鹽城市水資源承載狀態預警研究

葉海焯，董增川，杭慶豐，劉 淼，陸小明

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2.江蘇省水文水資源勘測局鹽城分局，江蘇 鹽城 224000；3.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029)

作為重要的自然資源之一，水資源往往成為區域社會經濟和生態環境協調發展的制約因素。隨著社會經濟的高速發展，部分地區水資源供需矛盾愈發尖銳，出現水質不達標、水生態惡化等嚴重問題[1]。因此，有必要了解區域水資源對社會經濟、生態環境的現狀支撐狀態，并對未來可能出現的情況進行預警。自20世紀80年代末，新疆水資源軟科學課題研究組提出水資源承載力的概念后，學者們開展了大量關于水資源承載狀態評價的研究，相關成果主要集中在評價指標體系的構建、評價方法的選擇等方面[2]。在綜合評價指標體系構建方面，往往采用系統分析[3]或“壓力-狀態-響應(PSR)”[4]的思路；常用的評價方法包括模糊綜合評價、主成分分析、投影尋蹤[5]等。但迄今為止，針對水資源承載狀態預警的相關研究較少。筆者按照水利部辦公廳“關于做好建立全國水資源承載能力監測預警機制工作的通知”的相關要求并結合鹽城市水資源開發利用、社會經濟發展特點，構建鹽城市水資源承載狀態預警指標體系。引入“三類六級”(三類是指評價結果中超載、臨界超載、不超載三種承載狀態，六級是指Ⅴ級警度、Ⅳ級警度、Ⅲ級警度、Ⅱ級警度、Ⅰ級警度和無警六個警度)的預警思想，闡述承載狀態預警方法，以2015年為現狀年，對鹽城市2020年、2030年水資源承載狀態進行預警。

1 概況

鹽城市位于江蘇省中部，淮河入海尾閭、黃海之濱，是江蘇省省轄市中面積最大的市，總面積達 16 972 km2，2015年末常住人口722.85萬，地區生產總值4 212.5億元，人均GDP 58 299元。下轄響水、濱海、阜寧、射陽、建湖、亭湖、鹽都、大豐及東臺9個縣。鹽城市屬于北亞熱帶季風氣候，降雨豐沛，過境水量豐富，多年平均水資源總量為 47.89億m3。2015年全市降水量1 326.8 mm，年總用水量 54.41億m3(其中深層地下水0.629億m3)，總耗水量38.17億m3。全市地表水資源量79.47億m3,折合年徑流深510.8 mm。(研究數據及來源：①鹽城市水資源綜合規劃、鹽城市水資源保護規劃、鹽城市水資源公報、鹽城市水利現代化規劃；②鹽城統計年鑒、鹽城市國民經濟發展統計公報、鹽城市土地利用總體規劃；③鹽城市地理位置及行政區劃圖、鹽城市河流水系圖等。)

2 鹽城市水資源評價預警指標體系構建

2.1 評價指標的選取

區域水資源承載狀態是通過“水資源—水環境—社會—經濟”這個復雜系統相互作用而表現出來的一種狀態，其中涉及水資源、水環境、社會經濟、生態環境各個子系統內部作用以及各個子系統之間的相互關聯和相互影響[6]。筆者在分析影響各個子系統運行主要因素的基礎上，結合鹽城市實際情況，遵循可持續發展理論，分別從水資源、社會、經濟、生態環境4個子系統中選取15個指標，構建水資源承載狀態預警指標體系。其中，水資源子系統包括水利工程設施完好率、用水總量控制指標比、地下水超采面積比、再生水利用率4個指標，分別反映區域水利工程、地表水、地下水、再生水情況；社會子系統包括人口密度、供水管網漏損率、城鎮生活污水集中處理率3個指標，表征居民生活及其用水、排污狀況；采用人均GDP、萬元工業增加值用水量、灌溉水利用系數、化肥施用強度、工業廢水排放達標率等指標表征經濟水平及經濟發展相關用水、排污情況；生態環境子系統則采用水功能區水質達標率、城鎮綠化覆蓋率、水面率等指標反應，見表1。

