山東省濱州市水資源承載力綜合評價

張玉冰 張錦水

(1.國家統計局濱州調查隊，山東 濱州 256600；2.北京師范大學 地理科學學部，北京 100875)

濱州市是山東省的北大門，區位優勢明顯，產業基礎良好。近年來，濱州市水資源供需矛盾問題日益突出，數據顯示：濱州市年均水資源總量30.68億m3，人均水資源占有量僅258m3，為全省人均水資源占有量的77.2%，為全國人均水資源占有量的12.3%，僅為世界人均水資源占有量的3.4%，屬缺水性城市。水資源總量不足、浪費嚴重、環境惡化、調蓄能力和抗洪澇災害能力差等問題，與社會經濟發展的客觀需要相矛盾。為實現水資源優化配置和區域可持續發展，開展水資源承載力的評價，具有緊迫的現實應用價值[1]。

有關水資源承載力的研究，在20世紀70年代就已經出現。1975年，Ayoade[2]對尼日利亞的地表和地下水資源進行了初步評估，發現氣象、水文和水文地質等因素對水資源分布的大小和空間格局起到決定性影響；1998年，Falkenmark et al.[3]討論了水資源短缺的不同評估方法所造成的誤差、缺水情況的空間區域分布等問題，對水資源承載力指標進行了確認；2014年，Meriem et al.[4]對阿爾及利亞地區進行了水資源承載力評估，并將評估結果用于政府水資源戰略布局，為當地水資源可持續發展提供指導。國外關于水資源承載力的專門性研究較少，多是在資源可持續利用的范疇內開展的，通過水資源的緊缺程度和自然極限來反映其承載力。

國內關于水資源承載力的研究起步相對較晚，20世紀80年代，以施雅風[5]為代表的中國科學院水資源新疆課題組，率先提出水資源承載力是水資源可開發利用量在滿足維護生態環境用水后所能支撐的工農業最大產值和人口數量的觀點。隨后，國內有關水資源承載力的研究大量出現，以某個城市或特定區域、流域的研究居多，能夠綜合分析多重影響因素，量化指標體系逐漸系統完整，在完善水資源承載力概念、創新研究技術方法、推動水資源可持續利用上取得了顯著成績。趙強[6]基于模糊綜合評判的方法，對水資源承載力的各個影響因素進行單因素評價，并在此基礎上，確定評價集合、評價權重，繼而通過評判矩陣，完成了山東省水資源承載力的研究，認為水資源承載力主要受人均水資源量、人口密度、耕地灌溉率等13個因素影響，發現山東省水資源承載力水平總體偏弱且年度間變化大；朱照宇[7]以珠江三角洲經濟區為研究對象，采用系統動力學模型，通過建立DYNAMO模型，利用計算機仿真功能，對各市水資源承載力進行了研究，發現政府決策、水利工程等對水資源承載力水平起到了決定性作用，且認為水資源承載力是可控可調的；朱一中[8]在張掖地區水資源承載力多目標情景決策中，通過系統分析和動態分析方法，探索多目標的整體最優，使用的是多目標決策分析法，實現了對水資源承載力動態變化過程的預測；左其亭等[9]采用層次分析法和熵權法組合賦權的TOPSIS模型對我國九省區水資源承載力進行了評價，指出了產水模數、供水模數、萬元GDP用水量等影響水資源承載力的7大主要障礙因子；韓偉[10]在分析熵權法和正太云模型理論的基礎上，從水資源調控力、客體壓力和主體支撐力的角度，運用模型實現了水資源承載力的評估；石汝杰[11]基于三角白化權函數，實現了對重慶市水資源承載力的灰色聚類評價；肖杰等[12]運用主成分分析法，將影響水資源承載力的多個變量，轉化成少數綜合指標，以此反映水資源的承載能力；易柏生等[13]根據漳河流域自然情況，利用氣候生產潛力、水資源負載指數等模型，實現了對水資源承載指數和水資源負載指數的分析；蘇宗奎[14]運用人工神經網絡方法，將水資源承載力的評價指標和對應的級別作為訓練的樣本，歸納得出水資源承載力評價指標和評價等級的非線性關系，利用訓練好的網絡模型，實現了江西省水資源承載力的評價；卞海彬[15]應用回歸神經網絡(GRNN)模型構建評價模型，對滄州市水資源承載力進行了評價，并通過對比模糊綜合評價結果驗證了回歸神經網絡的準確性和可適用性。

