贵阳市水资源承载力演变的集对分析与诊断识别

2021-01-27唐爱筑何守阳

中国农村水利水电 2021年1期

唐爱筑，何守阳

(1.贵州大学喀斯特环境与地质灾害防治重点实验室，贵阳 550025；2.贵州大学资源与环境工程学院，贵阳 550025；3.贵州喀斯特环境生态系统教育部野外科学观测研究站，贵阳 550025)

0 引言

水资源是支撑自然生态系统平衡和人类生存发展的基础性资源，也是制约当今世界发展的战略性资源，并逐渐成为拥有经济性质的公共性的社会资源[1]。城市是人口分布、资源消耗和环境污染的集中区域，是一个区域社会经济发展的重要载体，水资源承载能力不仅关系到城市未来自身的命运，也关系到其周边地区能否顺利实现可持续发展的目标，已经成为城市可持续发展甚至区域可持续发展的重要内容。随着全球人口的持续增长和城镇化进程的不断推进，城市发展受到了水资源承载能力的极大约束。而水资源承载力是一项涉及水资源、人口、生态和社会经济等多个系统相互耦合的综合指标，如何保持城市与水资源承载力协调可持续发展已经引起了学术界和政府部门的广泛关注。

国际上不同学科领域学者是对水资源承载力进行了多维度研究。Rees[2]从城市供水量方面研究水环境承载力，评价不同供水模式下城市发展状况。Joardor[3]从印度供排水模式和废弃置物点角度评价城市资源承载力。Harris等[4]认为水资源减少会导致农业生产减量和土壤退化。同时气候变化与人类活动对水资源承载力的影响日益突出，Al-Kharabsheh等[5]认为干旱气候、人口增长和欠缺的下水道系统使得约旦南部盆地水质恶化。Severskiy[6]认为淡水资源短缺是中亚地区发展的决定性因素。Ait-Aoudia[7]等从家庭供水系统角度评价阿尔及尔载水量和家庭用水能力。在水资源评价方法与模型方面，Duarte等[8]运用数学模型评估沿海水域承载能力对水产养殖的影响。Srinivasan等[9]利用人类环境耦合系统模型检验了印度城市化与水资源脆弱性之间的关系，认为应加强公共水资源利用管理。因此，Rijsberman等[10]在对城市可持续研究发展中提到，水资源系统的持续发展是城市水资源安全保障的重要保证，是水资源评价管理的重要部分。Falkenmark等[11]认为水资源承载力是维持社会发展的重要因素，要合理进行水资源管理和水污染防治。Gong[12]等研究发现兰州市目前水资源利用存在不合理。

在我国，关于水资源承载力的研究始于20世纪80年代后期。1989年，新疆水资源软科学课题研究组提出水资源承载力的概念与评价模型，采用了常规趋势法对新疆乌鲁木齐河流域的水资源承载力进行研究[13]。20世纪90年代到21世纪初期，这期间国家加强了水资源战略问题的研究，国内学者在水资源承载力的理论基础、指标体系、评价模型(方法)等方面做出贡献[14-18]，为我国水资源承载力全面、系统的研究提供了许多经典的研究案例。模糊综合分析法[19]、系统动力学[20]、BP网络[21]等方法已被广泛应用不同地区的水资源承载力评价。近年来一些基于评价和诊断识别思路的区域联系数和利用减法集对势的评价方法与模型逐步得到应用[22-24]。而在经济社会发展与水资源耦合协调以及水资源承载力提升与优化方面也受到关注，夏军等[25]分析城镇化对“社会-水资源-生态”复合系统的影响，探讨了城镇化地区水资源承载力的理论研究基础。贺辉辉等[26]从时间尺度上探讨了安徽省淮河流域社会经济活动与水环境的协调程度。陈红梅等[27]计算了城镇化与水资源承载力协调发展度，研究表明城镇化质量的提高与水资源承载力之间存在双向作用关系。马海良等[28]对江苏省水资源承载力进行评估，认为注重两型社会和生态文明建设的城镇化进程可以较大幅度提升水资源承载力。

综上所述，水资源承载力从早期的方法学到区域水资源承载状态识别与评价逐渐过渡到基于评价识别、诊断及提升优化的系统决策上来，尤其以长时间尺度下共性问题为导向的水资源承载力评价与提升对策已成为是当下及未来一段时间的研究焦点。城镇化不断推进过程中对水资源的需求日益增加，水资源对城市可续发展的支撑受到前所未有的挑战，如何正确处理水资源和城镇化之间的关系，维持水资源和城市之间的协调发展，已成为全球城市发展与管理面临的共性问题。本文以构建水资源承载力评价指标体系，利用集对分析方法进行水资源承载力评价，并运用减法集对势进行脆弱性指标识别，力求诊断出贵阳市快速城镇化进程中水资源承载力的演变特征与存在的问题，为城市的水资源利用、保护、可持续与系统管理决策提供一定参考。

