南京市水資源承載狀態障礙因素分析

高曉琦，董增川，楊 光，鮑慶煜，紀小敏，聶 青

(1.河海大學水文水資源學院，南京 210098；2.江蘇省水文水資源勘測局南京分局，南京 210008；3.江蘇省水文水資源勘測局，南京 210029)

0 引 言

水資源承載狀態是指區域水資源承載某一特定的社會經濟發展規模時，區域水資源-社會經濟-生態環境系統整體所呈現的狀態[1]，目前關于水資源承載狀態的研究大多僅采用多指標評價體系對水資源承載狀態進行綜合評價[2-4]，所得到的結果只能定性衡量狀態的優劣，而無法為當地水資源管理部門的具體決策提供參考。在對區域水資源承載狀態進行評價的基礎上，進行水資源承載狀態障礙因素診斷計算，通過計算能夠明確區域水資源-社會經濟-生態環境系統現狀的不足，為水資源規劃與管理提供科學可行的依據，保障區域向著可持續方向發展。

指標歸一化計算是影響障礙因素診斷結果的重要部分，目前的研究大多以正向指標的最大值和逆向指標的最小值為歸一化標準，運用極差法[5]或極值法[6]進行計算，這樣處理會導致處于較優狀態的指標也計入障礙因素中，使得最終障礙度計算結果較為分散，各指標間障礙度差值較小，不利于主要障礙因素的識別與篩選。針對上述不足，本文通過對各指標優劣等級進行劃分，再將不同等級的指標依據不同的歸一化標準進行計算，對障礙因素診斷方法進行了改進。本文以南京市為例，結合其水資源開發利用、社會經濟發展特點，運用模糊綜合評價法分別對2015、2020及2030三個水平年南京市各分區的水資源承載狀態分別進行評價，并運用改進的障礙因素診斷方法對影響南京市各分區水資源承載狀態的障礙因素進行識別與分析。

1 研究方法

1.1 模糊綜合評價

1.1.1 指標體系構建

考慮到南京市水資源承載狀態的影響因素與數據收集情況，秉持全面性、精煉性和可操作性的原則，本文從水資源稟賦條件、社會經濟發展狀況與生態環境三個方面共篩選出8項指標，構建了水資源承載狀態評價指標體系，如表1所示。

表1 水資源承載狀態評價指標體系Tab.1 Water resources carrying status evaluation index system

1.1.2 評價指標分級確定

上述評價指標以江蘇省對各項指標的要求為參照，根據前人的研究成果并綜合江蘇省內相關的規劃管理報告如《江蘇基本實現現代化指標體系》、《江蘇省水中長期供求規劃報告》、江蘇省內各市水資源保護規劃、水資源管理現代化報告及水資源公報等，進行等級劃分，如表2所示。每個指標分為 3 個等級[7]，V1 代表區域水資源承載狀態較好，水資源現階段不會制約區域的可持續發展；V3 代表區域水資源承載狀態較差，水資源進一步開發利用空間有限，水資源已明顯制約該區域社會經濟發展；V2 介于二者之間，表明區域水資源承載狀態適中，水資源開發已達到一定規模，仍有一定潛力，在開發過程中應注重對水資源的保護和合理利用。

表2 水資源承載狀態評價指標分級標準Tab.2 Water resources carrying status evaluation index grading standard

1.1.3 指標權重計算

根據評價指標對水資源承載狀態影響程度的大小，在廣泛閱讀文獻與咨詢專家的基礎上，本文采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)計算各指標的權重wi。

1.1.4 模糊關系矩陣的計算

在目前的研究中，大多通過構建隸屬度函數計算確定模糊關系矩陣R。本文為了消除各等級之間數值相差不大，而評價等級相差一級的跳躍現象，使隸屬函數在各級之間能平滑過渡，將其進行模糊化處理[8]。具體為： V1等級與V2等級、V2等級與V3等級的臨界值的隸屬度均為0.5；V2等級區間中點的隸屬度為 1，中間點向兩側按線性遞減處理；對于V1等級和V3等級區間，指標值距離等級臨界值越遠，則屬于兩側區間的隸屬度越大。因此，構建評價指標對各等級標準的隸屬函數如下：

(1)

(2)

(3)

式中：xij為第j單元i指標的指標值；ki1為第i指標V1等級和V2等級之間的臨界值；ki3為評價指標V2等級和V3等級的臨界值；ki2為V2等級區間中點值，即ki2=(ki1+ki3)/2。

