過境水對南京市水資源承載能力的影響程度分析

李 冰，董增川，王聰聰，鮑慶煜，馮勝男，紀小敏

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098； 2.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029；3.江蘇省水文水資源勘測局南京分局，江蘇 南京 210000)

我國水系十分發達，許多重大城市都在大江大河附近，沿江沿河地區經濟水平以及人口規模都處于較高水平，沿江沿河地區的過境水資源在其發展中起著重要作用[1]。其中，作為我國第一大河的長江沿線就有諸多依賴過境水資源的城市。長江經濟帶2016年GDP達33萬億元，占全國經濟總量的43.1%。長江經濟帶的城市大多由過境水資源作為主要水資源進行供給。南京市作為典型的依賴過境水資源的城市[2]，市區內絕大部分用水取用長江的過境水資源。過境水資源是指流經一個區域的外來水資源，又稱客水。過境水資源易受上游來水水量和質量的影響，具有不穩定的特點。研究一個地區在過境水資源發生緊急狀況(如洪澇災害、突發污染事件等情況)時是否可通過本地水資源暫時支撐地區的社會經濟發展是十分必要的。但學者對過境水(客水)的研究主要集中于客水對于本地水體污染物及富營養化的影響研究[3]以及客水對本地水資源水質的影響研究[4]，對于過境水資源對區域水資源承載能力影響的研究較少，且缺乏定量計算過境水資源對于地區水資源承載能力的影響。筆者選取南京市作為研究對象，結合水資源承載能力的概念[5]，分析過境水資源與本地水資源支撐本地經濟社會生活的能力，分析若過境水資源出現緊急突發情況時僅靠本地水資源是否能暫時支撐地區經濟社會正常發展。自20世紀80年代起，我國水資源承載能力的研究已經歷經了30多年的實踐[6-7]，現學界普遍認為水資源承載能力是反映區域水資源承載能力的閾值[8]，這個閾值往往由系統動力學或多目標決策分析計算得到。雖然這兩者具有不同的內涵，但均切實反映區域水資源對社會經濟的支撐水平。水資源承載能力的研究方法[9]多種多樣，包括系統動力學[10]、多目標決策分析[11]、綜合評價等方法[12-13]。筆者構建了基于耗水的水資源承載能力計算模型，以各計算單元用水部門耗水量與水資源可利用量以及用水效率為模型切入點，從水資源量、社會經濟、水環境3個方面考慮各情境下水資源所能承載的人口與社會經濟情況。

1 南京市概況及過境水情況

1.1 南京市概況

南京市位于江蘇省西南部，市域形狀略呈南北長條形，市域總面積6 582 km2，屬北亞熱帶濕潤氣候類型，多年均降水量1 090.4 mm。全市多年平均水資源量31.10億m3(1998—2015年)。2015年末，全市常住人口823.59萬人，全市戶籍總人口為653.40萬人。2015年全年實現地區生產總值 9 720.77億元，人均GDP為11.81萬元。2015年三次產業結構比例為2.4∶40.3∶57.3。2015年全市實際用水總量40.24億m3，小于全市用水總量控制指標(45億m3)。

1.2 南京市過境水資源情況

根據南京市實際情況，以行政區為單元，將河道概化成長江、滁河、水陽江等河道對南京市水資源進行概化，具體南京市各行政分區的水資源概化圖詳見圖1。南京市地處長江、水陽江、秦淮河、滁河下游，過境水資源豐富，根據2010—2015年《南京市水資源公報》，南京市平均過境水資源量為8 874.56億m3，其中長江的過境水資源量為8 813.18億m3，水陽江過境水資源量為48.20億m3，滁河過境水資源量為13.18億m3。

圖1 南京市各行政區取退過境水概化圖

本文數據均來源于《南京市水資源公報》(2005—2015年)、《南京市水資源綜合規劃》《南京市水資源保護規劃(2015—2030年)》《南京市統計年鑒》(2005—2015年)等規劃、公報。

2 基于耗水的水資源承載能力計算模型

為明晰社會經濟發展過程中，生活、生產、生態3個用水部門聯系，筆者從水資源量、社會經濟、水環境3個方面考慮，設定約束條件，建立水資源系統、社會經濟系統、生態環境系統相互關聯與制約的水資源承載能力多目標量化計算模型[8]。模型目標包括人口目標、經濟目標、生態環境目標；約束條件包括水量約束、限排總量約束和社會經濟約束等。

2.1 模型目標

a. 人口目標：水資源承載人口最大。

(1)

