鹽城市水資源承載狀態量化研究

李 冰，董增川，杭慶豐，楊 光，王聰聰

(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)

水資源作為人類社會重要的自然資源，往往成為一個地區社會經濟與生態環境協調發展的限制性因素[1]。近年來，由于社會經濟的高速發展以及人口規模的急劇擴大，水資源供需矛盾日益突出。水資源短缺、水環境污染等問題使水資源系統的承載壓力不斷增大，我國也面臨著嚴峻的水資源形勢。為了解決區域水資源供需矛盾，實現區域水資源優化配置，開展水資源承載力研究勢在必行。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，有關學者提出了諸多進行水資源承載力研究的相關方法[2]。水資源承載力量化研究的結果可分為兩類：①具有具體物理含義的水資源承載力計算結果，一般具有量綱，如通過數學規劃求解的區域水資源能夠承載的最大社會經濟規模[3]，反映的是具有實際意義的閾值，是水資源系統對社會經濟與生態環境的承載能力。②通過評價得到無量綱的指數[4]，即通過科學的評價方法[5]獲得水資源在對社會經濟的承載過程中，區域水資源系統、社會經濟系統、生態環境系統的狀態[6]，本文將其定義為水資源承載狀態。

本文在分析水資源承載狀態內涵的基礎上，結合鹽城市水資源開發利用、社會經濟發展的特點，利用指標體系法計算鹽城市2015年、2020年、2025年、2030年水資源承載主體與承載客體的協調發展度，并將其作為水資源承載狀態的衡量指標。

1 鹽城市概況

鹽城市地處江蘇沿海中部，淮河流域尾閭，黃海之濱，是長江三角洲北翼中心城市，江蘇省沿海開發戰略重點區域，是江蘇省土地面積、灘涂面積最大的地級市，陸域總面積1.697 2萬km2，海岸線長 582 km，占全省海岸線總長的56%，2015年末常住人口為722.85萬，地區生產總值4 212.5億元，人均GDP 58 299元。鹽城市地處北亞熱帶季風氣候與南溫帶的過渡地帶，兼有大陸和海洋兩大氣候特征，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(數據來源：①鹽城市統計年鑒、鹽城市國民經濟發展統計公報、鹽城市土地利用總體規劃等；②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等)。

2 鹽城市水資源承載狀態量化方法

2.1 水資源承載狀態與協調發展度

水資源承載狀態是評判水資源承載主體與承載客體之間在社會發展過程中相互作用、相互影響的一項綜合指標，研究水資源承載狀態對實現人水和諧具有重要的意義[2]。根據水資源承載狀態的概念，水資源承載狀態中的承載主體是水資源系統，承載客體是人類所生存的社會經濟系統以及生態環境系統[7]。

由水資源承載狀態的含義可知，一個地區的水資源承載主體與承載客體在社會發展中的協調關系，決定著該地區水資源承載狀態的優劣[8]。所以，量化表征水資源承載狀態就是量化反映水資源承載主體與承載客體的協調發展程度。本文選用協調發展度作為水資源承載狀態的表征指標。

2.2 水資源承載狀態量化計算

2.2.1 協調發展度計算指標體系

區域水資源承載狀態是由“水資源—社會經濟—生態環境”這一復雜系統中承載主體與承載客體相互作用而呈現出的一種狀態[9]。各個子系統內部以及各個子系統之間都在不斷地相互作用與相互影響。為了量化計算承載主體與承載客體之間的承載狀態，運用指標體系法計算各年份水資源承載主體與承載客體之間的協調發展度。在分析各子系統運行主要影響因素的基礎上，結合鹽城市的實際發展情況，根據可持續發展理論，分別從水資源、社會經濟、生態環境3個子系統中選取9個指標，構建水資源承載狀態量化評價體系。其中，水資源子系統中包括衡量水量的單位面積水資源量、衡量水質的水功能區水質達標率兩個指標；社會經濟子系統中包括衡量發展程度的人均GDP、人口密度，衡量用水效率的萬元GDP用水量，以及衡量治污水平的萬元GDP COD和萬元GDP氨氮5個指標；生態環境子系統采用反映河道內生態的水面率指標和反映河道外生態的城鎮綠化覆蓋率兩個指標。具體指標體系見表1。

鹽城市水資源承載狀態評價標準參考國際、國內先進標準，并結合全國、江蘇省鹽城市的相關規劃資料以及鹽城市的實際情況制定，確定指標評價標準分為強(Ⅰ級)、中(Ⅱ級)、弱(Ⅲ級)三級，見表2。

其中，C1的評價標準由全國、南方地區、北方地區平均值綜合確定；C2由《鹽城市水利現代化規劃(2011—2020)》制定；C3由《江蘇基本實現現代化指標體系》綜合制定；C4和C5由《江蘇基本實現現代化指標體系》綜合制定；C6由《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》綜合確定；C7參考《聯合國人口密度劃分等級》進行確定；C8通過《江蘇基本實現現代化指標體系》《江蘇全面建成小康社會體系》進行確定；C9通過《鹽城市國家生態文明先行示范區建設實施方案》《江蘇省中長期供求規劃報告》綜合確定。

