快速城市化地区典型村镇水资源承载力及影响因素研究

张泽毅，刘臣炜，高 成②，丁华凯

(1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2.生态环境部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042；3.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

快速城市化是我国东部发达地区村镇发展的重要特征，主要表现为乡村人口向镇区集聚，农村经济产业结构调整，建成区面积扩张带来用地性质改变，农村生活方式转变与基础设施逐步完善等。城市化也包括城市的进一步社会化和资源的集约化，是一个复杂的空间形态变化和社会、经济发展过程[1]。水资源作为基础性自然资源和战略性经济资源，在村镇建设进程中有着举足轻重的作用[2]。用水结构不合理、水资源利用效率不高、污水处置水平滞后、农业生产生活方式粗放等问题导致村镇发展受到水资源承载力制约。乡村振兴要走高质量发展之路，必须坚持资源与环境协调发展理念，提出水资源及水环境承载力约束性指标，科学评价水资源承载能力，保障村镇建设水资源可持续利用和社会经济可持续发展。

水资源承载力概念最早由新疆水资源软科学课题组[3]提出，至今已有大量研究[3-6]给出水资源承载力的定义，具体可概括为在维系良好的生态环境前提下，利用水资源、其他资源和相关技术的条件下所能维持的最大人口规模以及对人类经济社会活动的最大支撑能力，尽管概念表现形式及侧重点不同，但都体现了最大支撑能力的概念。同样，水资源对村镇建设的承载能力不是无限的，只有经济社会活动产生影响小于其自身承受能力时，村镇发展才符合绿色可持续高质量发展要求。“村镇水资源承载力”指在一定自然条件和快速城市化的社会经济发展背景下，水资源对村镇经济社会发展和人们生活需求的最大支撑能力[3-6]。城市化背景下水资源承载力研究大多基于国家[5]、区域[7-8]、城市等较大尺度，刘洁等[9]从省级角度出发，对江苏省城镇化发展与水资源开发利用的关系进行研究；熊鹰等[10]和李静芝[11]从城市群角度出发，分别对长株潭城市群和洞庭湖区3市构建城镇化综合发展水平和水资源开发利用综合潜力评价指标体系以及响应关系模型；张爱国等[12]、李如意等[13]和杨海燕等[14]从城市角度出发，构建天津市、济宁市和潍坊市水资源承载力状态评价模型；卢青等[15]以湖北省团风县为例，构建了基于多资源环境系统的区域环境承载力评价体系。目前鲜有村镇尺度水资源承载力研究，随着乡村振兴战略的深入实施，村镇水资源承载力研究受到更多学者关注，如段学军等[16]采用“短板原理”构建了村镇建设资源环境承载测算体系，王肖波[17]在村镇尺度构建张掖市甘州区村镇水资源承载力评价指标集，从生产、生活和生态3个方面评价村镇水资源承载力。

该文以南京市江宁区江宁街道为研究区，分析村镇城市化进程中社会经济发展与水资源、水环境之间的制约关系，构建研究区域水资源承载力评价指标初集。利用主、客观赋权法相结合的组合赋权法识别村镇水资源承载力关键指标，构建评估指标体系，并采用主成分分析法(PCA)开展典型村镇水资源承载力评价，为同类村镇建设水资源承载力问题提供参考。

1 研究区概况

江宁街道位于南京市江宁区西南(图1)，地处苏皖交界，北靠南京主城，西临长江，南接马鞍山。街道总面积为262.22 km2，辖22个村社区，总人口约9.4万，区域内有牛首山-云台山生态绿楔，拥有大量农业用地和众多湖泊鱼塘，形成水田阡陌、河网交织的生态格局，生态环境优越，是苏皖沿江城市带重要节点和南京市城乡统筹示范区。街道西侧的长江自西南向东北流动，江岸线长19.2 km，辖区内水系主要有江宁河、牧龙河、铜井河等，均为通江水系。

