长江经济带水环境承载力时空变化特征

杨亚锋，闫佳伟，王红瑞，周利超，杨荣雪

（1.北京师范大学水科学研究院，北京 100875；2.华北理工大学理学院，河北 唐山 063210；3.临沂市自然资源和规划局，山东 临沂 276001）

水环境承载力分析是研究水环境问题及其应对策略的重要途径之一［1-5］。目前学者们对水环境承载力概念的理解基本一致，即考虑与水资源、水环境相适配的人口和经济社会发展规模，从而推动产业结构的优化与调整，促进区域可持续发展。在以往的水环境承载力评价研究中，通常将水环境承载力划分为若干等级，进而利用某种方法判定研究对象所属的等级，如BP神经网络［6－7］、云模型［8］、集对分析［9－10］、系统动力学方法［11］、物元可拓模型［12］等。门宝辉等［8］基于驱动力-压力-状态-响应模型构建评价指标体系，结合熵权法和云理论评价了北京市水环境承载力水平。赵传起等［11］基于系统动力学和向量模法，从水资源、经济社会和水环境3个方面对水环境承载力变化情况进行评估。王富强等［13］基于广义水环境承载力概念，从经济社会、水资源、水环境和水生态4个方面构建了水环境承载力综合评价指标体系。以上研究成果从不同角度开展水环境承载力指标体系构建及评价策略研究，丰富了水环境承载力理论体系和评价分析框架。然而，水环境承载力相邻等级之间的模糊对立统一关系仍未得到充分考虑。事实上，水环境承载力是一个模糊概念，2个相邻等级之间界限并不明确。陈守煜［14］提出的可变集方法为该类问题提供了一种有效的解决途径，目前已在水资源领域得到成功的应用［15-18］。对于水环境承载力问题，特定指标下评价对象只与其中两个相邻等级存在模糊隶属关系，且满足归一性。利用可变集方法计算相对隶属度，进而通过级别特征值表征水环境承载力状态，既可对评价对象划分梯队，亦可根据序关系研究其时空变化特征。长江经济带创造了超过全国2／5的国民经济生产总值，同时也面临着发展方式粗放、主要污染物排放强度大、水资源利用效率偏低等问题，使得经济发展与水环境保护之间存在着冲突，水环境状况不容乐观。伴随着经济社会的高速发展和城市化进程加快，人类活动对水环境的影响越来越大，因此有必要综合考虑人类活动和自然本底的双重影响，探索构建水环境承载力评价体系，分析水环境承载力发展态势，进而为长江经济带可持续发展提供支撑。鉴于此，选取长江经济带11个省（直辖市）为研究区域，结合前人研究基础，选取水资源、生态环境和经济社会等方面的15个指标构建水环境承载力评价体系，基于可变集方法研究2009—2018年长江经济带水环境承载力及其各个子系统的时空变化特征，进而探讨存在的问题及其主要制约因素，结果可为长江经济带的绿色可持续发展和高质量发展的政策制定提供支持。

1 研究方法

1.1 研究区与数据来源

长江经济带横跨我国东中西部，覆盖11个省（直辖市），西起四川省甘孜州，东至浙江省舟山市，最南端位于云南省西双版纳彝族自治州，最北端位于江苏省徐州市，总面积约为全国国土面积的1／5。上游区域包括重庆、四川、贵州、云南；中游区域包括江西、湖北、湖南；下游区域包括上海、江苏、浙江、安徽。下游面积约为中游面积的2.01倍，约为上游面积的3.24倍。长江经济带水资源量相对较为丰富，但存在的问题有：人均水资源量仍然相对较少，且存在用水效率偏低、水资源浪费严重的现象；重点湖泊富营养化、河湖连通性减弱等仍然存在；各省人口老龄化发展趋势明显，云贵等地第三产业超速发展引发产业结构合理化程度低；等等。因此，针对长江经济带开展水环境承载力时空变化特征研究，意义突出。