根據上述計算得到的R矩陣與權重系數矩陣，兩者相乘即可求得水資源承載狀態在各等級間的隸屬度結果，根據最大隸屬度原則，可以得到各水平年各分區的水資源承載狀態等級；同時本文將V1、V2和V3三個等級分別賦予不同的評分值a1、a2和a3，基于等級間的遞減關系，令a1=0.95，a2=0.5，a3=0.05，即可求得區域水資源承載狀態的綜合評價結果。

1.2 障礙因素診斷

1.2.1 指標歸一化

為了統一各指標的單位與量綱，使各指標具可比性，需要對指標進行歸一化處理。本文根據模糊綜合評價中指標分級標準，將各指標按照等級優劣的劃分結果進行歸一化，若指標達到V1等級則認為是優的，歸一化值為1；位于V3等級的指標則認為是劣的，需要亟待改善，歸一化值為0。因此，正向指標與逆向指標的歸一化公式如下：

(4)

1.2.2 障礙度計算

目前障礙因素診斷的研究仍處于初級階段，通常采用“指標偏離度”、“因子貢獻度”和“障礙度”3個概念開展障礙因素診斷分析[9]，通過分別計算各水平年各評價單元的指標障礙度，根據障礙度的大小識別出占主導地位的多個指標作為影響水資源承載狀態的障礙因素，計算方法如式(5)～式(7)所示。

(5)

Ti=wi

(6)

(7)

式中：Xij為指標偏離度，是第j單元i指標與水資源承載狀態目標的差距；Ti為因子貢獻度，為指標對總體目標的影響程度；Pij為障礙度，指第j單元i指標對水資源承載狀態的影響程度。

1.3 數據來源

現狀年(2015年)指標由南京市水資源公報、南京市統計年鑒等報告中查得，未來年份(2020年、2030年)指標值通過定額法與增長率預測法等方法計算，并參考南京市相關未來年份的規劃文件以及“三條紅線”相關要求綜合獲得。

2 南京市水資源承載狀態評價

2.1 評價結果與分析

本文將南京市劃分為市區、江寧區、六合區、浦口區、溧水區與高淳區共6個評價單元，分別對2015年、2020年與2030年3個水平年各單元的水資源承載狀態進行了綜合評價，各水平年各評價單元的評價指標值如表3～表5所示。運用AHP法計算得到各指標權重wi，如表6所示。

表3 2015年南京市各評價單元評價指標值Tab.3 Evaluation index values of various evaluation units in Nanjing in 2015

表4 2020年南京市各評價單元評價指標值Tab.4 Evaluation index values of various evaluation units in Nanjing in 2020

表5 2030年南京市各評價單元評價指標值Tab.5 Evaluation index values of various evaluation units in Nanjing in 2030

表6 南京市水資源承載狀態評價指標權重Tab.6 Water resources carrying status evaluation index weight in Nanjing

根據式(1)～式(3)確定出不同水平年的各評價單元各個指標對于不同等級的隸屬度，進而不同水平年的各評價單元分別得到一個8×3的模糊關系矩陣R，將模糊關系矩陣R進行加權計算，得到評價單元在3個等級間的隸屬度，最后求出南京市水資源承載狀態綜合評價結果，如表7所示。

表7 南京市水資源承載狀態綜合評價結果Tab.7 Comprehensive evaluation results of water resources carrying status in Nanjing

由表7可以看出，2015年、2020年和2030年，南京市各評價單元水資源承載狀態均處于V2或V3等級。其中2015年，南京市市區、江寧、六合與浦口的水資源承載狀態為V3等級，溧水與高淳的水資源承載狀態為V2等級；2020年南京市市區資源承載狀態仍為V3等級，江寧、六合、浦口、溧水與高淳的水資源承載狀態為V2等級；2030年市區、六合、溧水與高淳的水資源承載狀態為V2等級，而江寧與浦口的水資源承載狀態為V3等級。2015年、2020年和2030年，南京市各評價單元的綜合評分均較低，值域為0.223～0.558。結合圖1的南京市各評價單元綜合評分趨勢來看，南京市內溧水與高淳的水資源承載狀態相對其他單元來說較優，且2015至2020年南京市各單元水資源承載狀態均得到了一定程度的改善；但至2030年，除市區外其他單元的綜合評分均為下降趨勢，水資源承載狀態惡化。因此，為了分析南京市水資源承載狀態惡化的原因，進而有效的改善當地水資源承載狀態，保障南京市水資源與社會經濟的可持續發展，有必要對各項評價指標的障礙作用大小進行評估，識別出影響南京市水資源環境承載狀態的主要障礙因素，為后期針對性的采取措施提供依據。

