南京市水資源承載力評價

張光鳳，張祖陸

（山東師范大學 人口·資源與環(huán)境學院，山東 濟南250014）

水資源承載力是資源承載力的重要組成部分，但由于水資源承載力的區(qū)域性以及其影響因素的復雜性與不確性，水資源承載力的概念至今沒有一個統(tǒng)一的表達。

概括地說可以分為以下幾類。（1）以施雅風［1］、惠泱河［2］、韓俊麗等［3］為代表從水資源的最大支撐能力的角度對水資源承載力的解釋。例如韓俊麗等［3］對水資源承載力的解釋為在特定的歷史發(fā)展階段，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維護生態(tài)良性循環(huán)為條件，以可預見的技術、經(jīng)濟和社會發(fā)展水平為依據(jù)，在水資源適度開發(fā)和優(yōu)化配置的前提下，區(qū)域水資源系統(tǒng)對當?shù)厝丝诤蜕鐣?jīng)濟發(fā)展的最大支持能力。（2）從水資源的最大支撐規(guī)模的角度進行定義。典型代表有阮本春［4］、何希吾［5］、夏軍［6］、張麗［7］等人，例如夏軍等［6］對水資源承載力的定義為某一區(qū)域在特定歷史階段的特定技術和社會經(jīng)濟發(fā)展水平條件下，以維護生態(tài)良性循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展為前提，當?shù)厮Y源系統(tǒng)可支撐的社會活動規(guī)模和具有一定生活水平的人口數(shù)量。（3）從水環(huán)境的最大承受能力的角度進行的定義。例如許友鵬［8］認為水資源承載力是指在一定的技術經(jīng)濟水平和社會生產(chǎn)條件下，水資源可最大供給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活和生態(tài)環(huán)境保護的用水的能力，即水資源的最大開發(fā)容量，在這個容量下水資源可以自然循環(huán)和更新，并不斷地被人們利用，造福于人類，同時不會造成惡化。

基于以上定義，本文對某區(qū)域水資源承載力的定義為：某地區(qū)在某一發(fā)展階段，以該地區(qū)社會發(fā)展水平和技術為依據(jù)，在可持續(xù)發(fā)展的框架下，以維持生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)為條件，在水資源得到合理開發(fā)利用和有效配置的前提下，區(qū)域水資源所支撐最大社會經(jīng)濟規(guī)模。

關于水資源承載力研究采用的方法有常規(guī)趨向法［1］、模糊綜合評價法［8－9］、多目標模型分析法［10］、系統(tǒng)動力學方法［3，11］、主成分分析法［12］等，這些方法各自有各自的優(yōu)勢與劣勢，目前沒有形成成熟的方法體系。水資源承載力研究是屬于評價、規(guī)劃與預測一體化性質的綜合研究。由水資源承載力的定義可以看出，對于水資源承載力的研究必須綜合考慮水資源系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)以及生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，同時要充分考慮到水資源承載力評價指標的多層性、綜合性、不確定性與模糊性。

因此，本文采取多層次模糊綜合評價模型的改進模型——復合模糊評價模型［13］，既保留了多層次模糊綜合評判方法的優(yōu)勢，又克服了它遺失有用信息、信息利用率低的局限性。

1 南京市概況

南京市位于江蘇省西南部，東與揚州、鎮(zhèn)江、常州3市接壤，南、西、北部與安徽毗鄰［14］，是江蘇省政治、經(jīng)濟、文化、交通的中心；下轄6個城區(qū)、5個郊區(qū)、2個縣，總面積6 582km2。地理坐標118°21′28″—119°15′57″E，30°13′39″—32°36′37″N；地貌類型多樣，交錯分布，其中平原凹地占24.0%，低山占15.7%，丘陵占48.9%，水面占11.4%。

南京市境內(nèi)共有大小河道120條，分屬兩江（長江、青弋江—水陽江）、兩湖（固城湖、石臼湖）、兩河（滁河、秦淮河），以跨省、市的流域劃分水系，可劃分為長江南京段、滁河、秦淮河、青弋江—水陽江4大水系。

南京市地處北亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候溫暖濕潤，多年平均氣溫15.4℃，降水量較為豐沛，多年平均降水量1 075.5mm。降雨量分布不均勻。

南京市年平均水資源總量2.56×109m3，其中地表水資源量1.86×1010m3，地下水資源量7.00×109m3。過境水資源量比較豐富，年平均水資源量9.22×1011m3，主要來自于長江、水陽江、秦淮河、滁河。

