南京市水资源承载力评价

2014-01-26张光凤张祖陆

水土保持通报 2014年3期

张光凤，张祖陆

（山东师范大学人口·资源与环境学院，山东济南250014）

水资源承载力是资源承载力的重要组成部分，但由于水资源承载力的区域性以及其影响因素的复杂性与不确性，水资源承载力的概念至今没有一个统一的表达。

概括地说可以分为以下几类。（1）以施雅风［1］、惠泱河［2］、韩俊丽等［3］为代表从水资源的最大支撑能力的角度对水资源承载力的解释。例如韩俊丽等［3］对水资源承载力的解释为在特定的历史发展阶段，以可持续发展为原则，以维护生态良性循环为条件，以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据，在水资源适度开发和优化配置的前提下，区域水资源系统对当地人口和社会经济发展的最大支持能力。（2）从水资源的最大支撑规模的角度进行定义。典型代表有阮本春［4］、何希吾［5］、夏军［6］、张丽［7］等人，例如夏军等［6］对水资源承载力的定义为某一区域在特定历史阶段的特定技术和社会经济发展水平条件下，以维护生态良性循环和可持续发展为前提，当地水资源系统可支撑的社会活动规模和具有一定生活水平的人口数量。（3）从水环境的最大承受能力的角度进行的定义。例如许友鹏［8］认为水资源承载力是指在一定的技术经济水平和社会生产条件下，水资源可最大供给工农业生产、人民生活和生态环境保护的用水的能力，即水资源的最大开发容量，在这个容量下水资源可以自然循环和更新，并不断地被人们利用，造福于人类，同时不会造成恶化。

基于以上定义，本文对某区域水资源承载力的定义为：某地区在某一发展阶段，以该地区社会发展水平和技术为依据，在可持续发展的框架下，以维持生态环境的良性循环为条件，在水资源得到合理开发利用和有效配置的前提下，区域水资源所支撑最大社会经济规模。

关于水资源承载力研究采用的方法有常规趋向法［1］、模糊综合评价法［8－9］、多目标模型分析法［10］、系统动力学方法［3，11］、主成分分析法［12］等，这些方法各自有各自的优势与劣势，目前没有形成成熟的方法体系。水资源承载力研究是属于评价、规划与预测一体化性质的综合研究。由水资源承载力的定义可以看出，对于水资源承载力的研究必须综合考虑水资源系统、社会系统、经济系统以及生态系统的协调发展，同时要充分考虑到水资源承载力评价指标的多层性、综合性、不确定性与模糊性。

因此，本文采取多层次模糊综合评价模型的改进模型——复合模糊评价模型［13］，既保留了多层次模糊综合评判方法的优势，又克服了它遗失有用信息、信息利用率低的局限性。

1 南京市概况

南京市位于江苏省西南部，东与扬州、镇江、常州3市接壤，南、西、北部与安徽毗邻［14］，是江苏省政治、经济、文化、交通的中心；下辖6个城区、5个郊区、2个县，总面积6 582km2。地理坐标118°21′28″—119°15′57″E，30°13′39″—32°36′37″N；地貌类型多样，交错分布，其中平原凹地占24.0%，低山占15.7%，丘陵占48.9%，水面占11.4%。

南京市境内共有大小河道120条，分属两江（长江、青弋江—水阳江）、两湖（固城湖、石臼湖）、两河（滁河、秦淮河），以跨省、市的流域划分水系，可划分为长江南京段、滁河、秦淮河、青弋江—水阳江4大水系。

南京市地处北亚热带季风气候区，气候温暖湿润，多年平均气温15.4℃，降水量较为丰沛，多年平均降水量1 075.5mm。降雨量分布不均匀。

南京市年平均水资源总量2.56×109m3，其中地表水资源量1.86×1010m3，地下水资源量7.00×109m3。过境水资源量比较丰富，年平均水资源量9.22×1011m3，主要来自于长江、水阳江、秦淮河、滁河。

