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.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

當前工業化生產創造了巨量物質財富，然而人口劇增與超負荷的經濟活動不斷擠壓生態空間，引起土地退化、水污染、資源短缺、生物多樣性下降等系列環境問題，這對人與自然可持續發展帶來挑戰。其中，水資源作為生命演替的物質基礎，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前經濟技術背景，一定區域內水環境要素在維持自身平衡演替的前提下，對區域人口和社會發展最大的支撐能力，用以定量表征區域自然環境與經濟社會發展的協調程度與發展潛力[1]。2005年世界減災大會中提出建立國際、社區尺度上環境承載力評估框架，并將水資源承載力的研究作為核心工作之一[2]。當前，國內外學者針對景觀水平、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濟較發達城市，區域水資源總量相對豐富、人口密集、水環境壓力較大，研究市域水資源承載力空間分布差異，以期為區域資源管理提供決策依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

揚州地處江蘇省中部，江淮流域下游，地理坐標為32°15′～33°25′N，119°01′～119°54′E，政區面積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，境內有白馬湖、寶應湖、高郵湖、邵伯湖等，水域面積達1365km2，占全市面積的20.7%。受東亞季風與西伯利亞高壓控制，形成北亞熱帶濕潤季風氣候，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，用水結構主要依賴長江、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，按本地水資源量統計，屬于水資源匱乏區。

1.2 水資源承載力評價指標體系

PSR(Pressure-State-Response)概念框架是聯合國環境署用于人地關系、環境評價的經典范式[3]，該模型以因果關系闡釋資源環境系統、經濟社會需要、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濟社會的脅迫性，依據該概念建立的指標體系涵蓋了水資源承載力的綜合反饋機理，具有廣泛應用性。借鑒相關學者們的經驗[3- 4]，在對區域人口、經濟、資源、環境等要素進行系統分析的基礎上，構建揚州市水資源承載力評價指標體系，正向指標屬性值越大或負向指標屬性值越小，則水資源承載力指數越高，見表1。

表1 揚州市省水資源承載力評價指標系統

1.2.1熵權法

熵權法是依據指標信息熵的離散度進行客觀賦權。設揚州市水資源環境評估矩陣

(1)

按照指標性質進行標準化處理：

yij=(xij-xmin)/(xmax-xmin)正向指標

yij=(xmax-xij)/(xmax-xmin)負向指標

式中，yij—xij的標準化值，i∈n，j∈m，xmax、xmin—分別表示底j項指標中的最大值、最小值。其中，正向指標為指標數值越大，表明水資源承載力越高，負向指標則反之。

在此基礎上計算各項指標的信息熵：

(2)

最后根據各項指標信息熵分量確定權重。

(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解、最劣解之間的距離的一種多目標決策方法[5- 6]。其結合熵權法構造水資源承載力評估模型過程如下。先以熵權法確定的指標權重與歸一化值加權處理：

(4)

再根據加權判斷矩陣獲取評估目標的最優解、最劣解：

(5)

(6)

(7)

相對接近程度Ii計算公式如下：

(8)

其單調性大小表征評估目標的優劣程度。

2 結果分析

2.1 水資源承載力指標體系分析

水資源承載力受區域人口社會經濟系統的壓力與水資源環境系統的自維持力。PSR模型水資源承載力分解為壓力、狀態和響應維度，明確了水資源承載力指標框架下各維度、指標間的聯系，該指標框架可結合區域本底環境特性進行擴充，因此具有全面性、系統性和可選擇性的特點。該指標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構因子，從而因地制宜采取科學措施提升水環境質量。揚州市水資源承載力評價指標體系表1由18項因子組成，熵權信息表明，壓力層權值最高，達到0.394，表明其揚州水資源承載力的關鍵影響因素；狀態、響應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融合熵權歸一化矩陣，獲取揚州市水資源承載力PSR準則層指數大小，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PSR指數分布不一，說明各地水資源承載力的結構存在一定差異。見表2，由于在指標量化過程中對負向指標逆處理，其壓力指數越大說明水資源承載力越高，其中邗江和市中心地區水資源壓力屬于I級，為全市最低水平，這是由于該區土地空間狹小、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，一定程度上環境了承載壓力。寶應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分布

揚州市水資源承載力狀態指數分布與水資源環境質量基本一致見表3。不難發現邗江區和市廣陵區水資源狀態指數屬于I級，表明其水資源環境質量、水源涵養能力與開發潛力不足；儀征屬于II級水平；江都、高郵和寶應處第III級較好水平，表明該區水生態環境較好，自然狀態下水源涵養能夠基本生態所需。

表3 揚州市水資源承載力狀態指數分布

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

表4 揚州市水資源承載力響應指數分布

由于縣區水資源承載力面臨的壓力、狀態、響應等各分維結構與特性存在差異，故揚州市水資源承載力指數空間分布具有異質性見表5。結果顯示，寶應和高郵地區的承載力最高，達0.5238、0.4917，屬III級，表明該區水資源基本滿足生態用水與經濟社會用水需要。江都儀征地區水資源承載力次之，承載力指數依次為0.4308、3952，為中等水平；邗江與廣陵區水資源承載力最弱，表明其承壓過載，水環境質量難以維系自然與社會屬性的協調與可持續。

表5 揚州市水資源承載力指數分布

3 結論

PSR-TOPSIS水資源承載力評估模型反映的是水資源承壓、水環境狀態以及經濟社會響應三個維度對水資源可支撐能力的綜合效應，PSR概念框架以事物關聯關系描述水資源承載力的多元結構，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境壓力和人口壓力，各縣市區承載能力呈層次化分異，今后應抓住水資源承載能力的薄弱點，加大水環境工程治理投入力度，注重水資源與人口密度、經濟結構布局的協調性，并科學進行水資源空間調配，為揚州市水生態文明城市建設，打造人水和諧提供基礎支撐。