武穴市水資源承載能力研究

許燕琳　江泓　張烈濤

【摘要】水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基，是人類賴以生存和發(fā)展不可替代的自然資源，是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基本條件之一。近年來，隨著武穴市社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，用水量逐年增加，加劇了水資源的供需矛盾；區(qū)域主要水體水質(zhì)已經(jīng)受到不同程度污染，水資源污染問題更加突出，已成為制約武穴市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的關(guān)鍵因素。武穴市水資源承載能力研究，將為區(qū)域水資源規(guī)劃、開發(fā)利用、優(yōu)化配置、科學(xué)管理提供重要技術(shù)支撐，促進(jìn)武穴市水資源與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】武穴市；水資源；承載能力

武穴市屬于湖北省黃岡市代管的縣級(jí)市，全市東西最大橫距43公里，南北最大縱距42公里，版圖面積1200.35平方公里，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，全市年平均降水量為1278.7～1442.6毫米，適宜于農(nóng)、林、牧、漁全面發(fā)展。

武穴境內(nèi)地表水文網(wǎng)密布。長江自西向東流經(jīng)市境西南部和南部邊緣。全市流域面積主屬長江下游干流區(qū)華陽河系，源出北部低山和中部丘陵的梅川水庫、荊竹水庫、大金水庫、戴文義、鐵石等河注入武山湖、太白湖匯集東流入華陽河，干流自武山湖經(jīng)豐收大港至太白湖。結(jié)合水系特點(diǎn)，可將武穴市劃分為馬口湖水系，流域面積76平方公里、梅川河水系，流域面積469平方公里、荊竹河水系，流域面積499.4平方公里、蘄水水系，流域面積156平方公里。其中，馬口湖水系流域及武山湖城區(qū)段工業(yè)發(fā)達(dá)，污水排放量增大，主要水體水質(zhì)已經(jīng)受到不同程度污染，水資源污染問題突出。

1、水資源承載能力概述

水資源既是人類賴以生存的基礎(chǔ)性資源，又是社會(huì)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)性資源，同時(shí)還是支撐生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)必不可少的資源。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水環(huán)境質(zhì)量不斷惡化，水資源危機(jī)逐步加劇，水資源短缺正成為制約一個(gè)地區(qū)城市化進(jìn)程和社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的瓶頸。

水資源承載力是某一地區(qū)的水資源在某一具體歷史發(fā)展階段下，以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)發(fā)展為條件，經(jīng)過合理優(yōu)化配置，對(duì)該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大支撐能力。在一定的水資源開發(fā)利用階段，滿足生態(tài)需水的可利用水量能夠維系有限發(fā)展目標(biāo)的最大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)模。

2、研究思路

采用水資源承載力綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)武穴市水資源承載能力進(jìn)行研究分析。將武穴市按照境內(nèi)小流域劃分為馬口湖水系、梅川河水系、荊竹河水系、蘄水水系四個(gè)分區(qū)單元，根據(jù)收集的資料，研究分析區(qū)域水資源現(xiàn)狀、各行業(yè)及生態(tài)環(huán)境需水分析、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境與區(qū)域水資源協(xié)調(diào)狀況，結(jié)合當(dāng)?shù)貒窠?jīng)濟(jì)發(fā)展布局和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)政策調(diào)整，針對(duì)研究區(qū)域水資源實(shí)際情況，篩選并確立水資源承載能力，建立區(qū)域水資源承載能力綜合評(píng)價(jià)模型，深入分析不同水平年區(qū)域水資源承載狀態(tài)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)ArcGis圖形，直觀展現(xiàn)武穴市水資源承載能力變化特點(diǎn)及其特點(diǎn)，并根據(jù)分析結(jié)果，提出區(qū)域水資源配置方案，為當(dāng)?shù)厮Y源的優(yōu)化利用和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展政策的制定提供技術(shù)支撐。

3、建立綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

以GIS為平臺(tái)，構(gòu)建區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)與水資源復(fù)合系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

（1）建立水資源系統(tǒng)指標(biāo)C1，收集國土面積、水資源可利用量、水質(zhì)綜合達(dá)標(biāo)率、水資源總量、多年平均降水量、供水模數(shù)、產(chǎn)水模數(shù)等數(shù)據(jù)；

（2）建立社會(huì)系統(tǒng)指標(biāo)C2，收集人口密度、人口自然增長率、城鎮(zhèn)人口、農(nóng)村人口、生活污水達(dá)標(biāo)排放量、生活用水量等數(shù)據(jù)；

（3）建立經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)指標(biāo)C3，收集武穴市GDP 總量、工業(yè)用水量、工業(yè)總產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)用水量、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、有效灌溉面積、耕地面積、灌溉用水量、有效灌溉面積、工業(yè)用水達(dá)標(biāo)處理量、總用水量等數(shù)據(jù)；

（4）建立生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)C4，收集生態(tài)環(huán)境用水量、平均水資源量、受污染水體總量、水資源總量、濕地面積、化學(xué)需氧量排放量、等數(shù)據(jù)；