圖1 南京市各評價單元綜合評分趨勢圖Fig.1 Comprehensive evaluation trend chart of various evaluation units in Nanjing

2.2 障礙因素識別結果與分析

為說明障礙因素識別方法的改進效果，在根據式(4)對各水平年各評價單元的指標值進行歸一化處理的同時，采用極差法進行歸一化計算，再運用式(5)～式(7)分別計算各水平年各評價單元的障礙度，兩種方法得到的計算結果如圖2～圖3所示。

圖2 2015-2030年南京市各評價單元障礙度計算結果(改進前)Fig.2 Calculation results of obstacles in various evaluation units in Nanjing in 2015-2030 (before the improvement)

圖3 2015-2030年南京市各評價單元障礙度計算結果(改進后)Fig.3 Calculation results of obstacles in various evaluation units in Nanjing in 2015-2030 (after the improvement)

通過對比可以看出，由于方法改進后，較優的指標不計入障礙因素中，使得南京市各評價單元障礙度計算結果更為集中，影響水資源承載狀態的障礙因素更為突出，其中以2030年表現最為明顯，這是因為部分指標隨著經濟社會的發展得到了改善，使指標值處于較優的狀態。

基于方法改進后得到的計算結果可以看出，2015年南京市各評價單元的首位障礙因素均為水功能區水質達標率，說明河湖水質問題亟待改善；隨著水污染的治理，2020年南京市大部分評價單元水功能區水質達標率指標的障礙度降低，但仍居各指標首位；同時萬元GDP排污量指標與單位面積水資源量指標障礙度所占比重升高，為改善南京市水資源承載狀態，解決水環境修復與保護問題刻不容緩。具體各分區來說，除水功能區水質達標情況較差外，市區經濟發展水平高，人口密度大，單位面積水資源量較低，應在管理方面注重水資源優化配置，同時加強虛擬水貿易，豐富可利用水資源量，進而改善水資源承載狀態；隨著江寧的快速發展，人口密度增大，萬元GDP排污量較高，因此可以在后期工作中將重點放在水污染治理、污水處理與排放的管理上；六合與浦口存在的主要問題為人口較為密集，且單位面積水資源量較低，因此應著力于提升區域水資源供給，加強非常規水的利用與水資源優化配置；溧水與高淳水資源存在的主要問題為萬元GDP排污量較高，應加大污水排放管理力度，其中高淳還存在單位面積水資源量較低的問題，可通過加強外調水的利用來增加其水資源可利用量。

2030年南京市各評價單元由于社會經濟規模擴大，人口迅速增長，生活水平不斷提升，水資源需求量激增，水資源承載狀態惡化。具體各分區來說，2030年市區與江寧識別出的障礙因素與2020年相同，市區的主要問題為水功能區水質達標率較低、人口密度較大且水資源可利用量較少，因此仍應注重市區的生態環境保護、污染治理與豐富水資源供給，以保障區域的可持續發展；江寧存在的主要問題表現為水功能區水質達標率較低、人口密度較大且萬元GDP排污量較高，因此仍應積極開展水污染治理與截污限排等工作；2030年六合、浦口、溧水與高淳的障礙因素主要集中在萬元GDP排污量上，各區域均應重視生態環境的保護，控制排污總量；并且隨著社會經濟的迅速發展，各區域均出現了人口密度較大的問題，水資源供需矛盾突出，因此為實現社會經濟發展可持續，應通過增加非常規水利用加大水資源可利用量的同時，注重節水型社會的建設，進行產業結構調整，以提升水資源承載狀態。

3 結 論

(1)根據南京市水資源承載狀態評價結果，2015、2020、2030年南京市各分區水資源承載狀態均處于 中等或較差等級；較2015年，2020年水資源承載狀態有所好轉，但至2030年，由于經濟社會規模的快速發展，水資源供需矛盾加劇，如不及時采取措施，水資源承載狀態將會惡化。

(2)本文對障礙因素識別中的指標歸一化方法進行了改進，得到了合理的計算結果，為之后相關研究拓寬了思路。根據障礙因素識別結果，南京市各分區在發展過程中均存在水功能區水質達標率較低的問題，且萬元GDP排污量與單位面積水資源量指標障礙度逐年升高，為了使南京市在未來年份水資源承載狀態呈現出更好狀態, 相關部門必須基于各分區實際情況，從水資源供給側、需求側與水環境保護與治理三個方面制定提升措施，保證南京市的可持續發展。

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