式中：maxf1為水資源承載人口最大的目標；Xp為k單元的計算人口，萬人。其中計算k單元有南京市區、浦口區、江寧區、六合區、溧水區、高淳區共6個單元。

b. 經濟目標：水資源承載的國內生產總值最大。

(2)

式中：maxf2為水資源承載國內生產總值最大的目標；Xg為k單元的國內生產總值，萬元。

c. 生態環境目標：COD排放量最小。

(3)

式中：minf3為水COD排放量最小的目標；Xc為k單元的COD排放量，t。

2.2 約束條件

2.2.1水量約束

南京市各個計算單元社會經濟發展用水量不大于用水總量。

Pk

(4)

(5)

式中：Pk為k單元t時段i用戶的社會發展用水量，萬m3；Wk為t時段通過k單元i用戶的用水量，萬m3；maxW為k單元的用水總量限制，萬m3。其中，i用水用戶分為各計算單元中生產、生活、生態環境3個用水部門。

2.2.2限排總量約束

南京市各個計算單元污染物排放量小于其相應的限排總量。

(6)

(7)

a. 點源污染COD排放量為

(8)

b. 面源污染COD排放量為

(9)

2.2.3社會經濟約束

a. 城鎮人口約束：城鎮人口規模不得超過預測城鎮化率下的人口值。

(10)

(11)

b. 人均GDP約束為

(12)

c. 產業結構約束為

(13)

(14)

模型采用混沌粒子群方法求解[14]。模型包含人口規模、社會經濟規模、生態環境3個不同目標，筆者在求解模型時衡量了各目標的重要程度，確定了各目標占綜合目標權重，將多目標分析轉換為單目標問題。其中，目標權重分別為0.33。

3 計算與分析

計算情景分為基于本地水資源的南京市水資源承載能力計算情景和考慮過境水資源的南京市水資源承載能力計算情景，計算年份選取現狀年2015年和規劃年2030年，其中各年份又考慮了50%、75%和90%的來水頻率。

3.1 考慮過境水的南京市水資源承載能力計算結果

通過計算得到了南京市2015年、2030年各來水頻率下僅基于本地水資源的水資源承載能力的計算結果，詳見表1、表2；2015年、2030年各來水頻率下考慮過境水資源的水資源承載能力的計算結果，詳見表3、表4。

表1 2015年南京市本地水資源承載能力計算結果

表2 2015年南京市考慮過境水資源的水資源承載能力計算結果

表3 2030年南京市本地水資源承載能力計算結果

表4 2030年南京市考慮過境水資源的水資源承載能力計算結果

南京市2015年、2030年的水資源承載能力計算結果顯示，2015年、2030年僅基于本地水資源的情況下各區域各來水頻率的水資源承載能力主要約束均為水量，故隨著來水頻率的增加，來水量減少，水資源承載能力呈減小趨勢，其中2015年僅基于本地水資源情況下承載能力最大的區域為市區，承載能力最小的區域為六合區；2030年僅基于本地水資源情況下承載能力最大的區域為市區，承載能力最小的區域為高淳區。

南京市2015年、2030年考慮過境水資源的情況下僅六合區各來水頻率下的水資源承載能力主要約束為水量，其余各區域各來水頻率下水資源承載能力的主要約束均為水質情況，故各年限制排污水平不隨來水頻率而改變，故各來水頻率可承載人口和GDP不變。總體時間尺度上，無論是僅基于南京市本地水資源還是考慮過境水資源，隨著時間的推移，除了六合區外各區域可承載人口呈減小趨勢，可承載GDP呈增加趨勢。

3.2 南京市過境水資源對全市水資源承載能力的影響程度

根據上節的計算結果，計算2015年與2030年各來水頻率下過境水資源對南京市水資源承載能力的影響程度，計算結果詳見表5、表6。

表5 2015年南京市過境水資源對水資源承載能力的影響程度

表6 2030年南京市過境水資源對水資源承載能力的影響程度

南京市過境水資源對全市水資源承載能力影響計算結果顯示，總體上，隨著水平年來水量的減小，南京市過境水資源對南京市水資源承載能力的影響不斷增加，隨著時間的推移，各區域過境水資源對區域水資源承載能力的影響呈現出不同趨勢，其中，六合區、浦口區隨時間推移呈現出過境水資源對水資源承載能力的影響程度減小趨勢；浦口區、江寧區、高淳區呈現出過境水資源對水資源承載能力的影響程度增大趨勢；市區呈現出過境水資源對水資源承載能力的影響程度變化不大趨勢。其中，2015年六合區90%來水頻率的過境水資源對水資源承載能力的影響最大，為0.92；江寧區50%來水頻率下的過境水資源對水資源承載能力的影響程度最小，為0.13。2030年六合區90%來水頻率的過境水資源對水資源承載能力的影響最大，為0.90；其中，2030年江寧區、溧水區、高淳區50%來水頻率下的過境水資源對水資源承載能力的影響最小為0.35，是因為該來水頻率下江寧區、溧水區、高淳區的水資源承載能力限制因素為水質情況，所以過濾水資源量對上述三個區域的水資源可承載人口的影響程度最小。

