中國(guó)31省(市、自治區(qū))水資源承載力評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)研究

劉 歡,宋孝玉,李 磊,晁智龍

(1. 西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710048;2. 陜西省水文水資源勘測(cè)局,陜西 西安 710068)

水資源作為基礎(chǔ)性自然資源與戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源,支撐著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展[1]。中國(guó)水資源時(shí)空分配不均[2],很多城市及地區(qū)在水質(zhì)、水量等方面問(wèn)題突出,因此,水資源能否有效支撐人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng),并與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展成為目前研究熱點(diǎn)[3]。水資源承載力是衡量水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)環(huán)境之間協(xié)調(diào)性的重要指標(biāo),可反映地區(qū)水資源的支撐能力。因此探討中國(guó)水資源承載力的時(shí)空演變規(guī)律,監(jiān)測(cè)和預(yù)判未來(lái)水資源可持續(xù)利用狀態(tài),對(duì)于保障國(guó)家水資源安全,促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

目前,國(guó)外學(xué)者對(duì)水資源承載力的研究大多將其納入可持續(xù)發(fā)展理論范疇中[4-5],國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合區(qū)域資源環(huán)境實(shí)際,從理論體系[6-7]、研究方法[8-9]、實(shí)證分析[10-11]等不同視角,圍繞水資源對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)支撐能力進(jìn)行了多維探討。從研究方法上看,以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法[12]、生態(tài)足跡法[13]、主成分分析法[14]居多,也有采用確定指標(biāo)權(quán)重與模型相結(jié)合的方法,如AHP-TOPSIS模型[15]。從研究范圍來(lái)看,學(xué)者們主要以國(guó)內(nèi)重要流域?qū)^(qū)域內(nèi)部及周邊省市的生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響為切入點(diǎn),構(gòu)建適宜的方法模型來(lái)評(píng)估其水資源承載力水平,如左其亭等[16]建立“水資源-生態(tài)環(huán)境-經(jīng)濟(jì)社會(huì)”評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,通過(guò)TOPSIS模型對(duì)黃河流域九省(區(qū))的水資源承載力進(jìn)行測(cè)算;田培等[17]采用熵權(quán)TOPSIS模型定量評(píng)價(jià)了長(zhǎng)江中游城市群水資源承載力的時(shí)空變化過(guò)程。在全國(guó)范圍上,劉佳駿等[18]從系統(tǒng)論的角度出發(fā),探討中國(guó)水資源承載力在空間上的分布特點(diǎn)。整體而言,水資源承載力研究以區(qū)域性為主,側(cè)重于對(duì)特定流域、個(gè)別省份或城市的研究,針對(duì)全國(guó)范圍的研究較少;在全國(guó)性的研究中,多以解釋水資源承載力空間分布為主,而對(duì)于水資源承載力的年際變化及未來(lái)承載狀況探討不足。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,以中國(guó)31個(gè)省(市、自治區(qū))為研究對(duì)象,構(gòu)建水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用主客觀綜合賦權(quán)的TOPSIS模型綜合評(píng)價(jià)中國(guó)31省(市、自治區(qū))水資源承載力,以探討中國(guó)水資源承載力的時(shí)空變化特征,并采用具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)功能的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)了未來(lái)水資源承載力狀況,評(píng)價(jià)各地區(qū)水資源利用的可持續(xù)性,以期為中國(guó)水資源綜合管理和優(yōu)化配置提供參考。

1 研究方法

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

影響水資源承載力的因素來(lái)自多個(gè)方面,不僅與水資源的先天條件直接相關(guān),同時(shí)與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的壓力以及生態(tài)環(huán)境治理力度等多方面有著密切聯(lián)系。因此,水資源承載力系統(tǒng)是一個(gè)水資源-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境4個(gè)子系統(tǒng)之間相互耦合的多層次復(fù)雜系統(tǒng)。本文綜合考慮4個(gè)子系統(tǒng)對(duì)中國(guó)水資源承載力的影響,參考相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合前人的研究成果[19-21],遵循指標(biāo)選取的科學(xué)性、客觀性、代表性和數(shù)據(jù)可獲取性等原則,選取各系統(tǒng)內(nèi)指標(biāo),構(gòu)成水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