所使用的数据均来源于长江经济带11个省（直辖市）的地方统计年鉴（2010—2019）、水资源公报（2009—2018）以及中国统计年鉴（2010—2019）。

1.2 指标体系

区域水环境承载力的影响因素较多，相关学者［4］普遍认为水环境承载力内部各子系统之间呈现出相互叠加、相互影响的作用。水资源是水环境承载力的直接影响因素，是一定区域内水环境“量”上的直接体现。当水资源需求增加时，对区域水环境“量”要求增加，即所面临的承载压力加大。水资源的供需、开发和利用，污染物的富集和排放等直接影响区域水量和水质的改变，导致生态环境的恶化，进而促使经济社会活动逆向反馈，采取一定的处理与调控措施来改善水环境状态［5］。

基于以上分析，从自然本底和人类活动双重影响的视角出发，以水资源子系统、生态环境子系统、经济社会子系统作为准则层，构建水环境承载力的评价指标体系，见表1。

表1 水环境承载力评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of water environment carrying capacity（WECC）

水资源子系统与水资源量和水资源利用状况密切相关，包括人均水资源量和库容量、生活用水占比、生态用水占比和农业灌溉亩均用水量［12］。生态环境子系统是水环境污染状况的直接体现，水环境污染越严重，水环境承载能力越弱。因此，水环境子系统的选取应与污染状况密切相关，包括城市污水处理率、万元GDP化学需氧量排放量和氨氮排放量、森林覆盖率和湿地总面积占国土面积比重［8］。经济社会子系统与经济增长、产业结构和宏观调控政策等密切相关。当经济呈增长态势时，环境压力先增加后减小；在水环境不变的基础上，人均GDP的提高也会导致单位水环境承载活动的增多。因此，经济社会指标包括建成区绿化覆盖率、人均GDP、第三产业占GDP比重、万元GDP用水量和节水灌溉面积占有效灌溉面积比例。

结合长江经济带平均水平及研究实际，参考相关研究成果［4，7-8，11-12］，将评价标准分为5个等级，其中：1级代表承载能力很强，有巨大的可供开发和利用的潜力；2级代表承载能力较强，有较大的可供开发和利用的潜力；3级代表承载能力与经济社会发展相匹配；4级代表承载能力较弱，有轻微的超载现象；5级代表承载能力弱，超载现象严重。

1.3 可变集方法

将长江经济带11个省（直辖市）各年度的水环境承载力记为对象集U＝｛uj｝（j＝1，2，3，…，n），将评价指标体系记为指标集V＝｛v j｝（i＝1，2，3，…，m），则水环境承载力问题转化为多目标决策与评价问题。X＝｛xij｝，其中xij为对象uj的指标v i的取值。指标v i分为c个等级，其中，1级最优，c级最差，对应的指标值区间分别记为I＝［aih，bih］（h＝1，2，…，c）。其中aih、bih为指标v i在h级别标准值区间的上下限。

根据可变集对立统一定理，在级别h值区间中必定存在指标v i的级别h与级别h＋1的渐变式质变点k ih表达式为

由式（1）与矩阵I得K＝［k ih，bih］，若xij在相邻两级h与h＋1区间，则xij对h级的相对隶属度为

对于小于h级、大于h＋1级的指标的相对隶属度均为0，即：μi（＜h）（uj）＝0，μi（＞h＋1（uj）＝0。计算uj对于级别h的综合相对隶属度为

式中：w i为指标v i的权重，且。采用CRITIC（criteria importance though intercrieria correlation）方法获取指标权重。CRITIC方法是一种常用的赋权法，具体步骤参见文献［19］和［20］，不再赘述。

对象uj的级别特征值为

1.4 水环境承载力指数

为直观表示水环境承载力水平，构建对象uj的水环境承载力指数IWECC为

IWECC在区间［0，10］上取值，其值越大，表示水环境承载力越高。为便于作图对比，综合考虑表1中15项指标的等级划分情况，按取值比例对级别特征值进行离散化处理，划分为5个等级，其中，1级代表承载力很强，5级代表承载力很弱。水环境承载力指数与等级的对应关系见表2。

表2 水环境承载力指数分级标准Tab.2 Classification standard of IWECC（water environment carrying capacity index，WECCI）

