基于压力—状态—响应模型的城市水资源承载力评价指标体系构建研究

刘雅玲 罗雅谦 张文静 吴悦颖 王 强#

(1.环境保护部环境规划院，北京 100012；2.中国人民大学环境学院，北京 100872)

科学评估城市水资源承载力是实现城市水资源可持续发展、解决城市缺水问题的重要课题。城市水资源承载力评估的核心是建立指标体系。已有的研究中，指标的选取基于一定的原则进行，受制于研究者对水资源及相关系统的判断及数据的可得性。如卞建民[1]从水资源的可供性、开发的技术、管理水平及综合效益4个方面建立了水资源可持续利用评价的指标体系。刘毅[2]从水资源现状、水资源利用效率、水资源可持续利用压力和水资源可持续利用能力4个方面对水资源可持续利用状况进行综合评价，得出水资源利用效率低下成为制约水资源可持续利用的重要因素的结论。刘婷婷等[3]在定量分析人口增长、经济发展、资源短缺和环境污染等因素对流域水环境的综合影响后，运用指标体系评价法计算洱海流域水环境承载力。

本研究综合考虑了城市水资源承载力评估中指标选取存在的问题，引入压力—状态—响应(PSR)模型构建了水资源承载力指标体系，结合层次分析法(AHP)和指标综合评价法，构建城市水资源承载力评估体系，解决城市水资源承载力评估指标选取的主观性和模糊性，为城市经济社会发展和水资源可持续协调发展提供依据。

1 指标体系构建

1.1 PSR模型构建

PSR模型最初由加拿大统计学家提出，用于分析环境压力、现状与响应之间的关系。20世纪70年代，欧洲经济合作与发展组织(OECD)对其进行了修改并用于环境报告[4]。20世纪80年代末至90年代初，OECD在进行环境指标研究时对PSR模型进行了适用性和有效性评价。该理论认为，人类的经济、社会活动与自然环境之间存在相互作用关系，即：人类从自然环境取得各种资源，通过生产消费又向环境排放，从而改变了资源的数量和环境的质量，进而影响了人类的经济社会活动及其福利，如此循环往复，形成了人类活动与自然环境之间的PSR关系[5]。据此设计的指标较好地反映了自然、经济、环境、资源之间相互依存、相互制约的关系。目前，PSR模型已广泛应用于生态安全评价、工业污染评价、湿地健康评价等领域。

水资源是城市发展的基础性和战略性资源，它具有生产要素和生活要素的双重特征，因此水资源承载力的研究涉及水资源、社会经济和生态环境系统，而PSR模型能较好反映3者关系。

1.2 指标筛选与指标体系构建

本研究从3个方面构建PSR模型：(1)分析经济社会及生态环境系统对水资源造成的压力，选取压力类指标7项；(2)分析社会经济等压力下的水资源状态，选取状态类指标5项；(3)分析水资源配置方案、使用效率等对水资源可持续发展产生影响的响应类指标7项。并利用AHP确定各指标的权重，具体见表1。

表1 PSR模型指标及其权重

1.2.1 压力类指标

压力类指标是反映研究城市社会发展、经济效益与水资源的重要指标。

(1) 城镇化率=城镇总人口数/总人口数×100%。通常，城镇化水平越高的城市，人均用水定额、人均生活排污量越大，水资源承载力则相对越小。本研究中以55.0%为评价标准[6]。

(2) 人均生活日用水量=(居民家庭用水量+公共服务用水量)/(用水人口×天数)。随着城市经济的发展，城市居民生活水平不断提高，人民居住条件、卫生条件不断改善，城市居民日常生活用水量和市政设施的用水量也不断提高。本研究中取180.0 L/(人·d)为评价标准[7]。

(3) 人均GDP=城市年GDP/城市总人口。人均GDP是目前国际上最通用的衡量一个国家或地区综合经济实力的指标。它是按人口平均的一个国家或地区在一定时期内所生产的最终产品与劳务总价值的货币量度。根据《中国城市统计年鉴(2014年)》，人均GDP为4.93万元/人。

(4) 第三产业占GDP比例=第三产业增加值/城市国内生产总值×100%。产业结构比例与水资源利用存在着密切的关系。第三产业的发展，具有高产出、高就业、低消耗、低污染的特点，加强第三产业的发展，可减少污废水的排放量，达到经济发展与节约用水的目的。在英格尔斯的现代化指标中第三产业占GDP比例为45%，联合国划分贫富的社会指标体系中为50%，目前世界上主要发达国家接近或超过70%。根据《国民经济与社会发展的第十二个五年规划纲要》，第三产业占GDP比例以47.0%为评价标准。

(5) 城市人均COD排放量=城市日均COD排放量/城市总人口。城市排放的COD主要来源于城市生活污水、工业废水和农业废水。根据《中国环境统计年鉴(2014年)》，该指标以中国113个重点城市的人均COD排放量(67.07 g/(人·d))为评价标准。