改革开放以来，南京市城市和人口规模迅速发展，已经形成电子信息、钢铁、汽车电力、石油化工五大产业为主导的综合型工业体系；高新技术产业开发区等工业园的发展［14－16］，促进了沿长江地区外向型经济的发展。随着区域经济一体化带来的机遇，沿江城市化的发展与水资源利用之间必然存在着不可忽视的矛盾。南京段江河起着行洪、供水排水和美化环境的多种功能，而南京市的快速发展是以沿江大规模的开发为基础的，沿江发展必然使南京市水资源的供需发生变化，对水环境质量产生影响。因此本文以南京市为例，分析了随着长江下游沿江城市发展，对水资源承载力进行了现状分析与预测。

2 南京市水资源承载力基于复合模糊评价模型的计算

2.1 水资源承载力的指标体系［13，16－18］

综合评价是对各评价指标的信息综合。指标的选取一般遵循以下原则：整体性、层次性、独立性、区域性、可测性、可操作性、综合性指标优先等。

影响水资源承载力的因素多种多样，概括来讲主要包括：某地区水资源的数量、质量以及开发程度；区域社会的发展状况；区域经济发展水平；区域的政策法规、市场、其他资源的利用潜力等。这些因素决定评价水资源承载力的评价指标体系的庞大性与复杂性。对一个区域进行水资源承载力评价时，应结合当地的具体情况选择评价指标体系。

南京市水资源承载力指标的选取主要考虑以下4个方面：（1）南京地处长江下游，水资源总量充足。因此，选取了人均水资源量、人均用水量以及水资源利用率3个指标来反映南京市水资源的数量以及开发程度；（2）人口自然增长率与城市化水平是体现一个南京市城市的扩张程度和城市人口发展速度的重要指标，从另一方面反映了南京市水安全压力；（3）经济方面，人均GDP以及第三产业占GDP比重反映了南京市的经济发展，万元GDP水耗体现了城市的节水力度；（4）生态环境方面，80年代以来，秦淮河等水域逐步遭到污染，目前形势仍十分严峻，需要加以综合治理，而污水处理率反映了一个南京市的污水处理能力，工业废水排放达标率越大，对提高水质和节约工业用水量的贡献越大，绿化覆盖率则体现了南京政府对环境的重视程度以及城市绿化需水量。因此，南京市水资源承载力指标系统如表1所示。

表1 南京市水资源承载力指标体系

2.2 南京市水资源复合模糊评价

复合模糊评价模型的基本思路是：先计算指标承载（隶属）度，初级评判是通过多指标水资源承载力的4个子系统分承载力的评判，二级评判是对整个水资源承载力的评判。

2.2.1 南京市现状年水资源承载力的计算

（1）隶属度以及权重的确定［14］。

正向指标采用公式：

逆向指标采用公式

式中：xi——i指标的实际值；u（xi）——xi指标的隶属度；a，b——i指标的可承载临界值和理想值。

各个因子权重是根据相关的资料并结合专家综合打分确定（如表2所示）。

（2）初级评判。确定每个子系统中的每个元素的隶属度与权重后，每个子系统的分承载力为：

式中：Bi——i系统的分承载力；uij，aij——第i个子系统的隶属度与权重；ni——第i个子系统指标个数。由此可得水资源子系统分承载力（WR）、社会子系统分承载力（SC）、经济子系统分承载力（EC）、生态环境子系统分承载力（EE）分别为0.095 6，0.955 0，0.856 1，0.873 2。

（3）二级评判。二级评判采用乘积算子进行计算。

水资源承载力：WRCC＝

2.2.2 评价结果分析为了更细致地描述南京市水资源的承载状态，对WRCC的值进行等级划分（如表3所示）。

表2 南京市2009年水资源承载力初级评判

表3 水资源承载力等级划分

由以上计算结果可以看出，2009年南京市的水资源承载力评价值仅为0.365 4，隶属可承载范围，但已经处于可承载的边缘。水资源子系统承载力为0.095 6，已属于不可承载的范畴，这主要是因为南京市人口较多，人均水资源量少造成的。

