基于協調發展度的南通市水資源承載狀態預警

李琦蕓，董增川，楊 光，張玉潔，鐘加星

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2.南京水利科學研究院水工水力學研究所，江蘇 南京 210029；3.江蘇省水土保持生態環境監測總站，江蘇 南京 210012)

經濟社會發展目標與水資源承載力的不匹配將嚴重影響發展的可持續性[1]。通過開展水資源承載力的預警研究，預先找出阻礙區域和諧發展的關鍵因子，能夠為區域發展規劃及政策的制定提供科學依據，是新形勢下保障水安全的有效舉措[2]。

水資源承載力常見的表征形式有兩類：區域水資源可支撐最大人口容量和水資源承載力的綜合評價成果[3-4]。水資源承載力的綜合評價能夠更直觀地反映多個系統維度的綜合情況[5]。本文采用水資源承載狀態表征綜合評價的內涵，指區域水資源承載一定的社會經濟規模時，水資源、社會經濟和生態環境系統所處狀況及其協調程度[6]。學者們已對水資源承載狀態開展了一系列研究[7-8]，但多是水資源承載狀態的歷史分析，根據區域未來發展趨勢而進行的預警研究較少。2018年，金菊良等[9]提出預警研究應從診斷、預測、評價和調控4個方面展開。學者們基于上述框架對安徽省、南京市等地區的水資源承載狀態進行預警[10-11]。然而，研究中多是逐個預測計算指標的變化趨勢，一定程度上割裂了水資源、社會經濟、生態環境系統的整體性及其之間的動態聯系。為提高水資源承載狀態預測的合理性，需從系統論的角度出發，探討系統內部各組成要素相互作用的過程。

南通市在經歷工業化后，高污染、高排放行業不斷增加，部分區域水體污染加劇，水資源系統風險提高。本文構建了南通市水資源承載狀態系統動力學仿真模型，預測2019—2040年水資源承載狀態的變化趨勢，選取協調發展度為預警指標對水資源承載狀態進行預警。

1 研究區概況與數據來源

南通市位于江蘇省東南部長江入海口北側，屬典型平原水網地區，河網密布。2018年全市水資源總量為40.64億m3，人均水資源量555.95 m3，僅為全國人均水資源量的1/4。常住人口731.00萬人，城鎮化率67.10%，人均GDP 115 280.43元。南通市本地水資源無法滿足居民生活和生產活動的用水需求，且內河水環境質量不容樂觀。

研究數據來源于南通市水資源綜合規劃、南通市水資源保護規劃和《南通市水資源公報》(2009—2018年)、《南通市統計年鑒》(2009—2018年)、《南通市水環境公報》(2009—2018年)等。

2 水資源承載狀態預警方法

水資源承載狀態預警包括明確警義、研判警情、界定警度、預測警情、排除警患5個步驟[9]，預警模型框架見圖1。

圖1 水資源承載狀態預警模型框架

2.1 明確警義

如承載主客體的發展程度高，且二者的發展處于相對協調的水平，認為水資源承載狀態好，則無須報警。其余情況均應發出警報。

2.2 研判警情

選取協調發展度作為評判水資源承載狀態的指標。發展是系統的演變過程，協調是系統間良好循環的基礎。協調發展度是可以同時描述系統要素發展程度與協調水平的綜合性指標[12]。

2.2.1構建評價指標體系

南通市地處長江流域下游，地區用水多依賴于外調長江水，考慮區域可供水量的評價指標無法準確反映其水資源開發利用的程度。因此，本文在考慮最嚴格水資源管理制度的基礎上將“三條紅線”納入評價指標體系，分別從水資源、社會經濟和生態環境3個方面選取9個指標如表1所示；結合南通市相關規劃和標準確定指標評價等級標準值，見表2。

表2 南通市水資源承載狀態評價指標等級標準值

2.2.2歸一化處理

因所選指標量綱不同需要對數據進行歸一化處理。為合理確定區域水資源承載狀態的好壞，應將評價方案中的數據值與指標劃分等級標準值一同進行歸一化處理。正向指標和逆向指標的歸一化公式為

(1)

