貴陽市水資源承載力演變的集對分析與診斷識別

唐愛筑，何守陽

(1.貴州大學喀斯特環境與地質災害防治重點實驗室，貴陽 550025；2.貴州大學資源與環境工程學院，貴陽 550025；3.貴州喀斯特環境生態系統教育部野外科學觀測研究站，貴陽 550025)

0 引 言

水資源是支撐自然生態系統平衡和人類生存發展的基礎性資源，也是制約當今世界發展的戰略性資源，并逐漸成為擁有經濟性質的公共性的社會資源[1]。城市是人口分布、資源消耗和環境污染的集中區域，是一個區域社會經濟發展的重要載體，水資源承載能力不僅關系到城市未來自身的命運，也關系到其周邊地區能否順利實現可持續發展的目標，已經成為城市可持續發展甚至區域可持續發展的重要內容。隨著全球人口的持續增長和城鎮化進程的不斷推進，城市發展受到了水資源承載能力的極大約束。而水資源承載力是一項涉及水資源、人口、生態和社會經濟等多個系統相互耦合的綜合指標，如何保持城市與水資源承載力協調可持續發展已經引起了學術界和政府部門的廣泛關注。

國際上不同學科領域學者是對水資源承載力進行了多維度研究。Rees[2]從城市供水量方面研究水環境承載力，評價不同供水模式下城市發展狀況。Joardor[3]從印度供排水模式和廢棄置物點角度評價城市資源承載力。Harris等[4]認為水資源減少會導致農業生產減量和土壤退化。同時氣候變化與人類活動對水資源承載力的影響日益突出，Al-Kharabsheh等[5]認為干旱氣候、人口增長和欠缺的下水道系統使得約旦南部盆地水質惡化。Severskiy[6]認為淡水資源短缺是中亞地區發展的決定性因素。Ait-Aoudia[7]等從家庭供水系統角度評價阿爾及爾載水量和家庭用水能力。在水資源評價方法與模型方面，Duarte等[8]運用數學模型評估沿海水域承載能力對水產養殖的影響。Srinivasan等[9]利用人類環境耦合系統模型檢驗了印度城市化與水資源脆弱性之間的關系，認為應加強公共水資源利用管理。因此，Rijsberman等[10]在對城市可持續研究發展中提到，水資源系統的持續發展是城市水資源安全保障的重要保證，是水資源評價管理的重要部分。Falkenmark等[11]認為水資源承載力是維持社會發展的重要因素，要合理進行水資源管理和水污染防治。Gong[12]等研究發現蘭州市目前水資源利用存在不合理。

在我國，關于水資源承載力的研究始于20世紀80年代后期。1989年，新疆水資源軟科學課題研究組提出水資源承載力的概念與評價模型，采用了常規趨勢法對新疆烏魯木齊河流域的水資源承載力進行研究[13]。20世紀90年代到21世紀初期，這期間國家加強了水資源戰略問題的研究，國內學者在水資源承載力的理論基礎、指標體系、評價模型(方法)等方面做出貢獻[14-18]，為我國水資源承載力全面、系統的研究提供了許多經典的研究案例。模糊綜合分析法[19]、系統動力學[20]、BP網絡[21]等方法已被廣泛應用不同地區的水資源承載力評價。近年來一些基于評價和診斷識別思路的區域聯系數和利用減法集對勢的評價方法與模型逐步得到應用[22-24]。而在經濟社會發展與水資源耦合協調以及水資源承載力提升與優化方面也受到關注，夏軍等[25]分析城鎮化對“社會-水資源-生態”復合系統的影響，探討了城鎮化地區水資源承載力的理論研究基礎。賀輝輝等[26]從時間尺度上探討了安徽省淮河流域社會經濟活動與水環境的協調程度。陳紅梅等[27]計算了城鎮化與水資源承載力協調發展度，研究表明城鎮化質量的提高與水資源承載力之間存在雙向作用關系。馬海良等[28]對江蘇省水資源承載力進行評估，認為注重兩型社會和生態文明建設的城鎮化進程可以較大幅度提升水資源承載力。

