珠江區重點流域水資源承載狀況比較研究

金占偉,孫 波,劉和昌

(1.水利部珠江水利委員會珠江水利綜合技術中心,廣東 廣州 510611;2.水利部珠江水利委員會技術咨詢(廣州)有限公司,廣東 廣州 510611)

水資源是基礎性自然資源和戰略性經濟資源[1],在保障經濟社會發展和維持生態環境平衡中具有不可替代作用。水資源承載力是指某一地區水資源在某一具體歷史發展階段下,以可以預見的技術、經濟和社會發展水平為依據,以可持續發展為原則、以維護生態環境良性循環發展為條件,經過合理優化配置后,對該地區社會經濟發展的最大支撐能力,其已成為衡量一個地區或流域可持續發展程度的重要指標之一。

水資源承載力研究最早始于20世紀70年代,國際有關組織針對資源匱乏國家的土地、水等資源承載力進行研究,提出了水資源承載力的相關概念[2]。在中國,水資源承載力的概念由施雅風等[3]于1989年首次明確提出,隨后有關水資源承載力的研究成果不斷完善和豐富[1-2,4-26]。目前,水資源承載力研究主要包括水資源承載力內涵及基礎理論研究、評價方法與評價指標體系研究、典型區域實證研究等。王建華等[4]從水量、水質、水域空間和水流狀態4個維度賦予了水資源承載力新的內涵,并基于新內涵構建了“四層三級”評價指標體系。朱一中等[8]指出可持續發展理論、水-生態-社會經濟復合系統理論、二元模式下的水文循環機制和過程是水資源承載力研究的理論基礎,對水資源承載力研究的基本內容、評價指標體系的建立和評價方法進行了較為全面的概況和總結。左其亭[9]在梳理中國水資源承載力研究的發展歷程和研究方法對比分析的基礎上,對水資源承載力計算分析方法進行了歸納總結,指出水資源承載力定量計算方法主要有經驗公式法、多指標綜合評價法、系統分析法等,而水資源承載力評價指標體系多種多樣,評價方法也日趨豐富。唱彤等[10]基于對水資源承載主體、客體及承載過程的分析,以水資源承載支撐力、壓力和調控力描述承載過程,建立了基于承載過程的“水量-水質-水生棲息環境-連通性”四維指標體系。程軍蕊等[11]從承載對象角度構建了反映水資源承載、壓力和承載度的評價指標體系,體系包括水資源支撐指標、供用水指標和承載力評判指標。王晗等[12]和崔東文等[13]選取水資源、經濟社會和生態環境相關指標分別以TOPSIS模型和風力驅動投影尋蹤模型對鄭州市和文山州近10 a的水資源承載力狀況進行了評價。袁艷梅等[14]將灰關聯系數應用于模糊評價模型中,結合定性定量分析對江陰市水資源承載力進行了綜合評價。王麗等[15]建立了以水資源自然支持力、社會生活水平和經濟發展水平3個子系統為主成分的承載驅動回歸模型,以評價臨海市水資源承載綜合能力。張艷明[16]和孟珍珠等[17]均基于人水和諧理論,從健康、發展、協調3方面選取了26個指標,分別對遼寧省和安徽阜陽市的水資源承載力進行了評價。于倩雯等[18]和吳瓊[19]分別以模糊物元法和因子分析法對青海省水資源承載力進行了評價。李娟芳等[20]選取了水質、水量、水生態、社會、經濟5個方面的28個指標,評價了洛陽市的水資源承載力。任博等[21]基于熵權TOPSIS模型對遼寧省區水資源承載力評價研究,并采用耦合協調模型對系統的耦合協調性進行了分析研究。