式中：xij、pij分別為第j個歸一化方案中第i個指標的原始值和歸一化值；max(xij)、min(xij)分別為所有待歸一化方案中第i個指標的最大值和最小值。

2.2.3基于博弈論的綜合賦權法

采用基于博弈論的綜合賦權法分別確定承載主體與承載客體的指標權重[13]，采用層次分析法[14]計算主觀權重，采用熵權法[15]計算客觀權重。具體計算方法詳見參考文獻。

2.2.4基于協調發展度的水資源承載狀態判別

協調發展度越大則區域水資源承載狀態越好[11]。協調發展度計算公式如下：

(2)

其中

T=αf(pj)+βg(pj)

式中：D為協調發展度；C為承載主客體間的協調度；T為系統綜合指數；f(pj)、g(pj)分別為第j個歸一化方案中承載主體和承載客體發展度；pij為第j個歸一化方案中第i個指標的歸一化值；第1～k1個指標為承載主體指標，第k1+1～k個指標為承載客體指標；usi為承載主體第i個指標的權重i=1,2,…,k1；uoi為承載客體第i個指標的權重i=k1+1,k1+2,…,k；Cfg為離差系數；K為調節系數，取K=2；α、β為權重系數。

2.3 界定警度

選定協調發展度作為水資源承載狀態預警指標，采用不同顏色的信號燈標明警情重要級別。將“好、中、差”3個等級標準(表2)對應的歸一化值按式(3)計算協調發展度，以此作為水資源承載狀態的評判標準[11]。協調發展度大于0.893時，水資源承載狀態好；協調發展度小于0.618時，水資源承載狀態差；協調發展度不大于0.893且不小于0.618時，水資源承載狀態為中。

由預警年份水資源承載狀態的評價等級和下一年協調發展度的變化共同確定預警年份警情級別，下一年協調發展度增大則水資源承載狀態好轉，警情級別降低，反之則警情級別升高。預警信號分5級，Ⅰ級警情最為嚴重，預警信號判別標準見圖2。

圖2 水資源承載狀態預警信號判別標準示意圖

2.4 預測警情

本文從系統分析的角度出發，采用系統動力學法對水資源承載狀態的各項評價指標進行預測。已有多數成果在構建水資源承載力系統動力學模型時忽略了年際間缺水量以及環境污染對經濟社會發展的限制作用，導致對社會經濟與水資源相關指標的模擬存在一定誤差[16]。結合已構建的評價指標體系可確定系統動力學模型中需要模擬的主要變量有：人口、GDP、總用水量、COD入河量、氨氮入河量、綠地面積以及生態環境用水量。

2.4.1因果互饋關系分析

用水量與用水總量控制紅線的比值表征水資源壓力的大小。因農村和城鎮的用水習慣不同，農村生活用水和城鎮生活用水應分別計算；生態用水考慮城鎮生態用水和人工河湖補水；各產業用水受到產業增加值和產業節水技術水平的影響。人口增長和社會經濟發展將持續激增用水需求，水資源壓力加大。水資源壓力反作用于經濟發展，減緩各產業增加值增長速度。

污染物入河總量與限制排污紅線的比值表征水環境壓力的大小。農村和城鎮生活污水處理覆蓋面積不一致需分開計算；第一產業污水排放方式為面源排放，以污染物入河系數表征區域截污能力，其余污水為點源排放方式可通過污水處理率計算。水污染負荷增加使水環境壓力不斷增大。水環境壓力反作用于經濟發展，三次產業增加值增長速度降低，進而減輕水環境壓力。水資源壓力、水環境壓力各影響因素的因果互饋關系如圖3所示，藍色箭頭表示指向變量隨源發變量的增加而增加，紅色箭頭意義相反。

2.4.2基于動態反饋的水資源承載力SD預測模型

為更清晰地表現模型內各變量間的因果互饋關系，本文將南通市水資源承載狀態SD仿真預測模型流圖劃分為兩個部分，第一部分對水資源供給關系進行模擬，第二部分對污染物排放入河過程進行模擬，兩個部分之間通過水量建立聯系，模型流圖見圖4。

模型中共包含兩個反饋回路：①三次產業用水增加→水資源用控比比值增大→三次產業增加值增長率減小→三次產業用水增加量減少→用水壓力的增加速率放緩；②污染物入河量增加→污染物限排比增大→三次產業增加值增長率減小→三次產業入河污染物增加量減少→水環境壓力的增加速率放緩。通過這些因素間的互饋關系鏈將水資源、水環境、社會經濟系統關聯起來，年際間用水壓力和環境壓力都對社會經濟發展產生限制作用，模型模擬結果更貼近經濟社會發展實況。