1.2 研究方法確定

以中國(guó)31個(gè)省(市、自治區(qū))為評(píng)價(jià)對(duì)象,在水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立的基礎(chǔ)上,采用層次分析法和熵權(quán)法組合賦權(quán)以確定各指標(biāo)的權(quán)重,通過(guò)構(gòu)建TOPSIS模型計(jì)算評(píng)價(jià)值的大小以確定承載力水平的高低,從而對(duì)31省(市、自治區(qū))2010—2019年的水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià);其次采用Mann-Kendall趨勢(shì)法對(duì)各省(市、自治區(qū))水資源承載力年際變化規(guī)律進(jìn)行檢驗(yàn),以分析我國(guó)水資源承載力的時(shí)空變化特征,并通過(guò)障礙度模型識(shí)別出影響其水資源承載力的主要障礙因子;在此基礎(chǔ)上,以診斷出的7個(gè)主要指標(biāo)為依據(jù),通過(guò)建立指標(biāo)預(yù)測(cè)模型得到2020—2025年各指標(biāo)值;最后以指標(biāo)值和水資源承載力評(píng)價(jià)值為輸入?yún)?shù),采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)各省(市、自治區(qū))未來(lái)6年的水資源承載力狀況。

表1 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2.1 指標(biāo)權(quán)重確定 將層次分析法主觀賦權(quán)與熵權(quán)法客觀賦權(quán)相結(jié)合,以確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。

熵權(quán)法主要計(jì)算過(guò)程:構(gòu)建原始數(shù)據(jù)矩陣X=(xij)m×n,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。正、負(fù)向指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化公式分別為:

(1)

(2)

式中,xij為第i個(gè)樣本第j個(gè)指標(biāo)的值;yij為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值;xmaxj、xminj分別為指標(biāo)j下所有樣本的最大值和最小值;m為樣本個(gè)數(shù);n為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理:

(3)

式中,pij為歸一化后的指標(biāo)值。

計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的信息熵ej：

(4)

(5)

基于層次分析法和熵權(quán)法權(quán)重計(jì)算結(jié)果,通過(guò)組合賦權(quán)確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重[22-23],各指標(biāo)綜合權(quán)重wj為:

(6)

1.2.2 評(píng)價(jià)值計(jì)算及分類(lèi) 得到各指標(biāo)權(quán)重后,采用TOPSIS模型對(duì)水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。具體步驟如下:

(1)基于經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理的指標(biāo)值,構(gòu)造加權(quán)決策矩陣R=(rij)m×n：

rij=wjyij

(7)

式中,wj為指標(biāo)j的綜合權(quán)重。

(8)

(9)

(4)計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)值Ti：

(10)

式中,0≤Ti≤1,Ti越大,表示評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案越接近。借鑒已有研究成果[24-25],本文將評(píng)價(jià)值Ti劃分為5個(gè)等級(jí),分別表示水資源承載力的5種狀態(tài),具體如表2所示。

1.2.3 評(píng)價(jià)值趨勢(shì)檢驗(yàn) 得到水資源承載力評(píng)價(jià)值后采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)M-K檢驗(yàn))對(duì)其趨勢(shì)變化進(jìn)行檢驗(yàn)。由于不受樣本及其分布的影響,M-K檢驗(yàn)在水文學(xué)領(lǐng)域時(shí)間序列的趨勢(shì)分析中運(yùn)用十分廣泛[26-27]。本文采用M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)法識(shí)別各省(市、自治區(qū))水資源承載力年際變化規(guī)律,當(dāng)M-K檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量大于0時(shí),評(píng)價(jià)值改善;小于0時(shí),評(píng)價(jià)值惡化,再通過(guò)統(tǒng)計(jì)量絕對(duì)值的大小判斷這種趨勢(shì)是否顯著。

1.2.4 障礙因子診斷 通過(guò)障礙度模型進(jìn)行障礙因子診斷,識(shí)別影響各省(市、自治區(qū))水資源承載力的主要指標(biāo),計(jì)算方法為:

(1)計(jì)算各指標(biāo)的因子貢獻(xiàn)度Fj：

Fj=wjzj

(11)

式中,wj為指標(biāo)j的綜合權(quán)重;zj為指標(biāo)j所屬準(zhǔn)則層的權(quán)重。

表2 水資源承載力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

(2)障礙度計(jì)算公式為:

(12)

式中,Pij為第i個(gè)樣本第j個(gè)指標(biāo)的障礙度;Iij為指標(biāo)偏離度;yij為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值。

