盐城市水资源承载状态预警研究

叶海焯，董增川，杭庆丰，刘 淼，陆小明

(1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2.江苏省水文水资源勘测局盐城分局，江苏 盐城 224000；3.江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029)

作为重要的自然资源之一，水资源往往成为区域社会经济和生态环境协调发展的制约因素。随着社会经济的高速发展，部分地区水资源供需矛盾愈发尖锐，出现水质不达标、水生态恶化等严重问题[1]。因此，有必要了解区域水资源对社会经济、生态环境的现状支撑状态，并对未来可能出现的情况进行预警。自20世纪80年代末，新疆水资源软科学课题研究组提出水资源承载力的概念后，学者们开展了大量关于水资源承载状态评价的研究，相关成果主要集中在评价指标体系的构建、评价方法的选择等方面[2]。在综合评价指标体系构建方面，往往采用系统分析[3]或“压力-状态-响应(PSR)”[4]的思路；常用的评价方法包括模糊综合评价、主成分分析、投影寻踪[5]等。但迄今为止，针对水资源承载状态预警的相关研究较少。笔者按照水利部办公厅“关于做好建立全国水资源承载能力监测预警机制工作的通知”的相关要求并结合盐城市水资源开发利用、社会经济发展特点，构建盐城市水资源承载状态预警指标体系。引入“三类六级”(三类是指评价结果中超载、临界超载、不超载三种承载状态，六级是指Ⅴ级警度、Ⅳ级警度、Ⅲ级警度、Ⅱ级警度、Ⅰ级警度和无警六个警度)的预警思想，阐述承载状态预警方法，以2015年为现状年，对盐城市2020年、2030年水资源承载状态进行预警。

1 概况

盐城市位于江苏省中部，淮河入海尾闾、黄海之滨，是江苏省省辖市中面积最大的市，总面积达 16 972 km2，2015年末常住人口722.85万，地区生产总值4 212.5亿元，人均GDP 58 299元。下辖响水、滨海、阜宁、射阳、建湖、亭湖、盐都、大丰及东台9个县。盐城市属于北亚热带季风气候，降雨丰沛，过境水量丰富，多年平均水资源总量为 47.89亿m3。2015年全市降水量1 326.8 mm，年总用水量 54.41亿m3(其中深层地下水0.629亿m3)，总耗水量38.17亿m3。全市地表水资源量79.47亿m3,折合年径流深510.8 mm。(研究数据及来源：①盐城市水资源综合规划、盐城市水资源保护规划、盐城市水资源公报、盐城市水利现代化规划；②盐城统计年鉴、盐城市国民经济发展统计公报、盐城市土地利用总体规划；③盐城市地理位置及行政区划图、盐城市河流水系图等。)

2 盐城市水资源评价预警指标体系构建

2.1 评价指标的选取

区域水资源承载状态是通过“水资源—水环境—社会—经济”这个复杂系统相互作用而表现出来的一种状态，其中涉及水资源、水环境、社会经济、生态环境各个子系统内部作用以及各个子系统之间的相互关联和相互影响[6]。笔者在分析影响各个子系统运行主要因素的基础上，结合盐城市实际情况，遵循可持续发展理论，分别从水资源、社会、经济、生态环境4个子系统中选取15个指标，构建水资源承载状态预警指标体系。其中，水资源子系统包括水利工程设施完好率、用水总量控制指标比、地下水超采面积比、再生水利用率4个指标，分别反映区域水利工程、地表水、地下水、再生水情况；社会子系统包括人口密度、供水管网漏损率、城镇生活污水集中处理率3个指标，表征居民生活及其用水、排污状况；采用人均GDP、万元工业增加值用水量、灌溉水利用系数、化肥施用强度、工业废水排放达标率等指标表征经济水平及经济发展相关用水、排污情况；生态环境子系统则采用水功能区水质达标率、城镇绿化覆盖率、水面率等指标反应，见表1。