綜合目前研究成果,水資源承載力的理論研究已經比較完善,評價指標體系及評價方法日趨豐富,不同流域間水資源承載力相互比較以及同一流域水資源系統內部協調性研究較多,但水資源承載效率研究甚少。水資源是集中自然、生態、經濟的復雜系統,對水資源的開發利用可以理解為一種龐大的投入產出系統,投入要素中的水資源數量、水資源質量、水域空間形態、水流情勢變化與水資源產出(或承載)的人口、GDP、能源、糧食、生物多樣性等之間具有復雜的投入產出關系,也存在效率高低問題。本文以珠江水資源公報數據[27]為基礎,通過對經濟規律、自然規律、生態規律的認識和把握,統籌自然演化、生態服務和社會服務三大功能,圍繞水資源載體主體、水資源承載客體以及主客體之間支撐保障途徑3個方面,構建了包含32個評價指標的水資源承載力評價指標體系,采用TOPSIS模型、耦合協調模型,對珠江區27個重點流域的水資源承載力排位、水資源系統協調性進行分析研究;并在此基礎上,借用生產函數概念提出水資源承載效率模型,對27個重點流域水資源承載效率進行了分類,綜合水資源承載力相對排位、水資源系統內部耦合協調程度以及水資源承載效率,對27個重點流域的水資源承載狀況進行了研究與評價,以便實現人口經濟和生態環境的均衡發展。本分析評價研究結果可作為珠江區及重點流域水資源規劃、開發、利用、保護和管理的重要參考,在水資源承載效率研究方面也為水資源承載力研究提供了一個全新的研究領域。

1 研究區域概況

珠江區地處中國東經102°06′～117°18′、北緯3°41′～26°49′,是中國大陸最南端的一個水資源一級區,包括珠江流域、韓江流域、粵東、粵西、桂南沿海諸河和海南島及南海各島諸河等水系,行政區域涉及云南、貴州、廣西、廣東、湖南、江西、福建、海南等八省(自治區)以及香港、澳門特別行政區,總面積57.91萬km2。珠江區水系發達、河流眾多,集水面積大于1 000 km2的河流約有180條,分屬珠江、韓江、粵西、粵東、桂南沿河諸河、海南島諸河等水系,其中珠江流域最大,韓江流域次之。

同時,以跨省(自治區)重要江河、生態環境脆弱敏感河流、水事矛盾突出河流、水資源開發利用需求強烈河流、現狀水資源開發利用程度高河流作為重點,確定了重點流域27個,分別為西江、南盤江、黃泥河、北盤江、六硐河、柳江、都柳江、龍江、郁江、右江、桂江、賀江、北江、武水、東江、深圳河、韓江、汀江、榕江、漠陽江、鑒江、九洲江、南流江、欽江、南渡江、昌化江、萬泉河,重點流域總面積49.7萬km2,占珠江區總面積的85.8%。

2 數據來源及研究方法

采用的數據主要來源于珠江水資源公報。結合珠江區重點流域水資源自然特點和經濟社會發展特征,圍繞水資源承載主體、承載客體以及主客體之間支撐保障途徑3個方面,構建多指標綜合評價指標體系,采用隸屬度函數對單指標量化、采用等權模型進行多指標綜合,利用TOPSIS模型、耦合協調模型和生產函數模型,對珠江區27個重點流域的水資源承載狀況進行分析研究。

2.1 指標體系建立

根據文獻[1]、[4],水資源承載系統由3部分構成:承載主體、承載客體及途徑。承載主體即水資源的自然要素,具體為水量、水質、水域空間以及水流情勢;承載客體即水資源自然要素所能承載的人口、經濟、糧食、能源、生態等;途徑即承載主體支撐承載客體在發展過程中的能力與效率,主要包括水資源開發能力、節約用水效率、水污染治理水平等。

本文遵循指標體系建立的科學性、代表性、完備性、可操作性等原則,選取32個評價指標(xij,i=1,2,…,27,j=1,2,…,32,i為評價對象,j為評價指標),建立以目標層、準則層及指標層為框架的水資源承載能力評價指標體系,見表1。

表1 珠江區重點流域水資源承載力評價指標體系

32個指標中,正向指標(指標數值越大代表越優)24個、反向指標(指標數值越大代表越差)8個。為避免重點流域在集水面積大小、河流長度、經濟規模等指標之間存在的懸殊差異給評價結論造成不客觀和難于橫向比的實際情況,本次評價指標均采用單位指標和相對指標,其中單位指標14個,相對指標18個,這些指標大多是水資源調查評價中采用的基礎評價指標,概念明確、清晰、便于計算。其中,生物多樣性為綜合性指標,本次采用劣Ⅴ類河流長度占比代替,認為劣Ⅴ類河流占比越高則生物生存條件及多樣性越差。

2.2 單指標量化

本文采用隸屬度函數量化指標xij(i=1,2,…,27;j=1,2,…,32),量化后大小為[0,1]。正向指標的隸屬度(rij)隨指標值增大而增大,反向指標的隸屬度隨指標值增大而減小。計算公式見式(1)、(2)。

對于正向指標:

(1)

對于反向指標:

(2)

2.3 多指標綜合

確定各指標相對其準則層的權重,根據各指標的隸屬度,按照權重加權計算各準則層指數,即得到代表承載主體的水資源狀況指數(SKIi)、代表途徑的水資源能力與效率指數(SNIi)、代表承載客體的水資源承載量指數(SZIi),計算公式為:

(3)

(4)

(5)

2.4 多準則集成及評價標準劃分

確定各準則層相對目標層的權重αj(j=1,2,3),本文采用TOPSIS模型進行多準則集成。TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)評價模型于1981年由Hwang教授提出。該模型屬于多目標決策的一種方法,其原理是通過計算評價對象與最優、最劣理想解之間距離,從而對評價對象進行優劣排序。首先,該模型根據各待評對象數據計算出正理想解(最優)與負理想解(最劣);其次,分別計算各待評對象與正、負理想解之間的距離;最后,對所有對象進行排序,從而反映出評價結果的優劣。由于TOPSIS評價模型計算方法簡潔,已廣泛應用于資源環境評價等領域,計算過程如下[1,21]。

a)正負理想點。準則層中代表主體、客體、途徑的相應水資源指數的理想目標劃分為正、負理想點,計算方法如下:

(6)

(7)

b)測度距離的計算。正負理想點與水資源指數之間的綜合測度距離D1、D2采用歐拉距離定義,其表達式為式(8)、(9)。

(8)

(9)

c)確定貼近度。理想點貼近度Ui可反映水資源承載力水平,其是在各評價指標的綜合影響下形成的相對值,理想點貼近度的計算見式(10)。

(10)

式中Ui——貼近正理想點程度的參數,取值區間為[0,1],其值越大則越接近于正理想點,可將其劃分為7個評價等級,見表2。

表2 水資源承載力評價等級劃分

2.5 耦合協調模型及協調性評價標準

水資源承載力是受多個子系統耦合作用形成的動力系統,分析水資源承載主體、承載客體、途徑3個子系統之間相互影響的程度大小,可采用耦合協調度模型[21]。計算見式(11)—(13):

(11)

T=α1×SKI×α2×SNI×α3×SZI

(12)

(13)

式中 SKI、SNI、SZI——水資源承載主體、承載客體、途徑系統的水資源指數,具體水資源狀況指數(SKIi)、水資源能力與效率指數(SNIi)、水資源承載量指數(SZIi);C——耦合度;T——發展度;D——耦合協調度。

根據文獻[21]相關研究,耦合協調度劃分見表3。

表3 水資源系統協調發展水平度量標準

2.6 權重確定

權重確定的方法有多種,本文采用指標等權處理。等權處理簡單而且不會特別強調某個指標也不會弱化某個指標,可以兼顧每個指標在綜合評價中地位與作用,避免了因某一個指標對計算結果的過度集中而失去綜合評價意義。指標層指標權重分別為:ωj=1/17(j=1,…,17)、ωj=1/9(j=18,…,26)、ωj=1/8(j=27,…,32);準則層指數αj=1/3(j=1,2,3)。

經等權TOPSIS模型及耦合協調度模型計算,27個重點流域2010、2016年水資源承載力及其代表承載主體、承載客體、途徑的水資源狀況指數、水資源能力與效率指數、水資源承載量指數見表4、圖1,2010、2016年水資源系統耦合協調度及協調水平見表5、圖2。

圖1 重點流域水資源承載力分布

圖2 重點流域水資源系統耦合協調度分布

表4 重點流域水資源承載力計算

表5 重點流域水資源系統耦合協調度及協調水平

2.7 生產函數模型

“生產”在經濟學中是一個具有普遍意義的概念,其不僅僅意味著制造一臺機床或是紡織一匹布,它還包含了其他各種各樣的經濟活動,如經營一家商店或證券公司、出租車的客運服務、為他人打官司、劇團的演出、為病人看病等等。表示這種經濟生產過程中投入與產出的數量關系即為生產函數,通用的生產函數表達式為:Q=f(L,K),其中Q為產出量,L為投入量,K為科技水平。一般情況下,在相同的科技水平條件下,投入量越大則產出量越大;在投入量一定的情況下,科技水平越高則產出量越高。