1.2.5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè) 基于障礙度模型診斷出的影響各省(市、自治區(qū))水資源承載力的7個(gè)主要指標(biāo),以全國(guó)及各省份“十四五”規(guī)劃中相關(guān)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),采用SPSS軟件優(yōu)選出擬合程度較好的函數(shù)構(gòu)建指標(biāo)預(yù)測(cè)模型,對(duì)未來(lái)6年的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。以2010—2025年的7個(gè)指標(biāo)值和2010—2019年的水資源承載力評(píng)價(jià)值為輸入?yún)?shù),采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[28]對(duì)2020—2025年中國(guó)及其31個(gè)省(市、自治區(qū))的水資源承載力評(píng)價(jià)值進(jìn)行預(yù)測(cè)。

為彌補(bǔ)指標(biāo)數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度較短的缺點(diǎn),使模型具有更好的泛化能力和準(zhǔn)確度,將每年的數(shù)據(jù)重復(fù)2次進(jìn)行訓(xùn)練,以提高BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度。以2010—2019年的7個(gè)指標(biāo)值為輸入層,2010—2019年的水資源承載力評(píng)價(jià)值為輸出層,隱含層設(shè)置為15個(gè),訓(xùn)練集、驗(yàn)證集、測(cè)試集比例為13∶4∶3。通過(guò)多次試算和調(diào)整,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)較優(yōu)的參數(shù)設(shè)置如下:激活函數(shù)為“Tansig”;訓(xùn)練函數(shù)為“Traingd”;訓(xùn)練方法為L(zhǎng)evenberg-Marquardt算法;最大迭代次數(shù)為1 000;初始學(xué)習(xí)因子為0.05;目標(biāo)誤差為10-3。保存訓(xùn)練出來(lái)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和結(jié)果,用來(lái)預(yù)測(cè)2020—2025年水資源承載力評(píng)價(jià)值。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所涉及的指標(biāo)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于中國(guó)及其31省(市、自治區(qū))2010—2019年的《統(tǒng)計(jì)年鑒》、《水資源公報(bào)》、《環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》、《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》以及《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃綱要》,多項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取均基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

2 結(jié)果與分析

2.1 水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果

2.1.1 時(shí)間演變規(guī)律 運(yùn)用組合賦權(quán)的TOPSIS模型計(jì)算中國(guó)31省(市、自治區(qū))及其各子系統(tǒng)的水資源承載力評(píng)價(jià)值,數(shù)值越大,表明水資源承載力水平越高,評(píng)價(jià)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,研究期內(nèi),我國(guó)31省(市、自治區(qū))水資源承載力綜合系統(tǒng)的評(píng)價(jià)值Ti在[0.36,0.57]范圍內(nèi)波動(dòng),2010—2014年水資源承載力先上升后下降,2014年后逐年遞增。其中2013年和2019年兩年的Ti值較鄰近年份稍大,均高于0.5,達(dá)到弱可承載狀態(tài);2014年和2015年綜合評(píng)價(jià)值僅介于0.3～0.4,水資源承載力不容樂(lè)觀,處于輕度超載狀態(tài)。對(duì)各子系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果分析如下:

(1)水資源子系統(tǒng)評(píng)價(jià)值在2010—2019年波動(dòng)幅度較大,其中2011年最低,為0.34,主要原因在于2011年全國(guó)水資源總量比常年值少16.1%,為1956年來(lái)最少的一年;到2013年增加至0.63,這得益于我國(guó)最嚴(yán)格水資源管理制度的有效實(shí)施;2013—2019年呈遞減態(tài)勢(shì),水資源供需矛盾變得突出。

(2)社會(huì)子系統(tǒng)評(píng)價(jià)值在2010—2017年間逐年遞減,到研究期期末有所提升。從原始數(shù)據(jù)來(lái)看,主要是因?yàn)?018年我國(guó)人口自然增長(zhǎng)率顯著下降,比上一年降低1.51個(gè)千分點(diǎn),2019年人口自然增長(zhǎng)率僅為3.34‰,達(dá)到10年最低,造成這一現(xiàn)象的主要原因是“全面兩孩”政策在2016、2017年集中釋放效應(yīng)顯著,而2018年政策集中釋放效應(yīng)明顯弱化。人口自然增長(zhǎng)率的變化引起社會(huì)子系統(tǒng)中其他指標(biāo)的改變,從而影響承載水平。