表1 水資源承載力評價指標體系

表2 鹽城市水資源承載狀態評價標準

2.2.2 數據的無量綱處理

收集數據并進行整理后，為了避免求熵值時結果產生無意義解，必須將原始數據進行無量綱處理。無量綱處理包括正向指標處理和逆向指標處理。

a. 正向指標：

(1)

b. 逆向指標：

(2)

2.2.3 權重確定

為了避免人為主觀因素的影響，保證結果的客觀性，選用熵權法[10-11]分別計算反映承載主體、承載客體的指標相對于各自準則層的權重。熵權法是在綜合考慮各因素提供信息量的基礎上，計算一個綜合指標的數學方法。作為客觀綜合定權法，熵權法主要根據各指標傳遞給決策者的信息量大小來確定權重，其主要計算公式如下：

(3)

(4)

式中：wi為第i項指標相對于承載主體的權重；wj為第j項指標相對于承載客體的權重；m為指標個數；ei、ej表征承載主體、承載客體各項指標的熵值。

2.3 協調發展度的確定

為了定量表征水資源承載狀態，引入與水資源承載狀態內涵相符的協調發展度作為量化水資源承載狀態的方法。

協調度由中國科學院可持續發展戰略研究組在對可持續發展能力進行研究時提出[12-13]，指系統之間或系統內部各要素之間的多種復雜關聯關系和諧一致所達到的程度。協調發展度由協調度的概念引申而來，可以很好地反映整體系統在不同發展時期內部的協同關系，而且，協調發展度在協調度反映協調關系的基礎上更能考慮發展水平的影響。一個由水資源—社會經濟—生態環境3個子系統組成整體的協調發展度計算主要分為以下幾步[14]。

a. 發展指數計算。發展指數是反映承載主體、承載客體各自發展情況的定量指標，具體計算公式如下：

(5)

(6)

b. 協調度計算。離差系數可以反映系統間組合協調的數量程度，還可以表征系統間運動軌跡的相似程度和接近程度。因此，系統間的協調度可用離差系數進行度量，具體計算公式如下：

(7)

(8)

式中：C為承載主體和承載客體之間的協調度；Cfg為離差系數，Cfg越大，系統間協調性越高；K為調節系數，一般取2～5。

c. 協調發展度計算。為了能更好地表征承載主體與承載客體之間的協調狀況及其發展水平，引入協調發展度的概念，具體計算公式如下：

(9)

(10)

式中：D為協調發展度，值越大表示協調水平越高，表征整個系統更加有序；T為系統綜合指數；a、b為權重系數，一般a取0.7，b取0.3。

關偉等[15]將協調度劃分為若干協調等級，等級劃分標準見表3，協調發展度達到0.90則認為優質協調，對應水資源承載狀態為好；協調發展度在0～0.49范圍內為不協調，對應水資源承載狀態為差；協調發展度在0.50～0.90范圍內為勉強-良好協調水平，對應水資源承載狀態為中。因此，將協調度大于0.90達到優質協調作為滿足水資源承載狀態較好的條件。

表3 協調發展度等級劃分

3 鹽城市水資源承載狀態量化結果與分析

3.1 指標數值確定

鹽城市2015—2030年各指標數值通過各類規劃、公報中規定數值和方法進行確定，見表4。表中，C1、C2由《鹽城市水資源公報》《鹽城市水資源保護規劃》中數據查得，C3由2015年《鹽城市水資源公報》查得，C4與C5由《鹽城市統計年鑒》中的GDP值與《鹽城市水資源公報》中的排污數值計算得到，C6和C7由《鹽城市統計年鑒》得到，C8和C9分別由《江蘇基本實現現代化指標體系》《鹽城市生態文明先行示范區建設實施方案》得到。

規劃年份C1取不變；C2由《鹽城市水利現代化規劃(2011—2020)》《2015年鹽城市水資源保護規劃》查得；C4與C5通過預測GDP與排污值計算得到，其中預測與計算所用公式和系數嚴格參照《2015年鹽城市水資源保護規劃》中排污計算部分；C6和C7通過趨勢法進行預測得到；C8和C9分別通過《江蘇基本實現現代化指標體系》《鹽城市生態文明先行示范區建設實施方案》查得。

表4 鹽城市水資源狀態量化評價指標值

3.2 指標權重確定

以鹽城市2015年、2020年、2025年、2030年數據為基礎，運用熵權法求得鹽城市水資源狀態量化評價指標權重，見表5。

3.3 鹽城市水資源承載狀態量化結果

C、離差系數Cfg、系統綜合指數T以及整個系統協調發展度D的計算結果見表7。

表5 鹽城市水資源狀態量化評價指標權重

表6 鹽城市水資源狀態量化評價去量綱后指標值

表7 2015—2030年鹽城市水資源狀態量化評價結果

3.4 鹽城市水資源承載狀態量化結果分析

表7中2015—2030年鹽城市水資源狀態評價結果，反映了2015—2030年間鹽城市水資源系統承載狀態的具體情況。由表7可以看出，鹽城市2015年水資源協調發展度最低，水資源承載狀態最差，2030年水資源協調發展度最高，水資源承載狀態最好，其間水資源協調發展度呈上升趨勢。

