基于協調性的區域水資源承載力評估模型

鄭江麗，李興拼

(1.水利部珠江河口治理與保護重點實驗室，廣東 廣州 510611；2.珠江水利科學研究院水資源研究所，廣東 廣州 510611)

水資源是我國區域經濟社會持續健康發展的重要制約因素，在開展區域水資源規劃與管理的相關工作，尤其是處理水資源供需問題時，應充分考慮區域水資源承載力，以保證區域水資源的可持續發展。因此，建立適宜的區域水資源承載力評價模型，對區域經濟發展、生態環境保護、水資源狀況改善，以及水資源可持續利用都具有重要的理論和實踐意義。目前，關于區域水資源承載力量化的研究已取得了一定的成果，如：王順久等[1]以人均占有水資源量、單位GDP占有水資源量、單位耕地占有水資源量等指標為輸入數據，利用投影尋蹤方法評價了全國30個省(區、市)和淮河流域水資源承載力；夏軍等[2]通過探討城市化地區水資源承載力的內涵和特性，采用目標綜合分析與多級灰關聯評價相結合的方法，建立了城市化地區水資源承載力模型。不少學者通過建立反映水資源承載力的指標評價體系識別和診斷水資源承載力狀況，其中評價指標體系以基于壓力-狀態-響應模型(PSR)的水資源承載力評價指標體系研究較多[3]。可見，水資源承載力的評價是在構建相應的水資源承載力評價指標體系基礎上，通過評估模型闡明水資源承載力的量化表達形式，從而使水資源承載力具有可衡量性與可操作性。

目前關于水資源承載力的評估模型和方法較多，主要有線性模型、目標規劃模型、模糊評價模型、主成分分析模型、系統動力學模型、投影尋蹤評價模型和綜合評價法等[4]。由于區域水資源承載力涉及水資源系統、社會系統、經濟系統和生態環境系統，通過壓力指數和協調指數，結合綜合評價模型，能較為全面地評價某一區域水資源的承載能力。協調指數與水資源狀況、社會經濟水平、生態環境優劣狀況相關，不少學者從系統角度考察各要素的協調性，并計算協調指數，以實現量化區域水資源承載力的目的。王友貞等[5]采用協調指數評價水資源社會經濟系統的協調狀況，通過計算協調指數來分析區域水資源承載力；劉佳駿等[6]認為水資源系統、社會系統、經濟系統和生態環境系統的有序度反映了復合系統協調發展程度，有序度越高協調發展程度越高；王照亮[7]以鄭州市為研究對象，采用變異系數對社會、經濟、水資源和生態的協調程度進行了計算，解析了鄭州市水資源綜合承載力變化情況；葉海焯等[8]為了更好地研究南京市水資源承載狀態及其變化趨勢，引入離差系數反映水資源承載力各系統間的協調發展度，評價了南京市2015年、2020年和2030年的水資源承載狀態；鮑慶煜等[9]利用離差系數反映系統間組合協調的程度，以及系統間運動軌跡的相似程度和接近程度，通過計算離差系數來劃分區域水資源承載狀態等級。

對水資源承載力研究的目的主要是解決區域經濟、社會、生態與水資源系統協調發展的問題，這4個系統共同構成一個復合整體系統，構成的過程體現了協同性，從各系統演化的協同性角度分析水資源承載力，可以更準確地調控復合系統的演化過程，使復合系統更加趨于合理。本文利用協同學原理構建綜合評價模型評估區域經濟、社會、環境與水資源系統的協調程度，以期為區域水資源的合理利用及經濟社會與生態環境可持續協調發展政策的制定提供參考。

1 水資源承載力評價指標篩選

根據影響水資源承載力的主要因素[10-15]，結合水資源、社會、經濟及生態環境系統特征，通過綜合比較，篩選了各系統反映區域水資源承載力的評價指標如圖1所示。

2 模型構建

一般地，區域水資源承載力M為壓力指數Y和協調指數X的函數：

M=f(Y，X)