(3)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)評(píng)價(jià)值在研究期內(nèi)持續(xù)提升,由2010年的0.29上升為2019年的0.71。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和現(xiàn)代化水平的全面提升,我國(guó)工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水效率逐步提高,經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)中各項(xiàng)指標(biāo)的顯著改善促使其承載力水平逐年提升。

(4)生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)評(píng)價(jià)值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),2010—2014年降低,2014年后持續(xù)提升。對(duì)指標(biāo)層分析發(fā)現(xiàn),自2014年后,我國(guó)生態(tài)環(huán)境用水率、造林總面積逐年增大,而廢水排放總量、農(nóng)用化肥使用量在不斷地減小,這得益于我國(guó)相關(guān)環(huán)境管理措施的實(shí)施,例如2015年國(guó)家農(nóng)業(yè)部制定了《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》,大力推進(jìn)化肥減量提效、農(nóng)藥減量控害,促進(jìn)了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

我國(guó)31省(市、自治區(qū))水資源承載力受到以上4個(gè)子系統(tǒng)的綜合作用,各子系統(tǒng)評(píng)價(jià)值在時(shí)間上表現(xiàn)出顯著差異,但整體而言,2010—2016年間綜合評(píng)價(jià)值同水資源子系統(tǒng)評(píng)價(jià)值變化趨勢(shì)最為一致,這表明水資源子系統(tǒng)是制約我國(guó)水資源承載力提升的關(guān)鍵因素;2016年后,社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境等3個(gè)子系統(tǒng)評(píng)價(jià)值均顯著提高,綜合系統(tǒng)的評(píng)價(jià)值與水資源子系統(tǒng)變化趨勢(shì)有差異,這表明僅僅依靠水資源子系統(tǒng)難以完全緩解社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的壓力,要維持水資源的可持續(xù)發(fā)展,還需依靠水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)同作用。

2.1.2 空間分布特征 水資源承載力空間分布圖(圖2)顯示,我國(guó)各省(市、自治區(qū))水資源承載力在空間分布上存在差異,但整體仍表現(xiàn)出較為顯著的地區(qū)分異規(guī)律。2010年,我國(guó)水資源承載力最好的區(qū)域集中在東北地區(qū),華南和西南達(dá)到弱可承載狀態(tài),華東和華中處于臨界承載狀態(tài),水資源承載力最弱的區(qū)域集中在華北和西北地區(qū)。2010—2014年,我國(guó)水資源承載力整體呈下降趨勢(shì),2014年僅有8個(gè)省(市)未超載,新疆超載最為嚴(yán)重,這主要是因?yàn)?014年新疆產(chǎn)水模數(shù)較2010年下降了34.7%,人均水資源量下降了37.9%。2014—2019年,我國(guó)水資源承載力持續(xù)提升,至研究期末全國(guó)已無(wú)嚴(yán)重超載地區(qū),處于超載狀態(tài)的主要包括天津、甘肅、寧夏。對(duì)指標(biāo)層分析發(fā)現(xiàn),天津市水資源緊缺、人口密集,致使其人均水資源量在31省(市、自治區(qū))中處于最低名次。甘肅、寧夏供水模數(shù)、產(chǎn)水模數(shù)均處于較低水平,其中寧夏多年平均產(chǎn)水模數(shù)僅為2.25×104m3·km-2,水資源緊缺嚴(yán)重,不足以承載當(dāng)?shù)厣鐣?huì)發(fā)展需求;同時(shí),兩地經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平較為落后,用水水平低,例如寧夏歷年人均綜合用水量和萬(wàn)元GDP用水量均低于全國(guó)平均水平,這也是制約其承載力的重要因素。

圖1 中國(guó)31 省(市、自治區(qū))水資源承載力演變趨勢(shì)

圖2 中國(guó)水資源承載力空間分布特征

2.2 水資源承載力時(shí)空變化特征

采用M-K趨勢(shì)法對(duì)各省(市、自治區(qū))水資源承載力年際變化規(guī)律進(jìn)行分析,將水資源承載力隨時(shí)間的變化程度劃分為顯著改善、不顯著改善、無(wú)顯著變化、不顯著惡化、顯著惡化5個(gè)等級(jí),得到我國(guó)水資源承載力的時(shí)空變化特征如圖3所示。

