中國省域水資源承載力評價：基于支持-壓力耦合機制

王永玲

（東北財經大學 經濟學院，遼寧 大連 116025）

0 引言

水資源作為最基本的自然資源之一，在人類社會的發展中起著決定性作用。隨著經濟迅速發展和城市化進程的加快，人類活動對水資源的巨大需求和不合理的使用導致了水短缺、水污染等環境問題。我國人口眾多，人均水資源擁有量和人均耕地面積較少；同時，水資源的分布并不均衡，糧食需求和經濟發展進一步加劇了水資源供需的矛盾[1]。我國經濟發展已經進入新常態，高質量的水資源供應與污染問題是經濟發展中必然面臨的雙重挑戰[2]。目前，大多數的城市都面臨著不同程度的水資源短缺問題。因此，把握我國水資源分布和變化情況并深入研究現有水資源能否支持目前社會的經濟發展是十分必要的。

承載力的概念起源于生態學，指在特定的環境范圍和條件下，能夠可持續生存的最大物種數量。1989年，新疆水資源軟科學項目組首次提出水資源承載力（WRCC）的概念，學者們在19 世紀末和21 世紀初對WRCC 進行了深入研究。雖然學術界對WRCC還沒有形成統一的定義，但對其內涵的理解是相同的，即水資源維持人類活動能力。因此，本文將WRCC 定義為在保持水環境健康的同時，現有水資源可支持的最大社會經濟發展規模。

WRCC評價研究的區域尺度主要集中在三個方面：城市規模[3]、區域尺度[4]、流域尺度[5]。關于WRCC 的評價方法大致分為兩種：一種方法是從水資源承載力的表象入手構建指標體系，通過數學方法得出綜合指標值，計算出目標對象不同時間和空間的評分值，具體包括模糊綜合評判法、突變級數法、主成分分析法等。段新光和欒芳芳（2014）[6]應用模糊綜合評判模型，選取8 個主要影響因素對新疆水資源承載力現狀進行評價。Jia 等（2018）[7]應用突變級數法，將水資源承載力分為水環境承載力、水資源承載力、水環境脆弱性和開發利用能力并進行綜合評分。另一種方法是從水資源承載力系統的內部作用入手，構建數學方程模擬各因素的發展，將各方程通過相互關聯耦合成承載力量化模型，模擬出水資源最大承載力，主要包括常規趨勢法、狀態空間法、系統動力學法、投影尋蹤法、生態足跡法[8]等。王永靜和胡露月（2018）[9]采用狀態空間法研究了西北段城市群城市綜合承載力。

現有研究較好地評價了WRCC，但仍存在以下局限性：大多數文獻只涉及部分區域，而國家層面的WRCC研究較少；同時，對阻礙WRCC的障礙因素缺乏系統分析。鑒于此，本文首先從支持力和壓力兩個角度對WRCC進行評估并討論WRCC分類；其次，從國家層面分析了30個省份WRCC的差異；最后，運用障礙度模型對當前水資源支持系統的障礙和短板進行分析，以期為當前全國水資源調配提供參考。

1 研究設計

1.1 指標體系構建

WRCC 可分為兩個子系統，即支持系統和壓力系統，分別代表水資源環境和人類活動。支持系統為WRCC 提供原始稟賦并為人類活動提供必要空間，壓力系統包括經濟建設和人類社會活動。人類依靠水資源和環境服務進行物質生活、經濟增長、社會發展、娛樂以及其他活動，支持系統的原始負載對人類活動存在限制作用。當人類活動達到支持系統能力上限時，人類將規范資源的使用，進行環境修復，以避免系統過載。因此，在支持系統中，水資源體系表征水資源稟賦情況，環境體系表征水資源供給、凈化情況；在壓力系統中，經濟體系表征水資源污染、社會經濟發展情況，社會體系表征水資源利用情況。圖1展示了四者之間的關系。

圖1 水資源、環境、經濟以及社會的影響關系

據此，本文結合現有研究[10—14]并遵循可比性、科學性等原則，從資源、環境、經濟、社會四大體系出發，綜合考慮水資源的供給、利用、管理、污染和治理情況，構建水資源承載力評價指標體系（見表1）。

表1 水資源承載力評價指標體系

1.2 研究方法

1.2.1 灰色關聯熵法

考慮到水資源系統的復雜性，本文采用灰色關聯熵法確定支持指數（S）和壓力指數（P）的權重[15]。以支持側為例，具體步驟如下：

（1）構造一個基準序列。基準序列由每個度量指標的最優值組成，也稱為虛擬理想序列。將支持指數的參考序列設為Sj'=[S01、S02、…、S0j、…、S0n]，取j指標為支持系統的最大值（最小值）為最優值。