2 结果与讨论

2.1 总体时空变化特征

利用CRITIC方法计算指标权重，见表1。基于式（1）～（5）计算长江经济带11个省（直辖市）2009—2018年的水环境承载力指数，见图1。

由图1可知，2009—2018年长江经济带水环境承载力整体上呈现逐年提升的发展态势，水环境承载力平均指数由4.20提升至6.08，增幅高达44.76%，但仍存在较大差距。总体来看，2009—2018年长江经济带的水环境承载力状况可分为3个阶段：临界超载期（2009—2012年）；蓄力沉淀期（2013—2015年）；稳步提升期（2016—2018年）。具体来看，2009—2012年，长江经济带水环境承载力处在3级水平，但部分省（直辖市）相对落后，处在4级，如湖北和安徽等，其4年平均水环境承载力指数分别为3.54和3.78。2012年11月，“美丽中国”概念的提出在全国掀起了一场生态文明建设的热潮。作为全国生态文明建设的先行示范带，长江经济带各省（直辖市）蓄力前行，水环境承载力从2013年开始出现较为明显的变化，全部进入3级及以上水平。至2015年，各省（直辖市）的水环境承载力均得到一定的提升，但除浙江省更进一步而迈入1级水平之外，其余省（直辖市）未能突破3级范围。进入2016年，四川和重庆进入2级水平，开启了长江经济带水环境绿色发展的强劲潮流。上游的云南和贵州、中游的湖北随后分别在2016和2017年进入2级，长江经济带的水生态环境显现出盎然之势。截至2018年，长江经济带上游4个省（直辖市）全部进入较强的承载水平，而中下游地区，除浙江和湖北外，大部分区域仍处于3级一般临界水平。需要指出的是，浙江始终保持着较高的承载水平，成为长江经济带水环境承载力提升和绿色发展的排头兵。随着当前长江大保护战略的进一步实施，长江经济带的水生态环境状态正在迎接着下一个关键提升期。

图1 长江经济带11省（直辖市）2009—2018年的水环境承载力指数Fig.1 WECCI of 11 provinces（cities）in Yangtze River Economic Belt from 2009 to 2018

从空间维度来看，长江经济带水环境承载力水平日趋均衡，见图2。上中下游水环境承载力指数的方差经2011至2015年一段高峰期后显著下降［图2（a）］，从2015年的0.19降至2017年的0.06，降幅高达68.42%，但在2018年出现了小幅增加，主要扰动因子是水资源子系统的方差由2017年的0.91增加至2018年的0.99。2018年中下游水资源子系统承载力指数较2017年分别下降了0.65%和1.48%，而上游则提升了0.36%，表明中下游水资源子系统的滞后现象进一步加剧。11个省（直辖市）的水环境承载力指数的方差呈现略有波动、总体递减的基本态势［图2（b）］，由2009年的0.78降至2018年的0.58，降幅为25.64%。其中，经济社会子系统的省（直辖市）间差异一直较大，而生态环境子系统则较为均衡，且逐年变优，反映了长江经济带各省（直辖市）参差不齐的经济社会发展水平和日益凸显的长江流域协同治理的生态环境效益。水资源子系统承载力的省（直辖市）间差异同样较大，尤其是2014年之后，没有出现明显的好转迹象。不难发现，无论是区域尺度还是省（直辖市）尺度，长江经济带水环境承载力的空间差异均在逐步缩小，但在3个子系统上存在显著差异，因此有必要从子系统的角度对上中下游的水环境承载力情况进行剖析。

图2 2009—2018年长江经济带水环境承载力的方差演变Fig.2 Variance evolution of WECC grade from 2009 to 2018 in Yangtze River Economic Belt

2.2 上中下游及子系统分析

2009—2018年，长江经济带的水环境承载力经过临界超载、蓄力沉淀和稳步提升3个阶段，得到一定的提升，向更好的方向发展，但也应注意到，这种好转并不显著，仍存在着较大的提升空间。长江经济带横跨我国西中东部，自然禀赋和经济社会发展的省际差异显著，而水资源、生态环境和经济社会3个子系统相互制约、相互促进，以一种复杂的结构关系影响着水环境承载力。因此，探讨上中下游的水环境承载力状况，从子系统的角度分析各区域的优势与短板，有助于精准施策，促进高质量发展。