水資源系統中的承載主體、承載客體以及主客體支撐保障途徑也可以理解為一種水資源投入產出關系,其具體的數量關系即為水資源承載力生產函數。其中,水資源承載主體即為投入量,具體為投入的水資源數量、水資源質量、水域空間形態、水流情勢變化,水資源承載客體即為產出量,具體為產出或者承載的人口、GDP、能源、糧食、生物多樣性等。主客體支撐保障途徑即為水資源生產過程中的科技水平,具體為水資源開發能力、節約用水效率、水污染治理水平等。與經濟學意義上的生產函數不同,水資源承載力投入與產出的數量關系更為復雜。

本文利用建立的水資源承載力評價指標體系以及準則層水資源狀況指數SKI、水資源能力與效率指數SNI、水資源承載量指數SZI,建立水資源承載效率函數:SZI=f(SKI,SNI),重點流域 2010—2016 年平均水資源承載效率函數關系見圖 3。

3 結果分析

3.1 水資源承載力排位

重點流域2016年水資源承載力為0.762～0.146,平均值為0.561,其中良好狀態流域13個,占比為48.1%;中等狀態的流域11個,占比為40.7%;很差狀態流域2個,占比為7.4%;極差流域1個,占比為3.7%。重點流域總體上以良好狀態河流為主。南渡江、桂江、萬泉河、北江流域水資源承載力排位相對居前,九洲江、黃泥河、欽江、鑒江流域水資源承載力排位相對居后。九洲江流域位于桂南沿海,源短流急,水資源豐枯變化大,水資源與經濟社會發展之間矛盾突出,人均水資源量1 912 m3、為重點流域平均水平的45.0%,人均GDP3.0萬元、為重點流域平均水平的74.1%,水資源開發利用率高達46.1%,全年期符合或優于地表水Ⅲ類水質標準(優良)的河流長度占比為76.0%、水庫蓄水量占比為60.0%,水庫輕度富營養占比為60.0%,是唯一一個水資源承載力處于極差狀態的流域。

對比2010、2016年各重點流域水資源承載力,水資源承載力提高的流域18個、占比為66.7%,降低的流域9個、占比為33.3%,總體上水資源承載力以提高為主,說明珠江區重點流域水資源承載狀態逐步向理想狀態發展。水資源承載力降低的流域有黃泥河、賀江、北江、東江、鑒江、九洲江、南流江、欽江、漠陽江,其中南流江、東江、鑒江、北江、漠陽江流域水資源承載力下降主要是因為水體水質變差導致水資源狀況指數下降進而影響承載力排位,其2010—2016年全年期符合或優于地表水Ⅲ類水質標準(優良)的河流長度占比分別下降了42.4%、12.5%、12.5%、10.4%、6.0%;黃泥河、賀江流域水資源承載力下降主要是水資源承載客體規模不足,經濟社會發展相對落后所致;九洲江、欽江流域水資源承載力下降主要是水資源豐枯變化大、水資源利用條件差,而水資源利用效率、治理與保護水平跟不上經濟社會發展水平所致。

2010—2016年重點流域水資源承載等級無變化的流域24個,變化的流域3個,分別為:汀江、深圳河水資源承載等級由中等提高至良好,欽江水資源承載等級由中等降至很差,九洲江水資源承載等級由很差降至極差,九洲江流域人水矛盾短期內尚未徹底扭轉。

3.2 水資源系統協調性

重點流域2016年水資源耦合協調度為0.484～0.263,平均值為0.406,其中瀕臨失調流域17個,占比為63.0%;輕度失調流域9個,占比為33.3%;中度失調流域1個,占比為3.7%;重點流域總體上以瀕臨失調為主,無協調級別的流域,這符合珠江區水資源時空分布不均的自然特點以及地區之間經濟社會發展水平差異較大、水資源開發治理與保護水平不一的經濟社會發展階段。鑒江、九洲江、南流江、欽江等東部及沿海地區經濟社會發展水平相對較高,但河道外用水量及廢污水排放量大,水環境質量面臨較大的承載壓力;南盤江、黃泥河、北盤江、六硐河、都柳江、龍江等西部地區經濟社會發展水平落后,水環境質量普遍較高,但水資源承載客體規模相對較小。

對比2010、2016年各重點流域水資源耦合協調度及協調水平,協調水平未發生變化的流域20個,占比為74.1%,協調水平逐步提高的流域7個,占比為25.9%,其中深圳河、韓江、汀江、榕江、右江流域協調水平由輕度失調調整為瀕臨失調,黃泥河、北盤江流域協調水平由中度失調調整為輕度失調。九洲江流域水資源耦合協調度由2010年的0.244提高至2016的0.263,仍然是流域唯一一個水資源中度失調河流。