(1)

壓力指數包括社會系統壓力指數Y1、經濟系統壓力指數Y2、區域水資源復合系統承載壓力指數Y3；協調指數由水資源系統、社會系統、經濟系統和生態環境系統的協同程度決定。

2.1 壓力指數

系統的壓力指數反映了評價期內該系統承受的壓力大小。壓力指數越大區域水資源對應承載的壓力越大。

a.社會系統壓力指數。社會系統壓力指數反映了評價期內社會系統承受的壓力大小，計算公式為

Y1=P/Pmax

(2)

其中

b.經濟系統壓力指數。經濟系統壓力指數反映了評價期內經濟系統承受的壓力大小，計算公式為

Y2=G/Gmax

(3)

其中

Gmax=GwWmax/Wmin

式中：Gmax為區域內水資源可承載的最大經濟規模；Gw為對應于Wmin時的國內生產總值；Wmin為區域內社會系統和經濟系統的最低用水總量；Wmax為區域水資源最大可利用總量。可以看出，為實現區域經濟社會的可持續發展，Y1與Y2均應小于1。

c.區域水資源復合系統承載壓力指數。區域水資源復合系統承載壓力指數反映了區域經濟、社會及生態環境系統給水資源系統的綜合壓力大小，計算公式為

Y3=YCP/YCR

(4)

式中：YCP為區域水資源面臨的綜合壓力指數；YCR為水資源系統的綜合承壓指數。YCP和YCR可利用加權平均方式得到[16]：

(5)

式中：sj為反映水資源系統壓力的指標；wj為因素j的權重；J為反映水資源系統壓力的指標總數；zk為反映水資源承受的社會系統、經濟系統和生態環境系統壓力的指標；wk因素k的權重；K為反映水資源承受的社會系統、經濟系統和生態環境系統壓力的指標總數。本文采用熵權法計算wj和wk。

2.2 協調指數

系統的協調指數反映了區域內水資源系統、社會系統、經濟系統和生態環境系統之間協調發展的程度。一般地，系統的協調指數越大，表明該區域的水資源復合系統協調發展程度越高，即水資源的利用水平越高。

區域水資源承載力與水資源系統、社會系統、經濟系統和生態環境系統的協調程度息息相關。各系統之間良好的動態平衡，是實現水資源系統良性循環和演化的基礎[17-18]。本文基于協同學的序參量原理，假定水資源承載力為水資源系統、社會系統、經濟系統和生態環境系統4個系統協同作用形成，則各系統的序參量變量組成為

Ai={ai1,ai2,…,aiL} (i=1，2，3，4)

(6)

式中：Ai為系統i的序參量集合，這些序參量蘊含在水資源系統、社會系統、經濟系統和生態環境系統中；αil為系統i第l個序參量，l=1，2，…,L；L為序參量總數，L≥2。

若αimax和αimim為系統i達到穩定臨界點的上限和下限，即αimim≤αil≤αimax，該上下限由所有序參量共同決定：假定圍繞某一穩定值上下波動，當序參量小于該值時，取值越大，即越靠近穩定值，該系統的有序程度越高；當序參量大于該值時，取值越大，即越遠離該穩定值，該系統的有序程度越低。由于各系統的序參量對該系統有序度的“貢獻”不應為0，因此為了處理0結果的出現，本文采用下式計算有序度[19]：

(7)

其中

式中ζil為系統i第l個序參量的有序度，ζil越大，系統i第l個序參量對該系統有序度的“貢獻”越大。

利用貢獻率計算模型[20]，以各系統中各評價指標貢獻率占總貢獻率大小的比值為權重，建立相應的評價公式(式(8))計算系統有序度Bi。Bi反映序參量對各系統的總有序度，Bi越大，系統有序度越高。

(8)