綜上所述，水資源承載力從早期的方法學到區域水資源承載狀態識別與評價逐漸過渡到基于評價識別、診斷及提升優化的系統決策上來，尤其以長時間尺度下共性問題為導向的水資源承載力評價與提升對策已成為是當下及未來一段時間的研究焦點。城鎮化不斷推進過程中對水資源的需求日益增加，水資源對城市可續發展的支撐受到前所未有的挑戰，如何正確處理水資源和城鎮化之間的關系，維持水資源和城市之間的協調發展，已成為全球城市發展與管理面臨的共性問題。本文以構建水資源承載力評價指標體系，利用集對分析方法進行水資源承載力評價，并運用減法集對勢進行脆弱性指標識別，力求診斷出貴陽市快速城鎮化進程中水資源承載力的演變特征與存在的問題，為城市的水資源利用、保護、可持續與系統管理決策提供一定參考。

1 研究區概況

貴陽市近年來一直處于城鎮化高速發展階段，2017年城鎮化率達74.8%，城市人口數量逐漸增加，城市規模不斷擴大，經濟發展迅速。在水資源利用方面，貴陽市的供水主要以地表水為主，2005年地表供水比重占85%，隨著地下水資源開采的管控，地表供水比例逐年上升；地下水源和其他水源(非常規水源)供水占比逐年降低，目前貴陽市供水幾乎完全依靠地表水，高達97%。隨著城鎮化進程的發展不斷推進，貴陽市水資源的需求日益增大，人口不斷增加導致人均供水量呈下降趨勢，由2005年359.2 m3減少至2017年224.4 m3。城鎮化進程中用水結構不斷發生變化，工業用水從8.32 億m3減少到3.90 億m3，城鄉居民生活用水占比從12%逐漸上升至18.9%，生態用水率從0.86%提高到1.76%。貴陽市快速城鎮化進程中水資源的利用特征及相關指標統計見表1所示。

表1 2005-2017年貴陽市水資源利用指標統計表Tab.1 Summary of water resources utilization statistics from 2005 to 2017 in Guiyang

2 研究方法

2.1 評價指標體系構建

水資源承載力評價指標涉及水資源、生態和社會等多個系統指標，各指標之間獨立又相互制約。遵循綜合性、層次性、協調性和可操作性原則[18,29]，參考已有研究成果[22,29-32]，結合貴陽市水資源利用、經濟發展水平和自然環境等情況[33]，建立由支撐力、壓力和調控力3個子系統，共15個評價指標組成的水資源承載力評價指標體系。數據進行標準化處理[32,34]后，采用熵值法[32]計算指標權重(見表2)：

(1)

(2)

式中：Wj為指標權重；Xij表示第i年第j項評價指標的值；m為年數；n為指標數。

2.2 承載狀態判別標準

在參考已有研究資料的基礎上[21,23,29,32,35]，建立水資源承載力評價等級標準，評價等級標準選取可載、臨界超載、超載3個等級[22]。1級(可載)表示水資源承載力較高，處于可持續利用的狀態；2級(臨界超載)表示水資源承載力一般，水資源供需緊張，若不加以合理開發利用，則會對社會經濟發展產生影響；3級(超載)表示水資源承載較弱，水資源開發利用程度較高，容易引發水資源短缺，見表3。

表2 貴陽市水資源承載力評價指標及權重Tab.2 Evaluation indices and weight of water resources carrying capacity of Guiyang

表3 貴陽市水資源承載力評價等級標準Tab.3 The evaluation grade standard of water resources carrying capacity in Guiyang city

2.3 承載力評價模型選擇

水資源瓶頸與經濟社會發展是對立統一的矛盾關系，尋求二者最大的公約數是水資源承載力評價與調控重要思路，我國學者趙克勤[36]提出了基于這一對立統一觀點的集對分析方法，和傳統方法相比，是一種新穎且具有處理不確定性優勢的分析方法[24]。其核心思想是將確定和不確定作為一個系統，其中確定性分為“同一”和“對立”，不確定性為“差異”，從集對的同一度、差異度、對立度進行系統分析。集對分析法在水資源承載力評價中能夠處理評價指標和評價標準間的不確定性，將其轉化為定量的科學計算，對水資源承載力進行定量分析。