本文立足濱州市水資源供需實際情況，建立濱州市水資源承載力綜合評價體系，利用SPA-VFS(Set Pair Analysis based Variable Fuzzy Set)模型對濱州市水資源承載力進行定量評價，為掌握濱州市水資源承載力現狀提供了科學的依據。

1 研究區概況

濱州市位于山東省北部，黃河下游魯北平原，南北最大跨徑175km，東西最大跨徑120km，總面積94.53萬km2，約占山東省總面積的16%。年平均氣溫14.3℃，年平均降水量587.6mm，年平均日照時數2632h。

濱州市水資源由本地水資源和客水資源兩部分組成。濱州市多年平均水資源總量30.68億m3，多年平均當地水資源量10.16億m3，多年平均客水資源量20.52億m3。其中，當地水資源多年平均徑流量為5.55億m3，多年平均地下水資源量為6.53億m3。隨著經濟社會的發展，城市對水資源的需求保持在較高水平。以2015年為例，全市總用水量15.41億m3，其中農業灌溉用水10.78億m3，占總用水量69.95%；林牧漁畜用水2.07億m3，占13.43%；工業用水0.98億m3，占6.36%；城鎮公共用水量0.1億m3，占0.65%；城鎮及農村居民生活用水1.04億m3，占6.75%；生態環境用水0.42億m3，占2.73%，其他用水量0.02億m3，占0.13%。

濱州市水資源總量匱乏，年度間差異較大，2007—2017年，全市最大年降水量為816.0mm，最小年降水量僅為331.4mm，最大年降水量比最小年降水量多146.2%。黃河作為濱州主要的客水，年度供給不均，含沙量大，且天然徑流呈明顯減少趨勢。與此同時，存在水資源分布不均衡現象。全市地下水和地表水，黃河以南普遍多于黃河以北，地區間水資源量的不平衡比較明顯。水資源利用方面存在以下問題：一是水質污染嚴重，地表水普遍受到污染，污染程度以輕度污染為主；二是地下水超采現象普遍存在，直接造成了地下水位的下降，致使上部含水層稀疏干涸，減少了含水層的有效利用厚度；三是地表水開發利用率低，水資源調控能力不足，管理水平相對較低，甚至一些地區出現由于盲目擴大種植規模而造成部分中小河流斷流的現象，同時在生產和生活領域存在著嚴重浪費問題；四是水環境質量改善難度較大。濱州地處沿海，鹽堿澇洼，轄區河流內大多為經處理后的再生水，地表徑流補充少，水質持續改善難度大。同時，地方環保投入不足，治污資金短缺，環境治理明顯滯后于經濟發展。

2 指標體系與數據來源

2.1 指標體系

從承載媒介和被承載對象的角度，將水資源承載力分為供給能力和消耗能力兩個方面，構建起水資源承載力綜合評價指標體系。第一層為目標層，即建立指標體系的目標，內容為水資源承載力。第二層為能力層，依據水資源承載力的定義，劃分為水資源供給能力和水資源消耗能力。第三層為系統層，是對能力層的具體劃分，是能力層的實現載體，分為水資源系統、生態系統、社會系統和經濟系統4個子系統。第四層為特性層，是系統層對能力層實現的具體特性，如水資源系統，主要受水資源數量和質量兩個方面影響。第五層為指標層，依據特性層選取能夠體現該特性的指標，如年降水量是影響水資源數量的重要因素，故將其作為體現水資源數量的具體指標。

根據濱州市水資源總量不足、分布不均等區域特性和天然稟賦，結合經濟社會發展形勢、生態環境整體情況、水資源開發利用現狀等，充分遵照科學性、整體性、動態性與靜態性相結合，定性與定量相結合，可比性、可行性的指標選取原則，最終選取了25個指標對濱州市水資源承載力進行評價。具體見表1。

表1 水資源承載力評價指標

2.2 數據來源

本文研究數據主要來源于《濱州市水資源公報》《濱州市統計年鑒》《濱州市環境質量報告書》、濱州市統計信息網等符合公開規定的統計信息資料。所用研究數據來源詳見表2。

表2 研究數據情況匯總

3 基于SPA-VFS模型的水資源承載力評價

水資源承載力影響因素較多，而且其本身就是在發展變化中的，對水資源承載力進行的評價難以具體化，標準具有一定模糊性。SPA(Set Pair Analysis)即集對分析方法，該方法體現了一種對立統一的思想，可以建立兩個集對間的同質性聯系，能夠充分考慮指標值和標準值的關系，同時通過聯系度進行定量反映，進而建立起較好的聯系。VFS(Variable Fuzzy Set)即可變模糊集，這種方法選取評價目標的具體內容為評價指標，基于對評價指標等級的劃分，利用隸屬度函數，從多個指標對待評價事物隸屬等級情況開展綜合性評判，評價的合理性和科學性大大提高。本研究將兩者進行結合，采用SPA-VFS模型(集對分析-可變模糊集耦合)模型對水資源承載力進行評價。余灝哲[16]利用SPA耦合模型，實現了對山東省水資源承載力的研究。具體過程見圖1。

