城市水資源承載力的綜合評(píng)價(jià)及其影響因子分析

劉迷亮

(惠民縣水利安裝服務(wù)中心,山東 惠民 251700)

0 引 言

水資源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)資源,是城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和戰(zhàn)略資源。但水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)系統(tǒng)退化等問(wèn)題,成為制約城市可持續(xù)發(fā)展的瓶頸[1-2]。科學(xué)合理地規(guī)劃利用水資源,提高其承載能力,對(duì)解決城市人口、資源、環(huán)境之間的矛盾具有重要意義[3]。水資源承載力是指在一定時(shí)間和空間范圍內(nèi),區(qū)域水資源能夠滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的能力,即在一定社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平下,區(qū)域可利用的水量能滿足區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的能力[4]。水資源承載力是一個(gè)綜合概念,涉及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等諸多方面[5]。

本文在文獻(xiàn)分析的基礎(chǔ)上,建立水資源承載力綜合評(píng)估模型。該模型是在綜合考慮各影響因素的基礎(chǔ)上構(gòu)建起來(lái)的一套評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,用來(lái)評(píng)價(jià)某一特定區(qū)域或城市的水資源承載力。同時(shí),為了避免指標(biāo)選擇對(duì)結(jié)果影響較大的問(wèn)題,采用層次分析法對(duì)各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行確定。

1 水資源承載力評(píng)估指標(biāo)體系和模型建立

1.1 水資源承載力評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建

水資源承載力是指在一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平下,在不破壞環(huán)境和生態(tài)平衡的前提下,一個(gè)區(qū)域的水資源能夠支持當(dāng)?shù)厝丝跀?shù)量、生產(chǎn)規(guī)模和生活水平的能力[6]。城市水資源承載力的評(píng)估,則是根據(jù)一定時(shí)期內(nèi)城市水資源開(kāi)發(fā)利用狀況、可供水量、城市用水效率和人口規(guī)模等因素,運(yùn)用一定的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)城市水資源的承載能力進(jìn)行評(píng)價(jià)[7]。

為了使水資源承載力評(píng)估結(jié)果更加可靠,在指標(biāo)選取上應(yīng)遵循以下原則:①代表性:在評(píng)估時(shí),應(yīng)根據(jù)待評(píng)估城市的區(qū)域特征,不同的城市具有不同的評(píng)估指標(biāo)要素,所以選取的指標(biāo)應(yīng)與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況相適應(yīng)。②合理性:評(píng)估指標(biāo)要與被評(píng)估地區(qū)現(xiàn)有的水資源狀況和相關(guān)規(guī)范相符合。③可操作性:選取的指標(biāo)在來(lái)源上便于獲取,指標(biāo)內(nèi)容簡(jiǎn)單且便于分析和數(shù)據(jù)化。④充分考慮動(dòng)態(tài)性:水資源承載力在不同時(shí)期具有不同的表現(xiàn),所以對(duì)其研究也應(yīng)是動(dòng)態(tài)變化的,在進(jìn)行指標(biāo)選擇時(shí)充分考慮動(dòng)態(tài)性。

研究在DPSIRM理論的指導(dǎo)下,參考相關(guān)專家的研究成果,結(jié)合國(guó)家、行業(yè)和地方標(biāo)準(zhǔn),初步確定了水資源承載力的評(píng)估指標(biāo)體系,見(jiàn)表1。針對(duì)該城市的水資源特征、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和水資源利用開(kāi)發(fā)等實(shí)際情況,去掉部分指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取難度大、重復(fù)性和代表性差的指標(biāo)[8]。最終將水資源承載力分為水資源結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)承載力、生態(tài)環(huán)境承載力、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展承載力4個(gè)子部分,并主要從人口數(shù)量、人均水資源量、用水量、用水結(jié)構(gòu)等方面來(lái)衡量。