改革開放以來，南京市城市和人口規(guī)模迅速發(fā)展，已經(jīng)形成電子信息、鋼鐵、汽車電力、石油化工五大產(chǎn)業(yè)為主導的綜合型工業(yè)體系；高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)等工業(yè)園的發(fā)展［14－16］，促進了沿長江地區(qū)外向型經(jīng)濟的發(fā)展。隨著區(qū)域經(jīng)濟一體化帶來的機遇，沿江城市化的發(fā)展與水資源利用之間必然存在著不可忽視的矛盾。南京段江河起著行洪、供水排水和美化環(huán)境的多種功能，而南京市的快速發(fā)展是以沿江大規(guī)模的開發(fā)為基礎的，沿江發(fā)展必然使南京市水資源的供需發(fā)生變化，對水環(huán)境質量產(chǎn)生影響。因此本文以南京市為例，分析了隨著長江下游沿江城市發(fā)展，對水資源承載力進行了現(xiàn)狀分析與預測。

2 南京市水資源承載力基于復合模糊評價模型的計算

2.1 水資源承載力的指標體系［13，16－18］

綜合評價是對各評價指標的信息綜合。指標的選取一般遵循以下原則：整體性、層次性、獨立性、區(qū)域性、可測性、可操作性、綜合性指標優(yōu)先等。

影響水資源承載力的因素多種多樣，概括來講主要包括：某地區(qū)水資源的數(shù)量、質量以及開發(fā)程度；區(qū)域社會的發(fā)展狀況；區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平；區(qū)域的政策法規(guī)、市場、其他資源的利用潛力等。這些因素決定評價水資源承載力的評價指標體系的龐大性與復雜性。對一個區(qū)域進行水資源承載力評價時，應結合當?shù)氐木唧w情況選擇評價指標體系。

南京市水資源承載力指標的選取主要考慮以下4個方面：（1）南京地處長江下游，水資源總量充足。因此，選取了人均水資源量、人均用水量以及水資源利用率3個指標來反映南京市水資源的數(shù)量以及開發(fā)程度；（2）人口自然增長率與城市化水平是體現(xiàn)一個南京市城市的擴張程度和城市人口發(fā)展速度的重要指標，從另一方面反映了南京市水安全壓力；（3）經(jīng)濟方面，人均GDP以及第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重反映了南京市的經(jīng)濟發(fā)展，萬元GDP水耗體現(xiàn)了城市的節(jié)水力度；（4）生態(tài)環(huán)境方面，80年代以來，秦淮河等水域逐步遭到污染，目前形勢仍十分嚴峻，需要加以綜合治理，而污水處理率反映了一個南京市的污水處理能力，工業(yè)廢水排放達標率越大，對提高水質和節(jié)約工業(yè)用水量的貢獻越大，綠化覆蓋率則體現(xiàn)了南京政府對環(huán)境的重視程度以及城市綠化需水量。因此，南京市水資源承載力指標系統(tǒng)如表1所示。

表1 南京市水資源承載力指標體系

2.2 南京市水資源復合模糊評價

復合模糊評價模型的基本思路是：先計算指標承載（隸屬）度，初級評判是通過多指標水資源承載力的4個子系統(tǒng)分承載力的評判，二級評判是對整個水資源承載力的評判。

2.2.1 南京市現(xiàn)狀年水資源承載力的計算

（1）隸屬度以及權重的確定［14］。

正向指標采用公式：

逆向指標采用公式

式中：xi——i指標的實際值；u（xi）——xi指標的隸屬度；a，b——i指標的可承載臨界值和理想值。

各個因子權重是根據(jù)相關的資料并結合專家綜合打分確定（如表2所示）。

（2）初級評判。確定每個子系統(tǒng)中的每個元素的隸屬度與權重后，每個子系統(tǒng)的分承載力為：

式中：Bi——i系統(tǒng)的分承載力；uij，aij——第i個子系統(tǒng)的隸屬度與權重；ni——第i個子系統(tǒng)指標個數(shù)。由此可得水資源子系統(tǒng)分承載力（WR）、社會子系統(tǒng)分承載力（SC）、經(jīng)濟子系統(tǒng)分承載力（EC）、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)分承載力（EE）分別為0.095 6，0.955 0，0.856 1，0.873 2。

（3）二級評判。二級評判采用乘積算子進行計算。

水資源承載力：WRCC＝

2.2.2 評價結果分析 為了更細致地描述南京市水資源的承載狀態(tài)，對WRCC的值進行等級劃分（如表3所示）。

表2 南京市2009年水資源承載力初級評判

表3 水資源承載力等級劃分

由以上計算結果可以看出，2009年南京市的水資源承載力評價值僅為0.365 4，隸屬可承載范圍，但已經(jīng)處于可承載的邊緣。水資源子系統(tǒng)承載力為0.095 6，已屬于不可承載的范疇，這主要是因為南京市人口較多，人均水資源量少造成的。