3 南京市水资源承载力预测分析

运用灰色预测［13，19－20］对水资源承载力系统相关指标进行预测，然后运用复合模糊综合模型对2020年的水资源承载力进行预测分析。

3.1 相关指标的预测

3.1.1 GDP预测南京市2000—2009年GDP原始数据以及根据模型所求得的数据分析如下。

（1）级比检验。

数据序列：x0＝（1 385.14，1 690.77，2 067.18，2 451.94，2 822.8，3 340.05，3 814.62，4 230.26）

计算级比：σ＝（8 192，0.817 9，0.843 1，0.868 6，0.845 1，0.875 6，0.901 8）

均落在可容覆盖（0.800 7，1.248 8）内，故可进行灰预测建模。

（2）模型建立与求解。

累加生成序列：x1＝（x11，x12，…，x1n），其中x1k＝∑ki＝1x0i，k＝1，2，…，n，具体数值为x1＝（1 385.14，3 075.91，5 143.09，7 595.03，10 417.8，13 757.9，17 572.5，21 802.8）。

均值生成序列：z1＝（z12，z13，…，z1n），其中z1k＝0.5x1k＋0.5 x1k－1，k＝2，3，…，n，所求数据为z1＝（2 230.53，4 109.5，6 369.06，9 006.43，12 087.9，15 665.2，19 687.6）。建立灰微分方程为：

其中a是发展灰度，b是内生控制灰度，由最小二乘法得＾A＝（＾a，＾b）＝（BTB）－1BTY

解方程（4）得：

则根据模型进行计算求得：

（3）残差检验。

由图1可得，ε（k）＜0.1，ε（avg）＝0.024 9，由此得精度p＝1－ε（avg）＝97.51%＞95%。建模达到较高的精度，可以用此模型进行GDP预测。

图1 南京市GDP预测模型残差检验

（4）2020年GDP预测。

2020年的经济规模计算如下：

即2020年GDP为21 653.9亿元。

3.1.2 其他指标预测结果其他指标的预测都是按照经济预测的步骤进行的，预测结果如下。

（1）人口预测模型：x1k＋1＝35 147.76e0.01623k－34 584.48，2020年人口预测值为758.128万人。

（2）第三产业比重预测模型：x1k＝1＝40.88e0.01145k－40.4，2020年第三产业比重预测值为57.22%。

（3）自然增长率预测模型：x1k＋1＝74.1e0.30104k－71.81，2020年的自然增长率预测值为3.72%。

（4）污水处理预测模型：x1k＋1＝2 375.3×e0.03065k－230 562，精度为98.3%。预测2020年污水处理率为124.5%，因处理率不可能超过100%，所以2020年污水处理率为100%。

（5）污水排放达标率预测型：x1k＋1＝9 586.52 e0.00941k－9 495.4，精度为99.12%，由此预测出2020年污水处理达标率106.31%，大于100%，因此2020年的污水处理达标率为100%。

（6）植被覆盖率预测模型：x1k＋1＝9 234.09×e0.00479k－9 191.2，精度为98.94%，2020年植被覆盖率预测为48.07%。

（7）城市化水平预测模型：x1k＋1＝3 601.93 e0.01928k－3 541.7，精度为98.64%，2020年的预测值为97.34%。

（8）水资源利用率预测模型：x1k＋1＝－56.99 e－0.01k＋57.55，精度为98.56%。由此可得2020年水资源利用率为47.93%。

（9）需水量的预测模型：x1k＋1＝－2 903e0.0213k＋2 959.95，精度为95.4%，2020年的需水量为43.54×109m3。

（10）供水量预测。《南京市总体规划（2007—2020年）》中提议南京是将长江作为全市主要供水源，固城湖、中山、方便、金牛等水库作为补充水源以及应急备用水源，南京规划15座城市水厂，供水总体规模6.30×106m3／d，总供水量大约2.30×109m3。

