武穴市水资源承载能力研究

许燕琳　江泓　张烈涛

【摘要】水是生命之源、生产之要、生态之基，是人类赖以生存和发展不可替代的自然资源，是社会可持续发展的基本条件之一。近年来，随着武穴市社会经济快速发展，城镇化进程的加快，用水量逐年增加，加剧了水资源的供需矛盾；区域主要水体水质已经受到不同程度污染，水资源污染问题更加突出，已成为制约武穴市社会经济发展和生态环境建设的关键因素。武穴市水资源承载能力研究，将为区域水资源规划、开发利用、优化配置、科学管理提供重要技术支撑，促进武穴市水资源与社会、经济和生态的协调发展。

【关键词】武穴市；水资源；承载能力

武穴市属于湖北省黄冈市代管的县级市，全市东西最大横距43公里，南北最大纵距42公里，版图面积1200.35平方公里，属亚热带季风性湿润气候，全市年平均降水量为1278.7～1442.6毫米，适宜于农、林、牧、渔全面发展。

武穴境内地表水文网密布。长江自西向东流经市境西南部和南部边缘。全市流域面积主属长江下游干流区华阳河系，源出北部低山和中部丘陵的梅川水库、荆竹水库、大金水库、戴文义、铁石等河注入武山湖、太白湖汇集东流入华阳河，干流自武山湖经丰收大港至太白湖。结合水系特点，可将武穴市划分为马口湖水系，流域面积76平方公里、梅川河水系，流域面积469平方公里、荆竹河水系，流域面积499.4平方公里、蕲水水系，流域面积156平方公里。其中，马口湖水系流域及武山湖城区段工业发达，污水排放量增大，主要水体水质已经受到不同程度污染，水资源污染问题突出。

1、水资源承载能力概述

水资源既是人类赖以生存的基础性资源，又是社会发展的经济性资源，同时还是支撑生态系统循环运转必不可少的资源。随着社会经济的发展，水环境质量不断恶化，水资源危机逐步加剧，水资源短缺正成为制约一个地区城市化进程和社会经济持续发展的瓶颈。

水资源承载力是某一地区的水资源在某一具体历史发展阶段下，以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据，以可持续发展为原则，以维护生态环境良性循环发展为条件，经过合理优化配置，对该地区社会经济发展的最大支撑能力。在一定的水资源开发利用阶段，满足生态需水的可利用水量能够维系有限发展目标的最大的社会经济规模。

2、研究思路

采用水资源承载力综合评价模型，对武穴市水资源承载能力进行研究分析。将武穴市按照境内小流域划分为马口湖水系、梅川河水系、荆竹河水系、蕲水水系四个分区单元，根据收集的资料，研究分析区域水资源现状、各行业及生态环境需水分析、社会经济、生态环境与区域水资源协调状况，结合当地国民经济发展布局和产业结构政策调整，针对研究区域水资源实际情况，筛选并确立水资源承载能力，建立区域水资源承载能力综合评价模型，深入分析不同水平年区域水资源承载状态，结合地理信息系统ArcGis图形，直观展现武穴市水资源承载能力变化特点及其特点，并根据分析结果，提出区域水资源配置方案，为当地水资源的优化利用和社会、经济、生态可持续发展政策的制定提供技术支撑。

3、建立综合评价指标体系构建

以GIS为平台，构建区域社会、经济、生态与水资源复合系统综合评价指标体系。

（1）建立水资源系统指标C1，收集国土面积、水资源可利用量、水质综合达标率、水资源总量、多年平均降水量、供水模数、产水模数等数据；

（2）建立社会系统指标C2，收集人口密度、人口自然增长率、城镇人口、农村人口、生活污水达标排放量、生活用水量等数据；

（3）建立经济系统指标C3，收集武穴市GDP 总量、工业用水量、工业总产值、农业用水量、农业总产值、有效灌溉面积、耕地面积、灌溉用水量、有效灌溉面积、工业用水达标处理量、总用水量等数据；

（4）建立生态系统指标C4，收集生態环境用水量、平均水资源量、受污染水体总量、水资源总量、湿地面积、化学需氧量排放量、等数据；

（5）建立综合协调指标C5，收集多年平均需水总量、多年平均水资源可利用量、用水总量、多年平均水资源量、自然灾害损失等数据；

（6）建立水资源与社会系统协调指标C6，收集多年平均水资源总量、饮水安全人口、总人口等数据；

（7）建立水资源与经济系统协调指标 C7，收集单位 GDP用水量、万元 GDP 污水产生量、总用水量等数据；

（8）建立水资源与生态系统协调指标 C8，生态环境缺水总量、水资源总量等数据。

4、模型选择

目前研究水资源承载力的方法很多，代表性研究方法主要有常规趋势法、综合评价法、系统动力学法及多目标分析法等。

（1）常规趋势法是一种采用统计分析的方法，是选择单项或多项指标，反映区域水资源现状和阈值的简便方法。这种方法不能根据各个指标值对水资源承载能力进行综合判断，忽略了各个指标之间的相互关系，不能全面地反映一个区域的水资源承载力。

（2）综合评价法是通过建立评价指标体系对水资源承载能力进行综合评判，将各个指标值的评价结果综合起来，得出一个比较全面的水资源承载能力的判断。评判的过程一般分为评价指标选择、指标权重确定、分析评价。

（3）系统动力学法通过微分方程组来模拟预测社会经济、生态、环境和水资源系统多变量、非线性、多反馈与复杂反馈等过程，把经济社会、资源与环境在内的大量复杂因子作为一个整体，对一个区域的资源承载能力进行动态计算。这种方法分析速度快，而且具有系统的观点，但是该方法结构复杂，变量众多，对数据的需求量也很大，精度不高。

