劉朝露， 陳 星， 崔廣柏， 許 欽， 董鳳軍， 王君諾

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源研究所， 江蘇 南京 210029； 3.山東省臨沂市岸堤水庫管理處， 山東 臨沂 276217； 4.山東省淮河流域水利管理局規(guī)劃設(shè)計院， 山東 濟南 272037)

1 研究背景

城市的發(fā)展依賴于水，也影響著水，事實證明，水資源短缺等問題已經(jīng)成為制約城市社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸[1]。同時水資源作為社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境發(fā)展的支撐條件，與二者均存在著十分復(fù)雜的響應(yīng)關(guān)系[2]。孫富行等[3]提出水資源承載力是關(guān)于水資源、社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境等多方面的內(nèi)部特征和相互關(guān)系的綜合指標(biāo)；馬向東等[4]以協(xié)同理論為基礎(chǔ)分析了水資源約束下生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)同進化。李慶賀等[5]在構(gòu)建福建省城市水資源承載力評價指標(biāo)體系時，綜合考慮了水資源、社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。

隨著我國城鎮(zhèn)化的不斷推進，水資源短缺與社會經(jīng)濟發(fā)展的矛盾日益突出，影響水資源利用的社會驅(qū)動力研究成為熱點。陳雯等[6]應(yīng)用LMDI方法研究了技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應(yīng)對工業(yè)耗水強度的影響；童玉芬等[7]分析了人口規(guī)模、家庭數(shù)量等人口學(xué)因素對形成水資源壓力的驅(qū)動作用；劉潔等[8]通過構(gòu)建城鎮(zhèn)化-水資源綜合評價指標(biāo)體系、響應(yīng)關(guān)系模型，揭示了江蘇省城鎮(zhèn)化與水資源的動態(tài)變化過程及響應(yīng)特征。

本文基于城市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)分析，以浙江省臨海市為例，評價臨海市2010-2015年水資源承載力水平。在分析影響水資源承載力動態(tài)變化驅(qū)動來源的基礎(chǔ)上，結(jié)合單因素敏感性分析法和情景分析法，探索城市水資源承載力水平動態(tài)變化的主要驅(qū)動因素。在考慮分析水資源-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境響應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，研究水資源承載力水平動態(tài)變化的主要驅(qū)動因素，為實現(xiàn)城市水資源可持續(xù)利用提供決策參考。

2 研究方法

2.1 城市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)

城市水資源承載力表示某一城市，某一特定時間尺度下，水資源以可持續(xù)發(fā)展為原則，以可預(yù)見的經(jīng)濟技術(shù)和社會發(fā)展水平為依據(jù)，以維護生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)為條件，通過水資源優(yōu)化配置，對該城市社會-經(jīng)濟-環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)模的最大支撐能力[9-10]。

在城市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)中，水資源、社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境三大子系統(tǒng)相互制約、互相影響，內(nèi)在聯(lián)系復(fù)雜(見圖1)[9-12]。其中，水資源與生態(tài)環(huán)境是社會經(jīng)濟系統(tǒng)得以發(fā)展的基礎(chǔ)條件。社會經(jīng)濟子系統(tǒng)，一方面通過水資源的消耗與廢污水的排放對水資源與生態(tài)環(huán)境造成破壞，降低其承載能力；另一方面通過水資源管理和水利工程建設(shè)對生態(tài)環(huán)境和水資源進行補償，來提高其承載力。水資源子系統(tǒng)是社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)之間的橋梁，它是由自然和人工組成的復(fù)合系統(tǒng)，具有物質(zhì)性和資源性，分別通過水利工程設(shè)施與水文循環(huán)過程來實現(xiàn)。城市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)的最優(yōu)發(fā)展方式是通過實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用承載社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的發(fā)展[2]。

圖1 城市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)概念模型

2.2 水資源承載力評價指標(biāo)體系

遵循評價指標(biāo)體系確立原則，基于城市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)的分析，通過對臨海市水資源子系統(tǒng)、社會經(jīng)濟子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)及其內(nèi)在聯(lián)系的研究，構(gòu)建臨海市水資源承載力評價指標(biāo)體系(表3)。