圖3 2010 —2019 年中國(guó)水資源承載力時(shí)空變化特征

2010—2019年,西北地區(qū)水資源承載力普遍惡化,主要是由于該地區(qū)水資源緊缺逐年嚴(yán)重,且除陜西外,該地區(qū)其他省(自治區(qū))用水水平較低;東北地區(qū)也出現(xiàn)惡化情形,與西北不同,盡管其承載力顯著惡化,但由于承載本底較好,因此在研究期末并未達(dá)到超載狀態(tài),其中遼寧水資源總量下降使其承載力顯著惡化;華南地區(qū)不顯著惡化。我國(guó)水資源承載力呈現(xiàn)改善趨勢(shì)的地區(qū)集中在華東、華中和西南,其中上海、江蘇、浙江改善最為顯著。上海承載力改善一方面得益于其用水水平的提高,另一方面,上海重視環(huán)境保護(hù),采取了有效措施嚴(yán)格控制廢污水的排放,農(nóng)用化肥使用量也在逐年下降;江蘇提升原因和上海有相似之處;浙江承載力改善主要源于當(dāng)?shù)厮Y源稟賦條件較好,產(chǎn)水模數(shù)、人均水資源量均較高。華北地區(qū)僅北京承載力改善顯著,其變化與生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)的改善有密切聯(lián)系,其中,生態(tài)環(huán)境用水率的增加對(duì)承載力的影響作用最強(qiáng),2019年北京生態(tài)環(huán)境用水率為38.4%,較2010年提高了2倍以上,造林面積也在逐年增加,北京市對(duì)生態(tài)環(huán)境的管控力度逐年提高。

2.3 障礙因子分析

運(yùn)用障礙度模型辨識(shí)中國(guó)各省(市、自治區(qū))水資源承載力的主要影響因子,計(jì)算各指標(biāo)在研究期內(nèi)的平均障礙度,選出障礙度較高的評(píng)價(jià)指標(biāo)作為主要障礙因子列于表3,統(tǒng)計(jì)出各障礙因子出現(xiàn)的頻度次數(shù)列于表4(表3和表4中出現(xiàn)的符號(hào)指代同表1)。可以看出,無(wú)論是各省(市、自治區(qū))障礙度大小排名還是障礙因子出現(xiàn)頻率排名,產(chǎn)水模數(shù)X3、農(nóng)用化肥使用量X23、人均水資源量X5、供水模數(shù)X2、人均綜合用水量X4、廢水排放總量X20、水資源開(kāi)發(fā)利用率X6均位于前列,因此,這7項(xiàng)指標(biāo)是影響我國(guó)水資源承載力發(fā)展的重要因子。

從各子系統(tǒng)來(lái)看,各省(市、自治區(qū))障礙度排名前7的障礙因子中屬于水資源子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)均占半數(shù)以上,這說(shuō)明區(qū)域水資源稟賦條件是影響各省(市、自治區(qū))水資源承載力的關(guān)鍵因素。其中,產(chǎn)水模數(shù)在我國(guó)多個(gè)地區(qū)障礙度排名第一,是最具影響力的因子;供水模數(shù)在供水水平較低的省份居于首位,其中青海的障礙度最高;人均水資源量、人均綜合用水量在人口較為密集的省市位于前列。社會(huì)子系統(tǒng)中的人口自然增長(zhǎng)率、人口密度以及城鎮(zhèn)化率這幾個(gè)指標(biāo)作為部分地區(qū)的主要障礙因子影響其承載力水平,例如上海、天津等地。經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)中的指標(biāo)出現(xiàn)相對(duì)較少,這是由于隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,我國(guó)現(xiàn)代化程度不斷提高,萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量、萬(wàn)元GDP用水量的降低均表明各省市對(duì)水資源的利用效率逐步提高。生態(tài)環(huán)境方面,山東、河南、四川、新疆等省(自治區(qū))作為農(nóng)業(yè)大省(區(qū)),農(nóng)用化肥使用量的障礙度較大;廢水排放總量在部分省市排名靠前,其中廣東的障礙度最大。

2.4 水資源承載力預(yù)測(cè)

采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)中國(guó)及其31省(市、自治區(qū))水資源承載力評(píng)價(jià)值進(jìn)行預(yù)測(cè),圖4為中國(guó)最佳模型訓(xùn)練出的擬合值對(duì)原始數(shù)據(jù)的回歸結(jié)果,擬合效果較好。將2020年預(yù)測(cè)值與現(xiàn)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(圖5),可以看出各省(市、自治區(qū))水資源承載力預(yù)測(cè)值和實(shí)際值相差均在一個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)范圍內(nèi),因此預(yù)測(cè)結(jié)果較為合理。

