山东省滨州市水资源承载力综合评价

张玉冰 张锦水

(1.国家统计局滨州调查队，山东 滨州 256600；2.北京师范大学 地理科学学部，北京 100875)

滨州市是山东省的北大门，区位优势明显，产业基础良好。近年来，滨州市水资源供需矛盾问题日益突出，数据显示：滨州市年均水资源总量30.68亿m3，人均水资源占有量仅258m3，为全省人均水资源占有量的77.2%，为全国人均水资源占有量的12.3%，仅为世界人均水资源占有量的3.4%，属缺水性城市。水资源总量不足、浪费严重、环境恶化、调蓄能力和抗洪涝灾害能力差等问题，与社会经济发展的客观需要相矛盾。为实现水资源优化配置和区域可持续发展，开展水资源承载力的评价，具有紧迫的现实应用价值[1]。

有关水资源承载力的研究，在20世纪70年代就已经出现。1975年，Ayoade[2]对尼日利亚的地表和地下水资源进行了初步评估，发现气象、水文和水文地质等因素对水资源分布的大小和空间格局起到决定性影响；1998年，Falkenmark et al.[3]讨论了水资源短缺的不同评估方法所造成的误差、缺水情况的空间区域分布等问题，对水资源承载力指标进行了确认；2014年，Meriem et al.[4]对阿尔及利亚地区进行了水资源承载力评估，并将评估结果用于政府水资源战略布局，为当地水资源可持续发展提供指导。国外关于水资源承载力的专门性研究较少，多是在资源可持续利用的范畴内开展的，通过水资源的紧缺程度和自然极限来反映其承载力。

国内关于水资源承载力的研究起步相对较晚，20世纪80年代，以施雅风[5]为代表的中国科学院水资源新疆课题组，率先提出水资源承载力是水资源可开发利用量在满足维护生态环境用水后所能支撑的工农业最大产值和人口数量的观点。随后，国内有关水资源承载力的研究大量出现，以某个城市或特定区域、流域的研究居多，能够综合分析多重影响因素，量化指标体系逐渐系统完整，在完善水资源承载力概念、创新研究技术方法、推动水资源可持续利用上取得了显著成绩。赵强[6]基于模糊综合评判的方法，对水资源承载力的各个影响因素进行单因素评价，并在此基础上，确定评价集合、评价权重，继而通过评判矩阵，完成了山东省水资源承载力的研究，认为水资源承载力主要受人均水资源量、人口密度、耕地灌溉率等13个因素影响，发现山东省水资源承载力水平总体偏弱且年度间变化大；朱照宇[7]以珠江三角洲经济区为研究对象，采用系统动力学模型，通过建立DYNAMO模型，利用计算机仿真功能，对各市水资源承载力进行了研究，发现政府决策、水利工程等对水资源承载力水平起到了决定性作用，且认为水资源承载力是可控可调的；朱一中[8]在张掖地区水资源承载力多目标情景决策中，通过系统分析和动态分析方法，探索多目标的整体最优，使用的是多目标决策分析法，实现了对水资源承载力动态变化过程的预测；左其亭等[9]采用层次分析法和熵权法组合赋权的TOPSIS模型对我国九省区水资源承载力进行了评价，指出了产水模数、供水模数、万元GDP用水量等影响水资源承载力的7大主要障碍因子；韩伟[10]在分析熵权法和正太云模型理论的基础上，从水资源调控力、客体压力和主体支撑力的角度，运用模型实现了水资源承载力的评估；石汝杰[11]基于三角白化权函数，实现了对重庆市水资源承载力的灰色聚类评价；肖杰等[12]运用主成分分析法，将影响水资源承载力的多个变量，转化成少数综合指标，以此反映水资源的承载能力；易柏生等[13]根据漳河流域自然情况，利用气候生产潜力、水资源负载指数等模型，实现了对水资源承载指数和水资源负载指数的分析；苏宗奎[14]运用人工神经网络方法，将水资源承载力的评价指标和对应的级别作为训练的样本，归纳得出水资源承载力评价指标和评价等级的非线性关系，利用训练好的网络模型，实现了江西省水资源承载力的评价；卞海彬[15]应用回归神经网络(GRNN)模型构建评价模型，对沧州市水资源承载力进行了评价，并通过对比模糊综合评价结果验证了回归神经网络的准确性和可适用性。