3.3 計算結果分析

3.3.1僅考慮本地水資源的承載能力分析

根據表1與表3計算結果，僅考慮本地水資源，南京市各區域在各年份來水頻率下超載主要約束均為水量。2015年各來水頻率下，市區、六合區現狀人口均大于可承載人口；浦口區、江寧區、溧水區、高淳區均在50%來水頻率下可承載人口大于現狀人口，其余來水頻率情況中僅浦口在75%來水頻率下可承載現狀人口，其余各區在75%與90%來水頻率下可承載人口均小于現狀人口。在不考慮過境水資源的情況下，南京市本地水資源在2015年較難承載全市人口；2030年隨著南京市社會規模的擴大，用水量呈增加趨勢，故2030年各區各來水頻率下均難以承載2030年的預測人口。僅考慮本地水資源，南京市2030年將處在嚴重超載狀態。

通過比較可知，基于本地水資源的南京各分區水資源可承載人口隨著社會經濟的進一步發展而減小。南京市現有本地水資源很難支撐全市社會經濟的穩定發展。對于全市，若不考慮過境水資源，僅依靠本地水資源，南京市全市現狀人口已處于嚴重超載情況。

3.3.2考慮過境水資源的承載能力分析

根據表2與表4的計算結果，在2015年和2030年各來水頻率下，南京市除六合外各區水資源可承載人口和可承載GDP均不變，因為全市除六合區外，考慮過境水資源量后，各區域水量均較為豐富，故承載能力的約束條件均為水質，因為六合區處于南京市北部，區域內過境水資源量較少，且區域工業較發達，用水量較大，故其承載能力的主要約束條件依然為水量。

在考慮過境水資源的情況下，2015年除市區外各區域各來水頻率下可承載人口均大于現狀人口，2030年市區、江寧區、高淳區各來水頻率下可承載人口小于預測人口；浦口區、六合區、溧水區各來水頻率下可承載人口大于預測人口。通過兩個年份的對比可知，考慮過境水資源的南京各分區水資源可承載人口(除六合區外)隨著社會經濟的發展均呈減小趨勢。六合區水資源可承載人口隨社會經濟發展有所增加，原因為其區域內在發展過程中積極進行產業結構調整、水環境情況較2015年發生較大改善。從全市角度看，市區水資源承載能力下降幅度最大，浦口區的下降幅度最小。而且，考慮過境水的水資源承載能力比僅基于本地水的水資源承載能力普遍要高。究其原因，因為南京市在2015—2030年間社會經濟進一步的發展對水資源系統的壓力有持續增大的趨勢，且根據人口預測結果顯示，南京市各區域人口在2030年會繼續增長，所以南京市采取措施提升水資源承載能力勢在必行。

總體來說，現階段南京市在考慮過境水資源的情況下，全市社會經濟處于可載狀態。但隨著社會經濟的不斷發展，市區的現有水資源量愈發難以承載日益龐大的社會經濟規模，所以，采取相應措施改善南京市，尤其是市區的水資源承載狀況勢在必行。

3.3.32015—2030年過境水資源對全市水資源承載能力的影響程度分析

根據表5與表6計算結果，2015年南京市總體過境水資源對全市水資源承載能力影響大于0.50且隨著水平年水量的變枯而影響程度不斷增加。其中，六合區過境水資源對區域水資源承載能力的影響最大，但其變幅最小，因為六合區無論在何種來水頻率下均較依賴過境水資源，所以過境水資源對六合區水資源承載能力影響程度維持在較高水平；江寧區過境水資源對區域水資源承載能力的影響最小，但其隨來水頻率變化幅度較大，因為江寧區是全市過境水資源較豐富的地區，其過境水資源受來水頻率影響較大，加之其區域內水資源較豐富，故過境水資源對江寧區水資源承載能力影響程度變幅較大；2030年南京市總體過境水資源對全市水資源承載能力的影響較2015年小幅增加。其中，六合區依然是過境水資源對區域水資源承載能力的影響最大的區域，六合區不臨長江，雖然其本地水資源豐富，但其區域內工業發展對過境水資源有較大依賴，所以過境水資源對其區域內承載能力有較大影響；高淳區在2030年過境水資源對區域水資源承載能力的影響最小，因為其區域內水資源承載能力約束條件為水質，故過境水資源對該區域內水資源承載能力影響程度較低。綜上所述，應建設相應水系連通工程使過境水資源對六合區整體供水進行補充，以提升六合區水資源承載能力。雖然在2030年南京市過境水資源對全市水資源承載能力的影響有所減弱，但依然影響占比不可忽視，尤其在枯水年，過境水資源依然是南京市社會經濟穩定運行的必要支撐。故南京市應采取相應措施提升過境水資源的質量以及保障過境水資源安全，為南京市社會經濟平穩發展保駕護航。