(6) 城市人均氨氮排放量=城市日均氨氮排放量/城市总人口。自然水体中氨氮浓度过高，加剧水体富营养化程度，破坏自然水体生态系统平衡。城市氨氮排放来源包括城市生活源、工业源和农业源。根据《中国环境统计年鉴(2014年)》，城市人均氨氮排放量以中国113个重点城市的人均生活污水氨氮排放量(7.51 g/(人·d))为评价标准。

(7) 城镇人均生活污水排放量=城镇日均生活污水排放量/城市总人口。该指标反映了城市人类生活对水资源的利用排放情况，与社会经济发展、人们生活方式以及城市水环境等因素有关。生活源是城市水环境的主要污染源之一。由《全国统计公报(2013年)》可知，2013年，城市生活污水占废水排放总量的69.8%。城市人均生活污水排放量小，在相同人口数量的条件下，城市水资源承载能力增大。根据《2013年中国环境统计年报》，城镇人均生活污水排放量以181.78 L/(人·d)为评价标准。

1.2.2 状态类指标

状态类指标可采用国际上通用的衡量水资源压力及水资源开发利用情况的指标，反映城市水资源环境状况。

(1) 产水系数=城市水资源量/城市年降水量，属于发展类指标。产水系数反映气候环境变化引起的水资源变化大小，其值小于1。2000年，全国产水系数平均为0.46，北方地区0.07～0.41，南方地区0.41～0.62，西北地区0.06～0.66。本研究中产水系数以0.60为评价标准[8]。

(2) 水资源开发利用程度=年取用的淡水资源总量/可获得的淡水资源总量×100%。世界粮农组织、联合国教科文卫组织、联合国可持续发展委员会等很多机构都选用该指标反映水资源稀缺程度。当水资源开发利用程度≤10%时为低水资源压力；当水资源开发利用程度>10%～20%时为中低水资源压力；当水资源开发利用程度>20%～40%时为中高水资源压力；当水资源开发利用程度>40%时为高水资源压力。本研究中，水资源开发利用程度以40%为评价标准。

(3) 人均水资源量=自产水资源量/总人口。世界资源研究所根据干旱区中等发达国家的人均需水量确定了人均水资源量的临界值：当人均水资源量低于1 700 t/人时出现水资源压力，当人均水资源量低于1 000 t/人时出现慢性水资源短缺。即人均可重复使用的淡水资源总量低于1 000 t/人，是水资源“数量压力”指数的临界标志。本研究中取1 000 t/人为评价标准。

(4) 水资源供需比=水资源可供水量/需水量。水资源供需比可反应一个城市水资源的供需矛盾。水资源可供水量与其开发技术水平有关；实际需水量与生产发展程度、人民生活水平及水资源利用技术等有关。故在不同时期，可供水量与实际需水量是可变的，供需关系可能出现3种情况：①供大于需，说明可利用的水资源尚有一定潜力；②供等于需，是较理想的供需状态，说明水资源的开发程度适应现阶段的生产、生活需要；③供小于需，说明水资源短缺，需立即采取开源节流等措施，以缓解供需矛盾。取供需平衡，即水资源供需比=1.0为评价标准。

(5) 污径比=废污水排放量/河川径流量×100%。在美国，污径比<1%时，可以不考虑治理污染；当污径比>10%时，必须进行严格的毒理实验。目前认为，污径比在5%以内时，在受纳水体的天然自净能力范围内；当污径比超过10%时，河流的天然自净能力受到破坏。根据上述情况，设计污径比的分级标准：≤1%为极高标准；>1%～2%为高标准；>2%～5%为中等标准；>5%～10%为低标准；>10%为极低标准。本研究中污径比以2.59%为评价标准[9]。

1.2.3 响应类指标

响应类指标反映了城市进行生产生活过程中对水资源的使用效率，对水资源承载力具有重要影响。

(1) 万元工业增加值用水量=工业用水量/工业增加值，可以反映城市生产技术水平和工业对水环境索取的强度，该指标高，则单位水资源创造出的效益就越低。目前，中国工业万元增加值用水量为78 t/万元，用水水平很低，约为发达国家的5～10倍。

(2) 万元GDP用水量=城市年总用水量/城市年GDP，它可以反映城市经济发展对水资源的索取强度，与城市产业结构、科技水平及生产力关系密切。根据《生态市建设指标》，万元GDP用水量以150 t/万元为评价标准。

(3) 农业灌溉公顷用水量=农田灌溉用水量/农田灌溉公顷数。发达国家农业灌溉公顷用水量一般为3 000～7 500 t/hm2，以色列是5 250 t/hm2。2020年，我国农业灌溉公顷用水量可能降到6 000 t/hm2。根据《2000年中国水资源公报》，全国农业灌溉公顷用水量平均为7 185 t/hm2，东、中、西部地区分别为3 780～15 915、2 955～9 750、3 810～18 195 t/hm2。根据《全国节水规划》，灌溉有效用水系数为0.53，核算得出城市农业灌溉公顷用水量，取7 000 t/hm2为评价标准。