表1 水资源承载状态评价预警指标体系

2.2 权重确定

层次分析法(AHP)能够把决策者的主观判断和推理紧密地联系起来，对决策者的推理过程进行量化描述，体现了决策思维过程中分解、判断、综合的基本特征，是一种有特点和优点的多准则决策方法，因此近年来得到了广泛应用[7]。运用层次分析法的具体步骤如下：

a. 递阶层次结构的创建。将问题包含的因素分层：最高层(解决问题的目标)；中间层(实现总目标而采取的各种措施、必须考虑的准则等，也可称为方略层、约束层或者准则层)；最底层(用于解决问题的各种措施、方案等)。

b. 构造多因子比较矩阵。为了综合不同方面专家的意见，主要采用发放专家意见调查表的方法。问卷中详细介绍了各指标的具体内容,并对评分标准进行说明。根据专家意见判断其相对重要性,并将这些判断用数值表示，得到一个n阶互反性判断矩阵A，即所谓的判断矩阵。各指标层次排序标准见表2。

表2 层次排序标准

c. 因子权重系数的确定。对比较矩阵A，先计算出矩阵的最大特征根λmax，然后求出其相应的规范化特征向量W，即AW=λmaxW，其中，W的分量(w1,w2,…,wn)就是对应于n个因子的权重系数。

d. 求解特征向量和特征值。直接求解特征向量和特征值比较繁琐，由于专家进行两两因子相对重要性比较的精度有限，在实际工作中采用近似算法可以简易地计算权重系数。该方法的步骤：

对B按列规范化：

(1)

再按行相加求和数：

(2)

再规范化，即得权重系数Wi：

(3)

e. 一致性检验。为了检验层次分析法得出的结果是否合理，需要对判断矩阵进行一致性检验。所谓一致性，即指当X1比X2重要、X2比X3重要时，则认为X1一定比X3重要。判断矩阵一致性指标CI与同阶平均随机一致性指标RI的比值称为随机一致性比率，即：CR=CI/RI。根据判断矩阵的一致性准则，当CR<0.1时，就认为判断矩阵具有满意的一致性；否则，就需要不断改动判断矩阵，直到取得较为合理的一致性为止。

准则层及各子系统比较矩阵见表3～7。

表3 水资源子系统比较矩阵

表5 经济子系统比较矩阵

表6 生态环境子系统比较矩阵

表7 准则层比较矩阵

经检验，各子系统指标比较矩阵以及准则层比较矩阵CR值均小于0.1，则认为以上矩阵具有合理的一致性。

f. 层次性总排序。利用同一层次中所有层次单排序的结果，就可计算针对上一层的本层次所有因素的重要性权值。

各指标权重计算结果见表8。

表8 盐城市水资源承载状态评价指标权重

2.3 评价标准确定

根据国际和国家标准、国家和地方发展规划目标和要求、国际关于某些指标的发展规划值和相关专家看法，结合盐城市的实际情况，确定指标评价标准，见表9。

表9 盐城市水资源承载状态评价标准

注：数据来源于《盐城市水利现代化规划(2011—2020)》《江苏省水利厅、省发展和改革委员会关于核准同意省辖市实行最严格水资源管理制度考核指标县级(市、区)分解方案的批复》《盐城市水资源公报(2015年)》《盐城市市区节水规划》《盐城节水型社会规划》《江苏基本实现现代化指标体系》《江苏全面建成小康社会指标体系》等

2.4 评价及预警方法

2.4.1 评价方法

由于评价指标的分级标准是区间的概念，为了科学地对水资源承载状态进行综合评价，笔者采用可变模糊方法。该方法能够科学、合理地确定样本指标对各级指标标准区间的相对隶属度，并且能够通过变化模型及其参数，合理地确定样本水资源承载能力的评价等级，提高对样本等级评价的可信度[8]。可变模糊法的主要原理如下：

设水资源环境承载能力综合评价的特性用m个指标特值指表示：

X=(xi)

(4)

式中：xi为指标i的特征值，i=1，2，…，m。m个指标按c个级别的指标标准特征值进行识别,则有m×c阶指标标准特征值矩阵：

Y=(yih)

(5)

式中：yih为级别h指标i的标准特征值，其中h=1，2，…，c。

参照指标标准值矩阵和待评价区域的实际情况，确定水资源承载能力可变集合的吸引(为主)域矩阵与范围域矩阵：

Iab=([aih,bih])

(6)

Icd=([cih,dih])

(7)

根据水资源承载能力分为c个级别的实际情况，确定吸引(为主)域[aih,bih]中DA(xi)h=1的点值Mih的矩阵：

M=(Mih)

(8)

判断特征值xi在Mih点的左侧还是右侧，据此计算差异度DA(xi)h,再由式(9)计算指标对h级的相对隶属度μA(xi)h矩阵：

Uh=(μA(xi)h)