2.3 水資源承載力評價方法

在城市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)中，水資源-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境之間內(nèi)在聯(lián)系的復(fù)雜性和不確定性，評價存在模糊性，因此選擇模糊綜合評判法[13-15]，評價過程包括確定評價因素集和評語集、計算隸屬矩陣、多指標(biāo)綜合評價三大步驟。為避免主觀隨意性過大，相對客觀地度量事物或現(xiàn)象的不確定性，采用熵值法[14-15]來確定研究區(qū)域水資源承載力各項評價指標(biāo)的權(quán)重。通過模糊綜合評判法和熵值法聯(lián)合求解，相對客觀、準確地反映研究區(qū)域的水資源承載力水平。

為定量化表示城市水資源承載力水平，按照各個因素的影響程度，將評價標(biāo)準劃分為5個等級(由弱到強分別為V1～V5，表1)[15-16]，并對5個等級設(shè)置評分值(表2)，綜合評分值大小代表水資源承載力水平[17]。

表1 城市水資源承載力評價標(biāo)準

表2 水資源承載力水平分級

3 城市水資源承載力評價

3.1 研究區(qū)域概況

臨海市位于浙江沿海中部，東連東海、西接仙居、南連黃巖、北靠天臺，全市土地面積2 203 km2，其中山地丘陵占68.4%，平原占25.1%，水域占6.5%，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候。根據(jù)市內(nèi)氣象和水文資料統(tǒng)計：年平均氣溫16.5～17.8℃，多年平均降雨量1 710.4 mm，年內(nèi)降雨主要集中在5、6月梅雨季和7-9月的臺風(fēng)雨季。豐枯水期明顯、冬夏季風(fēng)交替分明。隨著社會經(jīng)濟的進一步發(fā)展，臨海市水資源水量時空分配與經(jīng)濟發(fā)展不協(xié)調(diào)、水質(zhì)逐漸惡化、水資源開發(fā)利用程度不高和可調(diào)配水量少等問題日益突出，因此，科學(xué)評價臨海市水資源承載力，通過研究其動態(tài)變化分析臨海市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)的驅(qū)動因素，是探索實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的重要手段。

3.2 水資源承載力評價

研究區(qū)域為臨海市，資料與數(shù)據(jù)來源主要有《臺州市統(tǒng)計年鑒》、《臺州市水資源公報》等。采用熵值法計算指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果見表3。采用模糊綜合評判法評價水資源承載力水平，計算結(jié)果見表4。

表3 臨海市水資源承載力評價指標(biāo)體系及權(quán)重

3.3 評價結(jié)果分析

在臨海市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)中，綜合評分值代表了各個子系統(tǒng)以及復(fù)合系統(tǒng)的水資源承載力水平，分值越大，表示水資源承載力水平越高，表明水資源與社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展程度越好，水資源開發(fā)利用空間越大。

根據(jù)以上評價結(jié)果(表4、圖2)可見，2010-2015年臨海市水資源承載力總體呈波動上升趨勢，均處于可承載水平及以上，其中2011年與2013年，水資源承載水平略低，2015年達到良好承載力水平。2011年臨海市水資源承載力水平下降的原因主要是水資源子系統(tǒng)中產(chǎn)水模數(shù)下降50.5%，人均水資源量減少50.8%，而社會經(jīng)濟子系統(tǒng)中人均綜合用水量增加14.3%，萬元工業(yè)增加值用水量升高5.5%，畝均農(nóng)田灌溉用水量升高10.6%，導(dǎo)致臨海市水資源供需矛盾加劇。2013年臨海市水資源承載力水平回落的原因主要是生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)中生態(tài)環(huán)境用水率減少30.1%，排水管道密度減少16.3%，綠化覆蓋率減少16.7%，表明在經(jīng)濟得到更快發(fā)展的同時生態(tài)環(huán)境代價也更為突出，并且生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的響應(yīng)具有一定滯后性。