（5）建立綜合協(xié)調(diào)指標(biāo)C5，收集多年平均需水總量、多年平均水資源可利用量、用水總量、多年平均水資源量、自然災(zāi)害損失等數(shù)據(jù)；

（6）建立水資源與社會(huì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)指標(biāo)C6，收集多年平均水資源總量、飲水安全人口、總?cè)丝诘葦?shù)據(jù)；

（7）建立水資源與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)指標(biāo) C7，收集單位 GDP用水量、萬元 GDP 污水產(chǎn)生量、總用水量等數(shù)據(jù)；

（8）建立水資源與生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)指標(biāo) C8，生態(tài)環(huán)境缺水總量、水資源總量等數(shù)據(jù)。

4、模型選擇

目前研究水資源承載力的方法很多，代表性研究方法主要有常規(guī)趨勢(shì)法、綜合評(píng)價(jià)法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法及多目標(biāo)分析法等。

（1）常規(guī)趨勢(shì)法是一種采用統(tǒng)計(jì)分析的方法，是選擇單項(xiàng)或多項(xiàng)指標(biāo)，反映區(qū)域水資源現(xiàn)狀和閾值的簡便方法。這種方法不能根據(jù)各個(gè)指標(biāo)值對(duì)水資源承載能力進(jìn)行綜合判斷，忽略了各個(gè)指標(biāo)之間的相互關(guān)系，不能全面地反映一個(gè)區(qū)域的水資源承載力。

（2）綜合評(píng)價(jià)法是通過建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)水資源承載能力進(jìn)行綜合評(píng)判，將各個(gè)指標(biāo)值的評(píng)價(jià)結(jié)果綜合起來，得出一個(gè)比較全面的水資源承載能力的判斷。評(píng)判的過程一般分為評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇、指標(biāo)權(quán)重確定、分析評(píng)價(jià)。

（3）系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法通過微分方程組來模擬預(yù)測社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境和水資源系統(tǒng)多變量、非線性、多反饋與復(fù)雜反饋等過程，把經(jīng)濟(jì)社會(huì)、資源與環(huán)境在內(nèi)的大量復(fù)雜因子作為一個(gè)整體，對(duì)一個(gè)區(qū)域的資源承載能力進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算。這種方法分析速度快，而且具有系統(tǒng)的觀點(diǎn)，但是該方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變量眾多，對(duì)數(shù)據(jù)的需求量也很大，精度不高。

（4）多目標(biāo)分析法是在選取能夠反映水資源承載力的人口、資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)與環(huán)境等若干目標(biāo)的基礎(chǔ)上，列出這些目標(biāo)的主要約束條件，按照社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的原則，不追求單個(gè)目標(biāo)的優(yōu)化，而追求整體最優(yōu)。多目標(biāo)分析法一般要通過降維手段，將問題轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)規(guī)劃，在利用優(yōu)化算法進(jìn)行求解，目標(biāo)函數(shù)的確立以及降維算法選擇是一個(gè)難點(diǎn)和重點(diǎn)，并在單項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)化方面存在不不足。

因此，本研究選擇綜合評(píng)價(jià)法對(duì)武穴市區(qū)域水資源進(jìn)行全面分析評(píng)價(jià)。

5、綜合評(píng)價(jià)模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系， 區(qū)域水資源承載力綜合指標(biāo) CW 表達(dá)式為

式中：

：區(qū)域內(nèi)水資源承載的經(jīng)濟(jì)壓力指數(shù)；

：區(qū)域內(nèi)水資源承載的人口壓力指數(shù)；

：區(qū)域水資復(fù)合系統(tǒng)承載壓力指數(shù)；

：區(qū)域內(nèi)水資源復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)指數(shù)；

：待定權(quán)重， 本研究可采用 ， 為同等權(quán)重。

根據(jù)模型計(jì)算數(shù)值將區(qū)域水資源承載力綜合指標(biāo)CW度量標(biāo)準(zhǔn)確定如下表：

區(qū)域水資源承載力綜合指標(biāo)度量標(biāo)準(zhǔn)承載等級(jí)

CW 0-0.50 0.51-0.80 0.81-1.00 1.01-1.30 >1.30

承載等級(jí) 承載盈余 承載適宜 瀕臨超載 輕度超載 嚴(yán)重超載

水資源豐裕 水資源利用協(xié)調(diào) 水資源緊張 水資源短缺 水資源嚴(yán)重缺乏

5.1區(qū)域水資源承載經(jīng)濟(jì)壓力指數(shù) FeI

區(qū)域水資源承載經(jīng)濟(jì)壓力指數(shù)計(jì)算公式為：

其中：

Fe ：為區(qū)域內(nèi)水資源承載的最大經(jīng)濟(jì)規(guī)模；

Wd：區(qū)域內(nèi)社會(huì)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的最低用水總量；