表1 水資源承載狀態評價預警指標體系

2.2 權重確定

層次分析法(AHP)能夠把決策者的主觀判斷和推理緊密地聯系起來，對決策者的推理過程進行量化描述，體現了決策思維過程中分解、判斷、綜合的基本特征，是一種有特點和優點的多準則決策方法，因此近年來得到了廣泛應用[7]。運用層次分析法的具體步驟如下：

a. 遞階層次結構的創建。將問題包含的因素分層：最高層(解決問題的目標)；中間層(實現總目標而采取的各種措施、必須考慮的準則等，也可稱為方略層、約束層或者準則層)；最底層(用于解決問題的各種措施、方案等)。

b. 構造多因子比較矩陣。為了綜合不同方面專家的意見，主要采用發放專家意見調查表的方法。問卷中詳細介紹了各指標的具體內容,并對評分標準進行說明。根據專家意見判斷其相對重要性,并將這些判斷用數值表示，得到一個n階互反性判斷矩陣A，即所謂的判斷矩陣。各指標層次排序標準見表2。

表2 層次排序標準

c. 因子權重系數的確定。對比較矩陣A，先計算出矩陣的最大特征根λmax，然后求出其相應的規范化特征向量W，即AW=λmaxW，其中，W的分量(w1,w2,…,wn)就是對應于n個因子的權重系數。

d. 求解特征向量和特征值。直接求解特征向量和特征值比較繁瑣，由于專家進行兩兩因子相對重要性比較的精度有限，在實際工作中采用近似算法可以簡易地計算權重系數。該方法的步驟：

對B按列規范化：

(1)

再按行相加求和數：

(2)

再規范化，即得權重系數Wi：

(3)

e. 一致性檢驗。為了檢驗層次分析法得出的結果是否合理，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗。所謂一致性，即指當X1比X2重要、X2比X3重要時，則認為X1一定比X3重要。判斷矩陣一致性指標CI與同階平均隨機一致性指標RI的比值稱為隨機一致性比率，即：CR=CI/RI。根據判斷矩陣的一致性準則，當CR<0.1時，就認為判斷矩陣具有滿意的一致性；否則，就需要不斷改動判斷矩陣，直到取得較為合理的一致性為止。

準則層及各子系統比較矩陣見表3～7。

表3 水資源子系統比較矩陣

表5 經濟子系統比較矩陣

表6 生態環境子系統比較矩陣

表7 準則層比較矩陣

經檢驗，各子系統指標比較矩陣以及準則層比較矩陣CR值均小于0.1，則認為以上矩陣具有合理的一致性。

f. 層次性總排序。利用同一層次中所有層次單排序的結果，就可計算針對上一層的本層次所有因素的重要性權值。

各指標權重計算結果見表8。

表8 鹽城市水資源承載狀態評價指標權重

2.3 評價標準確定

根據國際和國家標準、國家和地方發展規劃目標和要求、國際關于某些指標的發展規劃值和相關專家看法，結合鹽城市的實際情況，確定指標評價標準，見表9。

表9 鹽城市水資源承載狀態評價標準

注：數據來源于《鹽城市水利現代化規劃(2011—2020)》《江蘇省水利廳、省發展和改革委員會關于核準同意省轄市實行最嚴格水資源管理制度考核指標縣級(市、區)分解方案的批復》《鹽城市水資源公報(2015年)》《鹽城市市區節水規劃》《鹽城節水型社會規劃》《江蘇基本實現現代化指標體系》《江蘇全面建成小康社會指標體系》等

2.4 評價及預警方法

2.4.1 評價方法

由于評價指標的分級標準是區間的概念，為了科學地對水資源承載狀態進行綜合評價，筆者采用可變模糊方法。該方法能夠科學、合理地確定樣本指標對各級指標標準區間的相對隸屬度，并且能夠通過變化模型及其參數，合理地確定樣本水資源承載能力的評價等級，提高對樣本等級評價的可信度[8]。可變模糊法的主要原理如下：

設水資源環境承載能力綜合評價的特性用m個指標特值指表示：

X=(xi)

(4)

式中：xi為指標i的特征值，i=1，2，…，m。m個指標按c個級別的指標標準特征值進行識別,則有m×c階指標標準特征值矩陣：

Y=(yih)

(5)

式中：yih為級別h指標i的標準特征值，其中h=1，2，…，c。

參照指標標準值矩陣和待評價區域的實際情況，確定水資源承載能力可變集合的吸引(為主)域矩陣與范圍域矩陣：

Iab=([aih,bih])

(6)

Icd=([cih,dih])

(7)

根據水資源承載能力分為c個級別的實際情況，確定吸引(為主)域[aih,bih]中DA(xi)h=1的點值Mih的矩陣：

M=(Mih)

(8)

判斷特征值xi在Mih點的左側還是右側，據此計算差異度DA(xi)h,再由式(9)計算指標對h級的相對隸屬度μA(xi)h矩陣：

Uh=(μA(xi)h)

(9)

模糊評價模型：

(10)