由图3可知，长江经济带水环境承载力整体上逐年变优，呈现下游优于上游、上游优于中游的分布特征。云南、贵州、四川和重庆的人均水资源量在长江经济带乃至全国都处于一个相对领先的水平，因此上游区域始终占据一定的优势，2014年以后更为明显；相反，中下游的水资源子系统则较为滞后，且二者的相对劣势交替出现。上海和江苏水资源子系统一直处于较差的状态，这与其人均水资源量较少有着密切的联系。上海人口一直处于高度密集状态，江苏水资源总量常年偏少，在长江经济带各省（直辖市）中始终处于相对落后的位置。需要指出的是，浙江人均水资源量相对较高，以2018年为例，分别是江苏和上海的3.23倍和9.51倍，水资源系统常年保持在较高的水平。沿海江浙沪地区的水资源失衡问题亟待缓解。湖南、湖北、江西和安徽等地水资源系统中规中矩，且年际变化较小。

图3 2009—2018年长江经济带水环境承载力的上中下游区域对比Fig.3 Comparison between upper，middle and lower reaches of WECC of Yangtze River Economic Belt from 2009 to 2018

长江经济带的生态环境子系统十年来保持着稳定的增长态势，上中下游的承载水平依次递增。下游地区等级相对较高，这些地区在长江流域甚至全国水资源管理方面都处于领先地位，具体表现为污水处理率高、万元GDP化学需氧量排放量和万元GDP氨氮排放量低。《2017年全国非常规水资源利用分析报告》显示，江苏的中水回用率处于全国领先水平。上海的湿地面积占陆域面积高达一半以上，明显提升了生态环境承载能力；江浙沪地区的经济社会发展水平处于长江经济带，乃至全国的领先地位，城市系统功能相对完善，主要污染物排放比例较低，且污水处理率较高，充分体现了人类活动对水环境的重要影响。因此，发挥人类的主观应对和调控能力，积极提升城市系统和水资源系统的韧性，对于提升水环境承载力具有决定性的作用。中游区域在2015年以前与长江经济带平均水平高度一致，2016年以后逐渐向下游区域靠拢。上游区域的生态环境子系统等级相对较低，这主要归因于其湿地面积占国土面积比重过低。湿地作为生态环境系统评价的重要指标，对生态环境的可持续发展有着重要的意义。

经济社会子系统方面：下游区域显著占优，这与江浙沪地区的经济发展水平与产业结构布局密不可分，可见经济社会发展可为提升水环境承载能力提供重要的基础支撑，但同时要关注经济社会高速发展可能带来的水环境恶化风险；中游区域经济社会子系统承载能力相对较低，分析其主要制约因素可以发现：江西用水效率较低，2009—2018年的万元GDP用水量均超过100 m3，平均值为184.35 m3／万元，湖北和湖南节水灌溉面积占有效灌溉面积比例较低，十年平均分别为15.16%和11.71%；上游区域中，重庆和四川处于较高级别，而云南和贵州则相对落后，这主要归因于云贵地区相对较低的人均GDP和相对较高的万元GDP用水量，上游区域经济发展和用水效率的不均衡是当前需要重点关注的问题之一。

综上，2009—2018年长江经济带水环境承载力呈现良好的发展态势，为该区域的高质量发展提供了必要的保障，但上中下游各子系统之间存在显著差异，见图4。

图4 2009—2018年长江经济带上中下游区域的水环境承载力子系统对比Fig.4 Comparison of WECC subsystems in the upper，middle and lower reaches of Yangtze River Economic Belt from 2009 to 2018

图4显示，长江经济带整体的经济社会子系统发展水平较高，生态环境子系统逐年变优，尤其是2015年以来发展迅猛，而水资源子系统则存在严重的滞后现象，2016年以来出现明显下滑。上游区域经济社会子系统远优于生态环境子系统，但近年来二者的协调和均衡程度越来越高。中游区域近年来生态环境子系统具有明显优势，而相反水资源子系统则严重滞后，且有进一步恶化的趋势。下游区域的经济社会子系统常年保持绝对领先的优势，而水资源子系统则一直面临着巨大的压力和负载，供需矛盾突出。

