江苏省水资源承载力计算分析与评价研究

(江苏省水文水资源勘测局连云港分局，江苏连云港222004)

水资源是重要的生命资源，也是一种重要的战略资源。如今，水资源短缺、水污染等问题已严重制约了城市的经济发展和现代化进程。随着中国水资源供需矛盾的日趋紧张和最严格水资源管理制度的实施，众多学者已开始重视水资源对社会经济的支撑能力的研究，即水资源承载力。承载力最开始是在物理学领域提出的，是指物体在不产生任何破坏时所能承受的最大负荷。后来，国外学者将这一概念引入生态学领域，水资源承载力是承载力概念在水资源领域的具体应用。在国内，最早由施雅风院士于20世纪90年代初明确提出水资源承载力的概念：水资源承载能力是指在某一历史发展阶段，以可以预见的技术、经济和社会发展水平为依据，以可持续发展为原则，以维护生态环境良性发展为条件，经过合理的优化配置，水资源对该区社会经济发展的最大支撑能力[1]。水资源承载力是可持续发展与水资源安全战略中的一个突出课题，也是水资源科学研究中的一个热点问题[2]。城市的水资源承载能力受到“自然—社会”二元模式的影响，自然系统、社会系统以及水资源系统相互影响、相互作用。因此，对城市水资源承载力进行评价，必然要涉及到资源、环境和社会经济发展水平等众多因素的影响。目前，研究水资源承载力方法众多，主要有指标体系评价法、经验公式估算法和系统动力学法等。水资源承载力评价就是采用合适的水资源承载力评价指标，建立相关的数学模型，对一个地区的水资源开发利用程度进行评价，分析其水资源承载力状况，并为水资源可持续利用提供科学依据和决策[3]。迄今为止，对水资源承载力的评价还未有一个统一的模型，各个方法都有各自的优缺点。对城市水资源承载力进行研究，对于实行最严格水资源管理制度与“三条红线”控制具有重要的意义。

江苏省是个经济大省，水资源对社会经济的可持续发展具有重要作用，众多学者对江苏省的水资源承载力进行了研究。黄莉新[4]使用系统动力学方法计算了包含经济增长率、供水水平和保证率3种参数8种典型方案的江苏省水资源承载能力。宋晓猛[5]等人以承载人口规模为综合指标按照温饱型、过渡性、小康型以及初步富裕型4种标准对江苏省水资源承载力进行了评价。马学良[6]等人运用半升Γ型分布函数对城镇化进程中的江苏省水资源承载力进行了纵向分析与研究。许朗[7]等人则从时间与空间上运用主成分分析法对江苏省水资源承载力进行了综合评价。本文在总结已有研究成果的基础上，综合考虑主观赋权和客观赋权各自的优缺点，选取不同的指标构建了江苏省水资源承载力评价的数学模型，对江苏省2004—2016年的水资源承载力进行了量化分析，为水资源承载力的科学评价提供了依据。

1 评价模型的构建

1.1 水资源承载力模型

综合指标体系法是对水资源承载力进行量化评价的常用方法，其基本方法是选择单项或者多项指标，通过一定的数学模型对水资源承载力进行量化计算，从而判断水资源承载力的相对大小。

按照水资源承载力的概念，水资源承载力是在一定条件下，区域水资源对人类社会经济活动支撑能力的阈值，它是在一定条件约束下的目标值或者理想值[8]，本文通过量化分析过程建立评价指标体系，最终计算出来的承载力值是一个介于0～1之间的无量纲值，通过这个数值反映区域水资源承载力的相对大小。

影响水资源承载力的各个单项指标与综合承载力之间并不是简单的线性关系，为保证综合承载力评价结果可靠，单项指标承载力的计算需要合理进行。常规的做法是对各项指标进行归一化和无量纲化，然后直接将指标代入模型计算。这实际上假定了单向指标与综合承载力关系是线性的，这一假定并非对每一项指标都是合理的。在此引入单项指标影响函数的概念，影响函数不仅可以准确给出单项指标对上一层指标的影响变化趋势，同时也完成了对单项指标的无量纲化和归一化[9]。

在选取单项指标承载力的计算模型时，借鉴了水安全度的计算模型。对于各单项指标承载力值来说，正向指标承载力随着指标值的增大而增大，当指标值增加到一定程度后，承载力的增加则越来越缓慢，并趋于饱和；负向指标承载力的值则随着指标值的增加而减小，而当指标值增加到一定程度后承载力的减小越来越慢，并趋于零。即是x的减函数，常见函数中的对数函数、指数小于1的幂函数等符合这一变化规律[10]。对数函数关系简单，适合单纯指标的计算，还可以准确地反映二者之间的关系。因此，本文选用对数函数[11]作为单项指标承载力的计算模型，即：

y=a+blgx

(1)