式中wl為系統i第l個序參量的權重，采用熵權法計算。

區域水資源承載力與水資源系統、社會系統、經濟系統和生態環境系統相關，各系統的協同程度共同決定區域水資源承載力大小。

一般地，各系統在發展過程中相互促進、共同發展，然而各系統均有自身的動態性和不平衡性，可通過計算各系統間的協調指數來衡量區域水資源承載力在各系統間的協同情況。各系統間的協調指數X計算公式[21]為

(9)

其中

式中：T為系統整體的綜合評價指數；C為各系統間的協調系數；n為系統個數，本文n取4；wi為各系統的權重，本文4個系統的協調程度決定區域水資源承載力，且4個系統的重要程度相同，權重均為0.25。

2.3 區域水資源承載力

區域水資源承載力受水資源系統、社會系統、經濟系統和生態環境系統的共同影響，區域水資源承載力反映了區域內各系統承載壓力的狀況和區域內各系統間的協調情況。根據壓力指數和協調指數計算結果，采用以下公式計算區域水資源承載力[6]：

(10)

式中：M為區域水資源承載力；w1、w2分別為社會系統與經濟系統壓力指數的權重，本文對兩系統采用相同的權重。

3 實例驗證

3.1 研究區概況

廣州市位于廣東省中南部(東經112°57′～114°03′，北緯22°26′～23°56′)，地處珠江三角洲中北部，接近珠江流域下游入海口，區域南北長約 155 km，東西寬約106 km，市域總面積7 434.4 km2。2019年全市地區生產總值達23 628億元，第一、二、三產業結構比例為1.06∶27.32∶71.62，其中工業增加值5 723億元，占全市GDP的24.22%，但全市經濟發展不均衡。為了深入分析廣州市水資源承載力，結合廣州市各行政區水資源開發利用與經濟發展的差異，將廣州市劃分為中心區(包括天河區、越秀區、海珠區、荔灣區和白云區)、黃埔區、花都區、從化區、增城區、番禺區、南沙區7個區域。所用數據來源于2019年的《廣州市水資源公報》和《廣州市統計年鑒》。

3.2 評估結果與分析

3.2.1系統壓力指數

廣州市各區域的社會系統壓力指數、經濟系統壓力指數、區域水資源復合系統承載壓力指數計算結果如表1所示。

表1 廣州市不同區域水資源承載力評價結果

a.整體上，廣州市社會系統壓力呈現由北向南遞減的特征。從化區的社會系統壓力指數最大，壓力值達1，主要是因為從化區人均GDP(5.5萬元)在各區中最小，說明該區社會發展狀況已經超出了該區域的水資源支撐能力；增城區的社會系統壓力指數次之，壓力值為0.683，表明增城區社會發展規模已接近該區域內水資源最大支撐能力；中心區、花都區和番禺區的社會系統壓力指數在0.347～0.482之間，3個區域水資源能夠支撐其社會規模；黃埔區的社會系統壓力指數最小，僅為0.180，主要是因為黃埔區人均GDP(30.4萬元)最大，該區社會發展規模較小，水資源足以支撐其現有社會發展規模。

b.廣州市經濟系統壓力指數空間分布呈現中心向周邊遞減的特征，其中，中心區是廣州市的主要經濟中心，因其萬元GDP用水量在各區中最小(10.24 m3)，經濟壓力指數最大(1.000)，表明中心區經濟發展對水資源的利用已經大大超出本區域的水資源支持能力；番禺區經濟壓力指數次之(0.484)，表明番禺區水資源的承載能力接近支持該區經濟發展的邊緣；花都區經濟壓力較小(0.327)，表明該區水資源對該區經濟發展的支撐能力較強；黃埔、從化、南沙和增城區的經濟壓力較小，主要是因為萬元GDP用水量均超過50 m3，經濟系統壓力指數均小于0.2，說明這4個區水資源承載力較強，對它們的經濟發展仍有較大的支撐潛力。

