揚(yáng)州市水資源承載能力綜合評(píng)價(jià)研究

吳 楓 ，洪 達(dá) ，蔣利俊

（1.寶應(yīng)縣水務(wù)局，江蘇 寶應(yīng) 225800；2.揚(yáng)州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；3.宜興市西渚鎮(zhèn)水利農(nóng)機(jī)站，江蘇 宜興 214236）

當(dāng)前工業(yè)化生產(chǎn)創(chuàng)造了充足的物質(zhì)財(cái)富，然而人口劇增與超負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)不斷擠壓生態(tài)空間，還引起土地退化、水污染、資源短缺、生物多樣性下降等系列環(huán)境問題，這對(duì)人與自然可持續(xù)發(fā)展帶來挑戰(zhàn)。其中，水資源作為生命演替的物質(zhì)基礎(chǔ)，更容易受到不合理的人為活動(dòng)的影響。水資源承載力是指基于當(dāng)前經(jīng)濟(jì)技術(shù)背景，一定區(qū)域內(nèi)水環(huán)境要素在維持自身平衡演替的前提下，對(duì)區(qū)域人口和社會(huì)發(fā)展最大的支撐能力，用以定量表征區(qū)域自然環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的協(xié)調(diào)程度與發(fā)展?jié)摿1]。2005年世界減災(zāi)大會(huì)中提出建立國(guó)際、社區(qū)尺度上環(huán)境承載力評(píng)估框架，并將水資源承載力的研究作為核心工作之一[2]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)景觀水平、省際尺度上水資源承載力評(píng)價(jià)模型，研究尺度單元較大，大多注重其時(shí)間變化特性，忽略了其空間分布差異。揚(yáng)州是長(zhǎng)江中下游經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)城市，區(qū)域水資源總量相對(duì)豐富、人口密集、水環(huán)境壓力較大，以GIS技術(shù)研究市域水資源承載力空間分布差異，以期為區(qū)域資源管理提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

揚(yáng)州地處江蘇省中部，江淮流域下游，政區(qū)面積6591 km2；其中，屬長(zhǎng)江流域面積為1089 km2，屬淮河流域面積為5502 km2。全市地形平坦開闊，長(zhǎng)江與京杭大運(yùn)河交匯，境內(nèi)有白馬湖、寶應(yīng)湖、高郵湖、邵伯湖等，水域面積達(dá)1365 km2，占全市面積的20.7%。受東亞季風(fēng)與西伯利亞高壓控制，形成北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，冬季干冷，夏季炎熱多雨，多年平均氣溫15.2℃，降水量為1007.3 mm。揚(yáng)州市地狹人稠，用水結(jié)構(gòu)主要依賴長(zhǎng)江、淮河過境水資源量；本地水資源以地表徑流為主，多年平均水資源總量為20.20億m3，人均占有量為448 m3，低于800 m3的閾值水平，按本地水資源量統(tǒng)計(jì)，屬于水資源匱乏區(qū)。

1.2 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)

PSR(Pressure-State-Response)概念框架是聯(lián)合國(guó)環(huán)境署用于人地關(guān)系、環(huán)境評(píng)價(jià)的經(jīng)典范式[3]，該模型以因果關(guān)系闡釋資源環(huán)境系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)需要、人與自然交互影響之間，可以深刻地描述水資源對(duì)自然因素的依賴性與對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的脅迫性，依據(jù)該概念建立的指標(biāo)體系涵蓋了水資源承載力的綜合反饋機(jī)理，具有廣泛應(yīng)用性。借鑒相關(guān)學(xué)者們的經(jīng)驗(yàn)[3～4]，在對(duì)區(qū)域人口、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境等要素進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建揚(yáng)州市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

1.2.1 熵權(quán)法

熵權(quán)法是依據(jù)指標(biāo)信息熵的離散度進(jìn)行客觀賦權(quán)。設(shè)揚(yáng)州市水資源環(huán)境評(píng)估矩陣[X]m*n：