街道自2005年设立以来，紧抓南京沿江发展主轴向南延伸机遇，经济快速发展，人口持续增加，城市化进程具有“起点低、速度快”的显著特征。研究区水资源承载力面临的主要问题包括：(1)水质型缺水特征明显，生产、生活污水处置及生态建设水平滞后于经济社会发展，出现水功能区断面水质不能稳定达标情况；(2)水资源利用效率仍需提高，具体表现为万元工业增加值耗水量偏高，工业用水重复利用率低，农业节水型载体建设不足；(3)水量总体充沛，但人口密度大、产业发达，用水需求的不断提高加大了水资源供给压力，亦存在枯水期生态流量不足等问题。

2 研究方法

2.1 村镇水资源承载力指标体系构建方法

采用主客观相结合的组合赋权法对村镇水资源承载力主要影响指标进行识别，构建村镇水资源承载力指标体系，其中主观赋权采用基于指数标度的层次分析法(AHP)，客观赋权采用改进的熵权法。

2.1.1基于指数标度的层次分析法

层次分析法是计算指标权重的主观赋权法，是一种定性与定量相结合，系统化、层次化的分析方法[18]。基于指数标度的AHP法在原有方法基础上进行改良，使用指数标度构建指标两两判断矩阵。指数标度具有良好的有界封闭性、自治性和一致性容量，在一定程度上解决了传统层次分析法存在的一致矩阵构造能力弱、标度值与排序方法不一致等问题，具有一定优越性[19-20]。具体步骤如下：

(1)依据指数标度，构造评定指标判断矩阵K=(uij)n×n，其中，uij为评定指标i与指标j的重要性关系标度值，赋值见表1；n为评定指标个数。

表1 判断矩阵标度

(2)计算得到判断矩阵K的最大特征值λmax，通过计算一致性指标CI对其进行随机一致性检验，如能满足要求，进行下一步计算。否则，调整判断矩阵K，直到λmax满足要求为止。一致性指标计算公式为

(1)

式(1)中，IC为一致性指标；n为判断矩阵的阶数；λmax为判断矩阵最大特征值。

随机一致性检验指标RI值只与指数标度阶数有关，指数标度阶数分别为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11和12时，RI值分别为0、0、0.36、0.58、0.72、0.82、0.88、0.93、0.97、0.99、0.101和0.103。根据指数标度阶数，对RI进行取值，并计算一致性比例，其计算公式为

(2)

式(2)中，RC为一致性比例；IC为一致性指标；IR为一致性检验指标。当RC值<0.1时，认为该判断矩阵的一致性符合需求；反之，调整判断矩阵。

(3)计算得到λmax对应的特征向量W，并进行归一化处理，得到评定指标权重系数ωi。

2.1.2改进的熵权法

熵权法是计算指标权重的一种客观赋权法，其基本思路为根据指标变异性大小来确定客观权重。与传统熵权法相比，改进的熵权法在赋予熵权值差异很小的指标权重时，比值w1/w2的变化幅度也很小，权重分配更为合理[21]。计算方法如下：

(1)数据标准化

因各指标量纲、量级不一致，需先对各指标数据进行标准化处理。对给定的第i年j指标值(Xij)进行标准化处理，各指标标准化数值Yij计算公式为

(3)

(2)计算各指标信息熵

根据信息熵定义，一组数据的信息熵(Ei)计算公式为

(4)

(5)

式(4)～(5)中，pij为第i年指标j数值占该指标总数值的比例。

(3)确定各指标权重

由信息熵计算得到各指标权重，其公式为

(6)

2.1.3组合赋权法

将基于指数标度的AHP法与改进的熵值法结合起来，得到主客观组合赋权模型[22]，其表达式为

(7)

式(7)中，[I1，I2，…，In]为水资源承载力系统的n项评价指标；A表示AHP法；E表示熵权法；R为主客观赋权方法之间的联系，即主、客观赋权的组合表示；[w1，w2，…，wn]为水资源承载力系统中各指标组合权重值。

根据加法集成法，结合基于指数标度的AHP法与改进的熵权法，构建指标组合权重向量W：

W=αWS+βWO。

(8)