3 南京市水資源承載力預測分析

運用灰色預測［13，19－20］對水資源承載力系統(tǒng)相關指標進行預測，然后運用復合模糊綜合模型對2020年的水資源承載力進行預測分析。

3.1 相關指標的預測

3.1.1 GDP預測 南京市2000—2009年GDP原始數(shù)據(jù)以及根據(jù)模型所求得的數(shù)據(jù)分析如下。

（1）級比檢驗。

數(shù)據(jù)序列：x0＝（1 385.14，1 690.77，2 067.18，2 451.94，2 822.8，3 340.05，3 814.62，4 230.26）

計算級比：σ＝（8 192，0.817 9，0.843 1，0.868 6，0.845 1，0.875 6，0.901 8）

均落在可容覆蓋（0.800 7，1.248 8）內(nèi)，故可進行灰預測建模。

（2）模型建立與求解。

累加生成序列：x1＝（x11，x12，…，x1n），其中x1k＝∑ki＝1x0i，k＝1，2，…，n，具體數(shù)值為x1＝（1 385.14，3 075.91，5 143.09，7 595.03，10 417.8，13 757.9，17 572.5，21 802.8）。

均值生成序列：z1＝（z12，z13，…，z1n），其中z1k＝0.5x1k＋0.5 x1k－1，k＝2，3，…，n，所求數(shù)據(jù)為z1＝（2 230.53，4 109.5，6 369.06，9 006.43，12 087.9，15 665.2，19 687.6）。建立灰微分方程為：

其中a是發(fā)展灰度，b是內(nèi)生控制灰度，由最小二乘法得＾A＝（＾a，＾b）＝（BTB）－1BTY

解方程（4）得：

則根據(jù)模型進行計算求得：

（3）殘差檢驗。

由圖1可得，ε（k）＜0.1，ε（avg）＝0.024 9，由此得精度p＝1－ε（avg）＝97.51%＞95%。建模達到較高的精度，可以用此模型進行GDP預測。

圖1 南京市GDP預測模型殘差檢驗

（4）2020年GDP預測。

2020年的經(jīng)濟規(guī)模計算如下：

即2020年GDP為21 653.9億元。

3.1.2 其他指標預測結果 其他指標的預測都是按照經(jīng)濟預測的步驟進行的，預測結果如下。

（1）人口預測模型：x1k＋1＝35 147.76e0.01623k－34 584.48，2020年人口預測值為758.128萬人。

（2）第三產(chǎn)業(yè)比重預測模型：x1k＝1＝40.88e0.01145k－40.4，2020年第三產(chǎn)業(yè)比重預測值為57.22%。

（3）自然增長率預測模型：x1k＋1＝74.1e0.30104k－71.81，2020年的自然增長率預測值為3.72%。

（4）污水處理預測模型：x1k＋1＝2 375.3×e0.03065k－230 562，精度為98.3%。預測2020年污水處理率為124.5%，因處理率不可能超過100%，所以2020年污水處理率為100%。

（5）污水排放達標率預測型：x1k＋1＝9 586.52 e0.00941k－9 495.4，精度為99.12%，由此預測出2020年污水處理達標率106.31%，大于100%，因此2020年的污水處理達標率為100%。

（6）植被覆蓋率預測模型：x1k＋1＝9 234.09×e0.00479k－9 191.2，精度為98.94%，2020年植被覆蓋率預測為48.07%。

（7）城 市 化 水 平 預 測 模 型：x1k＋1＝3 601.93 e0.01928k－3 541.7，精度為98.64%，2020年的預測值為97.34%。

（8）水資源利用率預測模型：x1k＋1＝ －56.99 e－0.01k＋57.55，精度為98.56%。由此可得2020年水資源利用率為47.93%。

（9）需水量的預測模型：x1k＋1＝－2 903e0.0213k＋2 959.95，精度為95.4%，2020年的需水量為43.54×109m3。

（10）供水量預測?！赌暇┦锌傮w規(guī)劃（2007—2020年）》中提議南京是將長江作為全市主要供水源，固城湖、中山、方便、金牛等水庫作為補充水源以及應急備用水源，南京規(guī)劃15座城市水廠，供水總體規(guī)模6.30×106m3／d，總供水量大約2.30×109m3。

3.2 2020年水資源承載力的復合模糊分析

利用灰色預測方法預測分析相關的數(shù)據(jù)進行2020年的水資源承載力復合模糊分析。

（1）初級評判。由表4可得南京市2020年的水資源承載力子系統(tǒng)的分承載力分別為：

WR＝0.18，SC＝0.943 2，EC＝0.993 6，EE＝0.932 8.具體計算過程數(shù)值如表6所示。

（2）Ⅱ級評判：WRCC＝WR0.4×SC0.2×EC0.2×EE0.2＝0.490 2，隸屬于可承載范疇，相對于2009年承載力有所提高。

表4 南京市2020年水資源承載力初級評判結果

通過對2009年與2020年的水資源承載力的計算分析可以看出，南京市的水資源承載力水平都處于可承載范疇，并且2020年的承載能力比2009年提高了34%，子系統(tǒng)的分承載力都相對有所提高，其主要原因如下。