式中y、x——因变量和自变量；a、b——模型参数。

为了确定承载力模型中的模型参数，需明确各评价指标的核算标准，根据国际公认的部分标准值、相关标准、区域实际情况以及现有专家的研究成果上，经过综合考量，最终确定各指标的核算标准，并确定相应的评分，从而建立各指标的承载力模型。

综合承载力计算公式为：

(2)

式中Ei——各单项指标所对应的承载力；wi——相应的权重。

计算出来的综合承载力是一个处于0～1之间的无量纲值，该评价值反映水资源承载力的相对大小，越接近1，说明水资源承载力状况越好，水资源对社会经济的支撑能力越大；反之，越接近0，说明水资源承载力状况越差，水资源对社会经济的支撑能力越小。结合现有研究成果与有关专家意见，对水资源承载力的取值划分为4个区间[12]：Ⅰ级为不可承载状态，判断区间为(0～0.2)；Ⅱ级为弱承载状态，判断区间为(0.2～0.5)；Ⅲ级为基本可承载状态，判断区间为(0.5～0.8) ；Ⅳ级为良好可承载状态，判断区间为(0.8～1)。

1.2 评价指标权重的确定

在进行水资源承载力评价时，需确定各评价指标的大小。关于权重的确定，一般分为主观赋权法和客观赋权法两大类，主观赋权法主要是专家根据经验进行主观判断得到权重，容易受到主观偏重的影响，包括层次分析法、专家调查法、二项系数法等；客观赋权法是从指标的数值差异程度客观地反映指标的重要程度，容易受到原始数值的影响，主要有熵权法、变异系数法、主成分分析法等。为了使指标权重更加合理，避免单一赋权的片面性，将主观赋权法和客观赋权法结合，确定组合赋权。

1.2.1主观权重的确定

主观权重的确定选用层次分析法(简称AHP)。层次分析法的原理是将与决策有关的元素分解成目标、准则、指标等层次，在同一层次对该层次元素间进行两两比较，建立判断矩阵，然后对判断矩阵进行一致性检验，得出指标层元素对准则层元素的权重。层次分析法的方法与步骤见图1。

图1 层次分析法确定权重的流程

1.2.2客观权重的确定

客观权重的确定方法采用变异系数法，是直接利用各项指标所包含的信息，通过计算得到指标的权重，其基本原理是:在评价指标体系中，指标取值差异越大的指标，也就是越难以实现的指标，这样的指标更能反映被评价单位的差距。

由于评价指标体系中的各项指标的量纲不同，不宜直接比较其差别程度。为了消除各项评价指标的量纲不同影响，需要用各项指标的变异系数来衡量各项指标取值的差异程度。各项指标的变异系数公式如下：

(3)

各项指标的权重为：

(4)

1.2.3组合权重的确定

设用层次分析法得到的指标层权重为Wi=(Wi1,Wi2,…,Wik)，由变异系数法得到的指标层权重为Wj=(Wj1,Wj2,…,Wjk)，则指标层第k个指标组合权重为：

(5)

2 实例分析

2.1 区域概况

江苏省地处长江、淮河下游，东濒黄海，省内分布长江、太湖、淮河和沂沭泗四大水系，长江横穿东西，大运河纵贯南北，经济发达，城市密集，人口众多。其气候具有明显的季风特征，处于亚热带向暖温带过渡地带。全省年降水量为700～1 250 mm，年径流深为150～400 mm，降水主要集中在6—9月汛期。

江苏本地水资源不足，过境水丰沛，全省多年平均本地水资源量322亿m3，多年平均过境水量为9 490亿m3，是本地水资源量的30倍。丰富的过境水资源，特别是长江的过境水资源，为江苏省的开发利用提供了得天独厚的条件。然而长江、淮河汇集200万km2国土面积的流域洪水穿境入海，纵横交错的流域行洪河道把全省分割成众多区域，平原洼地普遍处于洪潮水位之下，面临外洪内涝威胁。降水量在年际之间变化大，年内又集中在汛期，容易出现突发性、灾害性的暴雨洪水，以及旱涝急转、干旱缺水。特定的地理位置和气候特点，导致江苏省局部洪水频繁、区域洪水常见、流域洪水易发，决定了防洪任务的艰巨性；流域上中游来水主要集中在汛期，水资源时空分布不均，调蓄能力差，大部分排泄入江入海，形成弃水而不能利用，淮北、沿海、丘陵高地阶段性水资源紧缺。

2.2 评价指标体系的选择

结合江苏省实际情况，并根据指标体系选择的原则，以水资源承载力为目标层，准则层选取水资源数量因素、社会经济用水水平、水资源质量因素，选取人均水资源占有量、产水模数、折合降水总量、年入境水量、人均供水量、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、农田灌溉亩均用水量、污径比、优于Ⅲ类水控制河长比例、水功能区达标率、废污水排放量等影响因素作为指标层，建立评价指标体系。为方便起见，用字母表示各层要素，见表1。