本文立足滨州市水资源供需实际情况，建立滨州市水资源承载力综合评价体系，利用SPA-VFS(Set Pair Analysis based Variable Fuzzy Set)模型对滨州市水资源承载力进行定量评价，为掌握滨州市水资源承载力现状提供了科学的依据。

1 研究区概况

滨州市位于山东省北部，黄河下游鲁北平原，南北最大跨径175km，东西最大跨径120km，总面积94.53万km2，约占山东省总面积的16%。年平均气温14.3℃，年平均降水量587.6mm，年平均日照时数2632h。

滨州市水资源由本地水资源和客水资源两部分组成。滨州市多年平均水资源总量30.68亿m3，多年平均当地水资源量10.16亿m3，多年平均客水资源量20.52亿m3。其中，当地水资源多年平均径流量为5.55亿m3，多年平均地下水资源量为6.53亿m3。随着经济社会的发展，城市对水资源的需求保持在较高水平。以2015年为例，全市总用水量15.41亿m3，其中农业灌溉用水10.78亿m3，占总用水量69.95%；林牧渔畜用水2.07亿m3，占13.43%；工业用水0.98亿m3，占6.36%；城镇公共用水量0.1亿m3，占0.65%；城镇及农村居民生活用水1.04亿m3，占6.75%；生态环境用水0.42亿m3，占2.73%，其他用水量0.02亿m3，占0.13%。

滨州市水资源总量匮乏，年度间差异较大，2007—2017年，全市最大年降水量为816.0mm，最小年降水量仅为331.4mm，最大年降水量比最小年降水量多146.2%。黄河作为滨州主要的客水，年度供给不均，含沙量大，且天然径流呈明显减少趋势。与此同时，存在水资源分布不均衡现象。全市地下水和地表水，黄河以南普遍多于黄河以北，地区间水资源量的不平衡比较明显。水资源利用方面存在以下问题：一是水质污染严重，地表水普遍受到污染，污染程度以轻度污染为主；二是地下水超采现象普遍存在，直接造成了地下水位的下降，致使上部含水层稀疏干涸，减少了含水层的有效利用厚度；三是地表水开发利用率低，水资源调控能力不足，管理水平相对较低，甚至一些地区出现由于盲目扩大种植规模而造成部分中小河流断流的现象，同时在生产和生活领域存在着严重浪费问题；四是水环境质量改善难度较大。滨州地处沿海，盐碱涝洼，辖区河流内大多为经处理后的再生水，地表径流补充少，水质持续改善难度大。同时，地方环保投入不足，治污资金短缺，环境治理明显滞后于经济发展。

2 指标体系与数据来源

2.1 指标体系

从承载媒介和被承载对象的角度，将水资源承载力分为供给能力和消耗能力两个方面，构建起水资源承载力综合评价指标体系。第一层为目标层，即建立指标体系的目标，内容为水资源承载力。第二层为能力层，依据水资源承载力的定义，划分为水资源供给能力和水资源消耗能力。第三层为系统层，是对能力层的具体划分，是能力层的实现载体，分为水资源系统、生态系统、社会系统和经济系统4个子系统。第四层为特性层，是系统层对能力层实现的具体特性，如水资源系统，主要受水资源数量和质量两个方面影响。第五层为指标层，依据特性层选取能够体现该特性的指标，如年降水量是影响水资源数量的重要因素，故将其作为体现水资源数量的具体指标。

根据滨州市水资源总量不足、分布不均等区域特性和天然禀赋，结合经济社会发展形势、生态环境整体情况、水资源开发利用现状等，充分遵照科学性、整体性、动态性与静态性相结合，定性与定量相结合，可比性、可行性的指标选取原则，最终选取了25个指标对滨州市水资源承载力进行评价。具体见表1。

表1 水资源承载力评价指标

2.2 数据来源

本文研究数据主要来源于《滨州市水资源公报》《滨州市统计年鉴》《滨州市环境质量报告书》、滨州市统计信息网等符合公开规定的统计信息资料。所用研究数据来源详见表2。

表2 研究数据情况汇总

3 基于SPA-VFS模型的水资源承载力评价

水资源承载力影响因素较多，而且其本身就是在发展变化中的，对水资源承载力进行的评价难以具体化，标准具有一定模糊性。SPA(Set Pair Analysis)即集对分析方法，该方法体现了一种对立统一的思想，可以建立两个集对间的同质性联系，能够充分考虑指标值和标准值的关系，同时通过联系度进行定量反映，进而建立起较好的联系。VFS(Variable Fuzzy Set)即可变模糊集，这种方法选取评价目标的具体内容为评价指标，基于对评价指标等级的划分，利用隶属度函数，从多个指标对待评价事物隶属等级情况开展综合性评判，评价的合理性和科学性大大提高。本研究将两者进行结合，采用SPA-VFS模型(集对分析-可变模糊集耦合)模型对水资源承载力进行评价。余灏哲[16]利用SPA耦合模型，实现了对山东省水资源承载力的研究。具体过程见图1。