圖2 2010-2015年臨海市水資源承載力評價結(jié)果

在臨海市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)中，社會經(jīng)濟子系統(tǒng)與復(fù)合系統(tǒng)的演變趨勢較一致，表明社會經(jīng)濟子系統(tǒng)對城市水資源承載力的整體貢獻較大。之后依次是生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)和水資源子系統(tǒng)，表明由于臨海市處于東南沿海濕潤地區(qū)，年均降水量大、地表水資源豐富，水資源總量相對豐沛，水資源子系統(tǒng)對水資源承載力的制約力度較小。而社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展造成用水的時空不均勻、水資源供需矛盾加劇等問題，對臨海市的水資源承載力產(chǎn)生較大影響，特別是粗放型的社會經(jīng)濟發(fā)展模式會造成水資源的不可持續(xù)發(fā)展，并進一步對生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)產(chǎn)生影響，使得水生態(tài)環(huán)境惡化，降低水資源的可利用性。因此臨海市水資源承載力動態(tài)變化的驅(qū)動因素主要來源于社會經(jīng)濟子系統(tǒng)。

4 城市水資源動態(tài)變化驅(qū)動力分析

4.1 單因素敏感性分析

單因素敏感性分析[18-19]是假定其它評價因素均保持不變，分析單個不確定因素的變動對不同情景方案下水資源承載力影響的方法。為進一步分析臨海市水資源承載力水平動態(tài)變化的驅(qū)動因素，采用單因素敏感性分析確定社會經(jīng)濟子系統(tǒng)中的主要敏感性因素，即在各指標(biāo)平均年際變化率基礎(chǔ)上分別增加或減少5%和10%，保持其他指標(biāo)數(shù)據(jù)不變的情況下，計算單指標(biāo)增減不同百分比后的水資源承載力，比較綜合評分變化率，變化率越大，表示指標(biāo)越敏感。

由分析結(jié)果(表5)可知，社會經(jīng)濟子系統(tǒng)中城鎮(zhèn)化率、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、工業(yè)用水重復(fù)利用率3個指標(biāo)是臨海市水資源承載力水平動態(tài)變化的主要敏感性因素。

表5 單因素敏感性分析結(jié)果

4.2 驅(qū)動力情景分析

基于單因素敏感性分析結(jié)果，利用模糊綜合評判法、熵值法聯(lián)合，以城鎮(zhèn)化率、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、工業(yè)用水重復(fù)利用率為情景分析指標(biāo)對不同情景下2025年臨海市水資源承載力進行評價。各項指標(biāo)預(yù)測方法及預(yù)測值見表6，其中各指標(biāo)預(yù)測值基于對數(shù)擬合或相關(guān)規(guī)劃并結(jié)合實際略作修正，情景分析指標(biāo)采用2015年指標(biāo)值作為低預(yù)測值，國家先進值作為高預(yù)測值。情景設(shè)置和評價結(jié)果見圖3，其中U表示城鎮(zhèn)化率(Urbanization Rate)，T表示第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重(The Tertiary Industry Rate)，I表示工業(yè)用水重復(fù)利用率(Industrial Water Reuse Rate)，H表示高預(yù)測值，L表示低預(yù)測值，如HU-HT-HI表示城鎮(zhèn)化率、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重和工業(yè)用水重復(fù)利用率均為高預(yù)測值的情景。

根據(jù)評價結(jié)果可知，不同情景下2025年臨海市水資源承載力均處于良好承載水平，其中情景HU-LT-LI、LU-LT-HI和 LU-LT-LI的綜合評分低于2015年。進一步觀察圖3可知，城鎮(zhèn)化率、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重和工業(yè)用水重復(fù)利用率3個敏感性因素中，第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重對臨海市水資源承載力水平動態(tài)變化影響較為突出。從3個具體的指標(biāo)來看：

(1)第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重，表示區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，間接反映了區(qū)域生產(chǎn)用水結(jié)構(gòu)。諸多研究表明，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演進將帶動用水結(jié)構(gòu)、用水量及用水量變化，對水資源消耗具有一定遏制作用[20-21]。臨海市2014年的第三產(chǎn)業(yè)占比超過第二產(chǎn)業(yè)，工業(yè)用水量減少了494×104m3。2025年HU-HT-LI情景第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重與2015年相比增加了21.3%，綜合評分比2015年提高0.02，均表明產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整升級帶動了水資源利用方式的改變，水資源與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)關(guān)系的均衡發(fā)展有利于提高水資源承載力水平。

