揚州市水資源承載能力評價研究

趙林林，劉海婧，嚴 鈺

(1.江蘇省水文水資源勘測局揚州分局,江蘇 揚州 225002;2.上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

當(dāng)前工業(yè)化生產(chǎn)創(chuàng)造了巨量物質(zhì)財富，然而人口劇增與超負荷的經(jīng)濟活動不斷擠壓生態(tài)空間，引起土地退化、水污染、資源短缺、生物多樣性下降等系列環(huán)境問題，這對人與自然可持續(xù)發(fā)展帶來挑戰(zhàn)。其中，水資源作為生命演替的物質(zhì)基礎(chǔ)，更易受到不合理的人為活動的影響。水資源承載力是指基于當(dāng)前經(jīng)濟技術(shù)背景，一定區(qū)域內(nèi)水環(huán)境要素在維持自身平衡演替的前提下，對區(qū)域人口和社會發(fā)展最大的支撐能力，用以定量表征區(qū)域自然環(huán)境與經(jīng)濟社會發(fā)展的協(xié)調(diào)程度與發(fā)展?jié)摿1]。2005年世界減災(zāi)大會中提出建立國際、社區(qū)尺度上環(huán)境承載力評估框架，并將水資源承載力的研究作為核心工作之一[2]。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者針對景觀水平、省際尺度上水資源承載力評價模型，而眾多研究尺度單元較大，注重其時間變化特性，忽略了其空間分布差異。揚州是長江中下游經(jīng)濟較發(fā)達城市，區(qū)域水資源總量相對豐富、人口密集、水環(huán)境壓力較大，研究市域水資源承載力空間分布差異，以期為區(qū)域資源管理提供決策依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

揚州地處江蘇省中部，江淮流域下游，地理坐標(biāo)為32°15′～33°25′N，119°01′～119°54′E，政區(qū)面積6591km2；其中，屬長江流域面積為1089km2，屬淮河流域面積為5502km2。全市地形平坦開闊，長江與京杭大運河交匯，境內(nèi)有白馬湖、寶應(yīng)湖、高郵湖、邵伯湖等，水域面積達1365km2，占全市面積的20.7%。受東亞季風(fēng)與西伯利亞高壓控制，形成北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，冬季干冷，夏季炎熱多雨，多年平均氣溫15.2℃，降水量為1007.3mm。揚州市地狹人稠，用水結(jié)構(gòu)主要依賴長江、淮河過境水資源量；本地水資源以地表徑流為主，多年平均水資源總量為20.20億m3，人均占有量為448m3，低于800m3的閾值水平，按本地水資源量統(tǒng)計，屬于水資源匱乏區(qū)。

1.2 水資源承載力評價指標(biāo)體系

PSR(Pressure-State-Response)概念框架是聯(lián)合國環(huán)境署用于人地關(guān)系、環(huán)境評價的經(jīng)典范式[3]，該模型以因果關(guān)系闡釋資源環(huán)境系統(tǒng)、經(jīng)濟社會需要、人與自然交互影響之間，可以深刻地描述水資源對自然因素的依賴性與對經(jīng)濟社會的脅迫性，依據(jù)該概念建立的指標(biāo)體系涵蓋了水資源承載力的綜合反饋機理，具有廣泛應(yīng)用性。借鑒相關(guān)學(xué)者們的經(jīng)驗[3- 4]，在對區(qū)域人口、經(jīng)濟、資源、環(huán)境等要素進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建揚州市水資源承載力評價指標(biāo)體系，正向指標(biāo)屬性值越大或負向指標(biāo)屬性值越小，則水資源承載力指數(shù)越高，見表1。

表1 揚州市省水資源承載力評價指標(biāo)系統(tǒng)

1.2.1熵權(quán)法

熵權(quán)法是依據(jù)指標(biāo)信息熵的離散度進行客觀賦權(quán)。設(shè)揚州市水資源環(huán)境評估矩陣

(1)

按照指標(biāo)性質(zhì)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

yij=(xij-xmin)/(xmax-xmin)正向指標(biāo)

yij=(xmax-xij)/(xmax-xmin)負向指標(biāo)

式中，yij—xij的標(biāo)準(zhǔn)化值，i∈n，j∈m，xmax、xmin—分別表示底j項指標(biāo)中的最大值、最小值。其中，正向指標(biāo)為指標(biāo)數(shù)值越大，表明水資源承載力越高，負向指標(biāo)則反之。

在此基礎(chǔ)上計算各項指標(biāo)的信息熵：

(2)

最后根據(jù)各項指標(biāo)信息熵分量確定權(quán)重。

(3)

1.2.2TOPSIS評估模型

TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)是通過檢測評價對象與最優(yōu)解、最劣解之間的距離的一種多目標(biāo)決策方法[5- 6]。其結(jié)合熵權(quán)法構(gòu)造水資源承載力評估模型過程如下。先以熵權(quán)法確定的指標(biāo)權(quán)重與歸一化值加權(quán)處理：

(4)

再根據(jù)加權(quán)判斷矩陣獲取評估目標(biāo)的最優(yōu)解、最劣解：

(5)

(6)

(7)

相對接近程度Ii計算公式如下：

(8)