式(8)中，α、β分别为主、客观权重向量的待定系数，采用差异系数法进行计算得到；WS为AHP法得到的主观权重向量；WO为熵值法确定的客观权重向量。

2.2 村镇水资源承载力评价方法

主成分分析法是一种多元统计方法，能将多个不相关指标汇集为少数几个独立的综合性指标，使问题分析更简便，所得结果的科学性更强[23-24]。计算步骤如下：(1)原始数据标准化，排除量纲影响；(2)计算标准化后的样本相关矩阵R，并计算其特征值；(3)计算累计贡献率，确定主成分数量；(4)计算主成分特征向量和表达式；(5)计算得分矩阵，对历年水资源承载力进行综合评价。采用SPSS 19.0软件进行主成分分析。

3 结果与分析

3.1 数据来源

数据主要来源于《南京统计年鉴》(2013—2018年)、《江宁统计年鉴》(2013—2018年)、《江宁区水资源公报》(2013—2018年)和《江宁街道社会经济简明资料》(2013—2018年)以及依据有关数据资料整理计算获得。

3.2 村镇水资源承载力指标初集构建

结合江宁街道水资源承载力与经济社会协调发展面临的主要问题，参考地区高质量发展指标、生态文明建设指标、“三线一单”管控要求和所在地区水资源承载力相关文献[25-27]，围绕空间管控、水资源利用、社会经济、生活宜居和生态环境治理5个方面构建村镇水资源承载力评价指标初集(表2)。从不同角度选取指标以便能全面反映水资源承载力内涵和状态，体现评价的科学性、系统性和层次性。

表2 村镇水资源承载力评价指标初集

3.3 一致性检验

为避免主、客观权重差异过大，在组合赋权前，对不同方法得到的赋权结果进行一致性检验[28]，采用Spearman等级相关系数对AHP法和熵权法计算的权重进行一致性检验。经计算得Spearman相关系数范围在[0，0.15]，表明两者具有一致性。

3.4 村镇水资源承载力评价指标体系

采用组合赋权法对指标初集26个指标因子进行关键指标识别，筛选得到18个指标，构建典型村镇水资源承载力评价指标体系(表3)。

表3 村镇水资源承载力评价指标体系

由表3可知，子系统层中，空间管控、生态环境治理及水资源利用子系统层权重占比较高，分别为0.279、0.250和0.200；指标层中，水功能区水质达标率、生态环境补水量、城市化率、万元工业增加值用水量占比较高。

3.5 村镇水资源承载力评价分析

采用2013—2018年研究区数据分析各评价指标特征值和累积贡献率。如表4所示，前4个成分累积贡献率达到97.518%，因此选取前4个成分作为主成分对典型村镇水资源承载力状况进行评价。

主成分载荷矩阵计算结果见表5。如表5所示，第1主成分与生态环境补水量、农民人均纯收入、城市化率、环境治理投资、万元GDP用水量、工业废水排放达标率、镇区绿化面积、建成区绿化覆盖率和农业用水占比有强相关性。因此，第1主成分主要反映了生态空间管控、污染治理水平以及经济社会发展对村镇水资源承载力的影响。

表4 主成分的特征值及贡献率

第2主成分与产水模数、地表水资源量、人均水资源量和水资源开发利用率有强相关性，主要反映水资源利用对村镇水资源承载力的影响。第3主成分与人均用水量和生活用水占比有强相关性，表明第3主成分主要反映居民生活用水情况对村镇水资源承载力的影响。第4主成分与二产增加值占GDP比例和万元工业增加值用水量有强相关性，主要反映村镇工业发展状况对村镇水资源承载力的影响。4个主成分分别从不同侧面反映了村镇水资源承载力变化的驱动因子。

表5 主成分荷载矩阵

计算主成分的系数矩阵，将其与关键评价指标因子标准化数值矩阵相乘，得到2013—2018年研究区4个主成分的得分矩阵。根据主成分综合指数得分计算公式，建立村镇水资源承载力综合评价模型〔式(9)〕，计算典型区村镇水资源承载力综合得分，计算得2013、2014、2015、2016、2017和2018年典型区村镇水资源承载力综合得分分别为0.242 1、0.429 6、0.512 1、0.734 6、0.469 7和0.503 5。各主成分和承载力综合得分见图2。