表6 指標(biāo)預(yù)測值

注：預(yù)測值括號中數(shù)據(jù)表示(高預(yù)測值/低預(yù)測值)。

圖3 驅(qū)動力情景分析結(jié)果

(2)城鎮(zhèn)化率，不僅表現(xiàn)為城市規(guī)模擴張與結(jié)構(gòu)變化兩個方面，同時也伴隨著社會經(jīng)濟發(fā)展質(zhì)量和效率的變化[7]。2010-2015年臨海市城鎮(zhèn)化率由45.8%上升到57.7%，城鎮(zhèn)人口增加29%，城鎮(zhèn)公共用水量增加27%。LU-LT-LI情景2025年城鎮(zhèn)化率較2015年提高了29.9%，水資源承載力綜合評分下降0.02，表明隨著城鎮(zhèn)化的深入發(fā)展，水資源供需矛盾將更加突出，進而對水資源承載力造成巨大壓力。

(3)工業(yè)用水重復(fù)利用率，反映了工業(yè)用水在一定技術(shù)條件和循環(huán)用水水平之下的效率。就目前經(jīng)濟狀況而言，臨海市仍以擴大再生產(chǎn)作為發(fā)展工業(yè)的重要手段，技術(shù)水平發(fā)展較為緩慢，工業(yè)用水量僅次于農(nóng)業(yè)灌溉用水量，加強工業(yè)節(jié)水是減少工業(yè)用水量、緩解水資源壓力的主要手段。由2025年HU-LT-HI情景與2015年相比可見，2025年臨海市工業(yè)用水重復(fù)率增長到97%，水資源承載力綜合評分增加0.0051，因此在未來一段時間內(nèi)，提升工業(yè)用水重復(fù)利用水平仍是工業(yè)節(jié)水的一大重要措施。

綜合以上分析，城鎮(zhèn)化率、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重和工業(yè)用水重復(fù)利用率為臨海市水資源承載力變化的主要驅(qū)動因素，提高第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重和工業(yè)用水重復(fù)利用率，控制城鎮(zhèn)化率是臨海市提升水資源承載力水平的主要途徑。其中，借助政策手段，積極推進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是同時實現(xiàn)城市用水結(jié)構(gòu)優(yōu)化和經(jīng)濟增長的首要措施；借助管理手段，通過水資源綜合管理協(xié)調(diào)城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源利用，提高城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量是促進臨海市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的主要措施；同時借助科技手段，提高城市工業(yè)用水水平是未來一段時間內(nèi)能夠有效減少水資源壓力的重要措施。從長遠來看，適應(yīng)水資源與生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的用水結(jié)構(gòu)升級是實現(xiàn)臨海市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

5 結(jié) 論

(1)本文基于城市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)分析，從水資源子系統(tǒng)、社會經(jīng)濟子系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)出發(fā)，結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H特點，選取了19項評價指標(biāo)構(gòu)建臨海市水資源承載力評價指標(biāo)體系。

(2)利用模糊綜合評判法和熵值法聯(lián)合對臨海市水資源承載力進行評價，并對臨海市水資源承載力動態(tài)變化趨勢進行分析，得出2010-2015年臨海市水資源承載力總體呈波動上升趨勢，均處于可承載水平及以上，臨海市水資源承載力動態(tài)變化的驅(qū)動因素主要來源于社會經(jīng)濟子系統(tǒng)。

(3)采用基于單因素敏感性分析的情景分析識別臨海市水資源承載力驅(qū)動因素，結(jié)果顯示，社會經(jīng)濟子系統(tǒng)中的城鎮(zhèn)化率、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重和工業(yè)用水重復(fù)利用率為主要驅(qū)動因素，其中第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重對臨海市水資源承載力水平動態(tài)變化的驅(qū)動影響較為突出。并根據(jù)分析結(jié)果，提出了促進臨海市水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的措施。