表1 水资源承载力评价指标体系

2.3 原始数据

通过变异系数法确定各指标的权重以及单项指标承载力值的计算需要根据各指标的原始值。

由各指标层因素，查阅相关资料，根据《中国统计年鉴》《江苏省统计年鉴》《江苏省水资源公报》等相关资料，统计出各单项指标2004—2016年的原始数据。统计结果见表2。

表2 江苏省2004—2016年水资源承载力各指标原始值

2.4 单项指标承载力模型的确定

水资源单项指标承载力的计算用的是对数函数，根据《国家级生态县、生态市、生态省建设指标》《全国水生态文明城市评价指标体系》和国际公认的标准以及相关专家的研究成果上，将各指标的核算标准分为三级并给出评分。最差值评分确定为0，及格值为0.6，最优值确定为1。评价指标有正向指标与负向指标之分。正向指标表示指标越大承载力值越大，用“+”表示，负向指标表示指标越大承载力值越小，用“-”表示。

根据各指标的核算标准，通过对数函数确定模型参数，从而确定各单项指标承载力模型，见表3。

表3 单项指标评价标准及承载力模型

3 评价结果与分析

3.1 组合权重的确定

对评价指标两两比较，构造判断矩阵，使用层次分析法确定相应的权重，再根据各指标的原始值利用变异系数法公式确定各指标权重，最后由式(5)得出各指标组合权重，结果见表4。

表4 水资源承载力各指标的权重

3.2 单项指标承载力的计算

由各指标承载力的原始数据，按照确定的各单项指标承载力模型，计算历年单项指标承载力。当正向指标小于最差值或负向指标大于最差值时，所得出的单项承载力值为负数，表示不可承载，记为零；而当正向指标大于最优值或负向指标小于最优值，计算出的承载力值大于1，表示完全可承载，记为1。计算结果见表5。

表5 水资源承载力各单项指标承载力值

3.3 综合承载力结果

由表5各指标单项承载力的结果和表4中的各指标的权重，将其代入式(2)，得出综合承载力，并根据水资源承载力划分区间得出结果。

表6 水资源承载力评价结果

由图2及表6可以发现，2004—2016年江苏省水资源承载力基本上呈现一个稳中上升的过程，由2004年的0.304上升至2016年的0.614。2004—2014年，江苏省水资源承载力处于Ⅱ级状态，2013年以后，承载力上升幅度变大，2014年以后上升为Ⅲ级。

分析图2，江苏省水资源承载力在2005—2006年、2007—2008年以及2011—2013年有小幅度下降的过程。分析各指标单项承载力，2006年水资源承载力由2005年的0.359下降至0.330主要是由水资源数量减小以及农田灌溉亩均用水量、污径比、废污水排放量增加引起的；2008年水资源承载力由2007年的0.373下降至0.335主要是由水资源数量减少以及农田灌溉亩均用水量增加、污径比增加以及优于Ⅲ类水控制河长比例减小引起的；而2011—2013年水资源承载力下降幅度最为明显，由2011年的0.440下降至2013年的0.394，下降了10.5%，主要原因是水资源数量减小、污径比增加以及废污水排放量增加。2013年以后，随着最严格水资源管理制度的实施，水资源承载力增加幅度明显变大，2015、2016年已达到Ⅲ级。

图2 2004—2016年江苏省水资源承载力变化趋势

4 结论与展望

本文基于组合权重结合对数函数量化分析了2004—2016年的江苏省水资源承载力。为了使评价结果更具科学性，通过层次分析法和变异系数法相结合计算组合赋权，避免了单一赋权方法的片面性，并通过对数函数对各评价指标进行了归一化和无量纲化，最后得出的承载力值是一个无量纲数值。计算结果表明，近年来，江苏省水资源承载力整体上处于稳中上升的状态，然而仍有较大的改善需求和空间。从各项评价指标来看，水资源数量以及水资源质量是水资源承载力的主要影响因素。随着最严格水资源管理制度的实施和水资源“三条红线”的逐渐落实，江苏省水资源承载力必然会继续增长。

许朗[7]等人通过主成分分析法得出2000—2009年江苏省水资源承载力整体上呈现稳步上升的趋势；马海良[6]使用半升Γ型分布函数得出2003—2013年江苏省的水资源承载力经历了小幅度波动增长的发展阶段。虽然由于指标的选取与评价方法的不同，评价结果存在一定的误差，但是总体趋势基本一致，因此，本文的评价模型具有较好的可信度。为有效提高江苏省水资源承载力，可以从以下2个方面着手。

a) 开源与节流并举。可以开展河流的疏浚工作，因地制宜开发新水源，例如沿海地区可以考虑海水利用以及海水淡化，有条件的地区开展再生水利用。同时，要加强民众的节水意识，大力开展节水型企业与节水型社会的建设，全面提高水资源的利用效率。

b) 严格落实最严格水资源管理制度，守住水资源“三条红线”，改善水环境质量。加快转变经济发展模式，严格控制排污总量，加大对高能耗、高污染企业的管理，控制工业废水的排放以及农业面源污染。