表1 水資源承載力評(píng)價(jià)體系

該城市水資源的開(kāi)發(fā)利用與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展之間存在嚴(yán)重的不協(xié)調(diào)關(guān)系,已經(jīng)成為制約該城市經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的瓶頸。在反映水資源結(jié)構(gòu)承載力的指標(biāo)中,首先選取水資源開(kāi)發(fā)利用率,該指標(biāo)通過(guò)用水量與多年平均水資源總量的比值,可以從整體上反映水資源開(kāi)發(fā)對(duì)水資源帶來(lái)的壓力[9-10]。并另外選取人均水資源量、年平均降水量和人均供水量3個(gè)指標(biāo),從供求關(guān)系反映水資源結(jié)構(gòu)承載力。

人口密度愈低,節(jié)約用水的程度愈高,愈有利于實(shí)現(xiàn)水資源的永續(xù)利用[11]。該城市人口為390萬(wàn)人,其中農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诘谋戎剌^大,農(nóng)業(yè)人口的比重也在逐年增加。該市屬于嚴(yán)重缺水城市,水資源短缺是制約該城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。在考慮水資源對(duì)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成的影響方面,選取農(nóng)村居民人均生活用水量和城鎮(zhèn)居民人均生活用水量反映該市用水效率。同時(shí),加入城鎮(zhèn)化率和人口密度,反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的狀態(tài)對(duì)水資源承載力的影響。

水資源需求主要來(lái)源于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,因此主要從農(nóng)業(yè)發(fā)展用水以及工業(yè)生活用水兩個(gè)方面,反映經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源需求的驅(qū)動(dòng)作用。由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,給生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞。各產(chǎn)業(yè)用水量存在明顯差異,第一、第二產(chǎn)業(yè)用水最多,第三產(chǎn)業(yè)用水最少,農(nóng)業(yè)用水的占比較大。在此基礎(chǔ)上,研究選擇人均 GDP、萬(wàn)元工業(yè)用水量、農(nóng)田灌溉畝均用水量、第三產(chǎn)業(yè)用水量、萬(wàn)元GDP水耗和萬(wàn)元農(nóng)業(yè)用水量6個(gè)指標(biāo)。

環(huán)境污染是一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題,已經(jīng)對(duì)我國(guó)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成較大影響。生態(tài)環(huán)境和水資源之間存在著相互作用、互相限制的關(guān)系,在維持生態(tài)環(huán)境的同時(shí),也對(duì)水資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)具有重要的意義[12]。生態(tài)環(huán)境承載力子系統(tǒng)以人為活動(dòng)為主導(dǎo),以生態(tài)保護(hù)、修復(fù)和建設(shè)為目的,通過(guò)水利設(shè)施對(duì)蒸發(fā)和滲漏嚴(yán)重的江河湖泊等進(jìn)行補(bǔ)給,以生態(tài)環(huán)境用水量占多年平均水資源量的比例反映生態(tài)用水率。同時(shí),增加了森林覆蓋率和污水處理率兩個(gè)指標(biāo),體現(xiàn)人們?yōu)榱吮Ｗo(hù)生態(tài)環(huán)境,防止水環(huán)境惡化所采取的應(yīng)對(duì)措施。

1.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

水資源承載力是一個(gè)非常復(fù)雜的多層次系統(tǒng),研究采用客觀賦權(quán)的熵值法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重,通過(guò)熵值來(lái)判斷樣本指標(biāo)的離散程度,離散程度越大的指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的影響越大[13-14]。首先,根據(jù)歸一化的數(shù)據(jù),計(jì)算評(píng)估目標(biāo)i的權(quán)重值,即第j個(gè)指標(biāo)中第i個(gè)指標(biāo)目標(biāo)的貢獻(xiàn),并構(gòu)造數(shù)據(jù)矩陣B=(bij)m×n,其中bij的表達(dá)方式如下:

計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值Ej和信息效用值dj,具體計(jì)算公式如下:

最后,根據(jù)以上公式即可得出第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重wj,計(jì)算公式如下:

水資源承載力是對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行對(duì)比的結(jié)果。研究通過(guò)熵值法計(jì)算各評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。在借鑒國(guó)內(nèi)外有關(guān)承載力分級(jí)理論和該城市水資源承載力評(píng)估成果的基礎(chǔ)上,對(duì)其進(jìn)行等距性分區(qū),具體為:可承載[0.8,1.0)、弱承載[0.6,0.8)、臨界[0.4,0.6)、超載[0.2,0.4)、嚴(yán)重超載[0,0.2)。

表2 水資源承載力指標(biāo)權(quán)重系數(shù)計(jì)算結(jié)果

水資源承載能力是一個(gè)復(fù)雜而又多元的系統(tǒng),其與各種影響因子之間的關(guān)系是相互關(guān)聯(lián)的。在此基礎(chǔ)上,研究采用灰色關(guān)聯(lián)度模型,對(duì)區(qū)域內(nèi)各子系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,確定各子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)程度,進(jìn)而判定各因子間的耦合關(guān)系。當(dāng)一個(gè)體系中的各影響因子之間的相關(guān)程度越高,則表明該體系對(duì)流域內(nèi)水資源與城市化水平的耦合、協(xié)調(diào)發(fā)展具有更大的影響[15]。

2 水資源承載力的綜合評(píng)價(jià)

研究以山東省某城市為例進(jìn)行實(shí)證研究,利用 SPSS 22.00、Excel 2016、Origin 2.0等數(shù)據(jù)分析軟件,對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行分析,建立水資源承載力評(píng)估模型。數(shù)據(jù)來(lái)源于《山東省水資源綜合規(guī)劃》(2010-2021)、《中國(guó)水利年鑒》(2010-2021)及《山東省水資源公報(bào)》(2010-2021)。

該城市的水資源承載力綜合評(píng)估結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1可以看出,該城市的水資源承載力總體上呈波動(dòng)減小的態(tài)勢(shì)。其中,2013、2014年均達(dá)到弱承載狀態(tài);2010、2011、2015-2018年共有6年達(dá)到臨界狀態(tài);其他年份均為超載狀態(tài)。2010-2014年,各年度的水資源承載力均有增加的趨勢(shì)。2014年的承載力最大,達(dá)到0.6949,屬于弱承載力狀態(tài);在這個(gè)時(shí)期,水資源的使用比較合理,水資源的總量比較大。出現(xiàn)此類情況的主要原因是該市自2010年以來(lái),人均GDP總體上呈上升趨勢(shì),而農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占GDP比重一直呈下降趨勢(shì),工業(yè)產(chǎn)值占GDP比重呈上升趨勢(shì)。同時(shí),該市的萬(wàn)元GDP用水量在不斷下降,而工業(yè)用水和生活用水卻在不斷增加。

圖1 水資源承載力綜合評(píng)估結(jié)果

圖2為各子系統(tǒng)水資源承載力綜合評(píng)估結(jié)果。由圖2可知,2012-2014年,各子系統(tǒng)承載力均保持在一個(gè)較高水平,其中以水資源子系統(tǒng)的承載力最大,在2013年達(dá)到0.3421。2014年以后,該區(qū)的承載力均達(dá)不到弱承載狀態(tài),且有逐漸降低的趨勢(shì),達(dá)到了一個(gè)臨界點(diǎn)。特別是2019年以后,該地區(qū)的水資源承載力降至超載狀態(tài),已進(jìn)入超負(fù)荷運(yùn)行階段,其中水資源子系統(tǒng)的承載力在2020年最低,為0.3263;而這一年,社會(huì)子系統(tǒng)水資源承載力也較低,僅為0.0061。該地區(qū)的水資源子系統(tǒng)的承載力在2014-2015年從0.3342降至0.1422,2017年之后又繼續(xù)降低。2012-2014年,由于生態(tài)用水量增加、污染物超標(biāo)排放、經(jīng)濟(jì)發(fā)展加速等原因,生態(tài)子系統(tǒng)水資源承載力持續(xù)下降;2017-2021年,生態(tài)子系統(tǒng)承載力持續(xù)提升,主要得益于生態(tài)環(huán)境治理水平的提高和生態(tài)文明觀念的貫徹與轉(zhuǎn)變。綜上所述,2010-2021年該市的水資源容量處于較低的水平。