圖1 SPA-VFS評價流程

考慮到25項指標的數據特點，本研究將濱州市水資源承載力分為Ⅰ級(完全承載)、Ⅱ級(基本承載)、Ⅲ級(略有超載)、Ⅴ級(超載)4個等級。利用集對分析方法，將各項評價指標分級的臨界值組成數據序列，代入SPA-VFS評價模型，經計算可得水資源承載力分級之間的限值。具體分級標準見表3。

表3 水資源承載力分級標準

借助SPA-VFS評價模型，計算2007—2017年水資源承載力評價結果，公式為

(1)

表4 2007—2017年濱州市水資源承載力評價結果

續表

從評價結果可知：2007—2017年，濱州市水資源承載力綜合得分曲線窄幅震蕩。11年間，共有7年水資源承載力等級為Ⅱ級，屬于基本承載年份，分別為2007—2010年、2012年、2013年和2017年；共有4年水資源承載力等級為Ⅲ級，屬于略有超載年份，分別為2011年、2014—2016年；無Ⅰ級完全承載和Ⅴ級超載年份。水資源承載力趨勢線向下，主要是在水資源供給和科技發展水平未發生大的變化的前提下，城市快速發展導致的水資源消耗增大。近年來，水資源承載力得分多數在趨勢線以下，說明濱州市水資源承載力仍面臨較大壓力。總體上看，盡管水資源承載力趨勢下行，但下行速度相對較緩，整體仍保持相對穩定。

由圖3可知：濱州市水資源供給能力基本能夠滿足社會經濟發展需要，11年間，有8年呈基本承載狀態。但年度波動較大，這與濱州市降水量年度變化大等特點有關，年降水量對水資源承載力產生重要影響，如2011年、2014年為枯水年，全市年降水量、水資源總量等指標遠低于多年平均值，水資源供給能力的下降，直接拉低了水資源承載力的綜合得分，導致這兩年水資源承載力呈現略有超載狀態。

圖3 2007—2017年水資源供給能力得分趨勢

值得注意的是，2017年水資源供給能力再次出現略有超載現象。2017年，濱州市狠抓中央環保督察反饋問題整改工作，加大河流斷面監控，保障水質穩定達標，市控重點河流化學需氧量(COD)平均濃度為27.71mg/L，比2016年下降4.35mg/L，氨氮(NH3-N)平均濃度1.01mg/L，比2016年下降0.74mg/L，全市水資源質量明顯好轉。但是，水資源總量、地表水資源量等反映水資源數量的指標出現了一定幅度的下降。經綜合分析，水資源供給能力對水資源數量的敏感程度要高于水資源質量。

圖4顯示濱州市水資源消耗能力曲線相對平緩，波動幅度不大，且與綜合得分曲線的變化趨勢表現出較強的一致性。不難發現，除2012年外，水資源消耗能力等級與水資源承載力整體等級保持一致?？梢姡Y源承載力與水資源消耗能力關系密切。水資源消耗能力受生態、社會、經濟3個子系統綜合影響，具體情況如下：

圖4 2007—2017年水資源消耗能力及分系統得分趨勢

a.生態系統與水資源承載力關系密切，近年呈快速上漲態勢。生態系統指標中的“當年完成環保驗收項目環保總投資占GDP比重”的權重為0.14，在指標體系中最高，對水資源承載力影響較大。2014以來，濱州市環保項目、環保投資大幅增長，重點流域和區域性水污染防治取得實質效果。受“雙控行動”影響，濱州市水資源消耗總量和消耗強度減小，各行各業節約用水力度持續加強，用水效益大幅提高，水資源消耗穩定在合理區間，水資源承載力已初現緩慢上升態勢。2017年完成環保驗收項目環?？偼顿Y84.87億元，占GDP比重為3.3%，比2016年增長了2.83%；每平方公里工業廢水排放量1.89萬t，比2016年下降10.7%；每平方公里工業廢水中COD排放量0.88t，比2016年下降15.4%。水生態環境狀況改善，壓力減小，使2017年生態系統得分較2016年出現大幅度增長。