(9)

模糊评价模型：

(10)

归一化处理得到综合相对隶属度矩阵：

U=(uh)

(11)

采用p=1,α=1;p=1,α=2;p=2,α=1;p=2,α=2共4种参数情况进行计算，并采用4种情况的隶属度均值作为最终结果。

最大隶属度原则是模糊集合论中一个重要的判断准则，具有简明直观的优点，被广泛运用于模糊集领域。但是最大隶属度原则也有不适用性，当结果与2种或者2种以上级的隶属度相近时，利用最大隶属度原则不能作出合理的判断[9]。为了解决最大隶属度原则的不适用性，笔者采用级别特征值对状态进行判断。级别特征值H表示了h与uh分布列的整体相对特征，利用了状态变量h的全部相对隶属度信息，使样本归属于何种状态更加全面和客观[10]。

H=(1,2，…，c)U

(12)

根据级别特征值，按照下式对评价结果进行判别：

(13)

2.4.2 预警方法

结合现状年份(2015年)和未来年份(2020年、2030年)的评价结果，采用“三类六级”的预警思路，对盐城市水资源承载状态进行预警。对水资源承载状态进行预警时，需要同时考虑预警年份评价结果及其与基准年份承载状态的变化趋势。其中，承载状态的变化趋势是指H值变化情况，如果预警年份H值小于基准年份，那么承载状态呈现出好转趋势；反之，如果预警年份H值大于基准年份，则呈现出恶化趋势。具体预警原则见表10。

表10 水资源承载状态预警示意表

2.5 评价指标值的确定

以2015年作为基准年，在评价2015年、2020年和2030年盐城市水资源承载状态的基础上，对2020年和2030年2个年份水资源承载状态进行预警。预警指标值主要参考盐城市相关规划、公报、统计资料。具体指标值见表11。

表11 盐城市水资源承载状态预警指标值

根据式(13)确定级别特征值判别标准，当H<1.5时，则判定为该年份承载状态为不超载；当2.5>H>1.5时，则判定该年份承载状态为临界超载；当H>2.5时，则判定该年份承载状态为超载。

3 评价预警结果及分析

按照上述方法，分别计算盐城市不同水平年承载状态级别特征值，并按照式(13)的标准进行判别，结果如表12所示。结合盐城市2020年和2030年的承载状态评价结果和图1所示承载状态变化趋势，清晰展示了从2015—2030年盐城市水资源承载状态的变化趋势，对2020年和2030年的水资源承载状态进行预警，结果如表13所示。可以看出，盐城市2015和2020年水资源承载状态处于临界超载，2030年处于不超载状态；同时，就预警结果可以看出，盐城市2020年水资源承载状态处于Ⅰ级警度，2030年处于无警的警度。

表12 盐城市各水平年承载状态评价结果

图1 盐城市水资源承载状态变化趋势

表13 盐城市未来年份水资源承载状态预警结果

盐城市位处长江下游平原河网区，水资源具有总量充沛、年内分配不均、水环境受上游影响大、水质不容乐观等特点；在社会经济方面，盐城市以农业用水为主，用水方式较为粗犷，面源污染不易控制，导致盐城市现状水资源处于临界超载的状态。针对盐城市水资源禀赋条件和社会经济发展模式的特殊性，从水资源供给、需求以及水环境保护等方面提出了相应保护措施，主要包括：蓄淡工程优化布局、沿海地区非传统水资源开发利用、产业布局调整、源头治理、河道整治等方面，使盐城市在未来年份水资源开发利用、水环境治理等方面有长足提高，水资源承载状态也就随之呈现出持续好转的状态。至2030年，盐城市水资源承载状态将处于无警的警度。

4 结 语

a. 通过引入“三类六级”预警思路，结合各年份

承载状态的评价结果以及相应的变化趋势，对未来年份的水资源承载状态进行预警，预警结果更加精细，为之后相关研究拓宽思路。

b. 盐城市地处流域供水末梢区域，水功能区水质状况不容乐观。同时，盐城市以农业为主，整体用水效率偏低，这造成盐城市水资源承载现状较差。在未来，随着“水十条”“最严格水资源管理制度”等相关政策、措施的实施，盐城市用水水平得到提高、水环境状况持续改善，水资源承载状态呈现出好转的趋势，故而预警警度逐渐减轻，至2030年，整体上为无警的警度。