǎng)更有利于提高水資源承載力；對(duì)比3項(xiàng)水資源利用率指標(biāo)可知，在高用水效率和高節(jié)約水平的情景下，南京城市水資源承載力高于高污水處理水平情景下的承載力，表明在提高南京城市水資源承載力方面，嚴(yán)格控制萬(wàn)元GDP用水量和城市人均日生活用水量比提高城市污水處理率更為有效，主要是因?yàn)槟暇┑娜f(wàn)元GDP用水量和城市人均日生活用水量?jī)身?xiàng)指標(biāo)還有較大的壓縮空間，而南京的城市污水處理率水平已經(jīng)較高，且提升難度較大。

4.2 水資源承載力提升建議

綜上所述，提高生產(chǎn)、生活用水效率，節(jié)約寶貴水資源，輔以污水處理率的穩(wěn)步提升，是豐水型城市穩(wěn)定和提升水資源承載力的主要途徑。具體措施包括：（1）對(duì)于所有豐水型城市，都應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)用水效率和水資源節(jié)約水平的提高，從而在保證一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度和規(guī)模的前提下，控制用水總量，減少污水排放。（2）對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)滯后的豐水型城市，還應(yīng)著力完善污水處理設(shè)施建設(shè)、提高設(shè)備的有效利用率，以保護(hù)水環(huán)境、增加水資源的循環(huán)利用水平。（3）對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的豐水型城市，還可適當(dāng)壓縮石油石化、鋼鐵、火力發(fā)電等高用水行業(yè)的發(fā)展比重，大力發(fā)展節(jié)水型現(xiàn)代服務(wù)業(yè)，這樣在近期內(nèi)將通過(guò)減緩經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度，緩解用水壓力，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，則可以構(gòu)建起內(nèi)涵式用水型的產(chǎn)業(yè)體系，提高經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)質(zhì)量，促進(jìn)城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)與水資源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

5 結(jié)論

2006—2010年南京城市水資源承載力總體上呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，大致處于適載范圍內(nèi)，但承載力有限、波動(dòng)明顯。通過(guò)敏感性分析，確定影響其變化的關(guān)鍵因素為人均GDP、常住人口增長(zhǎng)率、萬(wàn)元GDP用水量和城市人均日生活用水量，人均水資源量和污水處理率亦具有一定影響作用。進(jìn)而，通過(guò)情景分析，考察了人均GDP、萬(wàn)元GDP用水量、人均日生活用水量和污水處理率4個(gè)敏感性指標(biāo)的發(fā)展水平對(duì)南京城市水資源承載力的影響情況。在此基礎(chǔ)上指出，提高生產(chǎn)、生活用水效率，節(jié)約寶貴水資源，輔以污水處理率的穩(wěn)步提升，是豐水型城市穩(wěn)定和提升水資源承載力的主要途徑，并根據(jù)不同城市類(lèi)型提出了相應(yīng)的水資源承載力提升建議。

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