2.3.1 評價樣本聯系數

(3)

(4)

(5)

u1i=a+bI+c

(6)

J=v1i1+v1i2I+v1i3J

(7)

式中：Wj為第j個指標的權重；na，nb，nc分別為樣本i的nj個指標中分別落在1、2、3級評價等級中的指標數目，且na、nb、nc和為1；u1i為樣本i的三元聯系數；a，b，c分別為集對的同一度、差異度和對立度，a、b、c∈[0,1]；I，J分別為差異度和對立度系數[36]。

2.3.2 評價指標值聯系數

用集對分析法計算水資源承載力評價等級標準和指標樣本值Xij之間的評價指標值u2ijk[22,29,36]，指標包括正向指標和反向指標，正向指標是指評價指標值Xij越大，評價等級標準的等級值就越大，反向指標則相反。當u2ijk越接近1時，表示指標與評價標準趨于同一，說明指標偏向隸屬于評價標準等級；當u2ijk越接近-1時，則說明指標越偏向不隸屬于評價標準等級，正向指標計算公式如下，反向指標則范圍符號相反。通過歸一化處理得到聯系數分量v2ijk，代入得到評價指標值聯系數u2ij：

(8)

(9)

(10)

u2ij=v2ij1+v2ij2I+v2ij3J

(11)

式中：S1j為評價標準等級1級和2級之間的臨界值；S2j為評價標準等級2級和3級之間的臨界值；S0j和S3j分別為1級和3級評價標準等級另一端點臨界值。

2.3.3 平均聯系數

計算樣本i的評價指標值聯系數u2i，根據最小相對熵原理然后取幾何平均數[29]：

(12)

(13)

ui=vi1+vi2I+vi3J

(14)

2.3.4 水資源承載力評價等級確定

利用級別特征值法[22,23,37]計算樣本i對應的評價指標值聯系數和平均聯系數的水資源承載力評價等級值，級別特征值h為一個描述級別的數，以作為區域水資源承載力的單指標評價h(j)和綜合評價h(i)結果：

(15)

(16)

式中：1≤h≤c，c為1、2、3。

2.4 承載力診斷識別

利用減法集對勢[22,29]和偏聯系數法[38,39]對城鎮化進程中區域水資源承載力的脆弱性進行識別，當偏聯系數Pf(u)>0時，表示樣本具有正向發展趨勢，反之則為負向趨勢，計算如下：

(17)

根據“均分原則”[29,36]，減法集對勢劃分為5個勢級：反勢Sf(u)∈[-1.0，-0.6]，偏反勢Sf(u)∈(-0.6，-0.2]，均勢Sf(u)∈(-0.2，0.2]，偏同勢Sf(u)∈(0.2，0.6]，同勢Sf(u)∈(0.6，1.0]，診斷為反勢和偏反勢的指標為脆弱性指標[29]，計算如下：

Sf(u)=(a-c)(1+b)

(18)

3 結果與分析

3.1 承載狀態診斷

利用貴陽市水資源承載力評價等級標準對各指標承載狀態進行識別。支撐力系統中，人均水資源量X1、產水模數X2受當年水資源量和人口增長影響，2005-2017年在臨界超載與超載之間波動；城鎮化進程中人口不斷增加，人均供水量逐年降低，期間人均供水量X3始終處于超載狀態；森林覆蓋率X4在2005-2007年為臨界超載，隨著環城林帶的保護與植樹造林，隨后10年均為可載狀態。在壓力系統中，城鄉居民生活用水占比X5在2005-2007年為可載，之后處于臨界超載狀態，其中2011年處于超載狀態，是因為占比為13a中最高，超過了20%；萬元GDP用水量X6在2005-2011年為臨界超載，之后用水量大幅下降低于25m3，轉變為可載狀態；萬元工業增加值需水量X7在2005-2011年為超載，2012年開始轉變為臨界超載，2017年為可載，不斷向好，是由于工業用水利用率提高，從2012年需水量大幅減少，低于75m3；人口密度X8在2005-2006年為臨界超載，由于人口的不斷增加2007-2017年為超載狀態；城鎮化率X9在2005-2017年均為臨界超載；農業灌溉定額X10在2005-2017年均為超載，是由于未達到《全國節水規劃》中的評價標準[33]。在調控力系統中，水資源開發利用率X11在2005-2017年均于40%，均處于可載；人均GDPX12在2005-2009年為超載，隨著社會經濟發展2010-2013年為臨界超載，2014-2017年為可載；工業重復用水量X13在2008-2011年、2014年為可載，2006年處于超載，其余年份為臨界超載；河流水質達標率X14在2006-2007年為可載，其余年份為臨界超載；生態用水率X15在2005-2006年為超載，2007-2017年均為臨界超載，生態用水率處于一個較低水平，水資源承載力指標承載狀態如圖1所示。