2.3 调控方向挖掘

根据以上分析发现，2009—2018年长江经济带上中下游区域的水环境承载力均有一定的提升，但具有明显的区域分异特征，且部分省区存在子系统发展的不均衡问题。为发现现状问题，进而挖掘各省市水环境承载力的调控方向，以2018年为基础年进行短板分析，见图5。

图5 2018年长江经济带11个省（直辖市）的WECC子系统分析Fig.5 WECC subsystem analysis of 11 provincial administrative regions of Yangtze River Economic Belt in 2018

图5显示，2018年，长江经济带水环境承载力按省（直辖市）排序由高到低依次为浙江、四川、重庆、云南、贵州、湖南、江西、湖北、江苏、上海和安徽，除浙江外，表现为上游优于中游、中游优于下游，具有明显的空间分异特征。上游的四川、重庆、云南和贵州的3个子系统发展较为均衡，基本上处在较强的2级水平，相对较弱的是水资源子系统。四川和云南大力发展第三产业旅游经济，为水环境承载力的提升提供了坚实的保障。重庆作为我国西南地区唯一的直辖市，受地形地貌的影响，过境水多但利用量少，生态环境保护力度相对较低，这些因素间接限制了重庆市水环境承载力的提升。中游区域的生态环境子系统较为均衡，略低于长江经济带平均水平，相对较弱的也是水资源系统。湖北水资源和生态环境子系统承载力处于较高的水平，在国家区域中心城市的带动下，近年来县域经济发展较快，且占全省GDP比值越来越大，推动了其水环境承载力的提升。下游区域江浙沪地区的经济社会子系统占据绝对优势，而安徽则相对落后。上海和江苏的水资源系统极为滞后，是制约水环境承载力提升的关键因素。安徽省虽地处长三角地区，近十年间生态环境保护力度和经济社会发展不协调限制了水环境承载力的提升，3个子系统的状态与中游区域的情况类似，中规中矩，优势不足。需要指出的是，浙江的3个子系统齐头并进，均处于领先水平，水资源子系统和生态环境子系统排名第一，而经济社会子系统仅次于上海，排在第二位，使得浙江省打破空间分布规律，在长江经济带水环境承载力排名中占据第一。

综上，长江经济带的水环境承载力虽具有明显的空间分布规律，但总体上呈现经济社会子系统绝对占优、生态环境子系统一般、水资源子系统相对滞后的特征。可见，无论从水环境承载力的自然条件，还是人为调控来看，水资源子系统始终是需要重点关注的主要矛盾点之一，这涉及水资源的集约节约和安全利用。因此，关键是要做好水资源消耗总量和强度双控，同时保障水质和用水安全。大力发展水资源利用与节水技术，充分发挥上游地区自然资源优势，提高中下游地区的用水效率，优化产业结构，缓解供水用水矛盾是长江经济带水环境承载力进一步提升的主要方向与途径。

3 结 论

以自然本底和人类活动的双重影响为主要视角，从水资源、生态环境和经济社会子系统3个方面探索构建了一种新的水环境承载力评价指标体系，进而考虑等级之间的模糊对立统一关系，基于可变模糊集方法构建并计算了水环境承载力指数，开展了长江经济带11个省级行政区水环境承载力的时空变化特征及其制约因素分析研究，得到的主要结论有：2009—2018年，长江经济带水环境承载力逐年变好，但仍存在较大的提升空间；分区域来看，2009—2017年由强到弱依次为下游、上游和中游；2018年上游略超下游，中游仍居其次；长江经济带11个省级行政区的水环境承载力具有明显的空间分布规律，2018年除浙江外表现为上游优于中游、中游优于下游，按省（直辖市）排序由强到弱依次为浙江、四川、重庆、云南、贵州、湖南、江西、湖北、江苏、上海和安徽；水资源子系统对当前长江经济带水环境承载力提升的制约作用较为显著。长江经济带在后期研究中将考虑水灾害指标对水环境承载力的影响，进一步厘清水环境承载力的内涵，对相关指标及数据进行补充与更新，以得到更加准确全面的评价结果。