（4）多目标分析法是在选取能够反映水资源承载力的人口、资源、经济社会、生态与环境等若干目标的基础上，列出这些目标的主要约束条件，按照社会可持续发展的原则，不追求单个目标的优化，而追求整体最优。多目标分析法一般要通过降维手段，将问题转化成单目标规划，在利用优化算法进行求解，目标函数的确立以及降维算法选择是一个难点和重点，并在单项指标优化方面存在不不足。

因此，本研究选择综合评价法对武穴市区域水资源进行全面分析评价。

5、综合评价模型建立

根据设计综合评价指标体系， 区域水资源承载力综合指标 CW 表达式为

式中：

：区域内水资源承载的经济压力指数；

：区域内水资源承载的人口压力指数；

：区域水资复合系统承载压力指数；

：区域内水资源复合系统协调指数；

：待定权重， 本研究可采用 ， 为同等权重。

根据模型计算数值将区域水资源承载力综合指标CW度量标准确定如下表：

区域水资源承载力综合指标度量标准承载等级

CW 0-0.50 0.51-0.80 0.81-1.00 1.01-1.30 >1.30

承载等级 承载盈余 承载适宜 濒临超载 轻度超载 严重超载

水资源丰裕 水资源利用协调 水资源紧张 水资源短缺 水资源严重缺乏

5.1区域水资源承载经济压力指数 FeI

区域水资源承载经济压力指数计算公式为：

其中：

Fe ：为区域内水资源承载的最大经济规模；

Wd：区域内社会系统和经济系统的最低用水总量；

W s：区域水资源最大可利用总量；

GDP ：用水为Wd时所产生的国内生产总值；

GDPc ：当前国内生产总值。

5.2区域水资源承载人口压力指数 FpI

区域水资源承载人口压力指数计算公式为：

其中：

Fp：区域在某一社会发展水平，可利用水资源量转化成全部产品所能供养

的人口规模，即区域内水资源所能承载的最大人口规模；

GDPp：区域在某一社会发展水平的人均占有国内生产总值的下限阀值；

Pc ： 当前人口规模。

为保证社会、经济的可持续发展，应保证经济规模和人口规模不超过区域内水资源的最大支持力，FeI≤1，FpI≤1。

5.3区域水资源复合系统承载压力指数 CCI

区域水资源复合系统承载压力指数计算公式为：

式中，CCP：水资源系统压力指数；

CCS：水资源系统的承压指数。

水资源系统的承压指数计算，本研究选用水资源系统C1的各项指标进行计算；水资源系统压力指数计算，本研究选取社会系统C2、经济系统C3、生态系统C4各项指标进行计算。承载压力指数反映水资源的承载状况。为了保证社会经济的可持续发展，就应保证水资源社会经济系统的压力不超过支持力，即承载压力指数CCI≤1。

其中：

式中：C i 代表的是各层指标的综合评价值，、分别为第 i个指标的因子权重和指标评价值。

为使各项指标的权重能在复合系统中客观表达， 在计算 CCI时， 本研究采用熵值法来确定复合系统中各项指标的权重，即根据客观社会、经济、生态与水资源质量状况的原始信息载量的大小确定指标的权重。熵的信息量越大，不确定性就越小，熵值也就越小。反之，信息量越小，不确定性就越大，熵值也就越大。通过指标变异度分析各指标间的联系程度，在一定程度上避免了主观因素带来的误差。熵值法确定指标权重的步骤如下：

第一步，将指标值 xji做正向化处理，对评价指标做比重变换：

，其中j为指标值所处样本区域。 本研究选取武穴市4个区域相关数据， 故1≤j≤4，1≤i≤n；

第二步，对评价指标的熵值计算：；

第三步，将熵值逆向化：；

第四步，计算指标值xji的权重：。

5.4区域经济、社会、生态与水资源复合系统协调指数CHI

对于经济、社会、生态与水资源复合系统而言，各子系统的有序度为（ek），k= 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， uk （ek）为各区域指标的多年平均值，则在复合系统发展演变过程中的某一时刻t（r），其协调指数计算方法如下：

1，2，3，4

协调指数 CHI取值越大，表明区域社会、经济、生态与水资源复合系统协调发展程度越高，反之则越低；另外，只要uk（ek）≥（ek）， k= 1，2，3，4至少有一个不成立时，表明该复合系统中至少有一个子系统正朝向无序方向发展，即意味着复合系统出现非协调发展状态。 将协调指标反映社会、经济、生态与水资源四子系统相互协调关系的四组（C5、C6、C7、C8）协调指标数据导入复合系统协调指数模型，计算可得区域经济、社会、生态与水资源复合系统协调指数CHI。

5.5水资源承载能力分析评价

结合区域资料收集难易程度的具体情况，筛选能反映“社会-经济-自然复合生态系统”发展规模与质量的评价指标，建立区域社会、经济、生态与水资源复合系统综合评价指标体系进行模型计算，建立研究区域水资源承载能力评价指标体系及对应评价标准，对区域不同水平年水资源承载能力进行评价分级。

6、结论与建议

针对武穴市水资源承载能力方面出现的问题，从不同方面（人口、经济规模、产业结构、种植结构）分析提升研究区域水资源承载能力的对策与措施，解决武穴市社会经济发展和水资源供需的矛盾，加强武穴市可利用水资源的管理，促进武穴市社会、經济和环境的协调发展。