1 研究区概况

贵阳市近年来一直处于城镇化高速发展阶段，2017年城镇化率达74.8%，城市人口数量逐渐增加，城市规模不断扩大，经济发展迅速。在水资源利用方面，贵阳市的供水主要以地表水为主，2005年地表供水比重占85%，随着地下水资源开采的管控，地表供水比例逐年上升；地下水源和其他水源(非常规水源)供水占比逐年降低，目前贵阳市供水几乎完全依靠地表水，高达97%。随着城镇化进程的发展不断推进，贵阳市水资源的需求日益增大，人口不断增加导致人均供水量呈下降趋势，由2005年359.2 m3减少至2017年224.4 m3。城镇化进程中用水结构不断发生变化，工业用水从8.32 亿m3减少到3.90 亿m3，城乡居民生活用水占比从12%逐渐上升至18.9%，生态用水率从0.86%提高到1.76%。贵阳市快速城镇化进程中水资源的利用特征及相关指标统计见表1所示。

表1 2005-2017年贵阳市水资源利用指标统计表Tab.1 Summary of water resources utilization statistics from 2005 to 2017 in Guiyang

2 研究方法

2.1 评价指标体系构建

水资源承载力评价指标涉及水资源、生态和社会等多个系统指标，各指标之间独立又相互制约。遵循综合性、层次性、协调性和可操作性原则[18,29]，参考已有研究成果[22,29-32]，结合贵阳市水资源利用、经济发展水平和自然环境等情况[33]，建立由支撑力、压力和调控力3个子系统，共15个评价指标组成的水资源承载力评价指标体系。数据进行标准化处理[32,34]后，采用熵值法[32]计算指标权重(见表2)：

(1)

(2)

式中：Wj为指标权重；Xij表示第i年第j项评价指标的值；m为年数；n为指标数。

2.2 承载状态判别标准

在参考已有研究资料的基础上[21,23,29,32,35]，建立水资源承载力评价等级标准，评价等级标准选取可载、临界超载、超载3个等级[22]。1级(可载)表示水资源承载力较高，处于可持续利用的状态；2级(临界超载)表示水资源承载力一般，水资源供需紧张，若不加以合理开发利用，则会对社会经济发展产生影响；3级(超载)表示水资源承载较弱，水资源开发利用程度较高，容易引发水资源短缺，见表3。

表2 贵阳市水资源承载力评价指标及权重Tab.2 Evaluation indices and weight of water resources carrying capacity of Guiyang

表3 贵阳市水资源承载力评价等级标准Tab.3 The evaluation grade standard of water resources carrying capacity in Guiyang city

2.3 承载力评价模型选择

水资源瓶颈与经济社会发展是对立统一的矛盾关系，寻求二者最大的公约数是水资源承载力评价与调控重要思路，我国学者赵克勤[36]提出了基于这一对立统一观点的集对分析方法，和传统方法相比，是一种新颖且具有处理不确定性优势的分析方法[24]。其核心思想是将确定和不确定作为一个系统，其中确定性分为“同一”和“对立”，不确定性为“差异”，从集对的同一度、差异度、对立度进行系统分析。集对分析法在水资源承载力评价中能够处理评价指标和评价标准间的不确定性，将其转化为定量的科学计算，对水资源承载力进行定量分析。

2.3.1 评价样本联系数

(3)

(4)

(5)

u1i=a+bI+c

(6)

J=v1i1+v1i2I+v1i3J

(7)

式中：Wj为第j个指标的权重；na，nb，nc分别为样本i的nj个指标中分别落在1、2、3级评价等级中的指标数目，且na、nb、nc和为1；u1i为样本i的三元联系数；a，b，c分别为集对的同一度、差异度和对立度，a、b、c∈[0,1]；I，J分别为差异度和对立度系数[36]。

2.3.2 评价指标值联系数

用集对分析法计算水资源承载力评价等级标准和指标样本值Xij之间的评价指标值u2ijk[22,29,36]，指标包括正向指标和反向指标，正向指标是指评价指标值Xij越大，评价等级标准的等级值就越大，反向指标则相反。当u2ijk越接近1时，表示指标与评价标准趋于同一，说明指标偏向隶属于评价标准等级；当u2ijk越接近-1时，则说明指标越偏向不隶属于评价标准等级，正向指标计算公式如下，反向指标则范围符号相反。通过归一化处理得到联系数分量v2ijk，代入得到评价指标值联系数u2ij：