b.社會系統綜合得分曲線一路下行，形勢不容樂觀。近年來，濱州市人口不斷增加，人口密度保持持續增長態勢。城鎮化率快速提高，2017年常住人口城鎮化率為58.6%，比2007年高出23.23%。對水資源的消耗總量日益加大，一定程度上拉低了水資源消耗能力綜合得分，進而對水資源承載力產生負面影響。2007—2012年，社會系統得分等級為Ⅱ級，處于基本承載狀態。2013—2016年，城市快速發展，人均居民家庭用水量、人均城鎮全年用水總量等指標持續增長，使得水資源承載力出現略有超載現象。2017年，濱州市人口密度、常住人口城鎮化率、人均居民家庭用水量、人均城鎮全年用水總量等指標較2016年出現大幅增長，且達到近年來新高，水資源承載力首次出現了超載現象。社會系統得分表現出明顯的加速下降之勢，對水資源承載力影響較大，形勢不容樂觀，亟待引起關注。

c.經濟系統綜合得分曲線始終保持正斜率，增長趨勢明顯。近十年來，濱州市經濟結構日趨合理，第三產業產值占GDP比重逐年增長，由2007年的29.48%增長到2017年的44.2%。隨著技術手段的不斷更新和企業生產節水意識的增強，濱州市億元工業總產值規模以上工業企業取水量呈現明顯下降趨勢。2012年，濱州市經濟系統得分等級由Ⅲ級升為Ⅱ級，即由略有超載轉為基本承載狀態，且一直保持向好趨勢。由于經濟發展方式的轉變和結構的合理優化，經濟發展狀況明顯改觀，經濟用水壓力有所緩解，這對于提高水資源承載力產生了積極作用。

4 結論與思考

濱州市地表水徑流量年際變化大，利用率較低；大面積地下水為咸水區，不能飲用和灌溉；降水主要集中在汛期，年內分配不均勻；工農業生產及生活用水對引黃客水依賴性較大[17]。可見，濱州市水資源現狀不容樂觀，進行水資源承載力研究迫在眉睫。本文運用SPA-VFS模型完成了對濱州市2007—2017年水資源承載力的評價，為當前和未來濱州市水資源規劃管理提供了科學參考。

研究表明：2007—2017年，濱州市水資源承載力綜合得分曲線窄幅震蕩，2007—2010年、2012年、2013年和2017年水資源承載力等級為Ⅱ級(基本承載)，2011年、2014—2016年水資源承載力等級為Ⅲ級(略有超載)，無Ⅰ級(完全承載)和Ⅴ級(超載)情況。在水資源供給和科技發展水平未發生大的變化的前提下，城市快速發展導致水資源消耗的增大，造成水資源承載力趨勢線已向下。但總體看下行速度較緩，說明水資源承載力整體保持相對穩定。從評價結果看，降水量、COD平均濃度、人口密度、城市建成區面積、環保投資等是影響水資源承載力的主要因素。

本研究從自然、社會、經濟、生態4個方面深入分析，提出了提高水資源承載力的方法和對策。

a.努力彌補資源稟賦不足。從數量入手，推進海綿城市建設，下雨時做好吸水、蓄水、滲水等工作，統籌用好自然降水、地表水以及地下水，協調給水、排水等各個環節。從質量發力，重點監測重點河流化學需氧量(COD)濃度和氨氮(NH3-N)濃度，嚴厲查處影響水源水質安全的環境違法行為。

b.重點發揮人的關鍵力量。進一步穩定人口總量，提高人口素質，使得人口的增長速度和整體素質與水資源的承載力相適應。合理限制城市擴張速度和規模，用實際行動有效控制居民家庭用水量和城鎮供水量，減少社會耗水，降低社會因素對水資源承載力的負面影響。

c.不斷優化經濟發展結構。加快新舊動能轉換，增加第三產業比重，減少水資源消耗，如降低億元工業總產值規模以上工業企業取水量，保障水資源對經濟社會發展的承載能力。加快開發新能源，出臺鼓勵政策引導人們使用清潔能源，間接地減少水資源的消耗量。

d.加強水資源的科學管理。合理增加環保總投資在GDP中的比重，積極改善生態環境狀況，為提升水資源承載力提供支撐。重視生態系統對水資源消耗能力的影響作用，用最嚴格的制度保護生態環境，用最嚴密的法治保護生態環境，以此提升水資源承載力。