其單調(diào)性大小表征評估目標(biāo)的優(yōu)劣程度。

2 結(jié)果分析

2.1 水資源承載力指標(biāo)體系分析

水資源承載力受區(qū)域人口社會經(jīng)濟系統(tǒng)的壓力與水資源環(huán)境系統(tǒng)的自維持力。PSR模型水資源承載力分解為壓力、狀態(tài)和響應(yīng)維度，明確了水資源承載力指標(biāo)框架下各維度、指標(biāo)間的聯(lián)系，該指標(biāo)框架可結(jié)合區(qū)域本底環(huán)境特性進行擴充，因此具有全面性、系統(tǒng)性和可選擇性的特點。該指標(biāo)體系能夠幫助水資源管理部門直觀認識水資源承載力的結(jié)構(gòu)因子，從而因地制宜采取科學(xué)措施提升水環(huán)境質(zhì)量。揚州市水資源承載力評價指標(biāo)體系表1由18項因子組成，熵權(quán)信息表明，壓力層權(quán)值最高，達到0.394，表明其揚州水資源承載力的關(guān)鍵影響因素；狀態(tài)、響應(yīng)維度的影響程度次之，為0.324、0.261，PSR各維度存在功能差異。

2.2 揚州市水資源承載力PSR分析

采用前述TOPSIS融合熵權(quán)歸一化矩陣，獲取揚州市水資源承載力PSR準(zhǔn)則層指數(shù)大小，為了便于比較其層次差異，采樣自然列分將其劃分為I、II和III三個等級。明顯可知，各縣區(qū)PSR指數(shù)分布不一，說明各地水資源承載力的結(jié)構(gòu)存在一定差異。見表2，由于在指標(biāo)量化過程中對負向指標(biāo)逆處理，其壓力指數(shù)越大說明水資源承載力越高，其中邗江和市中心地區(qū)水資源壓力屬于I級，為全市最低水平，這是由于該區(qū)土地空間狹小、人口集中，人均水資源量極低。儀征和高郵為II級，兩地水域面積寬闊、地表徑流相對豐富，一定程度上環(huán)境了承載壓力。寶應(yīng)和江都的水資源壓力最小，為III級，前者由于人口相對較小，單位土地水資源較多，而江都則是人均水資源量居多。

表2 揚州市水資源承載力壓力指數(shù)分布

揚州市水資源承載力狀態(tài)指數(shù)分布與水資源環(huán)境質(zhì)量基本一致見表3。不難發(fā)現(xiàn)邗江區(qū)和市廣陵區(qū)水資源狀態(tài)指數(shù)屬于I級，表明其水資源環(huán)境質(zhì)量、水源涵養(yǎng)能力與開發(fā)潛力不足；儀征屬于II級水平；江都、高郵和寶應(yīng)處第III級較好水平，表明該區(qū)水生態(tài)環(huán)境較好，自然狀態(tài)下水源涵養(yǎng)能夠基本生態(tài)所需。

表3 揚州市水資源承載力狀態(tài)指數(shù)分布

揚州市水資源承載力響應(yīng)指數(shù)見表4，邗江區(qū)和市廣陵區(qū)對水資源環(huán)境保護的響應(yīng)措施最不明顯，屬于I級，這是由于該區(qū)域水域面積較小、水生態(tài)用地類型稀少，可采取的防護措施有限。江都和儀征次之，為II級，寶應(yīng)和高郵水資源承載力響應(yīng)指數(shù)最高，該區(qū)是區(qū)域地表徑流、湖泊密集區(qū)，集中了東線南水北調(diào)源頭工程、高郵湖清水工程，且作為全市水源地，該區(qū)水資源保護與水利建設(shè)最完善。

表4 揚州市水資源承載力響應(yīng)指數(shù)分布

由于縣區(qū)水資源承載力面臨的壓力、狀態(tài)、響應(yīng)等各分維結(jié)構(gòu)與特性存在差異，故揚州市水資源承載力指數(shù)空間分布具有異質(zhì)性見表5。結(jié)果顯示，寶應(yīng)和高郵地區(qū)的承載力最高，達0.5238、0.4917，屬III級，表明該區(qū)水資源基本滿足生態(tài)用水與經(jīng)濟社會用水需要。江都儀征地區(qū)水資源承載力次之，承載力指數(shù)依次為0.4308、3952，為中等水平；邗江與廣陵區(qū)水資源承載力最弱，表明其承壓過載，水環(huán)境質(zhì)量難以維系自然與社會屬性的協(xié)調(diào)與可持續(xù)。

表5 揚州市水資源承載力指數(shù)分布

3 結(jié)論

PSR-TOPSIS水資源承載力評估模型反映的是水資源承壓、水環(huán)境狀態(tài)以及經(jīng)濟社會響應(yīng)三個維度對水資源可支撐能力的綜合效應(yīng)，PSR概念框架以事物關(guān)聯(lián)關(guān)系描述水資源承載力的多元結(jié)構(gòu)，其明確了各層維度對水資源承載力的影響；TOPSIS方法具有客觀與量化評定的特點，模型可移植性好。影響水資源承載力的因素包括水環(huán)境壓力和人口壓力，各縣市區(qū)承載能力呈層次化分異，今后應(yīng)抓住水資源承載能力的薄弱點，加大水環(huán)境工程治理投入力度，注重水資源與人口密度、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)布局的協(xié)調(diào)性，并科學(xué)進行水資源空間調(diào)配，為揚州市水生態(tài)文明城市建設(shè)，打造人水和諧提供基礎(chǔ)支撐。