扬州市水资源承载能力综合评价研究

吴 枫 ，洪 达 ，蒋利俊

（1.宝应县水务局，江苏 宝应 225800；2.扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225000；3.宜兴市西渚镇水利农机站，江苏 宜兴 214236）

当前工业化生产创造了充足的物质财富，然而人口剧增与超负荷的经济活动不断挤压生态空间，还引起土地退化、水污染、资源短缺、生物多样性下降等系列环境问题，这对人与自然可持续发展带来挑战。其中，水资源作为生命演替的物质基础，更容易受到不合理的人为活动的影响。水资源承载力是指基于当前经济技术背景，一定区域内水环境要素在维持自身平衡演替的前提下，对区域人口和社会发展最大的支撑能力，用以定量表征区域自然环境与经济社会发展的协调程度与发展潜力[1]。2005年世界减灾大会中提出建立国际、社区尺度上环境承载力评估框架，并将水资源承载力的研究作为核心工作之一[2]。当前，国内外学者针对景观水平、省际尺度上水资源承载力评价模型，研究尺度单元较大，大多注重其时间变化特性，忽略了其空间分布差异。扬州是长江中下游经济较发达城市，区域水资源总量相对丰富、人口密集、水环境压力较大，以GIS技术研究市域水资源承载力空间分布差异，以期为区域资源管理提供决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

扬州地处江苏省中部，江淮流域下游，政区面积6591 km2；其中，属长江流域面积为1089 km2，属淮河流域面积为5502 km2。全市地形平坦开阔，长江与京杭大运河交汇，境内有白马湖、宝应湖、高邮湖、邵伯湖等，水域面积达1365 km2，占全市面积的20.7%。受东亚季风与西伯利亚高压控制，形成北亚热带湿润季风气候，冬季干冷，夏季炎热多雨，多年平均气温15.2℃，降水量为1007.3 mm。扬州市地狭人稠，用水结构主要依赖长江、淮河过境水资源量；本地水资源以地表径流为主，多年平均水资源总量为20.20亿m3，人均占有量为448 m3，低于800 m3的阈值水平，按本地水资源量统计，属于水资源匮乏区。

1.2 水资源承载力评价指标系统

PSR(Pressure-State-Response)概念框架是联合国环境署用于人地关系、环境评价的经典范式[3]，该模型以因果关系阐释资源环境系统、经济社会需要、人与自然交互影响之间，可以深刻地描述水资源对自然因素的依赖性与对经济社会的胁迫性，依据该概念建立的指标体系涵盖了水资源承载力的综合反馈机理，具有广泛应用性。借鉴相关学者们的经验[3～4]，在对区域人口、经济、资源、环境等要素进行系统分析的基础上，构建扬州市水资源承载力评价指标体系。

1.2.1 熵权法

熵权法是依据指标信息熵的离散度进行客观赋权。设扬州市水资源环境评估矩阵[X]m*n：

按照指标性质进行标准化处理：

其中，正向指标为指标数值越大，表明水资源承载力越高，负向指标则反之。yij为xij的标准化值，i∈n，表示评价对象序列，j∈m，表示指标序列，xmax、xmin分别表示第j项指标中的最大值、最小值。

在此基础上计算各项指标的信息熵：

式中：hj为第j指标的信息熵，fij表示第i个对象的第j个指标归一化值占所有指标的分值。最后根据各项指标信息熵分量确定权重。

式中：wj为第j个指标的权重。

1.2.2 TOPSIS评估模型

TOPSIS（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution）是通过检测评价对象与最优解、最劣解之间的距离的一种多目标决策方法[5～6]。其结合熵权法构造水资源承载力评估模型过程如下。先以熵权法确定的指标权重与归一化值加权处理：

再根据加权判断矩阵获取评估目标的最优解、最劣解：

其中，Y+、Y-分别表示最优解、最劣解。则各评估目标的最优解与最劣解之间的欧氏距离分别为，定义如下：

相对接近程度Ii计算公式如下：

其单调性大小表征评估目标的优劣程度。

1.2.3 数据处理

扬州市水资源承载力评价指标体系的原始数据整理通过Excel 2016软件完成，并根据前述公式在Excel中进行归一化处理、信息熵计算、TOPSIS模型评分。将各维度指标权重累加分别得到压力层、状态层、响应层的综合权重（表1），然后分层加权求和并通过GIS平台进行空间可视化，从而得到扬州市水资源承载力的压力层、状态层、响应层指数的空间分布；水资源承载力综合指数则为所有指标因子加权求和得到。