（2）計算灰色相關系數。用相關系數來表明該指標的實際值接近于基準序列中相應的指標值。接近程度越高，系數越大，實際值越好，反之亦然。

其中，σ表示分辨率系數，σ越小，分辨率越大，平均值取0.5[16]。

（3）計算灰色熵。與香農熵不同，灰色熵是一個非概率熵，它由δij的灰色性質決定。第j項的灰度相關熵為：

其中，dj為熵的冗余度，表示第j個指標的重復度。dj影響權重且dj越大，權重越大。

第j個指標的綜合權重可表示為：

根據各指數的歸一化值和相應的權重，采用線性加權法得到支持指數和壓力指數，計算公式分別為式（6）和式（7）：

區域i中的WRCC 指數等于該區域中的支持指數與壓力指數的比值，計算公式見式（8）：

1.2.2 WRCC狀態劃分

理論上，根據支持指數（S）和壓力指數（P），WRCC 指數的大小可分為三種情況：C>1、C=1 和C<1。當S=P，即C=1 時，WRCC 恰好滿足人類活動施加的壓力；當S>P，即C>1時，水資源環境系統對人口的支持能力強于人類社會活動對該系統的壓力，說明施加在支持側的壓力在極限范圍內時，仍有一定的剩余容量；當S

本文將兩個變量之間的關系進行耦合，對水資源承載力狀況進行劃分，分區標準主要基于直線P=S、曲線P=S2和P=S。根據不同劃線標準，將分區狀態劃分為負載區和盈余區；根據數值范圍差異，負載區和盈余區分別細化出高位值區和低位值區。具體劃分標準如表2所示。

表2 支持指數（S）與壓力指數（P）的分類狀態劃分

1.2.3 障礙度模型

為了識別WRCC 的障礙因素，引入三個指標：因素貢獻程度Fij、指標偏差程度Iij和障礙程度Yij，利用這三個指標對阻礙支持系統的障礙因子進行診斷。計算公式如下：

在式（9）中，Wi為第i項指標的權重；Rj為第i項指標所屬分類指標的權重，由于本文沒有討論標準層，因此Rj為1。在式（10）中，Xi是第i項指標的標準化值，Iij是單個指標評估值與100%的差值。在式（11）中，Yij是支持系統各指標的障礙度。

1.3 數據來源

本文收集了2010—2020 年中國30 個省份（不含西藏和港澳臺）關于水資源稟賦、水資源利用、污染控制和社會經濟發展情況的數據。國民經濟發展數據主要來自《中國統計年鑒》以及各省份統計年鑒；自然資源以及污染狀況數據來自《中國水資源公報》《中國環境統計年鑒》。為保證數據質量，本文根據已發表的規劃報告對數據進行多輪比較分析以及評估，各個指標值經過標準化處理以消除不同指標在量綱上的差異，使數據具有可比性。

2 實證結果分析

2.1 WRCC測度結果分析

本文計算了30 個省份的支持指數、壓力指數和WRCC指數以及WRCC分類狀態，結果見表3、表4。本文從支持力和壓力的角度探討了水資源承載力。在時空上，水資源分布不均；在經濟社會中，人類過度消耗水資源，導致水資源的可用性急劇下降，供需間的矛盾日益突出。因此，對水資源的供需進行分析是必要的。由表3和表4可知：

表3 2020年30個省份WRCC評價結果

表4 區域WRCC狀態劃分

（1）支持力分析。從區域來看，水資源支持力較強的是華南和華中地區，支持指數分別為0.480、0.446；水資源支持力較弱的是華北和西北地區，支持指數分別為0.292、0.336。從省份來看，水資源支持能力較弱的省份多是人口密集的省份，如東部地區的北京、天津、上海，中部地區的陜西、山西等；而支持能力較強的省份則多分布在沿海地區，如廣西、浙江和廣東。