(8)

(9)

(10)

u2ij=v2ij1+v2ij2I+v2ij3J

(11)

式中：S1j为评价标准等级1级和2级之间的临界值；S2j为评价标准等级2级和3级之间的临界值；S0j和S3j分别为1级和3级评价标准等级另一端点临界值。

2.3.3 平均联系数

计算样本i的评价指标值联系数u2i，根据最小相对熵原理然后取几何平均数[29]：

(12)

(13)

ui=vi1+vi2I+vi3J

(14)

2.3.4 水资源承载力评价等级确定

利用级别特征值法[22,23,37]计算样本i对应的评价指标值联系数和平均联系数的水资源承载力评价等级值，级别特征值h为一个描述级别的数，以作为区域水资源承载力的单指标评价h(j)和综合评价h(i)结果：

(15)

(16)

式中：1≤h≤c，c为1、2、3。

2.4 承载力诊断识别

利用减法集对势[22,29]和偏联系数法[38,39]对城镇化进程中区域水资源承载力的脆弱性进行识别，当偏联系数Pf(u)>0时，表示样本具有正向发展趋势，反之则为负向趋势，计算如下：

(17)

根据“均分原则”[29,36]，减法集对势划分为5个势级：反势Sf(u)∈[-1.0，-0.6]，偏反势Sf(u)∈(-0.6，-0.2]，均势Sf(u)∈(-0.2，0.2]，偏同势Sf(u)∈(0.2，0.6]，同势Sf(u)∈(0.6，1.0]，诊断为反势和偏反势的指标为脆弱性指标[29]，计算如下：

Sf(u)=(a-c)(1+b)

(18)

3 结果与分析

3.1 承载状态诊断

利用贵阳市水资源承载力评价等级标准对各指标承载状态进行识别。支撑力系统中，人均水资源量X1、产水模数X2受当年水资源量和人口增长影响，2005-2017年在临界超载与超载之间波动；城镇化进程中人口不断增加，人均供水量逐年降低，期间人均供水量X3始终处于超载状态；森林覆盖率X4在2005-2007年为临界超载，随着环城林带的保护与植树造林，随后10年均为可载状态。在压力系统中，城乡居民生活用水占比X5在2005-2007年为可载，之后处于临界超载状态，其中2011年处于超载状态，是因为占比为13a中最高，超过了20%；万元GDP用水量X6在2005-2011年为临界超载，之后用水量大幅下降低于25m3，转变为可载状态；万元工业增加值需水量X7在2005-2011年为超载，2012年开始转变为临界超载，2017年为可载，不断向好，是由于工业用水利用率提高，从2012年需水量大幅减少，低于75m3；人口密度X8在2005-2006年为临界超载，由于人口的不断增加2007-2017年为超载状态；城镇化率X9在2005-2017年均为临界超载；农业灌溉定额X10在2005-2017年均为超载，是由于未达到《全国节水规划》中的评价标准[33]。在调控力系统中，水资源开发利用率X11在2005-2017年均于40%，均处于可载；人均GDPX12在2005-2009年为超载，随着社会经济发展2010-2013年为临界超载，2014-2017年为可载；工业重复用水量X13在2008-2011年、2014年为可载，2006年处于超载，其余年份为临界超载；河流水质达标率X14在2006-2007年为可载，其余年份为临界超载；生态用水率X15在2005-2006年为超载，2007-2017年均为临界超载，生态用水率处于一个较低水平，水资源承载力指标承载状态如图1所示。

3.2 承载力评价

2005-2017年贵阳市水资源承载力评价等级均高于2.00，总体处于临界超载状态。2005-2011年评价等级处于波动上升状态，不断趋向于超载状态；但随着贵阳市开展节水型社会建设，2011年后评价等级逐渐降低，从2011年2.42降低至2017年2.02，水资源承载状态不断向好。而同时期利用偏联系数和减法集对势进行态势分析表明，偏联系数识别2005-2017年贵阳市水资源承载力均为负向态势，但在节水型社会建设前后水资源承载状态出现拐点，由2005年的-0.28降低至2011年的-0.53，水资源承载力较差；随着节水型社会的建设，偏联系数逐渐增加，虽仍处于负向态势但逐渐趋向于正向态势，2017年偏联系数为-0.03，水资源承载力不断增强。与之相对应的减法集对势态势2014年前始终处于偏反势状态，但不断趋于均势态势，节水型社会建设实施两年后水资源承载力进入均势状态，但2016年出现偏反势态势，表明水资源承载力出现减弱的波动，需引起重视，节水型社会建设成果须不断巩固提升，总体上贵阳市水资源承载力改善趋势明显，不断增强。贵阳市2005-2017年水资源承载力综合评价结果及演变见图2所示。