图1 SPA-VFS评价流程

考虑到25项指标的数据特点，本研究将滨州市水资源承载力分为Ⅰ级(完全承载)、Ⅱ级(基本承载)、Ⅲ级(略有超载)、Ⅴ级(超载)4个等级。利用集对分析方法，将各项评价指标分级的临界值组成数据序列，代入SPA-VFS评价模型，经计算可得水资源承载力分级之间的限值。具体分级标准见表3。

表3 水资源承载力分级标准

借助SPA-VFS评价模型，计算2007—2017年水资源承载力评价结果，公式为

(1)

表4 2007—2017年滨州市水资源承载力评价结果

续表

从评价结果可知：2007—2017年，滨州市水资源承载力综合得分曲线窄幅震荡。11年间，共有7年水资源承载力等级为Ⅱ级，属于基本承载年份，分别为2007—2010年、2012年、2013年和2017年；共有4年水资源承载力等级为Ⅲ级，属于略有超载年份，分别为2011年、2014—2016年；无Ⅰ级完全承载和Ⅴ级超载年份。水资源承载力趋势线向下，主要是在水资源供给和科技发展水平未发生大的变化的前提下，城市快速发展导致的水资源消耗增大。近年来，水资源承载力得分多数在趋势线以下，说明滨州市水资源承载力仍面临较大压力。总体上看，尽管水资源承载力趋势下行，但下行速度相对较缓，整体仍保持相对稳定。

由图3可知：滨州市水资源供给能力基本能够满足社会经济发展需要，11年间，有8年呈基本承载状态。但年度波动较大，这与滨州市降水量年度变化大等特点有关，年降水量对水资源承载力产生重要影响，如2011年、2014年为枯水年，全市年降水量、水资源总量等指标远低于多年平均值，水资源供给能力的下降，直接拉低了水资源承载力的综合得分，导致这两年水资源承载力呈现略有超载状态。

图3 2007—2017年水资源供给能力得分趋势

值得注意的是，2017年水资源供给能力再次出现略有超载现象。2017年，滨州市狠抓中央环保督察反馈问题整改工作，加大河流断面监控，保障水质稳定达标，市控重点河流化学需氧量(COD)平均浓度为27.71mg/L，比2016年下降4.35mg/L，氨氮(NH3-N)平均浓度1.01mg/L，比2016年下降0.74mg/L，全市水资源质量明显好转。但是，水资源总量、地表水资源量等反映水资源数量的指标出现了一定幅度的下降。经综合分析，水资源供给能力对水资源数量的敏感程度要高于水资源质量。

图4显示滨州市水资源消耗能力曲线相对平缓，波动幅度不大，且与综合得分曲线的变化趋势表现出较强的一致性。不难发现，除2012年外，水资源消耗能力等级与水资源承载力整体等级保持一致。可见，水资源承载力与水资源消耗能力关系密切。水资源消耗能力受生态、社会、经济3个子系统综合影响，具体情况如下：

图4 2007—2017年水资源消耗能力及分系统得分趋势

a.生态系统与水资源承载力关系密切，近年呈快速上涨态势。生态系统指标中的“当年完成环保验收项目环保总投资占GDP比重”的权重为0.14，在指标体系中最高，对水资源承载力影响较大。2014以来，滨州市环保项目、环保投资大幅增长，重点流域和区域性水污染防治取得实质效果。受“双控行动”影响，滨州市水资源消耗总量和消耗强度减小，各行各业节约用水力度持续加强，用水效益大幅提高，水资源消耗稳定在合理区间，水资源承载力已初现缓慢上升态势。2017年完成环保验收项目环保总投资84.87亿元，占GDP比重为3.3%，比2016年增长了2.83%；每平方公里工业废水排放量1.89万t，比2016年下降10.7%；每平方公里工业废水中COD排放量0.88t，比2016年下降15.4%。水生态环境状况改善，压力减小，使2017年生态系统得分较2016年出现大幅度增长。