一方面，各地區水資源平衡狀態會受到供水水平的影響。東南沿海省份雨量豐富、氣候濕潤，水資源總量相對較高，因此這些省份的水資源支持能力相對較強。人口和水資源分布數據顯示，長江流域南部人口占全國人口的54%，而水資源占全國水資源的81%。另一方面，社會發展水平較高的省份，其水資源支持力也相對較高。雖然這些省份的城市和工業用水量均高于其他用途的用水，但是水資源管理系統更加科學、完善，污水處理設施相對先進。各省份污水處理廠的日處理能力、工業用水重復率、城市污水處理率均顯著高于其他省份，水資源再利用效率較高。此外，自然資源以及氣候變化也會影響水資源的平衡狀態。自然環境的變化和人類高強度的活動使北方水資源進一步減少，進而加劇了南北方之間水資源的不平衡。中西部地區較為干旱，黃河流域受到污染，森林以及水資源遭到一定程度的破壞，加之經濟發展相對落后，環境治理以及污水處理設施的缺乏使水資源可用量進一步減少。山西、內蒙古等省份地表水資源匱乏，因而地下水成為水廠的主要水源。

（2）壓力分析。從地區來看，西南和西北地區的水資源壓力較小，壓力指數分別為0.233、0.302；而華北和東北地區的水資源壓力則比較大，壓力指數分別為0.347、0.329。從省份來看，大部分省份壓力指數的得分介于0.2～0.4；其中，北京、天津、黑龍江、河南、廣東壓力指數較高，陜西、甘肅、重慶、福建、廣西壓力指數相對較低。

一方面，高污染地區的水資源處于高壓狀態。北方的總體科技水平低于南方，其水資源管理和處理措施有待進一步完善，水資源壓力增大。另一方面，水資源壓力受到人口需求水平的影響，水資源需求較低的省份會降低水資源壓力，過度用水則會增加水資源需求量，加大水資源壓力。西南和西北地區的經濟活動相對薄弱，缺少豐富水資源，但是人口稀少，水資源壓力較小。然而，在北京、河北等人口密集、工業集聚省份，除了高強度的城市用水和工業生產用水以外，人類活動也是水資源壓力的主要來源之一。近年來，農業生產規模的擴大和人類經濟活動的增加進一步加大了對水資源的需求程度。

（3）承載力分析。水資源承載力由西向東、由北向南逐漸增加；各省份水資源承載力水平存在差異。具體來看，處于低位值、負載區區域的有：北京、天津、上海、江蘇、黑龍江、青海；西部地區大多數省份處于低位值、盈余區區域，包括山西、內蒙古、遼寧、吉林、福建、江西、湖南、湖北、廣東、海南、貴州、陜西、甘肅等；處于高位值、盈余區區域的有廣西、浙江；沒有處于高位值、負載區區域的省份。

從區域來看，華北、西北以及東北地區的水資源承載力較弱，WRCC 指數分別為0.876、1.179、1.163。西南、華南以及華東地區水資源承載力較強，WRCC指數分別達到1.724、1.559、1.519。首先，華北地區地處半干旱半濕潤地區，水資源有限且氣候呈暖干化趨勢。華北地區也是重要的糧食產區，地下水長期過量開采，水位持續下降。由于水資源總量較少，不能良好適應經濟發展的需要，造成水資源供需矛盾加劇。其次，西北屬于干旱地區，70%以上的水資源來自雨季；旱季時，降水量減少且水位不斷下降，氣候干燥；農村人口所占比例較大，生活用水緊張；經濟發展相對落后，水資源管理體系缺乏技術支持，水資源壓力較大。東北地區由于特殊的地理位置、地質環境等原因，儲存天然降水能力較低；地表水供水能力普遍較差，局部地區水資源利用粗放，污水排放量較大，導致水資源供需失衡。西南地區河流湖泊眾多，氣候較為濕潤，農業采用低耗水作物，大力實施節水措施使其水資源承載力較高。華南地區屬熱帶、南亞熱帶氣候，降水充沛，水系發達，擁有豐富的土地、水、氣等資源；植物生長茂盛，擁有熱帶雨林、季雨林和南亞熱帶長風常綠闊葉林等地帶性植被，豐富的熱量和儲存水分資源的植被使得華南地區的水資源更豐富。華東地區除了具有先天的地理優勢以外，產業發展迅速且優質資源集中，技術進步和產業優化升級較快，水資源管理和利用效率較高。