（1）在水資源子系統(tǒng)中，2020年的預測的人均用水量相對于2009年有所減少。

（2）在社會子系統(tǒng)中，水資源的分承載力有所下降，主要是由于人口的自然增長率相對于2009年增長了44%。

（3）在經(jīng)濟子系統(tǒng)中，水資源的分承載力有2009年的0.856 1增長到2020年的0.993 6，這主要是由于2020年的萬元水耗量由2009年的96m3／萬元降到了2020年的預測的20m3／萬元，同時第三產(chǎn)業(yè)所占比重增加了5.9%。

（4）在生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)中，水資源分承載力增加是因為3個指標都為正向指標且指標數(shù)值都有所增加，污水處理率與污水排放達標率2020年的預測值都達到了100%。

4 對策與展望

4.1 水資源可持續(xù)利用的對策

（1）節(jié)約用水，建設節(jié)水型社會。調(diào)節(jié)城鎮(zhèn)生活用水定額，進一步調(diào)節(jié)水價，提高居民的節(jié)水意識，重點在于開發(fā)新的節(jié)水設備和器具，加快供水管網(wǎng)的改造；工業(yè)方面，建立健全完善的節(jié)水管理體系與法規(guī)，推行節(jié)水目標責任制，重新制定主要行業(yè)的用水定額；農(nóng)業(yè)用水方面，開發(fā)和研究抗旱節(jié)水的農(nóng)作物品種，以及用于澆灌的節(jié)水技術，全面改造骨干灌水線，提高骨干渠線的配套率以及防滲率。

（2）調(diào)節(jié)用水結構結構，降低萬元GDP耗水量。改變?nèi)萎a(chǎn)業(yè)的比例，增加第三產(chǎn)業(yè)比重，同時提高南京市用水企業(yè)的重復利用率，節(jié)約用水，逐步降低萬元GDP耗水量。

（3）污水處理，中水回用。改變傳統(tǒng)污水處理方式，采用循環(huán)經(jīng)濟理念，以源頭控制為主，嚴格控制新的污染源；對于污染較重的化工企業(yè)要嚴格限制，新工廠要避開工業(yè)密集帶以及沿江地帶；在生產(chǎn)過程中采用高科技創(chuàng)新有效的清潔生產(chǎn)技術；通過排污口改道，同時對水上交通污染以及生活垃圾進行收集處理來實現(xiàn)對南京主城沿江水污染的控制。并繼續(xù)對秦淮河、玄武湖、莫愁湖等水環(huán)境污染的綜合治理工程。完善老城區(qū)中水處理設施以及管道系統(tǒng)的建設，將中水回用應用于農(nóng)業(yè)灌溉中，提高中水利用率。

（4）蓄引結合，合理開發(fā)利用水資源。南京市本地水資源不足，特別是丘陵山區(qū)產(chǎn)水量低，蓄水條件差，經(jīng)常遭遇干旱；而長江過境水量豐沛，年客水資源量為9.00×109m3左右，沿江水資源供需平衡，但解決丘陵山區(qū)干旱較為困難。因此，對于丘陵山區(qū)，可通過修建建小型水庫或挖水井的辦法，同時居住房設置引水管，修建蓄水池收集雨水，城市用來澆花以及其他生活用水，農(nóng)村可以用來飼養(yǎng)家畜家禽，以此節(jié)約用水增加蓄水量。

4.2 水資源承載力研究展望

水資源承載力研究涉及的是水—社會—經(jīng)濟—環(huán)境耦合系統(tǒng)，盡管本文在充分利用前人研究成果并對前人研究成果創(chuàng)新的基礎上，選取了各個系統(tǒng)的水資源承載力指標，但是由于水資源承載力系統(tǒng)的復雜性、各系統(tǒng)之間的相互關系以及數(shù)據(jù)來源和方法的局限性，可能造成本文所得的南京市水資源承載力的水平不夠精確，與實際水平有一定的偏差。以此，在今后的研究中，需要進一步加強對水資源承載力各個系統(tǒng)的相互約束機制以及各系統(tǒng)內(nèi)部各指標之間的相互關系的研究。而本文對經(jīng)濟快速發(fā)展，城市化進程以及人民生活水平迅速提高的南京市的水資源承載力進行了現(xiàn)狀分析與預測，根據(jù)分體提出水資源可持續(xù)發(fā)展的對策，這種研究對于探討地區(qū)水資源承載能力有一定的示范意義。

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