3.2 2020年水资源承载力的复合模糊分析

利用灰色预测方法预测分析相关的数据进行2020年的水资源承载力复合模糊分析。

（1）初级评判。由表4可得南京市2020年的水资源承载力子系统的分承载力分别为：

WR＝0.18，SC＝0.943 2，EC＝0.993 6，EE＝0.932 8.具体计算过程数值如表6所示。

（2）Ⅱ级评判：WRCC＝WR0.4×SC0.2×EC0.2×EE0.2＝0.490 2，隶属于可承载范畴，相对于2009年承载力有所提高。

表4 南京市2020年水资源承载力初级评判结果

通过对2009年与2020年的水资源承载力的计算分析可以看出，南京市的水资源承载力水平都处于可承载范畴，并且2020年的承载能力比2009年提高了34%，子系统的分承载力都相对有所提高，其主要原因如下。

（1）在水资源子系统中，2020年的预测的人均用水量相对于2009年有所减少。

（2）在社会子系统中，水资源的分承载力有所下降，主要是由于人口的自然增长率相对于2009年增长了44%。

（3）在经济子系统中，水资源的分承载力有2009年的0.856 1增长到2020年的0.993 6，这主要是由于2020年的万元水耗量由2009年的96m3／万元降到了2020年的预测的20m3／万元，同时第三产业所占比重增加了5.9%。

（4）在生态环境子系统中，水资源分承载力增加是因为3个指标都为正向指标且指标数值都有所增加，污水处理率与污水排放达标率2020年的预测值都达到了100%。

4 对策与展望

4.1 水资源可持续利用的对策

（1）节约用水，建设节水型社会。调节城镇生活用水定额，进一步调节水价，提高居民的节水意识，重点在于开发新的节水设备和器具，加快供水管网的改造；工业方面，建立健全完善的节水管理体系与法规，推行节水目标责任制，重新制定主要行业的用水定额；农业用水方面，开发和研究抗旱节水的农作物品种，以及用于浇灌的节水技术，全面改造骨干灌水线，提高骨干渠线的配套率以及防渗率。

（2）调节用水结构结构，降低万元GDP耗水量。改变三次产业的比例，增加第三产业比重，同时提高南京市用水企业的重复利用率，节约用水，逐步降低万元GDP耗水量。

（3）污水处理，中水回用。改变传统污水处理方式，采用循环经济理念，以源头控制为主，严格控制新的污染源；对于污染较重的化工企业要严格限制，新工厂要避开工业密集带以及沿江地带；在生产过程中采用高科技创新有效的清洁生产技术；通过排污口改道，同时对水上交通污染以及生活垃圾进行收集处理来实现对南京主城沿江水污染的控制。并继续对秦淮河、玄武湖、莫愁湖等水环境污染的综合治理工程。完善老城区中水处理设施以及管道系统的建设，将中水回用应用于农业灌溉中，提高中水利用率。

（4）蓄引结合，合理开发利用水资源。南京市本地水资源不足，特别是丘陵山区产水量低，蓄水条件差，经常遭遇干旱；而长江过境水量丰沛，年客水资源量为9.00×109m3左右，沿江水资源供需平衡，但解决丘陵山区干旱较为困难。因此，对于丘陵山区，可通过修建建小型水库或挖水井的办法，同时居住房设置引水管，修建蓄水池收集雨水，城市用来浇花以及其他生活用水，农村可以用来饲养家畜家禽，以此节约用水增加蓄水量。

4.2 水资源承载力研究展望

水资源承载力研究涉及的是水—社会—经济—环境耦合系统，尽管本文在充分利用前人研究成果并对前人研究成果创新的基础上，选取了各个系统的水资源承载力指标，但是由于水资源承载力系统的复杂性、各系统之间的相互关系以及数据来源和方法的局限性，可能造成本文所得的南京市水资源承载力的水平不够精确，与实际水平有一定的偏差。以此，在今后的研究中，需要进一步加强对水资源承载力各个系统的相互约束机制以及各系统内部各指标之间的相互关系的研究。而本文对经济快速发展，城市化进程以及人民生活水平迅速提高的南京市的水资源承载力进行了现状分析与预测，根据分体提出水资源可持续发展的对策，这种研究对于探讨地区水资源承载能力有一定的示范意义。

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