就各省份而言，水資源承載力水平參差不齊。不同的地理位置造成水資源承載力水平的差異。水資源承載力較強的省份有：浙江（2.118）、廣西（2.089）、云南（1.992）、福建（1.983）、貴州（1.913）、江西（1.791）；綜合對比區位條件發現，這些省份大多位于華東、西南和華南地區，且部分省份具有地理位置接壤、鄰近海域的特點。因此，在產業發展中能夠最大限度地利用區位優勢發展經濟，實現水資源的有效利用，形成明顯的內部集群效應。承載力較弱的省份有：北京（0.500）、天津（0.632）、黑龍江（0.863）、上海（0.953）、江蘇（0.938）、青海（0.969），這些省份大多位于內陸，水資源時空分布不均。我國大多數地區降水集中在5月至10 月，而華北地區則高度集中在7 月和8 月，這兩個月的降水量占全年降水量的80%；而在冬季和春季則出現持續干旱。人口增長過快，工農業發展迅速，水資源綜合利用效率低，浪費和污染嚴重等原因進一步加劇了水資源緊張程度。森林覆蓋率較低，涵養水源的能力低下，地表水土流失嚴重，地下水水量減少，空氣濕度降低，干旱頻率加大。此外，同一地區不同省份間水資源承載力也存在一定的差異，且部分省份間存在明顯的空間非均衡狀態。如位于東部沿海地區的江蘇，卻處于水資源承載力的塌陷地帶：人口密度大、產業集中使得其生活用水以及工業用水增加，進而導致供給不足。需要注意的是，雖然陜西位于水資源承載力較低的西北地區，但是其水資源承載力明顯高于西北地區的其他省份并處于水資源承載力低下的凸起范圍。其形成原因是，陜西大力推行可持續發展經濟，在優化產業結構、推行水利節水措施等方面取得顯著成效。因此，若要縮減甚至消除區域差異，則需要各省份因地制宜地發揮各自優勢，提高污水處理能力以及水資源再生產能力，共同推進區域協調發展。

2.2 WRCC變化趨勢分析

如下頁圖2所示，本文對2010—2020年中國的WRCC進行動態分析，結果表明：總體而言，中國的平均WRCC指數為“V”型變化，呈現先下降后上升趨勢（2010—2014 年WRCC指數呈下降趨勢，2014—2020年WRCC指數呈上升趨勢）；各省份的平均支持指數均為“V”型變化，但呈現下降趨勢；平均壓力指數為“倒V”型變化，呈先上升后下降趨勢（2010—2014 年壓力指數呈現上升趨勢，2014—2020年壓力指數呈現下降趨勢），但平均壓力指數的變化大于平均支持力指數的變化。具體來看：

圖2 水資源承載力變化趨勢

（1）2010—2020 年，黑龍江、山東、遼寧、山西、河南、河北、廣東等省份的WRCC持續下降。隨著經濟的發展和社會的進步，這6 個省份的壓力指數呈上升趨勢，支持指數呈波動下降趨勢。一方面，這些省份的經濟發展基本上以工業為主。近年來，工業發展對城市環境造成嚴重污染，城市污水處理效率以及工業用水重復利用效率低下，導致城市環境體系指數迅速下降。城市化進程使得生產運營用水、公共服務用水以及居民家庭水需求量不斷增加，大量水資源被消耗。要提高水資源承載能力，需優化產業結構，加大對環保技術的投資，從追求經濟快速發展轉向提高經濟發展質量。另一方面，隨著經濟的快速發展，生產生活活動的范圍不斷擴大，水資源系統的完整性遭到破壞。由于水資源再生周期普遍較長，在短期內不能達到供需平衡狀態，因此水資源的支持能力下降。

（2）廣西、貴州、湖南、重慶這4 個省份的WRCC 均呈上升趨勢。一方面，貴州地理位置偏遠，基礎設施不發達。近年來其大力發展城市建設、開放空間面積，城市鋪設道路面積等基礎設施發展穩步提升，加上環保技術水平的顯著提高，使得該省份的支持指數持續上升。另一方面，由于貴州和廣西的人口流失、經濟衰退和產業結構特征導致這些省份的壓力指數增長緩慢，甚至呈現持續下降的趨勢，因而水資源支持能力上升。研究表明，湖南是節約用水量最高的省份；重慶在水源選擇分布方面因地制宜，公共用水并沒有取自地下水，這樣的取水方式有利于緩解用水緊張的局面，使水資源的壓力下降。