3.2 承載力評價

2005-2017年貴陽市水資源承載力評價等級均高于2.00，總體處于臨界超載狀態。2005-2011年評價等級處于波動上升狀態，不斷趨向于超載狀態；但隨著貴陽市開展節水型社會建設，2011年后評價等級逐漸降低，從2011年2.42降低至2017年2.02，水資源承載狀態不斷向好。而同時期利用偏聯系數和減法集對勢進行態勢分析表明，偏聯系數識別2005-2017年貴陽市水資源承載力均為負向態勢，但在節水型社會建設前后水資源承載狀態出現拐點，由2005年的-0.28降低至2011年的-0.53，水資源承載力較差；隨著節水型社會的建設，偏聯系數逐漸增加，雖仍處于負向態勢但逐漸趨向于正向態勢，2017年偏聯系數為-0.03，水資源承載力不斷增強。與之相對應的減法集對勢態勢2014年前始終處于偏反勢狀態，但不斷趨于均勢態勢，節水型社會建設實施兩年后水資源承載力進入均勢狀態，但2016年出現偏反勢態勢，表明水資源承載力出現減弱的波動，需引起重視，節水型社會建設成果須不斷鞏固提升，總體上貴陽市水資源承載力改善趨勢明顯，不斷增強。貴陽市2005-2017年水資源承載力綜合評價結果及演變見圖2所示。

比較2005-2017年水資源承載力評價等級、減法集對勢和偏聯系數變化幅度，當評價等級變幅為正時，說明評價等級呈上升，水資源承載力表現減弱；當評價等級變幅為負時，評價等級和水資源承載力的表現則相反。在這13年期間，2005-2006年、2007-2009年、2010-2011年、2012-2013年、2015-2016年評價等級變幅均為正，評價等級呈上升變化，水資源承載力表現變弱；其余年份評價等級變幅為負，評價等級呈下降變化，水資源承載力表現增強。2005-2006年、2011-2012年、2013-2014年、2016-2017年評價等級的變化幅度超過了0.1，其中，由于貴陽市開展節水型社會建設啟動和方案實施，2012年變幅最大，評價等級下降了0.26。根據偏聯系數和減法集對勢的意義，當偏聯系數和減法集對勢變幅為正時，其具有負向發展趨勢，對應評價等級上升，當偏聯系數和減法集對勢變幅為負時，其具有正向發展趨勢，對應評價等級下降，其表達的水資源承載力當前所具有的發展趨勢評價變幅和評價等級變幅結果一致，兩者對比結果見圖3。

3.3 承載力子系統評價

對水資源承載力的支撐力、壓力和調控力3個子系統進行綜合評價，支撐力系統的評價等級在2.06～2.46之間波動，處于臨界超載狀態；偏聯系數和減法集對勢態勢分析表明，偏聯系數在2008年和2014年為正向態勢，其余為負向態勢；減法集對勢處于均勢和偏反勢之間波動。支撐力系統偏聯系數和減法集對勢相關系數為0.98，且趨勢診斷結果表現和綜合評價一致，見圖4(a)。

壓力系統評價等級在2013年為1.98，其余年份均高于2.0，處于臨界超載附近。2005-2011年評價等級呈上升趨勢，趨向于超載狀態，在2012年評價等級有明顯的下降，2012年之后處于臨界超載附近。偏聯系數和減法集對勢態勢分析表明，偏聯系數識別除了2013年為正向態勢其余均為負向態勢，在2012年出現明顯的拐點后雖仍處于負向態勢但趨于正向態勢發展；2005-2011年減法集對勢均處于偏反勢狀態，且呈趨向于反勢發展，但在2012年轉變為均勢，之后穩定處于均勢狀態。壓力系統偏聯系數和減法集對勢相關系數為0.94，且趨勢診斷結果與綜合評價具有很好的一致性，見圖4(b)。