比较2005-2017年水资源承载力评价等级、减法集对势和偏联系数变化幅度，当评价等级变幅为正时，说明评价等级呈上升，水资源承载力表现减弱；当评价等级变幅为负时，评价等级和水资源承载力的表现则相反。在这13年期间，2005-2006年、2007-2009年、2010-2011年、2012-2013年、2015-2016年评价等级变幅均为正，评价等级呈上升变化，水资源承载力表现变弱；其余年份评价等级变幅为负，评价等级呈下降变化，水资源承载力表现增强。2005-2006年、2011-2012年、2013-2014年、2016-2017年评价等级的变化幅度超过了0.1，其中，由于贵阳市开展节水型社会建设启动和方案实施，2012年变幅最大，评价等级下降了0.26。根据偏联系数和减法集对势的意义，当偏联系数和减法集对势变幅为正时，其具有负向发展趋势，对应评价等级上升，当偏联系数和减法集对势变幅为负时，其具有正向发展趋势，对应评价等级下降，其表达的水资源承载力当前所具有的发展趋势评价变幅和评价等级变幅结果一致，两者对比结果见图3。

3.3 承载力子系统评价

对水资源承载力的支撑力、压力和调控力3个子系统进行综合评价，支撑力系统的评价等级在2.06～2.46之间波动，处于临界超载状态；偏联系数和减法集对势态势分析表明，偏联系数在2008年和2014年为正向态势，其余为负向态势；减法集对势处于均势和偏反势之间波动。支撑力系统偏联系数和减法集对势相关系数为0.98，且趋势诊断结果表现和综合评价一致，见图4(a)。

压力系统评价等级在2013年为1.98，其余年份均高于2.0，处于临界超载附近。2005-2011年评价等级呈上升趋势，趋向于超载状态，在2012年评价等级有明显的下降，2012年之后处于临界超载附近。偏联系数和减法集对势态势分析表明，偏联系数识别除了2013年为正向态势其余均为负向态势，在2012年出现明显的拐点后虽仍处于负向态势但趋于正向态势发展；2005-2011年减法集对势均处于偏反势状态，且呈趋向于反势发展，但在2012年转变为均势，之后稳定处于均势状态。压力系统偏联系数和减法集对势相关系数为0.94，且趋势诊断结果与综合评价具有很好的一致性，见图4(b)。

2005-2011年调控系统评价等级均高于2.0，处于临界超载，在2012年评价等级降为1.95，随时间变化呈下降趋势。偏联系数和减法集对势态势分析表明，2005-2011年偏联系数处于负向态势，从2012年开始转变为正向态势并保持正向发展；2005-2010年期间，减法集对势在2005年和2007年为均势，其余处于偏反势状态，减法集对势从2011年变为均势，之后呈偏同势方向升高。调控系统偏联系数和减法集对势相关系数为0.99，且趋势诊断结果表现和综合评价类似，见图4(c)。

3.4 承载力脆弱性识别

水资源承载力囊括3个子系统中共有15个评价指标，其承载力脆弱性的识别过程需对指标进行减法集对势分析。在支撑力系统中，人均水资源量X1和产水模数X2一直在偏反势和均势之间波动，人均供水量X3在2005-2007年为偏反势，之后处于反势，3个指标主要受波动的自然水资源量和逐年增加的人口影响；森林覆盖率X4处于均势且呈向偏同势发展，源自环城林带的保护与植树造林。从2008年开始，人均供水量X3和森林覆盖率X4态势表现稳定，由于人均水资源量X1和产水模数X2的波动，造成了支撑系统综合评价波动。通过减法集对势的分析，人均水资源量X1、产水模数X2、人均供水量X3是支撑力系统中的脆弱性指标，见图5(a)。