（3）其余省份的WRCC 均有波動，但與2010 年相比，2016年和2020年總體上均呈上升趨勢。

2.3 障礙度分析

本文運用障礙度模型計算得到2020年30個省份各指標的障礙度，結果如表5 所示。整體上，各省份前四項指標的總障礙度多數超過了50%。具體來看：

表5 支持力系統各項指標障礙度

（1）地下水供水總量、全年降水量、地下水資源量/水資源總量以及供水總量/常住人口數量是限制大多數省份WRCC 指數提升的共同因素。在30 個省份中，地下水供水總量（24次）、全年降水量（19次）、地下水資源量/水資源總量（18次）、供水總量/常住人口數量（15次）、污水治理投資占GDP比重（13次）、森林覆蓋率（11次）、污水處理廠污水處理能力（9次）、人均水資源量（6次）、水庫容量（3次）、地表水資源量/水資源總量（2 次）是支持能力提高的主要障礙。綜合來看，出現次數較多的指標屬于資源體系，說明限制大多數省份支持能力提升的共同障礙主要是資源稟賦以及資源利用。

（2）在30個省份中，有9個“資源主導障礙型”省份、15個“資源和環境障礙類型”省份以及6 個“環境主導障礙型”省份。其中，“資源主導障礙型”省份是指4 個障礙指標中有3個為資源體系指標的省份；“資源環境障礙型”省份是指4 個障礙指標中同時具有資源體系指標和環境體系指標的省份；“環境主導障礙型”省份是指4個障礙指標中有3個為環境體系指標的省份。“資源主導障礙型”省份有北京、河北、安徽、山東、河南、湖北、重慶、四川、陜西。對于“資源主導障礙型”省份，需要加快改善地下水資源使用設施，提升地下水資源量在水資源總量中的占比、增加人均供水量。“環境主導障礙類型”省份有上海、廣西、海南、甘肅青海和寧夏。對于“環境主導障礙型”省份，需要提高森林覆蓋率以及綠化率，運用新型技術提升污水處理和凈化能力。對于“資源與環境障礙類型”省份，如天津、山西、內蒙古等，需要加快產業升級，優化能源結構，在提高資源使用效率的同時，也要做好廢水、廢氣等處理工作，緩解能源以及水資源短缺的緊張局面。

地下水供水總量和污水治理投資占GDP比重是限制4個直轄市WRCC指數提升的共同因素。結果表明，地表水資源量/水資源總量、供水總量/常住人口數量、全年降水量和地下水供水總量是影響北京水資源支持力提升的主要障礙指標；全年降水量、森林覆蓋率、污水治理投資占GDP 比重以及地下水供水總量是影響天津水資源支持力上升的主要障礙指標；森林覆蓋率、地下水供水總量、地下水資源量/水資源總量以及污水治理投資占GDP比重是影響上海水資源支持力上升的主要障礙指標；地下水供水總量、地下水資源量/水資源總量、供水總量/常住人口數量和污水治理投資占GDP比重是影響重慶水資源支持力提高的主要障礙指標。綜上所述，地下水供水總量和污水治理投資占GDP 比重是限制4 個直轄市WRCC 指數提升的共同因素。因此，需要繼續推進南水北調、植樹造林等大型項目，提高綠化面積，積極治理水污染。

3 結論

本文在確定WRCC評價體系各指標權重的基礎上，利用支持-壓力耦合機制綜合評價了中國省域WRCC，分析了WRCC 指數的變化趨勢并識別了支持系統中各指標的障礙程度，得出如下結論：

（1）中國水資源空間分布不均，水資源承載力區域WRCC 狀態劃分結果差異較大。就各省份而言，北京、天津、黑龍江、上海、江蘇、青海和寧夏的WRCC 都處于超負荷狀態，表明這些省份人類社會活動的壓力已經超過當地水資源和環境服務的支持能力；河北、山西、內蒙古、河南、海南以及新疆的WRCC 非常接近警告線；其余省份的WRCC存在過剩。

（2）在考察期內，平均WRCC指數、平均支持力指數和平均壓力指數變化不同。2010—2020 年，30 個省份的平均WRCC 指數為“V”型變化，呈現先下降后上升趨勢；平均支持力指數為“V”型變化，但呈下降趨勢；平均壓力指數為“倒V”型變化，呈現先上升后下降趨勢，但平均壓力指數的變化大于平均支持力指數。

（3）地下水供水總量、地下水資源量/水資源總量以及供水總量/常住人口數量是限制WRCC 提升最常見的因素。北京、河北、安徽、山東、河南、湖北、重慶、四川、陜西這9個省份屬于“資源主導障礙型”，天津、山西、內蒙古等15個省份屬于“資源與環境障礙型”，上海、廣西、海南、甘肅、青海、寧夏這6 個省份屬于“環境主導障礙型”。地下水供水總量和污水治理投資占GDP 比重是限制4 個直轄市WRCC指數提升的共同因素。