Fi=0.541 0Fi1+0.283 7Fi2+0.102 7Fi3+0.072 6Fi4。

(9)

式(9)中，Fi为第i年水资源承载力；Fij为第i年第j个主成分。

主成分得分的正负并不能表示水资源承载力真实水平，而能表示水资源承载力所处的相对位置[29]。由图2可知，综合分析村镇水资源承载力综合得分与各主成分得分的变化趋势，第1主成分与水资源承载力综合得分的波动趋势很相近，表明生态环境治理水平、空间管控和城市化程度是村镇水资源承载力的主要影响方面；第2主成分反映水资源利用现状对村镇水资源承载力的影响，与水资源承载力综合得分的波动趋势相近，表明水资源量与水资源利用水平是保障村镇水资源承载力的基础。

2013—2018年，典型区村镇水资源承载力水平存在波动，但整体呈现上升趋势。水资源承载力具有自然-社会双重属性，2016年研究区水资源承载能力最高，这主要是由于2016年研究区降水量远高于其他年份，地表水资源量、产水模数等指标明显增大，水资源承载力受自然因素影响明显。总体来看，在水资源利用方面，村镇工业、农业节水技术的不断改良，促使水资源利用与配置不断优化；在环境治理方面，江宁街道强化三水统筹，建设污染处理设施，保障生态流量，生态环境治理能力不断提升；在社会生活方面，村镇居民低碳生活方式逐渐形成，环保意识不断加强，使江宁街道村镇水资源承载能力总体呈现上升趋势。

4 讨论与结论

4.1 讨论

(1)笔者采用PCA法对村镇水资源承载力进行研究分析，在尽可能保留评价指标信息的基础上能有效降低指标维度，客观地对村镇水资源承载状况进行差异分析，为村镇水资源合理配置与经济社会的协调、可持续发展提供决策参考。

(2)基于快速城市化背景下村镇水资源承载力系统中水资源、水环境和经济社会发展相互关系研究，分析得出影响水资源承载力的主要影响因素，可为处于城市化进程中城乡融合型村镇建设提供参考。但受村镇尺度资料获取限制，选取的指标还不全面，如空间管控层指标偏少，未能较好地反映村镇尺度空间管控与村镇水资源承载力的关系。

(3)该研究仅针对江宁街道，后续可加入东部多个同类典型村镇研究区样本，进一步挖掘城市化背景下村镇建设水资源承载力影响因素，建立更具代表性的评价指标体系，科学评价村镇建设水资源承载力水平。

4.2 结论

针对快速城市化发展背景下水质型缺水地区典型村镇江宁街道开展水资源承载力研究，识别影响村镇水资源承载力的主要指标因子，构建评价指标体系，开展江宁街道村镇水资源承载力评价分析，得出以下结论：

(1)采用组合赋权法对村镇水资源承载力指标初集进行优选，克服了单一权重方法的片面性；结合村镇城市化发展特征，基于空间管控、水资源利用、经济发展、社会生活和生态环境治理5个层面，构建村镇水资源承载力评价指标体系，符合村镇建设现状，体现村镇可持续发展需求。

(2)应用主成分分析法对典型村镇水资源承载力进行评价分析，结果表明，江宁街道水资源承载力水平存在波动，但整体呈现上升趋势。在影响村镇水资源承载力的4个主成分中，反映第1主成分的生态环境治理、空间管控和社会经济发展等因素是典型村镇水资源承载力主要影响方面；反映第2主成分的水资源利用水平也是保障水资源承载力的重要方面，而生活宜居、工业发展方面因素对水资源承载力影响相对较小。

(3)评价结果表明，村镇建设若要实现经济社会与水资源承载力协调发展，应充分认识生态环境保护、空间管控的重要性，制定适宜的产业发展政策。同时，在城市化进程下，村镇水资源开发利用需求不断上升，水资源供给量有限，节约利用水资源是提升村镇水资源承载力的重要途径。