3.4 應對措施

南京市面臨著較為嚴峻的水資源承載情勢，合理利用過境水資源，保護區域水資源，是保障南京市社會經濟與生態環境維持可持續發展的重要途徑。具體措施可從以下方面考慮：

a. 山區源頭水庫的保護。南京市地處丘陵地區，本地水資源集中于山區水庫、湖泊等地區，其中六合有5座中型水庫，江寧區1座，溧水區6座，高淳區1座，其中水源地有：安基山水庫水源地、金牛山水庫水源地、大泉水庫水源地、三岔水庫水源地等十余個水庫型水源地以及固城湖水源地。南京市應對上述水源地進行水源地生態屏障工程建設，設置生態隔離帶、消落帶、水下帶等工程保護本地水源供給。并在水庫入庫支流前設置前置庫，對水庫入庫生態環境進行保護。

b. 長江的保護與開發。通過上節分析可知，南京市的過境水資源對全市水資源承載能力的影響程度超過50%，應加強對南京市過境水資源的保護與應用。南京市過境水資源主要為長江水源地。南京市有夾江水源地、燕子磯水源地、子匯洲水源地、八卦洲(左汊)上壩水源地、江浦、浦口水源地、龍潭水源地等8個長江干流水源地，南京市需要對長江干流水源地實行隔離防護工程建設和開展生態保護與修復工程等措施以實現對過境水資源的保護。長江作為南京市居民最主要的過境水飲用水源地，除須開展飲用水源地保護工程外，對于水生態健康狀況較差的通江河道應進行水生態修復。南京市沿江小流域普遍存在源短流急，流域范圍小且簡單的特點，對于水生態修復工程實施而言是有利條件。因此，應選擇目前水環境狀況較差，人類擾動大，未來環境壓力大、生態系統退化比較嚴重的通江河道進行治理。

c. 加大節水力度。根據上節分析，南京市應同時加大節水力度，減輕水資源承載壓力，從而提升全市的水資源承載能力，具體可以通過開展節水型社會建設，加大南京市節水水平。目前南京市生活、農業、工業等各個用水戶都存在著較大的節水潛力，比如南京市2015年農田灌溉用水量14.58億m3，占用水總量的42.55%，且仍有多數地方的灌溉方式效率較低，故應加快普及噴灌、滴灌等節水灌溉方式，以提高南京市節水水平。

d. 加強截污力度。根據上節分析，南京市在2030年水資源承載能力的主要約束因素是水質情況，對于南京市本地資源的保護，應以加強對南京市入河排污口布局與整治為重，嚴格控制污染物排放危害本地水資源與過境水資源。南京市應針對市規模以上入河排污口(不含生活污水泵站)設置、布局以及入河污染物削減等問題，通過入河排污口水域劃定、排污口合并調整工程、生態凈化工程以及明確污水回用要求等措施，達到優化入河排污口布局、削減污染物入河量的目的，從而實現污染物總量控制的目標，為全市水資源管理與保護提供支撐。

4 結 論

a. 通過明晰過境水與本地水的關系以及水資源承載能力的概念，構建了基于耗水的南京市水資源承載能力計算模型，該模型能夠切實體現水資源系統與社會經濟和生態環境系統之間的相互聯系與制約關系，計算結果基本符合實際，但該模型需要較多的基礎數據。

b. 南京市在2015年與2030年50%來水頻率下過境水對水資源承載能力的影響程度分別為0.51與0.59，說明了過境水作為南京市重要供水水源，應得到相應重視，南京市在考慮過境水資源的情況下是可以較好支撐本地社會經濟發展的，但當南京市過境水資源遭遇緊急情況不得使用時，僅靠南京市本地水資源不足以維持社會經濟基本運行。所以研究過境水資源對于支撐保障南京市未來發展有著重要的意義。

c. 為了保障南京市社會經濟的穩定發展，必須加大對過境水資源與本地水資源的保護力度。可以采取加強對南京市入河排污口布局與整治等工作減少過境水污染突發事件的發生，從而提升南京市的水資源承載能力。