圖2 子系統(tǒng)水資源承載力綜合評(píng)估結(jié)果

針對(duì)水資源承載力中的諸多不確定性,研究通過(guò)區(qū)間分析法對(duì)水資源承載力進(jìn)行量化分析,將不確定性量化為區(qū)間形式,結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知,2023-2025年該市水資源承載力的變動(dòng)趨勢(shì)穩(wěn)中有進(jìn)、整體向好的方向發(fā)展,水資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境四者處于協(xié)調(diào)狀態(tài),人類活動(dòng)對(duì)水資源的影響有所減少,水資源和生態(tài)環(huán)境基本未被破壞,自然修復(fù)能力增強(qiáng)。社會(huì)子系統(tǒng)水資源承載力波動(dòng)變化,日益增長(zhǎng)的人口和水資源短缺將成為阻礙該市發(fā)展的主要問(wèn)題。經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的承載力呈現(xiàn)逐年上升的態(tài)勢(shì),表明在今后的一段時(shí)期,城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源系統(tǒng)之間存在著較好的協(xié)調(diào)關(guān)系,能夠在保持較高的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的前提下,保持較高的水資源利用效率。生態(tài)子系統(tǒng)總體呈現(xiàn)出向上發(fā)展的態(tài)勢(shì),反映出當(dāng)?shù)厝嗣竦纳鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)不斷加強(qiáng),城市綠化面積不斷擴(kuò)大,各種節(jié)約用水政策得到有效實(shí)施,對(duì)該市的水資源承載能力產(chǎn)生了一定的促進(jìn)作用。從總體上來(lái)說(shuō),該市未來(lái)一段時(shí)期內(nèi),水資源承載力仍然處在臨界或超載的狀態(tài),總體上還比較低,需要主動(dòng)制定相關(guān)的政策與措施,突出各子系統(tǒng)的協(xié)同作用,強(qiáng)化對(duì)水資源的合理開(kāi)發(fā),提高水資源系統(tǒng)對(duì)社會(huì)發(fā)展的承載力,使其在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前提下,不對(duì)水資源承載力造成不利影響。

圖3 子系統(tǒng)承載力區(qū)間預(yù)測(cè)值計(jì)算結(jié)果

研究運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度法,分析該市水資源承載能力的主要影響因子,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知,關(guān)聯(lián)度小于0.5的有B4、B7、B8、B11、B13、B14,其中前3個(gè)指標(biāo)來(lái)源于經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)。關(guān)聯(lián)度介于0.5～0.7之間的是B2、B3、B6、B12,其余的均大于0.7。從整體上來(lái)看,森林覆蓋率和污水處理率的關(guān)聯(lián)度最大,分別為0.9246和0.8266。在水資源承載能力中,生態(tài)子系統(tǒng)的影響最為顯著,平均達(dá)到0.8559。

表3 水資源承載力影響因子分析表

3 結(jié) 論

本文在分析城市水資源承載力影響因素的基礎(chǔ)上,建立了城市水資源承載力的綜合評(píng)估模型,并以山東省某城市為例進(jìn)行了實(shí)證研究。結(jié)果表明,2010-2021年,該城市的水資源承載力總體上呈波動(dòng)減小的態(tài)勢(shì)。水資源子系統(tǒng)的承載力在2013年達(dá)到0.3421。2019年以后,水資源承載力降至超載狀態(tài),2020年社會(huì)子系統(tǒng)水資源承載力僅為0.0061。生態(tài)子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度平均達(dá)到0.8559,是水資源承載力的主要影響因子。綜合看來(lái),研究建立的評(píng)估模型具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可行性。