在压力系统中，2005-2010年城乡居民生活用水占比X5由同势向均势发展，由于2011年城乡居民用水占比升高为22.2%，态势突降为偏反势，2011年之后处于均势但向偏反势方向发展；万元GDP用水量X6的减法集对势在2005-2011年处于均势和偏同势轻微浮动，在2012年转变为同势后一直保持处于同势，这是因为从2012年开始，万元GDP用水量X6大幅减少，低于25m3；万元工业增加值需水量X7在2011年以前处于反势，从2012年开始转变为均势且向偏同势缓慢发展，是因为万元工业增加值需水量从2012年大幅下降，低于75m3。正是由于2012年开始万元GDP用水量X6和万元工业增加值需水量X7大幅降低，使压力系统评价等级在2012年发生了0.37的降幅，说明随着贵阳市城镇化进程，经济发展和工业对水资源的索取强度明显下降；人口密度X8一直处于偏反势且变化平缓；城镇化率X9处于均势，有缓慢向偏反势发展的趋势；农业灌溉定额X10波动于偏反势和反势，是由于未达到《全国节水规划》中的评价标准[33]。通过减法集对势的分析，人口密度X8、农业灌溉定额X10是压力系统中的脆弱性指标，其中万元GDP用水量X6和万元工业增加值需水量X7在2005-2011年期间也属于脆弱性指标，见图5(b)。

在调控力系统中，水资源开发利用率X11处于偏同势；人均GDPX12在2005-2010年处于偏反势，从2011年开始由均势呈偏同势发展，随着社会经济发展，人均GDP逐年增加；工业重复用水量X13在2006-2007年、2010-2011年处于偏反势，其他年份均处于均势，是因为工业用水重复利用率得到提高；河流水质达标率X14在均势和偏同势波动；生态用水率X152005-2010年处于偏反势，从2011年开始转变为均势，只有在2013、2014年轻微降为偏反势。调控力系统的综合评价等级从2012年开始低于临界超载且呈下降趋势，其主要原因是由于从2012年开始各项评价指标都朝着改善趋势发展。通过减法集对势的分析，人均GDPX12、生态用水率X15在2005-2011年期间是调控力系统中脆弱性指标，见图5(c)。

3.5 承载力调控

贵阳市城镇化进程中，全面落实了相关节水保水工作，2010年编制了《贵阳市节水型社会建设规划及实施方案》，出台了系列地方性规章及规范性文件，建立较为完整的节水执法体系，实现节水工作规范的制度化；开展水量平衡测试、内部供水管网改造等工作，加强节水工业技术推广应用，推进节水技术创新和改造；积极探索有效漏损控制的方法，如多点采集城市主管网信息及隐患点定位、采用大数据及地理信息系统联动管理等措施来降低城市供水管网漏损。2011年开始实施节水型社会建设，2014年以全国水生态文明城市建设试点城市为契机，落实最严格水资源管理制度，重点开展了城市水资源利用与保护、节水减排和控源减负、现代水务管理体系建设等行动建设。按照《贵阳市实行最严格水资源管理制度考核工作“十三五”实施方案》，贵阳市将“三条红线”控制指标分解至各县(市)区；建立了用水总量控制、用水效率控制和水功能区限制纳污控制指标体系，并采取用水方式转变倒逼经济结构调整和发展方式转变的办法，提升水资源承载力，促进贵阳市水资源可持续利用。基于2005-2017年贵阳市水资源承载力脆弱性识别结果，随着人口大量增加，人均水资源量不足、人均供水量明显减少，农业灌溉定额未能达到《全国节水规划》中的评价标准等原因，水资源承载力基本处于临界超载状态。针对贵阳市尚未完成城镇化以及地表供水为主导的实际，结合水资源承载力状态分析、评价以及脆弱性指标诊断识别，未来水资源承载力提升的主要调控方向如下：

(1)优化贵阳市节水网络管理平台。贵阳市人口逐年增加，人均水资源量以及人均供水量不足，因此需要建立完善的用水管理政策，完善城市供水管网建设，减少城市管网漏损，大力倡导节约用水，提高全民节水意识，夯实节水型社会的建立。

(2)优化产业结构，提高用水利用率。即使早期的水利设施建设和产业布局调整使得贵阳市万元工业增加值需水量和万元GDP用水量有了明显下降，但贵阳市城镇化的继续推进对水资源的需求会越来越大，应进一步优化调整产业结构，大力发展和使用节水技术，提高工业用水重复利用率，降低生产用水总量。应加大农业用水结构调整力度，推广农业节水设备，提高农业用水效率，实现贵阳市农业灌溉定额满足《全国节水规划》评价标准要求。

(3)提高非常规水源利用占比，加强地下水战略储备资源的环境保护工作。贵阳市非常规水源供水占比较小，应加强污水处理及回收再利用，提高再生水利用和雨水利用，用于城市景观用水和环境用水。贵阳市目前供水以地表水为主，现阶段贵阳市水资源承载力呈临界超载状态，未来水资源供给将逐步向地表地下互补过渡，因此，当前的地下水资源环境保护将为贵阳市可持续发展的坚实基础，也是水资源承载力提升的重要战略储备。