b.社会系统综合得分曲线一路下行，形势不容乐观。近年来，滨州市人口不断增加，人口密度保持持续增长态势。城镇化率快速提高，2017年常住人口城镇化率为58.6%，比2007年高出23.23%。对水资源的消耗总量日益加大，一定程度上拉低了水资源消耗能力综合得分，进而对水资源承载力产生负面影响。2007—2012年，社会系统得分等级为Ⅱ级，处于基本承载状态。2013—2016年，城市快速发展，人均居民家庭用水量、人均城镇全年用水总量等指标持续增长，使得水资源承载力出现略有超载现象。2017年，滨州市人口密度、常住人口城镇化率、人均居民家庭用水量、人均城镇全年用水总量等指标较2016年出现大幅增长，且达到近年来新高，水资源承载力首次出现了超载现象。社会系统得分表现出明显的加速下降之势，对水资源承载力影响较大，形势不容乐观，亟待引起关注。

c.经济系统综合得分曲线始终保持正斜率，增长趋势明显。近十年来，滨州市经济结构日趋合理，第三产业产值占GDP比重逐年增长，由2007年的29.48%增长到2017年的44.2%。随着技术手段的不断更新和企业生产节水意识的增强，滨州市亿元工业总产值规模以上工业企业取水量呈现明显下降趋势。2012年，滨州市经济系统得分等级由Ⅲ级升为Ⅱ级，即由略有超载转为基本承载状态，且一直保持向好趋势。由于经济发展方式的转变和结构的合理优化，经济发展状况明显改观，经济用水压力有所缓解，这对于提高水资源承载力产生了积极作用。

4 结论与思考

滨州市地表水径流量年际变化大，利用率较低；大面积地下水为咸水区，不能饮用和灌溉；降水主要集中在汛期，年内分配不均匀；工农业生产及生活用水对引黄客水依赖性较大[17]。可见，滨州市水资源现状不容乐观，进行水资源承载力研究迫在眉睫。本文运用SPA-VFS模型完成了对滨州市2007—2017年水资源承载力的评价，为当前和未来滨州市水资源规划管理提供了科学参考。

研究表明：2007—2017年，滨州市水资源承载力综合得分曲线窄幅震荡，2007—2010年、2012年、2013年和2017年水资源承载力等级为Ⅱ级(基本承载)，2011年、2014—2016年水资源承载力等级为Ⅲ级(略有超载)，无Ⅰ级(完全承载)和Ⅴ级(超载)情况。在水资源供给和科技发展水平未发生大的变化的前提下，城市快速发展导致水资源消耗的增大，造成水资源承载力趋势线已向下。但总体看下行速度较缓，说明水资源承载力整体保持相对稳定。从评价结果看，降水量、COD平均浓度、人口密度、城市建成区面积、环保投资等是影响水资源承载力的主要因素。

本研究从自然、社会、经济、生态4个方面深入分析，提出了提高水资源承载力的方法和对策。

a.努力弥补资源禀赋不足。从数量入手，推进海绵城市建设，下雨时做好吸水、蓄水、渗水等工作，统筹用好自然降水、地表水以及地下水，协调给水、排水等各个环节。从质量发力，重点监测重点河流化学需氧量(COD)浓度和氨氮(NH3-N)浓度，严厉查处影响水源水质安全的环境违法行为。

b.重点发挥人的关键力量。进一步稳定人口总量，提高人口素质，使得人口的增长速度和整体素质与水资源的承载力相适应。合理限制城市扩张速度和规模，用实际行动有效控制居民家庭用水量和城镇供水量，减少社会耗水，降低社会因素对水资源承载力的负面影响。

c.不断优化经济发展结构。加快新旧动能转换，增加第三产业比重，减少水资源消耗，如降低亿元工业总产值规模以上工业企业取水量，保障水资源对经济社会发展的承载能力。加快开发新能源，出台鼓励政策引导人们使用清洁能源，间接地减少水资源的消耗量。

d.加强水资源的科学管理。合理增加环保总投资在GDP中的比重，积极改善生态环境状况，为提升水资源承载力提供支撑。重视生态系统对水资源消耗能力的影响作用，用最严格的制度保护生态环境，用最严密的法治保护生态环境，以此提升水资源承载力。