根據表7結果，現狀年(2015年)鹽城市承載主體水資源子系統發展水平和承載客體社會經濟與生態環境子系統發展水平均較低，且二者協調性不高，反映在協調發展度上為0.51，為勉強協調水平，是4個計算年中的最小值。具體指標中，水功能區水質達標率水平較差，且萬元GDP排污量較大，導致了水資源承載狀態偏差。2020年鹽城市水資源承載主體發展指數為0.57，水資源承載客體發展指數為0.87，說明經過5年社會經濟發展后，水資源子系統、社會經濟子系統及生態環境子系統的發展水平都得到較大的提升，協調發展度為0.77，為中級協調水平，較現狀年也有了較大提升，但因為水資源子系統發展的提升水平較社會經濟及生態環境子系統發展的提升水平有一定差距，所以C較現狀年有所下降。具體指標中，水功能區水質達標率較2015年有所提升，但仍然維持在一般水平，所以承載主體發展水平依然不高。隨著鹽城市節水水平不斷提高以及限排措施的實施，萬元GDP用水、萬元GDP排污等指標評價值得到了提高，從而使承載客體發展水平得到較大提升。鹽城市水資源承載主體發展指數在2025年為0.85，水資源承載客體發展指數為0.96，水資源承載主體與承載客體的協調發展度為0.94，達到了優質協調水平，說明在2020—2025年間，鹽城市水資源承載主體與承載客體得到了進一步發展，其中水資源子系統的發展程度較高，已經與社會經濟和生態環境子系統的發展水平相近。其中水功能區水質達標率得到大幅提升，促使水資源承載主體發展水平進一步提升，再加上水資源承載客體部分的指標繼續提升，并且達到了較高水平，致使鹽城市水資源承載狀態在2025年達到較好水平。到2030年，鹽城市水資源承載主體發展指數為0.93，水資源承載客體發展指數約為1.00，水資源承載主體與承載客體的協調發展度為0.98，說明在2030年，由于節水水平的不斷提高與限制排污措施的進一步實施，使全市水功能區水質達標率達到較好水平，且承載客體指標均保持在較好水平，因為承載客體發展有所放緩且承載主體發展不斷提高，二者的發展水平越發協調，所以鹽城市水資源承載狀態到2030年達到較好水平。

由表7中鹽城市水資源協調發展度的變化趨勢可以看出，鹽城市水資源協調發展度從2015—2030年間不斷提升，說明鹽城市水資源承載狀態隨時間不斷變好。鹽城市地處江蘇省沿海地區，具有水資源總量豐沛、但年內分布較不均勻，水環境易受上游影響，水質狀況較為一般等特點；在社會經濟發展過程中，用水主要以農業用水為主，用水方式較粗放，且污染物排放狀況不容樂觀，導致了鹽城市水資源承載狀態在現狀年(2015年)處于中等水平。針對水資源承載條件的獨特性，鹽城市從水資源供需、水環境保護等方面提出了相應措施，主要有：在“三條紅線”的控制下，調整產業布局、對污染物實施源頭治理、河道整治、優化蓄淡工程布局、對沿海地區非傳統的水資源進行開發利用，提高用水效率，降低排污水平等。上述一系列措施的實施使得鹽城市在未來年份(2020年、2025年、2030年)水資源供需、水環境狀況有較大提高，水資源承載狀態也呈現出持續變好趨勢，到2030年水資源承載狀態達到較好的水平。

4 結 論

a. 本文通過引入協調發展度的思路，構建鹽城市水資源承載狀態量化方法，對鹽城市2015—2030年水資源承載狀態進行了評價，得到了合理的評價結果，為之后相關研究拓寬了思路。

b. 鹽城市水資源承載狀態在2015年呈現出承載水平中等、水資源承載主體與承載客體之間協調度勉強協調的情況，其中用水效率水平不高以及水污染情況嚴重是水資源承載狀態水平較差的原因。在未來年份，如按鹽城市水資源規劃實施最嚴格水資源管理制度、嚴格執行“三條紅線”控制等措施，水資源承載狀態會呈現預測的持續轉好趨勢。如按鹽城市水資源規劃繼續實施直至2030年，水資源承載主體與承載客體協調發展度將達到優質協調水平，水資源承載狀態達到較好水平。

c. 通過分析研究可知，為了使鹽城市在未來年份水資源承載狀態呈現出更好狀態，相關部門需要注意提升水資源承載主體的發展水平，即嚴格控制水功能區水質達標率，將其維持在良好水平，嚴格限制排污，提高節水水平。