2020—2025年水資源承載力空間分布圖(圖6,見(jiàn)235頁(yè))顯示:我國(guó)大部分省市均已達(dá)到臨界承載水平以上,未來(lái)全國(guó)多數(shù)地區(qū)水資源承載力將逐漸改善。其中,持續(xù)改善區(qū)主要分布在長(zhǎng)江中下游地區(qū)、東南沿海部分地區(qū)、西南地區(qū)以及京津冀等地,南方地區(qū)特別是長(zhǎng)江中下游平原及東南沿海地區(qū)就水資源條件來(lái)說(shuō)屬于豐水區(qū),在適當(dāng)?shù)墓芾砼c協(xié)調(diào)下有足夠的能力供應(yīng)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,其水資源潛力相對(duì)較大,在高效經(jīng)濟(jì)和再生水政策的引導(dǎo)下,水資源承載力將持續(xù)提升。京津冀和上海地區(qū)隨著政府、企業(yè)和居民生態(tài)保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng),預(yù)計(jì)未來(lái)水環(huán)境與水生態(tài)狀況會(huì)得到有效改善,承載力水平也將緩慢上升并達(dá)到穩(wěn)態(tài)。西北地區(qū)水資源稟賦條件較為惡劣,長(zhǎng)期以來(lái)該地區(qū)水資源總量小,產(chǎn)水模數(shù)和人均水資源量一直是影響其水資源承載力的主要障礙因子,且水環(huán)境和用水條件較差,國(guó)家高度重視該地區(qū)的水資源管理和配置工作,因此隨著生態(tài)文明建設(shè)理念的不斷深入,西北地區(qū)水資源生態(tài)系統(tǒng)功能將逐漸增強(qiáng)。山東、河南、遼寧未來(lái)水資源承載力會(huì)出現(xiàn)惡化現(xiàn)象,這些地區(qū)惡化是水資源系統(tǒng)逐漸衰弱的警示,將嚴(yán)重威脅區(qū)域用水安全和生態(tài)平衡。山東、河南作為中國(guó)的糧食主產(chǎn)區(qū),農(nóng)用化肥使用量近10年來(lái)在31省(市、自治區(qū))中一直位居榜首,且未出現(xiàn)明顯減小趨勢(shì),預(yù)估未來(lái)農(nóng)用化肥使用量仍是制約兩地水資源承載力的主要因素;遼寧近年來(lái)水資源天然補(bǔ)給量逐年減少,為滿(mǎn)足其經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用程度已接近生態(tài)極限。

表3 2010 —2019 年中國(guó)31 省(市、自治區(qū))水資源承載力主要障礙因子及平均障礙度

表4 2010 —2019 年中國(guó)31 省(市、自治區(qū))水資源承載力主要障礙因子出現(xiàn)頻率

3 討 論

劉雁慧等[29]對(duì)中國(guó)水資源承載力的空間分布情況進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)我國(guó)水資源承載力較好的區(qū)域主要集中在北緯20°～35°及東北地區(qū),而在北緯35°～40°較差,本文在水資源承載力空間分布上的研究結(jié)果與之吻合。在探究我國(guó)水資源承載潛力上,應(yīng)將水資源承載力的時(shí)空變化特征與未來(lái)變化趨勢(shì)相結(jié)合。本研究顯示,西南地區(qū)水資源承載潛力相對(duì)較大,未來(lái)應(yīng)加大該地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)力度,充分發(fā)揮其水資源承載力優(yōu)勢(shì);東南沿海地區(qū)中雖有部分省市在過(guò)去10年呈惡化態(tài)勢(shì),但其水資源承載力在研究期末仍表現(xiàn)較好,對(duì)該地區(qū)加強(qiáng)管理,預(yù)計(jì)未來(lái)水資源承載力將持續(xù)改善;華北地區(qū)中京津冀未來(lái)承載力會(huì)持續(xù)改善,山西、內(nèi)蒙古也將逐漸恢復(fù)其承載能力;西北地區(qū)現(xiàn)階段水資源承載力水平較低,但呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì),承載潛力存在較大改善空間。