2005-2011年調控系統評價等級均高于2.0，處于臨界超載，在2012年評價等級降為1.95，隨時間變化呈下降趨勢。偏聯系數和減法集對勢態勢分析表明，2005-2011年偏聯系數處于負向態勢，從2012年開始轉變為正向態勢并保持正向發展；2005-2010年期間，減法集對勢在2005年和2007年為均勢，其余處于偏反勢狀態，減法集對勢從2011年變為均勢，之后呈偏同勢方向升高。調控系統偏聯系數和減法集對勢相關系數為0.99，且趨勢診斷結果表現和綜合評價類似，見圖4(c)。

3.4 承載力脆弱性識別

水資源承載力囊括3個子系統中共有15個評價指標，其承載力脆弱性的識別過程需對指標進行減法集對勢分析。在支撐力系統中，人均水資源量X1和產水模數X2一直在偏反勢和均勢之間波動，人均供水量X3在2005-2007年為偏反勢，之后處于反勢，3個指標主要受波動的自然水資源量和逐年增加的人口影響；森林覆蓋率X4處于均勢且呈向偏同勢發展，源自環城林帶的保護與植樹造林。從2008年開始，人均供水量X3和森林覆蓋率X4態勢表現穩定，由于人均水資源量X1和產水模數X2的波動，造成了支撐系統綜合評價波動。通過減法集對勢的分析，人均水資源量X1、產水模數X2、人均供水量X3是支撐力系統中的脆弱性指標，見圖5(a)。

在壓力系統中，2005-2010年城鄉居民生活用水占比X5由同勢向均勢發展，由于2011年城鄉居民用水占比升高為22.2%，態勢突降為偏反勢，2011年之后處于均勢但向偏反勢方向發展；萬元GDP用水量X6的減法集對勢在2005-2011年處于均勢和偏同勢輕微浮動，在2012年轉變為同勢后一直保持處于同勢，這是因為從2012年開始，萬元GDP用水量X6大幅減少，低于25m3；萬元工業增加值需水量X7在2011年以前處于反勢，從2012年開始轉變為均勢且向偏同勢緩慢發展，是因為萬元工業增加值需水量從2012年大幅下降，低于75m3。正是由于2012年開始萬元GDP用水量X6和萬元工業增加值需水量X7大幅降低，使壓力系統評價等級在2012年發生了0.37的降幅，說明隨著貴陽市城鎮化進程，經濟發展和工業對水資源的索取強度明顯下降；人口密度X8一直處于偏反勢且變化平緩；城鎮化率X9處于均勢，有緩慢向偏反勢發展的趨勢；農業灌溉定額X10波動于偏反勢和反勢，是由于未達到《全國節水規劃》中的評價標準[33]。通過減法集對勢的分析，人口密度X8、農業灌溉定額X10是壓力系統中的脆弱性指標，其中萬元GDP用水量X6和萬元工業增加值需水量X7在2005-2011年期間也屬于脆弱性指標，見圖5(b)。

在調控力系統中，水資源開發利用率X11處于偏同勢；人均GDPX12在2005-2010年處于偏反勢，從2011年開始由均勢呈偏同勢發展，隨著社會經濟發展，人均GDP逐年增加；工業重復用水量X13在2006-2007年、2010-2011年處于偏反勢，其他年份均處于均勢，是因為工業用水重復利用率得到提高；河流水質達標率X14在均勢和偏同勢波動；生態用水率X152005-2010年處于偏反勢，從2011年開始轉變為均勢，只有在2013、2014年輕微降為偏反勢。調控力系統的綜合評價等級從2012年開始低于臨界超載且呈下降趨勢，其主要原因是由于從2012年開始各項評價指標都朝著改善趨勢發展。通過減法集對勢的分析，人均GDPX12、生態用水率X15在2005-2011年期間是調控力系統中脆弱性指標，見圖5(c)。