歸一化處理得到綜合相對隸屬度矩陣：

U=(uh)

(11)

采用p=1,α=1;p=1,α=2;p=2,α=1;p=2,α=2共4種參數情況進行計算，并采用4種情況的隸屬度均值作為最終結果。

最大隸屬度原則是模糊集合論中一個重要的判斷準則，具有簡明直觀的優點，被廣泛運用于模糊集領域。但是最大隸屬度原則也有不適用性，當結果與2種或者2種以上級的隸屬度相近時，利用最大隸屬度原則不能作出合理的判斷[9]。為了解決最大隸屬度原則的不適用性，筆者采用級別特征值對狀態進行判斷。級別特征值H表示了h與uh分布列的整體相對特征，利用了狀態變量h的全部相對隸屬度信息，使樣本歸屬于何種狀態更加全面和客觀[10]。

H=(1,2，…，c)U

(12)

根據級別特征值，按照下式對評價結果進行判別：

(13)

2.4.2 預警方法

結合現狀年份(2015年)和未來年份(2020年、2030年)的評價結果，采用“三類六級”的預警思路，對鹽城市水資源承載狀態進行預警。對水資源承載狀態進行預警時，需要同時考慮預警年份評價結果及其與基準年份承載狀態的變化趨勢。其中，承載狀態的變化趨勢是指H值變化情況，如果預警年份H值小于基準年份，那么承載狀態呈現出好轉趨勢；反之，如果預警年份H值大于基準年份，則呈現出惡化趨勢。具體預警原則見表10。

表10 水資源承載狀態預警示意表

2.5 評價指標值的確定

以2015年作為基準年，在評價2015年、2020年和2030年鹽城市水資源承載狀態的基礎上，對2020年和2030年2個年份水資源承載狀態進行預警。預警指標值主要參考鹽城市相關規劃、公報、統計資料。具體指標值見表11。

表11 鹽城市水資源承載狀態預警指標值

根據式(13)確定級別特征值判別標準，當H<1.5時，則判定為該年份承載狀態為不超載；當2.5>H>1.5時，則判定該年份承載狀態為臨界超載；當H>2.5時，則判定該年份承載狀態為超載。

3 評價預警結果及分析

按照上述方法，分別計算鹽城市不同水平年承載狀態級別特征值，并按照式(13)的標準進行判別，結果如表12所示。結合鹽城市2020年和2030年的承載狀態評價結果和圖1所示承載狀態變化趨勢，清晰展示了從2015—2030年鹽城市水資源承載狀態的變化趨勢，對2020年和2030年的水資源承載狀態進行預警，結果如表13所示。可以看出，鹽城市2015和2020年水資源承載狀態處于臨界超載，2030年處于不超載狀態；同時，就預警結果可以看出，鹽城市2020年水資源承載狀態處于Ⅰ級警度，2030年處于無警的警度。

表12 鹽城市各水平年承載狀態評價結果

圖1 鹽城市水資源承載狀態變化趨勢

表13 鹽城市未來年份水資源承載狀態預警結果

鹽城市位處長江下游平原河網區，水資源具有總量充沛、年內分配不均、水環境受上游影響大、水質不容樂觀等特點；在社會經濟方面，鹽城市以農業用水為主，用水方式較為粗獷，面源污染不易控制，導致鹽城市現狀水資源處于臨界超載的狀態。針對鹽城市水資源稟賦條件和社會經濟發展模式的特殊性，從水資源供給、需求以及水環境保護等方面提出了相應保護措施，主要包括：蓄淡工程優化布局、沿海地區非傳統水資源開發利用、產業布局調整、源頭治理、河道整治等方面，使鹽城市在未來年份水資源開發利用、水環境治理等方面有長足提高，水資源承載狀態也就隨之呈現出持續好轉的狀態。至2030年，鹽城市水資源承載狀態將處于無警的警度。

4 結 語

a. 通過引入“三類六級”預警思路，結合各年份

承載狀態的評價結果以及相應的變化趨勢，對未來年份的水資源承載狀態進行預警，預警結果更加精細，為之后相關研究拓寬思路。

b. 鹽城市地處流域供水末梢區域，水功能區水質狀況不容樂觀。同時，鹽城市以農業為主，整體用水效率偏低，這造成鹽城市水資源承載現狀較差。在未來，隨著“水十條”“最嚴格水資源管理制度”等相關政策、措施的實施，鹽城市用水水平得到提高、水環境狀況持續改善，水資源承載狀態呈現出好轉的趨勢，故而預警警度逐漸減輕，至2030年，整體上為無警的警度。