圖4 中國(guó)31 省(市、自治區(qū))水資源承載力評(píng)價(jià)值擬合結(jié)果

圖5 2020年中國(guó)31 省(市、自治區(qū))水資源承載力預(yù)測(cè)值和實(shí)際值

我國(guó)水資源分配不均,各地區(qū)發(fā)展極不平衡,故影響各省(市、自治區(qū))水資源承載力的障礙因素存在差異,未來(lái)在水資源承載力調(diào)控中,應(yīng)針對(duì)障礙因素因地制宜采取不同的措施:對(duì)于水資源短缺地區(qū),應(yīng)通過(guò)落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度,把握好“三條紅線(xiàn)”,加強(qiáng)節(jié)水宣傳,發(fā)展節(jié)水技術(shù),全面推進(jìn)新型節(jié)水型社會(huì)建設(shè),同時(shí)在這些地區(qū)加大水利工程建設(shè)投資以解決其水資源時(shí)空分布不均和結(jié)構(gòu)性缺水的問(wèn)題;對(duì)于人口密集地區(qū),應(yīng)積極響應(yīng)國(guó)家最新提出的優(yōu)化生育政策以及城市落戶(hù)政策等,促進(jìn)人口長(zhǎng)期均衡發(fā)展,推動(dòng)人口結(jié)構(gòu)更加科學(xué)合理;對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后的地區(qū),要注重調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),因地制宜,發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì),提升現(xiàn)代化水平,積極響應(yīng)《國(guó)家節(jié)水行動(dòng)方案》中強(qiáng)調(diào)的總量和強(qiáng)度雙控即“量-效”約束,農(nóng)業(yè)節(jié)水增效,工業(yè)節(jié)水減排,保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展;對(duì)于生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū),應(yīng)強(qiáng)化生態(tài)環(huán)境管控,實(shí)行退耕還林等工程,加強(qiáng)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的全面保護(hù),同時(shí)在水污染較為嚴(yán)重的地區(qū)要加大廢水治理投資、水環(huán)境建設(shè)投資以控制生活污水和工業(yè)廢水的排放。

4 結(jié) 論

1)時(shí)間變化上,中國(guó)31省(市、自治區(qū))水資源承載力呈波動(dòng)式提升趨勢(shì),整體處于臨界承載狀態(tài)。其中2010—2016年綜合評(píng)價(jià)值同水資源子系統(tǒng)變化趨勢(shì)一致,2016年后,隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境等3個(gè)子系統(tǒng)評(píng)價(jià)值的顯著提高,我國(guó)31省(市、自治區(qū))水資源承載力逐步提升,綜合系統(tǒng)與水資源子系統(tǒng)變化趨勢(shì)表現(xiàn)出較大差異。

2)空間分布上,我國(guó)水資源承載力表現(xiàn)出較為顯著的地區(qū)分異規(guī)律。西南、華南和東北地區(qū)承載力較好,水資源承載力最弱的區(qū)域集中在華北和西北地區(qū),其中天津、甘肅、寧夏在研究期內(nèi)整體處于超載狀態(tài)。

3)時(shí)空變化上,水資源承載力在西北和東北地區(qū)表現(xiàn)為惡化,華南和華北部分地區(qū)也出現(xiàn)惡化狀況,而華東、華中和西南大部分地區(qū)均有所改善,其中北京、上海、江蘇、浙江水資源承載力在研究期內(nèi)呈顯著改善趨勢(shì)。

4)產(chǎn)水模數(shù)、農(nóng)用化肥使用量、人均水資源量、供水模數(shù)、人均綜合用水量、廢水排放總量、水資源開(kāi)發(fā)利用率是研究期內(nèi)對(duì)我國(guó)水資源承載力影響最強(qiáng)的7個(gè)障礙因子,且影響強(qiáng)度依次遞減,建議在今后的水資源發(fā)展規(guī)劃中予以重視。

5)未來(lái)變化上,水資源承載力將在全國(guó)多數(shù)地區(qū)呈現(xiàn)持續(xù)改善趨勢(shì),持續(xù)改善區(qū)主要分布在長(zhǎng)江中下游地區(qū)、東南沿海部分地區(qū)、西南地區(qū)以及京津冀等地,西北地區(qū)水資源承載力在未來(lái)改善潛力較大,而山東、河南、遼寧可能形成重度惡化區(qū)。