(4) 再生水利用率=污水再生利用量/污水排放量×100%。在水资源日趋紧张的背景下，再生水利用开始受到各国政府的重视。根据《国务院关于印发国家环境保护“十二五”规划的通知》(国发[2011]42号)，到2015年，全国城市再生水利用率要达到20%以上，因此取20.0%为评价标准。

(5) 工业用水重复利用率=重复利用水量/(生产用水量+重复利用水量)×100%，是宏观上评价城市用水水平及节水水平的重要指标，提高重复利用率是城市节约用水的主要途径之一。根据《2013年中国环境统计年报》，城市工业用水重复利用率取87.0%为评价标准。

(6) 万元工业产值废水排放量=工业废水排放量/工业总产值。该指标反映了城市工业生产活动的排污水平。根据《中国环境统计年鉴(2014年)》，4.507 t/万元为该指标的评价标准。

(7) 城市污水处理率=城市污水处理量/城市污水排放量×100%。随着我国城镇化进程的加快，城镇污水处理厂的数目和规模逐渐扩大，城镇污水处理率不断上升。2013年，我国大部分省(市、自治区)的城市污水处理率高于83%。城市污水处理率越高，则表示排放到自然水体中的污水所含污染物浓度低，对城市水资源污染程度低，提高了水资源承载力。根据《中国环境统计年鉴(2014)》，城市污水处理率的评价标准为89.3%。

1.3 指标体系评价方法

本研究中水资源承载力评价采用指标综合评价法，公式见式(1)至式(3)，单位根据实际指标确定。

(1)

(2)

(3)

式中：i为指标序号；CSi为第i个指标的承载度；CCs，i为第i个指标的承载指数，即满足某一生态环境功能要求的标准限值；CCi为第i个指标的实际监测或调查值；CCPL为水资源承载度；n为指标总数；Wi为第i个指标的权重。

当CCPL=1时，承载状况恰好满足水资源承载力；当CCPL<1时，承载状况在水资源承载力内；当CCPL>1时，承载状况超出了水资源承载力，值越大说明承载状况超出水资源承载力越多，支持强度越低。

2 实例研究

本研究收集整理了2010—2013年福州水资源公报、环境统计数据、统计年鉴等各方面的资料，计算得到水资源评价指标体系中福州各项评价指标值，结果见表2。

根据式(1)至式(3)，计算获得2010—2013年福州水资源承载度，结果见表3。

从压力类指标可以看出，2010—2013年福州经济发展对水资源承载力的支持强度呈现缓慢下降趋势。从2010年开始，由于福州城镇化进程、经济发展加快，人均生活日用水量明显增加，经济社会发展超出了水资源承载能力。

表2 福州水资源承载力各指标值

表3 2010—2013年福州市水资源承载度

状态类指标显示，2010—2013年福州水资源承载力整体呈下降趋势，仅2012年降雨量较大，水资源量较多，水资源承载度好转。为满足经济社会发展，福州近年水资源开发利用程度不断加大，水资源供需比总体降低，致使福州水资源承载力逐年下降。

响应类指标显示，现有水资源管理措施对水资源承载力的支持强度呈上升趋势，这对福州实现可持续发展目标具有重要意义。万元工业增加值用水量和万元GDP用水量的不断降低对福州水资源承载力水平有着重要意义。但是，工业用水重复利用率有下降趋势、再生水利用率较低对水资源承载力的提升有负面作用。

3 结 语

通过PSR模型建立城市水资源承载力评价指标体系，采用AHP确定指标权重，引入指标综合评价法评估城市水资源承载力，可以建立客观、完善、多要素的指标体系和评价系统。城市逐年的水资源承载度能直观反映水资源的变化趋势，识别压力、状态、响应类指标对水资源承载力的影响程度，能够客观、科学地评判城市的发展历程、状况和发展趋势，为城市的可持续发展提供有效的理论指导和技术支持。

[1] 卞建民.半干旱地区霍林河流域径流演变及其影响机制研究[J].干旱区资源与环境，2004，18(4)：105-108.

[2] 刘毅.区域循环经济发展模式评价及其路径演进研究[D].天津：天津大学，2012.

[3] 刘婷婷，韩玉启，李新.关于层次分析法(AHP)的应用[J].机械管理开发，2006(5)：68-70.

[4] OECD.OECD core set of indicators for environmental performance reviews[R].Paris：OECD，1993.

[5] 叶正伟，孙艳丽.基于PSR模型的江苏沿海大开发地区水环境安全评价——以盐城市为例[J].水土保持研究，2013，20(6)：197-202.

[6] 环境保护部.国家生态县、生态市、生态省建设指标(修订稿)[Z].北京：环境保护部，2008.

[7] 全国节约用水办公室.全国节水规划纲要[Z].北京：全国节约用水办公室，2002.

[8] 李飞，贾屏，张运鑫，等.区域水资源可持续利用评价指标体系及评价方法研究[J].水利科技与经济，2007，13(11)：826-829.

[9] 国家统计局.中国统计数据库[EB/OL].[2015-10-11].http：//www.shujuku.org/chinas-water-resources-bulletin.html.