表1 扬州市省水资源承载力评价指标系统

2 结果与分析

2.1 水资源承载力指标体系分析

水资源承载力受区域人口社会经济系统的压力与水资源环境系统的自维持力。PSR模型水资源承载力分解为压力、状态和响应维度，明确了水资源承载力指标框架下各维度、指标间的联系，另外该指标框架可结合区域本地环境特性进行扩充，因此具有全面性、系统性和可选择性的特点。该指标体系能够帮助水资源管理部门直观认识水资源承载力的结构因子，从而因地制宜采取科学措施提升水环境质量。扬州市水资源承载力评价指标体系由18项因子组成。以各指标原始数值为基础，基于上熵权公式(1～5)逐级计算信息熵，由此得到各指标以及维度权重，结果见表1。结果表明压力层权值最高，达到0.394，表明其扬州水资源承载力的关键影响因素；状态、响应维度的影响程度次之，为0.324、0.261，PSR各维度存在功能差异。

2.2 扬州市水资源承载力PSR分析

采用前述TOPSIS融合熵权归一化矩阵，获取扬州市水资源承载力PSR准则层指数大小，为了便于比较其层次差异，采样自然列分将其划分为I、II和III三个等级，并通过GIS平台进行可视化。明显可知，各县区PSR指数分布不一，说明各地水资源承载力的结构存在一定差异。结果见图1～ 图 4。

图1 扬州市水资源承载力压力指数分布

由图1可知，由于在指标量化过程中对负向指标逆处理，其压力指数越大说明水资源承载力越高，其中邗江和市中心地区水资源压力属于I级，为全市最低水平，这是由于该区土地空间狭小、人口集中，人均水资源量极低。仪征和高邮为II级，两地水域面积宽阔、地表径流相对丰富，一定程度上缓解了承载压力。宝应和江都的水资源压力最小，为III级，前者由于人口相对较小，单位土地水资源较多，而江都则是人均水资源量居多。

图2 扬州市水资源承载力状态指数分布

由图2可知，扬州市水资源承载力状态指数分布与水资源环境质量基本一致。不难发现邗江区和市广陵区水资源状态指数属于I级，表明其水资源环境质量、水源涵养能力与开发潜力不足；仪征属于II级水平；江都、高邮和宝应处第III级较好水平，表明该区水生态环境较好，自然状态下水源涵养能够基本保障生态所需。

图3 扬州市水资源承载力响应指数分布

由图3可知，邗江区和市广陵区对水资源环境保护的响应措施最不明显，属于I级，这是由于该区域水域面积较小、水生态用地类型稀少，可采取的防护措施有限。江都和仪征次之，为II级，宝应和高邮水资源承载力响应指数最高，该区是区域地表径流、湖泊密集区，集中了东线南水北调源头工程、高邮湖清水工程，且作为全市水源地，该区水资源保护与水利建设最完善。

图4 扬州市水资源承载力指数分布图

由于县区水资源承载力面临的压力、状态、响应等各分维结构与特性存在差异，故扬州市水资源承载力指数空间分布具有异质性。由图4可知，宝应和高邮地区的承载力最高，达0.5238、0.4917，属III级，表明该区水资源基本满足生态用水与经济社会用水需要。江都仪征地区水资源承载力次之，承载力指数依次为0.4308、3952，为中等水平；邗江与广陵区水资源承载力最弱，表明其承压过载，水环境质量难以维系自然与社会属性的协调与可持续。

3 结论

基于PSR-TOPSIS水资源承载力评估模型反映的是水资源承压、水环境状态以及经济社会响应三个维度对水资源可支撑能力的综合效应，从模型效果来看，压力是影响全省水资源承载力的首要因素，水环境压力与人口压力从根本上影响着承载能力；源于地理环境特征与经济人口分别特征，各县区州的水环境质量基础与水环境工程治理投入能力互有差异，这也影响着水资源承载力的大小。GIS分析表明，扬州市各县区水资源承载力呈层次化分异，今后应当注重水资源与人口密度、经济结构布局的协调性，并科学进行水资源空间调配。