W s：區(qū)域水資源最大可利用總量；

GDP ：用水為Wd時(shí)所產(chǎn)生的國內(nèi)生產(chǎn)總值；

GDPc ：當(dāng)前國內(nèi)生產(chǎn)總值。

5.2區(qū)域水資源承載人口壓力指數(shù) FpI

區(qū)域水資源承載人口壓力指數(shù)計(jì)算公式為：

其中：

Fp：區(qū)域在某一社會(huì)發(fā)展水平，可利用水資源量轉(zhuǎn)化成全部產(chǎn)品所能供養(yǎng)

的人口規(guī)模，即區(qū)域內(nèi)水資源所能承載的最大人口規(guī)模；

GDPp：區(qū)域在某一社會(huì)發(fā)展水平的人均占有國內(nèi)生產(chǎn)總值的下限閥值；

Pc ： 當(dāng)前人口規(guī)模。

為保證社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)保證經(jīng)濟(jì)規(guī)模和人口規(guī)模不超過區(qū)域內(nèi)水資源的最大支持力，F(xiàn)eI≤1，F(xiàn)pI≤1。

5.3區(qū)域水資源復(fù)合系統(tǒng)承載壓力指數(shù) CCI

區(qū)域水資源復(fù)合系統(tǒng)承載壓力指數(shù)計(jì)算公式為：

式中，CCP：水資源系統(tǒng)壓力指數(shù)；

CCS：水資源系統(tǒng)的承壓指數(shù)。

水資源系統(tǒng)的承壓指數(shù)計(jì)算，本研究選用水資源系統(tǒng)C1的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算；水資源系統(tǒng)壓力指數(shù)計(jì)算，本研究選取社會(huì)系統(tǒng)C2、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)C3、生態(tài)系統(tǒng)C4各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。承載壓力指數(shù)反映水資源的承載狀況。為了保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，就應(yīng)保證水資源社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的壓力不超過支持力，即承載壓力指數(shù)CCI≤1。

其中：

式中：C i 代表的是各層指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)值，、分別為第 i個(gè)指標(biāo)的因子權(quán)重和指標(biāo)評(píng)價(jià)值。

為使各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重能在復(fù)合系統(tǒng)中客觀表達(dá)， 在計(jì)算 CCI時(shí)， 本研究采用熵值法來確定復(fù)合系統(tǒng)中各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，即根據(jù)客觀社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)與水資源質(zhì)量狀況的原始信息載量的大小確定指標(biāo)的權(quán)重。熵的信息量越大，不確定性就越小，熵值也就越小。反之，信息量越小，不確定性就越大，熵值也就越大。通過指標(biāo)變異度分析各指標(biāo)間的聯(lián)系程度，在一定程度上避免了主觀因素帶來的誤差。熵值法確定指標(biāo)權(quán)重的步驟如下：

第一步，將指標(biāo)值 xji做正向化處理，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)做比重變換：

，其中j為指標(biāo)值所處樣本區(qū)域。 本研究選取武穴市4個(gè)區(qū)域相關(guān)數(shù)據(jù)， 故1≤j≤4，1≤i≤n；

第二步，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值計(jì)算：；

第三步，將熵值逆向化：；

第四步，計(jì)算指標(biāo)值xji的權(quán)重：。

5.4區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)與水資源復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)指數(shù)CHI

對(duì)于經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)與水資源復(fù)合系統(tǒng)而言，各子系統(tǒng)的有序度為（ek），k= 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， uk （ek）為各區(qū)域指標(biāo)的多年平均值，則在復(fù)合系統(tǒng)發(fā)展演變過程中的某一時(shí)刻t（r），其協(xié)調(diào)指數(shù)計(jì)算方法如下：

1，2，3，4

協(xié)調(diào)指數(shù) CHI取值越大，表明區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)與水資源復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展程度越高，反之則越低；另外，只要uk（ek）≥（ek）， k= 1，2，3，4至少有一個(gè)不成立時(shí)，表明該復(fù)合系統(tǒng)中至少有一個(gè)子系統(tǒng)正朝向無序方向發(fā)展，即意味著復(fù)合系統(tǒng)出現(xiàn)非協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。 將協(xié)調(diào)指標(biāo)反映社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)與水資源四子系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)關(guān)系的四組（C5、C6、C7、C8）協(xié)調(diào)指標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)指數(shù)模型，計(jì)算可得區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)與水資源復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)指數(shù)CHI。

5.5水資源承載能力分析評(píng)價(jià)

結(jié)合區(qū)域資料收集難易程度的具體情況，篩選能反映“社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)”發(fā)展規(guī)模與質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)與水資源復(fù)合系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行模型計(jì)算，建立研究區(qū)域水資源承載能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)區(qū)域不同水平年水資源承載能力進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)。

6、結(jié)論與建議

針對(duì)武穴市水資源承載能力方面出現(xiàn)的問題，從不同方面（人口、經(jīng)濟(jì)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、種植結(jié)構(gòu)）分析提升研究區(qū)域水資源承載能力的對(duì)策與措施，解決武穴市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源供需的矛盾，加強(qiáng)武穴市可利用水資源的管理，促進(jìn)武穴市社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。