3.3 水資源承載效率

根據圖3,可將27個重點流域水資源承載效率分為3類。①低效率曲線型(Ⅰ型):相應流域為漠陽江、鑒江、昌化江、九洲江等4個,水資源承載效率曲線為SZI=0.96×f(SKI,SNI)-0.02(R2=0.97)。在當前水資源狀況條件和能力與效率水平下,相應流域單位水資源投入變化量可以新增0.96個單位的承載規模。②中效率曲線型(Ⅱ型):相應流域為東江、柳江、桂江、萬泉河、南渡江、深圳河、郁江、龍江、右江、欽江、榕江、南流江等12個,水資源承載效率曲線為SZI=1.00×f(SKI,SNI)-0.15(R2=0.81),在當前水資源狀況條件和能力與效率水平下,相應流域單位水資源投入變化量可以新增1.00個單位的承載規模。③高效率曲線型(Ⅲ型):相應流域為北江、汀江、賀江、西江、武水、韓江、都柳江、六硐河、黃泥河、北盤江、南盤江等11個,水資源承載效率曲線為SZI=1.41×f(SKI,SNI)-0.57(R2=0.92);在當前水資源狀況條件和水資源能力與效率水平下,相應流域單位水資源投入變化量可以新增1.41個單位的承載規模。

圖3 重點流域2010—2016年水資源承載效率函數

對各重點流域做橫向比較,當水資源投入量一定情況下,Ⅰ型流域水資源承載產出量大于Ⅱ型流域水資源承載產出量,Ⅱ型流域水資源承載產出量大于Ⅲ型流域水資源承載產出量。據此,Ⅰ型流域為低效率、高產出,屬于強承載;Ⅱ型流域為中效率、中產出,屬于中承載;Ⅲ型流域為高效率、低產出,屬于低承載。

3.4 水資源承載狀況

綜合水資源承載力排位、耦合協調程度以及承載效率分析成果,水資源承載力排位(WRCC)與耦合協調程度之間具有高度的線性相關關系,曲線為:WRCC=2.54×D-0.47(R2=0.97),說明水資源系統內部要素之間越協調水資源承載力越高,反之而越低;而水資源承載力排位、耦合協調程度與承載效率之間無明顯的相關性。

綜合水資源承載力排位、系統協調性以及承載效率,可以將27個流域綜合為5組:第一組為九洲江、鑒江、欽江,其水資源承載力排位低、系統耦合協調性差、水資源承載效率為Ⅱ～Ⅰ型,綜合水資源承載狀況不佳;第五組為北江、西江、武水、賀江、汀江,其水資源承載力排位高、系統耦合協調性較好、水資源承載效率為Ⅲ型,綜合水資源承載狀況相對較佳;第二組為昌化江、龍江、南流江、黃泥河;第三組為漠陽江、右江、榕江、都柳江、六硐河、南盤江、北盤江,第四組為南渡江、桂江、萬泉河、郁江、柳江、深圳河、東江、韓江,其綜合水資源承載狀況介于第一組至第五組之間。

4 結語

本文圍繞水資源承載主體、承載客體、途徑3個維度,構建了水資源承載力評價指標體系,采用TOPSIS模型、耦合協調模型以及生產函數模型,對珠江區27個重點流域水資源承載狀況進行了分析研究。

結果表明:南渡江、桂江、萬泉河、北江流域水資源承載力排位居前,九洲江、黃泥河、欽江、鑒江流域水資源承載力排位居后;重點流域水資源系統內部要素之間以瀕臨失調為主,瀕臨失調流域17個、輕度失調流域9個、中度失調流域1個;重點流域水資源承載效率曲線呈低、中、高3種類型,低效率型流域4個、中效率型流域12個、高效率型流域11個;綜合水資源承載力排位、耦合協調程度以及承載效率,九洲江、鑒江、欽江流域水資源承載狀況不佳,北江、西江、武水、賀江、汀江流域水資源承載狀況處于最佳狀態。

采用隸屬度函數法量化評價指標并等權計算了水資源指數,并據此計算了水資源承載力、耦合協調系數、承載效率函數。承載效率函數為本次研究首次提出,為水資源承載力研究提供一個新領域。