c.廣州各區域水資源復合系統承載壓力指數均超過2，其中中心區是廣州經濟最發達的區域，水資源利用已經達到較高的水平，同時經濟壓力指數較高，因此水資源復合系統承載壓力指數高達9.240；從化區主要因為現狀水資源開發利用率低，導致承載能力弱，屬于工程性承載能力弱，水資源復合系統承載壓力指數亦較大(10.684)；番禺區與增城區水資源復合系統承載壓力指數相對較高，分別為6.038和5.237；黃埔區和花都區水資源復合系統承載壓力指數為2.158和4.619，說明這兩個區在一定程度上受到了來自經濟和社會方面的壓力。

3.2.2水資源復合系統協調指數

整體上廣州市水資源復合系統協調指數呈現中間向南北兩側遞增的特征(表1),其中花都區、南沙區和番禺區的水資源復合系統協調指數較高，接近0.5，表明花都區、南沙區和番禺區水資源的利用水平較高；從化區和增城區的水資源復合系統協調指數次之，為0.396和0.430，表明從化區和增城區的社會、經濟、生態與水資源復合系統協調發展程度較高；而中心區和黃埔區的水資源復合系統協調指數均小于0.3，說明中心區和黃埔區在開發利用水資源時，社會系統、經濟系統、生態環境系統的協調程度弱于其他各區，可能因為這兩個區域過于依賴過境水資源。

3.2.3區域水資源承載力

由表1可知，廣州市2019年區域水資源承載力呈由南向北遞增的特征，其中從化區、中心區以及番禺區水資源承載力較大，分別為1.352、1.227和1.120，均大于1，處于水資源超載水平；黃埔區水資源承載力最小(0.476)，南沙區水資源承載力略高于黃埔區，表明黃埔區和南沙區具有較好的水資源承載力；花都區、增城區水資源承載力在1附近，表明花都區、增城區在不同程度上面臨著水資源緊張的問題，存在超載的風險。

廣州市中心區本地水資源并不豐富，主要通過外調供水，支撐了廣州市55%以上的人口、經濟規模，從化區為廣州市水資源開發利用率最低的區域，在水資源保護大背景下，現階段實際可承載的人口、經濟規模有限。番禺區人口密度僅次于中心區，且水污染情勢嚴峻，現階段番禺區正大力整治黑臭水體。增城區水資源開發利用率僅高于從化區，且承擔了廣州中心區、黃埔區的部分供水任務，使得增城區實際可承載的本地人口、經濟規模有限，現階段水資源承載力接近臨界狀態，增城區正努力通過海綿城市建設和加強非常規水源的利用，來支撐未來的社會經濟發展。花都區水資源開發利用率和人口密度均高于增城區，萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量等處于各區域中間水平，花都區水資源狀況接近緊缺。南沙區和黃埔區有外調水的支撐，作為廣州市的新興發展區域，未來仍然是人口經濟發展的重要區域。可見模型評價結果與實際情況相符，構建的評估模型能夠反映廣州市區域水資源承載力。

4 結 語

水資源承載力涉及水資源系統、社會系統、經濟系統和生態環境系統，各系統之間相互緊密聯系、相互協調是水資源可持續利用的必要條件。本文基于水資源系統、社會系統、經濟系統和生態環境系統4個系統提出了水資源承載力評價指標體系，并在評價指標體系的基礎上計算了社會系統壓力指數、經濟系統壓力指數、區域水資源復合系統承載壓力指數；基于協同學的序參量原理和貢獻率計算模型，計算了水資源系統、社會系統、經濟系統和生態環境系統間的協調指數；最終，構建了基于系統協調性的水資源承載力評價模型。將構建的模型應用于2019年廣州市水資源承載力評價，評價結果基本反映了廣州市區域水資源承載力，驗證了模型的有效性和適用性，評價結果可為區域水資源規劃與管理提供參考。