按照指標(biāo)性質(zhì)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

其中，正向指標(biāo)為指標(biāo)數(shù)值越大，表明水資源承載力越高，負(fù)向指標(biāo)則反之。yij為xij的標(biāo)準(zhǔn)化值，i∈n，表示評(píng)價(jià)對(duì)象序列，j∈m，表示指標(biāo)序列，xmax、xmin分別表示第j項(xiàng)指標(biāo)中的最大值、最小值。

在此基礎(chǔ)上計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的信息熵：

式中：hj為第j指標(biāo)的信息熵，fij表示第i個(gè)對(duì)象的第j個(gè)指標(biāo)歸一化值占所有指標(biāo)的分值。最后根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)信息熵分量確定權(quán)重。

式中：wj為第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

1.2.2 TOPSIS評(píng)估模型

TOPSIS（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution）是通過檢測(cè)評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)解、最劣解之間的距離的一種多目標(biāo)決策方法[5～6]。其結(jié)合熵權(quán)法構(gòu)造水資源承載力評(píng)估模型過程如下。先以熵權(quán)法確定的指標(biāo)權(quán)重與歸一化值加權(quán)處理：

再根據(jù)加權(quán)判斷矩陣獲取評(píng)估目標(biāo)的最優(yōu)解、最劣解：

其中，Y+、Y-分別表示最優(yōu)解、最劣解。則各評(píng)估目標(biāo)的最優(yōu)解與最劣解之間的歐氏距離分別為，定義如下：

相對(duì)接近程度Ii計(jì)算公式如下：

其單調(diào)性大小表征評(píng)估目標(biāo)的優(yōu)劣程度。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

揚(yáng)州市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的原始數(shù)據(jù)整理通過Excel 2016軟件完成，并根據(jù)前述公式在Excel中進(jìn)行歸一化處理、信息熵計(jì)算、TOPSIS模型評(píng)分。將各維度指標(biāo)權(quán)重累加分別得到壓力層、狀態(tài)層、響應(yīng)層的綜合權(quán)重（表1），然后分層加權(quán)求和并通過GIS平臺(tái)進(jìn)行空間可視化，從而得到揚(yáng)州市水資源承載力的壓力層、狀態(tài)層、響應(yīng)層指數(shù)的空間分布；水資源承載力綜合指數(shù)則為所有指標(biāo)因子加權(quán)求和得到。

表1 揚(yáng)州市省水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)

2 結(jié)果與分析

2.1 水資源承載力指標(biāo)體系分析

水資源承載力受區(qū)域人口社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的壓力與水資源環(huán)境系統(tǒng)的自維持力。PSR模型水資源承載力分解為壓力、狀態(tài)和響應(yīng)維度，明確了水資源承載力指標(biāo)框架下各維度、指標(biāo)間的聯(lián)系，另外該指標(biāo)框架可結(jié)合區(qū)域本地環(huán)境特性進(jìn)行擴(kuò)充，因此具有全面性、系統(tǒng)性和可選擇性的特點(diǎn)。該指標(biāo)體系能夠幫助水資源管理部門直觀認(rèn)識(shí)水資源承載力的結(jié)構(gòu)因子，從而因地制宜采取科學(xué)措施提升水環(huán)境質(zhì)量。揚(yáng)州市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系由18項(xiàng)因子組成。以各指標(biāo)原始數(shù)值為基礎(chǔ)，基于上熵權(quán)公式(1～5)逐級(jí)計(jì)算信息熵，由此得到各指標(biāo)以及維度權(quán)重，結(jié)果見表1。結(jié)果表明壓力層權(quán)值最高，達(dá)到0.394，表明其揚(yáng)州水資源承載力的關(guān)鍵影響因素；狀態(tài)、響應(yīng)維度的影響程度次之，為0.324、0.261，PSR各維度存在功能差異。

2.2 揚(yáng)州市水資源承載力PSR分析

采用前述TOPSIS融合熵權(quán)歸一化矩陣，獲取揚(yáng)州市水資源承載力PSR準(zhǔn)則層指數(shù)大小，為了便于比較其層次差異，采樣自然列分將其劃分為I、II和III三個(gè)等級(jí)，并通過GIS平臺(tái)進(jìn)行可視化。明顯可知，各縣區(qū)PSR指數(shù)分布不一，說明各地水資源承載力的結(jié)構(gòu)存在一定差異。結(jié)果見圖1～ 圖 4。

