城市水資源承載力的綜合評價及其影響因子分析

劉迷亮

(惠民縣水利安裝服務中心,山東 惠民 251700)

0 引 言

水資源是人類賴以生存和發展的基礎資源,是城市經濟社會發展的重要物質基礎和戰略資源。但水資源短缺、水環境污染、水生態系統退化等問題,成為制約城市可持續發展的瓶頸[1-2]?？茖W合理地規劃利用水資源,提高其承載能力,對解決城市人口、資源、環境之間的矛盾具有重要意義[3]。水資源承載力是指在一定時間和空間范圍內,區域水資源能夠滿足社會經濟發展需求的能力,即在一定社會經濟發展水平下,區域可利用的水量能滿足區域社會經濟發展需求的能力[4]。水資源承載力是一個綜合概念,涉及社會、經濟、環境等諸多方面[5]。

本文在文獻分析的基礎上,建立水資源承載力綜合評估模型。該模型是在綜合考慮各影響因素的基礎上構建起來的一套評價指標體系,用來評價某一特定區域或城市的水資源承載力。同時,為了避免指標選擇對結果影響較大的問題,采用層次分析法對各指標權重進行確定。

1 水資源承載力評估指標體系和模型建立

1.1 水資源承載力評估指標體系構建

水資源承載力是指在一定的社會經濟發展水平下,在不破壞環境和生態平衡的前提下,一個區域的水資源能夠支持當地人口數量、生產規模和生活水平的能力[6]。城市水資源承載力的評估,則是根據一定時期內城市水資源開發利用狀況、可供水量、城市用水效率和人口規模等因素,運用一定的評價指標體系,對城市水資源的承載能力進行評價[7]。

為了使水資源承載力評估結果更加可靠,在指標選取上應遵循以下原則:①代表性:在評估時,應根據待評估城市的區域特征,不同的城市具有不同的評估指標要素,所以選取的指標應與當地實際情況相適應。②合理性:評估指標要與被評估地區現有的水資源狀況和相關規范相符合。③可操作性:選取的指標在來源上便于獲取,指標內容簡單且便于分析和數據化。④充分考慮動態性:水資源承載力在不同時期具有不同的表現,所以對其研究也應是動態變化的,在進行指標選擇時充分考慮動態性。

研究在DPSIRM理論的指導下,參考相關專家的研究成果,結合國家、行業和地方標準,初步確定了水資源承載力的評估指標體系,見表1。針對該城市的水資源特征、社會經濟發展狀況和水資源利用開發等實際情況,去掉部分指標數據獲取難度大、重復性和代表性差的指標[8]。最終將水資源承載力分為水資源結構、經濟承載力、生態環境承載力、社會經濟發展承載力4個子部分,并主要從人口數量、人均水資源量、用水量、用水結構等方面來衡量。

表1 水資源承載力評價體系

該城市水資源的開發利用與經濟、社會發展之間存在嚴重的不協調關系,已經成為制約該城市經濟和社會發展的瓶頸。在反映水資源結構承載力的指標中,首先選取水資源開發利用率,該指標通過用水量與多年平均水資源總量的比值,可以從整體上反映水資源開發對水資源帶來的壓力[9-10]。并另外選取人均水資源量、年平均降水量和人均供水量3個指標,從供求關系反映水資源結構承載力。

人口密度愈低,節約用水的程度愈高,愈有利于實現水資源的永續利用[11]。該城市人口為390萬人,其中農業人口占總人口的比重較大,農業人口的比重也在逐年增加。該市屬于嚴重缺水城市,水資源短缺是制約該城市經濟社會可持續發展的主要因素。在考慮水資源對人類社會經濟造成的影響方面,選取農村居民人均生活用水量和城鎮居民人均生活用水量反映該市用水效率。同時,加入城鎮化率和人口密度,反映社會經濟發展的狀態對水資源承載力的影響。

水資源需求主要來源于經濟社會的發展,因此主要從農業發展用水以及工業生活用水兩個方面,反映經濟發展對水資源需求的驅動作用。由于經濟的快速發展,給生態環境造成嚴重的破壞。各產業用水量存在明顯差異,第一、第二產業用水最多,第三產業用水最少,農業用水的占比較大。在此基礎上,研究選擇人均 GDP、萬元工業用水量、農田灌溉畝均用水量、第三產業用水量、萬元GDP水耗和萬元農業用水量6個指標。

環境污染是一個非常嚴重的問題,已經對我國的社會、經濟發展造成較大影響。生態環境和水資源之間存在著相互作用、互相限制的關系,在維持生態環境的同時,也對水資源的可持續開發具有重要的意義[12]。生態環境承載力子系統以人為活動為主導,以生態保護、修復和建設為目的,通過水利設施對蒸發和滲漏嚴重的江河湖泊等進行補給,以生態環境用水量占多年平均水資源量的比例反映生態用水率。同時,增加了森林覆蓋率和污水處理率兩個指標,體現人們為了保護生態環境,防止水環境惡化所采取的應對措施。

1.2 指標權重的確定

水資源承載力是一個非常復雜的多層次系統,研究采用客觀賦權的熵值法計算指標權重,通過熵值來判斷樣本指標的離散程度,離散程度越大的指標對綜合評價結果的影響越大[13-14]。首先,根據歸一化的數據,計算評估目標i的權重值,即第j個指標中第i個指標目標的貢獻,并構造數據矩陣B=(bij)m×n,其中bij的表達方式如下:

計算第j項指標的熵值Ej和信息效用值dj,具體計算公式如下:

最后,根據以上公式即可得出第j項指標的權重wj,計算公式如下:

水資源承載力是對某一區域進行對比的結果。研究通過熵值法計算各評估指標的權重,計算結果見表2。在借鑒國內外有關承載力分級理論和該城市水資源承載力評估成果的基礎上,對其進行等距性分區,具體為:可承載[0.8,1.0)、弱承載[0.6,0.8)、臨界[0.4,0.6)、超載[0.2,0.4)、嚴重超載[0,0.2)。

表2 水資源承載力指標權重系數計算結果

水資源承載能力是一個復雜而又多元的系統,其與各種影響因子之間的關系是相互關聯的。在此基礎上,研究采用灰色關聯度模型,對區域內各子系統進行關聯分析,確定各子系統間的關聯程度,進而判定各因子間的耦合關系。當一個體系中的各影響因子之間的相關程度越高,則表明該體系對流域內水資源與城市化水平的耦合、協調發展具有更大的影響[15]。

2 水資源承載力的綜合評價

研究以山東省某城市為例進行實證研究,利用 SPSS 22.00、Excel 2016、Origin 2.0等數據分析軟件,對各指標進行分析,建立水資源承載力評估模型。數據來源于《山東省水資源綜合規劃》(2010-2021)、《中國水利年鑒》(2010-2021)及《山東省水資源公報》(2010-2021)。

該城市的水資源承載力綜合評估結果見圖1。從圖1可以看出,該城市的水資源承載力總體上呈波動減小的態勢。其中,2013、2014年均達到弱承載狀態;2010、2011、2015-2018年共有6年達到臨界狀態;其他年份均為超載狀態。2010-2014年,各年度的水資源承載力均有增加的趨勢。2014年的承載力最大,達到0.6949,屬于弱承載力狀態;在這個時期,水資源的使用比較合理,水資源的總量比較大。出現此類情況的主要原因是該市自2010年以來,人均GDP總體上呈上升趨勢,而農業產值占GDP比重一直呈下降趨勢,工業產值占GDP比重呈上升趨勢。同時,該市的萬元GDP用水量在不斷下降,而工業用水和生活用水卻在不斷增加。

圖1 水資源承載力綜合評估結果

圖2為各子系統水資源承載力綜合評估結果。由圖2可知,2012-2014年,各子系統承載力均保持在一個較高水平,其中以水資源子系統的承載力最大,在2013年達到0.3421。2014年以后,該區的承載力均達不到弱承載狀態,且有逐漸降低的趨勢,達到了一個臨界點。特別是2019年以后,該地區的水資源承載力降至超載狀態,已進入超負荷運行階段,其中水資源子系統的承載力在2020年最低,為0.3263;而這一年,社會子系統水資源承載力也較低,僅為0.0061。該地區的水資源子系統的承載力在2014-2015年從0.3342降至0.1422,2017年之后又繼續降低。2012-2014年,由于生態用水量增加、污染物超標排放、經濟發展加速等原因,生態子系統水資源承載力持續下降;2017-2021年,生態子系統承載力持續提升,主要得益于生態環境治理水平的提高和生態文明觀念的貫徹與轉變。綜上所述,2010-2021年該市的水資源容量處于較低的水平。

圖2 子系統水資源承載力綜合評估結果

針對水資源承載力中的諸多不確定性,研究通過區間分析法對水資源承載力進行量化分析,將不確定性量化為區間形式,結果見圖3。由圖3可知,2023-2025年該市水資源承載力的變動趨勢穩中有進、整體向好的方向發展,水資源、經濟、社會和生態環境四者處于協調狀態,人類活動對水資源的影響有所減少,水資源和生態環境基本未被破壞,自然修復能力增強。社會子系統水資源承載力波動變化,日益增長的人口和水資源短缺將成為阻礙該市發展的主要問題。經濟子系統的承載力呈現逐年上升的態勢,表明在今后的一段時期,城市的經濟發展與水資源系統之間存在著較好的協調關系,能夠在保持較高的經濟發展水平的前提下,保持較高的水資源利用效率。生態子系統總體呈現出向上發展的態勢,反映出當地人民的生態環境保護意識不斷加強,城市綠化面積不斷擴大,各種節約用水政策得到有效實施,對該市的水資源承載能力產生了一定的促進作用。從總體上來說,該市未來一段時期內,水資源承載力仍然處在臨界或超載的狀態,總體上還比較低,需要主動制定相關的政策與措施,突出各子系統的協同作用,強化對水資源的合理開發,提高水資源系統對社會發展的承載力,使其在實現經濟發展的前提下,不對水資源承載力造成不利影響。

圖3 子系統承載力區間預測值計算結果

研究運用灰色關聯度法,分析該市水資源承載能力的主要影響因子,計算結果見表3。由表3可知,關聯度小于0.5的有B4、B7、B8、B11、B13、B14,其中前3個指標來源于經濟子系統。關聯度介于0.5～0.7之間的是B2、B3、B6、B12,其余的均大于0.7。從整體上來看,森林覆蓋率和污水處理率的關聯度最大,分別為0.9246和0.8266。在水資源承載能力中,生態子系統的影響最為顯著,平均達到0.8559。

表3 水資源承載力影響因子分析表

3 結 論

本文在分析城市水資源承載力影響因素的基礎上,建立了城市水資源承載力的綜合評估模型,并以山東省某城市為例進行了實證研究。結果表明,2010-2021年,該城市的水資源承載力總體上呈波動減小的態勢。水資源子系統的承載力在2013年達到0.3421。2019年以后,水資源承載力降至超載狀態,2020年社會子系統水資源承載力僅為0.0061。生態子系統的關聯度平均達到0.8559,是水資源承載力的主要影響因子。綜合看來,研究建立的評估模型具有較強的實用性和可行性。