3.5 承載力調控

貴陽市城鎮化進程中，全面落實了相關節水保水工作，2010年編制了《貴陽市節水型社會建設規劃及實施方案》，出臺了系列地方性規章及規范性文件，建立較為完整的節水執法體系，實現節水工作規范的制度化；開展水量平衡測試、內部供水管網改造等工作，加強節水工業技術推廣應用，推進節水技術創新和改造；積極探索有效漏損控制的方法，如多點采集城市主管網信息及隱患點定位、采用大數據及地理信息系統聯動管理等措施來降低城市供水管網漏損。2011年開始實施節水型社會建設，2014年以全國水生態文明城市建設試點城市為契機，落實最嚴格水資源管理制度，重點開展了城市水資源利用與保護、節水減排和控源減負、現代水務管理體系建設等行動建設。按照《貴陽市實行最嚴格水資源管理制度考核工作“十三五”實施方案》，貴陽市將“三條紅線”控制指標分解至各縣(市)區；建立了用水總量控制、用水效率控制和水功能區限制納污控制指標體系，并采取用水方式轉變倒逼經濟結構調整和發展方式轉變的辦法，提升水資源承載力，促進貴陽市水資源可持續利用?；?005-2017年貴陽市水資源承載力脆弱性識別結果，隨著人口大量增加，人均水資源量不足、人均供水量明顯減少，農業灌溉定額未能達到《全國節水規劃》中的評價標準等原因，水資源承載力基本處于臨界超載狀態。針對貴陽市尚未完成城鎮化以及地表供水為主導的實際，結合水資源承載力狀態分析、評價以及脆弱性指標診斷識別，未來水資源承載力提升的主要調控方向如下：

(1)優化貴陽市節水網絡管理平臺。貴陽市人口逐年增加，人均水資源量以及人均供水量不足，因此需要建立完善的用水管理政策，完善城市供水管網建設，減少城市管網漏損，大力倡導節約用水，提高全民節水意識，夯實節水型社會的建立。

(2)優化產業結構，提高用水利用率。即使早期的水利設施建設和產業布局調整使得貴陽市萬元工業增加值需水量和萬元GDP用水量有了明顯下降，但貴陽市城鎮化的繼續推進對水資源的需求會越來越大，應進一步優化調整產業結構，大力發展和使用節水技術，提高工業用水重復利用率，降低生產用水總量。應加大農業用水結構調整力度，推廣農業節水設備，提高農業用水效率，實現貴陽市農業灌溉定額滿足《全國節水規劃》評價標準要求。

(3)提高非常規水源利用占比，加強地下水戰略儲備資源的環境保護工作。貴陽市非常規水源供水占比較小，應加強污水處理及回收再利用，提高再生水利用和雨水利用，用于城市景觀用水和環境用水。貴陽市目前供水以地表水為主，現階段貴陽市水資源承載力呈臨界超載狀態，未來水資源供給將逐步向地表地下互補過渡，因此，當前的地下水資源環境保護將為貴陽市可持續發展的堅實基礎，也是水資源承載力提升的重要戰略儲備。

4 結 論

基于水資源承載力“支撐—壓力—調控”思路的評價指標體系和集對分析評價模型，并采用減法集對勢診斷識別出貴陽市水資源承載力的脆弱性因子，獲得以下初步的結論：

(1)2005-2017年貴陽市水資源承載力評價等級均高于2.00，呈現階段性演變特征，2011年前評價等級處于波動上升狀態，不斷趨向于超載，總體處于臨界超載狀態；2011年開展節水型社會建設后，評價等級逐漸降低，水資源承載狀態不斷向好。

(2)貴陽市水資源承載力脆弱性因子識別結果表明，有限水資源的城市背景下人口大量增加，人均水資源量和人均供水量不足，以及農業灌溉定額未達標是水資源承載力較弱的主要原因。

(3)基于貴陽市水資源承載力的演變特征和脆弱性因子診斷識別，結合貴陽市實際提出了優化產業結構，夯實節水型社會建設、提高用水利用率、提升非常規水源利用占比和加強地下水戰略儲備資源保護的優先調控思路。

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