圖1 揚(yáng)州市水資源承載力壓力指數(shù)分布

由圖1可知，由于在指標(biāo)量化過程中對(duì)負(fù)向指標(biāo)逆處理，其壓力指數(shù)越大說明水資源承載力越高，其中邗江和市中心地區(qū)水資源壓力屬于I級(jí)，為全市最低水平，這是由于該區(qū)土地空間狹小、人口集中，人均水資源量極低。儀征和高郵為II級(jí)，兩地水域面積寬闊、地表徑流相對(duì)豐富，一定程度上緩解了承載壓力。寶應(yīng)和江都的水資源壓力最小，為III級(jí)，前者由于人口相對(duì)較小，單位土地水資源較多，而江都則是人均水資源量居多。

圖2 揚(yáng)州市水資源承載力狀態(tài)指數(shù)分布

由圖2可知，揚(yáng)州市水資源承載力狀態(tài)指數(shù)分布與水資源環(huán)境質(zhì)量基本一致。不難發(fā)現(xiàn)邗江區(qū)和市廣陵區(qū)水資源狀態(tài)指數(shù)屬于I級(jí)，表明其水資源環(huán)境質(zhì)量、水源涵養(yǎng)能力與開發(fā)潛力不足；儀征屬于II級(jí)水平；江都、高郵和寶應(yīng)處第III級(jí)較好水平，表明該區(qū)水生態(tài)環(huán)境較好，自然狀態(tài)下水源涵養(yǎng)能夠基本保障生態(tài)所需。

圖3 揚(yáng)州市水資源承載力響應(yīng)指數(shù)分布

由圖3可知，邗江區(qū)和市廣陵區(qū)對(duì)水資源環(huán)境保護(hù)的響應(yīng)措施最不明顯，屬于I級(jí)，這是由于該區(qū)域水域面積較小、水生態(tài)用地類型稀少，可采取的防護(hù)措施有限。江都和儀征次之，為II級(jí)，寶應(yīng)和高郵水資源承載力響應(yīng)指數(shù)最高，該區(qū)是區(qū)域地表徑流、湖泊密集區(qū)，集中了東線南水北調(diào)源頭工程、高郵湖清水工程，且作為全市水源地，該區(qū)水資源保護(hù)與水利建設(shè)最完善。

圖4 揚(yáng)州市水資源承載力指數(shù)分布圖

由于縣區(qū)水資源承載力面臨的壓力、狀態(tài)、響應(yīng)等各分維結(jié)構(gòu)與特性存在差異，故揚(yáng)州市水資源承載力指數(shù)空間分布具有異質(zhì)性。由圖4可知，寶應(yīng)和高郵地區(qū)的承載力最高，達(dá)0.5238、0.4917，屬III級(jí)，表明該區(qū)水資源基本滿足生態(tài)用水與經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水需要。江都儀征地區(qū)水資源承載力次之，承載力指數(shù)依次為0.4308、3952，為中等水平；邗江與廣陵區(qū)水資源承載力最弱，表明其承壓過載，水環(huán)境質(zhì)量難以維系自然與社會(huì)屬性的協(xié)調(diào)與可持續(xù)。

3 結(jié)論

基于PSR-TOPSIS水資源承載力評(píng)估模型反映的是水資源承壓、水環(huán)境狀態(tài)以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)響應(yīng)三個(gè)維度對(duì)水資源可支撐能力的綜合效應(yīng)，從模型效果來看，壓力是影響全省水資源承載力的首要因素，水環(huán)境壓力與人口壓力從根本上影響著承載能力；源于地理環(huán)境特征與經(jīng)濟(jì)人口分別特征，各縣區(qū)州的水環(huán)境質(zhì)量基礎(chǔ)與水環(huán)境工程治理投入能力互有差異，這也影響著水資源承載力的大小。GIS分析表明，揚(yáng)州市各縣區(qū)水資源承載力呈層次化分異，今后應(yīng)當(dāng)注重水資源與人口密度、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)布局的協(xié)調(diào)性，并科學(xué)進(jìn)行水資源空間調(diào)配。