模型仿真時間為2009—2040年，時間步長為1年，其中2009—2018年為基礎數據年。模型中輸入的初始參數從南通市相關規劃政策及水資源、水環境公報中獲取，其余中間變量通過對基礎數據年份進行模擬、校正獲取。利用系統動力學模型對未來年份進行預測時，則通過綜合考慮相關規劃及政策對模型控制參數做合理的趨勢外延，如三次產業增加值增長率、污水處理回歸利用率等。

(a)水資源壓力

(a)水資源

2.5 排除警患

對出現警情的年份，通過比較各項預警指標的預測值與等級“好”的標準值(表2)之間的差距大小，找出區域發展進程中存在的問題，并提出相應的調控措施。

3 結果與分析

3.1 指標權重

采用綜合賦權法分別計算承載主體和承載客體的指標權重，計算結果見表3。

表3 南通市水資源承載狀態評價指標權重

3.2 模型有效性檢驗

利用模型進行仿真預測前應對模型進行有效性檢驗。因模型涉及變量較多，結合模型結構考慮選取具代表性的指標進行檢驗，人口、GDP、用水量可作為有效性檢驗的主要指標。2009—2018年模擬誤差結果見圖5，各項指標誤差均在15%的范圍內[1]，表明模型結構正確。

3.3南通市水資源承載狀態歷史分析

依據南通市2009—2018年的歷史數據計算其承載主客體的協調發展度，確定各年份水資源承載狀態評價等級，水資源承載狀態歷史變化情況如圖6所示。

圖6 水資源承載狀態歷史變化情況

2009—2013年水資源承載狀態為差，自2014年起由差轉變為中。協調發展度整體呈上升趨勢表明水資源承載狀態趨好。據各評價指標的原始數據進行分析。用水總量變化不大，水體污染負荷不斷減少，水資源子系統狀態逐漸好轉。產業結構調整升級，人均GDP逐漸上升，用水效率與污水處理率提高，生態環境保護得到重視，綠地面積逐年增加，承載客體發展程度提高。

3.4 南通市水資源承載狀態預警

據現狀發展模式下未來南通市水資源承載狀態的預測結果，計算南通市2019—2040年承載主體與承載客體之間的協調發展度，南通市水資源承載狀態預警結果如圖7所示。

(a)GDP

圖7 水資源承載狀態預警結果

未來南通市水資源承載狀態維持在中等，承載主客體間的協調發展度出現小幅增加后呈持續減小趨勢。2020—2024年，節水和截污水平不斷提高使得承載主體發展較好，承載主客體間的協調發展度持續增加，但仍處于中等水平，預警警度為Ⅳ級。2025—2040年，南通市用水量不斷增加，氨氮入河量亦呈增長趨勢，水資源子系統狀態愈下，水資源的過度開發導致水資源承載主體的支撐力不斷減小，不足以支撐社會經濟的發展、滿足改善生態環境的需求，水資源承載主客體間的發展無法達到相對協調的狀態，南通市水資源承載狀態趨差，預警警度上升為Ⅲ級。

3.5 南通市水資源承載狀態調控措施

針對上述問題應及時采取調控措施。用水總量控制方面：①應完善循環用水系統、加強對灌區的渠系改造并大力推廣節水器具，從工業、農業和生活3個方面提高用水效率；②增加長江引調水，緩解用水緊張。污染控制方面：①監管高污染、高排放企業，全面實施禁磷措施，加強對現有污水處理廠的監督檢查，提升截污限排水平；②對南通市施行江河庫渠聯調聯控方案，通過合理的水生態調控可有效提升河道水質，改善水生態環境。

4 結 論

a.提出了基于系統動力學與協調發展度的水資源承載狀態預警方法，并對南通市現狀發展趨勢下未來水資源承載狀態的警情進行了分析。南通市水資源承載狀態自2025年起長期處于黃燈區，協調發展度一直在減小，該發展模式是不可持續的。

b.通過構建南通市水資源-社會經濟-生態環境系統的系統動力學仿真模型對南通市2019—2040年的水資源承載狀態進行預測。南通市的節水技術水平未得到有效提高使得用水量持續增加；治污能力較弱導致區域水環境污染超負荷。