盐城市水资源承载状态量化研究

李 冰，董增川，杭庆丰，杨 光，王聪聪

(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)

水资源作为人类社会重要的自然资源，往往成为一个地区社会经济与生态环境协调发展的限制性因素[1]。近年来，由于社会经济的高速发展以及人口规模的急剧扩大，水资源供需矛盾日益突出。水资源短缺、水环境污染等问题使水资源系统的承载压力不断增大，我国也面临着严峻的水资源形势。为了解决区域水资源供需矛盾，实现区域水资源优化配置，开展水资源承载力研究势在必行。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，有关学者提出了诸多进行水资源承载力研究的相关方法[2]。水资源承载力量化研究的结果可分为两类：①具有具体物理含义的水资源承载力计算结果，一般具有量纲，如通过数学规划求解的区域水资源能够承载的最大社会经济规模[3]，反映的是具有实际意义的阈值，是水资源系统对社会经济与生态环境的承载能力。②通过评价得到无量纲的指数[4]，即通过科学的评价方法[5]获得水资源在对社会经济的承载过程中，区域水资源系统、社会经济系统、生态环境系统的状态[6]，本文将其定义为水资源承载状态。

本文在分析水资源承载状态内涵的基础上，结合盐城市水资源开发利用、社会经济发展的特点，利用指标体系法计算盐城市2015年、2020年、2025年、2030年水资源承载主体与承载客体的协调发展度，并将其作为水资源承载状态的衡量指标。

1 盐城市概况

盐城市地处江苏沿海中部，淮河流域尾闾，黄海之滨，是长江三角洲北翼中心城市，江苏省沿海开发战略重点区域，是江苏省土地面积、滩涂面积最大的地级市，陆域总面积1.697 2万km2，海岸线长 582 km，占全省海岸线总长的56%，2015年末常住人口为722.85万，地区生产总值4 212.5亿元，人均GDP 58 299元。盐城市地处北亚热带季风气候与南温带的过渡地带，兼有大陆和海洋两大气候特征，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(数据来源：①盐城市统计年鉴、盐城市国民经济发展统计公报、盐城市土地利用总体规划等；②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等)。

2 盐城市水资源承载状态量化方法

2.1 水资源承载状态与协调发展度

水资源承载状态是评判水资源承载主体与承载客体之间在社会发展过程中相互作用、相互影响的一项综合指标，研究水资源承载状态对实现人水和谐具有重要的意义[2]。根据水资源承载状态的概念，水资源承载状态中的承载主体是水资源系统，承载客体是人类所生存的社会经济系统以及生态环境系统[7]。

由水资源承载状态的含义可知，一个地区的水资源承载主体与承载客体在社会发展中的协调关系，决定着该地区水资源承载状态的优劣[8]。所以，量化表征水资源承载状态就是量化反映水资源承载主体与承载客体的协调发展程度。本文选用协调发展度作为水资源承载状态的表征指标。

2.2 水资源承载状态量化计算

2.2.1 协调发展度计算指标体系

区域水资源承载状态是由“水资源—社会经济—生态环境”这一复杂系统中承载主体与承载客体相互作用而呈现出的一种状态[9]。各个子系统内部以及各个子系统之间都在不断地相互作用与相互影响。为了量化计算承载主体与承载客体之间的承载状态，运用指标体系法计算各年份水资源承载主体与承载客体之间的协调发展度。在分析各子系统运行主要影响因素的基础上，结合盐城市的实际发展情况，根据可持续发展理论，分别从水资源、社会经济、生态环境3个子系统中选取9个指标，构建水资源承载状态量化评价体系。其中，水资源子系统中包括衡量水量的单位面积水资源量、衡量水质的水功能区水质达标率两个指标；社会经济子系统中包括衡量发展程度的人均GDP、人口密度，衡量用水效率的万元GDP用水量，以及衡量治污水平的万元GDP COD和万元GDP氨氮5个指标；生态环境子系统采用反映河道内生态的水面率指标和反映河道外生态的城镇绿化覆盖率两个指标。具体指标体系见表1。

盐城市水资源承载状态评价标准参考国际、国内先进标准，并结合全国、江苏省盐城市的相关规划资料以及盐城市的实际情况制定，确定指标评价标准分为强(Ⅰ级)、中(Ⅱ级)、弱(Ⅲ级)三级，见表2。

其中，C1的评价标准由全国、南方地区、北方地区平均值综合确定；C2由《盐城市水利现代化规划(2011—2020)》制定；C3由《江苏基本实现现代化指标体系》综合制定；C4和C5由《江苏基本实现现代化指标体系》综合制定；C6由《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》综合确定；C7参考《联合国人口密度划分等级》进行确定；C8通过《江苏基本实现现代化指标体系》《江苏全面建成小康社会体系》进行确定；C9通过《盐城市国家生态文明先行示范区建设实施方案》《江苏省中长期供求规划报告》综合确定。

表1 水资源承载力评价指标体系

表2 盐城市水资源承载状态评价标准

2.2.2 数据的无量纲处理

收集数据并进行整理后，为了避免求熵值时结果产生无意义解，必须将原始数据进行无量纲处理。无量纲处理包括正向指标处理和逆向指标处理。

a. 正向指标：

(1)

b. 逆向指标：

(2)

2.2.3 权重确定

为了避免人为主观因素的影响，保证结果的客观性，选用熵权法[10-11]分别计算反映承载主体、承载客体的指标相对于各自准则层的权重。熵权法是在综合考虑各因素提供信息量的基础上，计算一个综合指标的数学方法。作为客观综合定权法，熵权法主要根据各指标传递给决策者的信息量大小来确定权重，其主要计算公式如下：

(3)

(4)

式中：wi为第i项指标相对于承载主体的权重；wj为第j项指标相对于承载客体的权重；m为指标个数；ei、ej表征承载主体、承载客体各项指标的熵值。

2.3 协调发展度的确定

为了定量表征水资源承载状态，引入与水资源承载状态内涵相符的协调发展度作为量化水资源承载状态的方法。

协调度由中国科学院可持续发展战略研究组在对可持续发展能力进行研究时提出[12-13]，指系统之间或系统内部各要素之间的多种复杂关联关系和谐一致所达到的程度。协调发展度由协调度的概念引申而来，可以很好地反映整体系统在不同发展时期内部的协同关系，而且，协调发展度在协调度反映协调关系的基础上更能考虑发展水平的影响。一个由水资源—社会经济—生态环境3个子系统组成整体的协调发展度计算主要分为以下几步[14]。

a. 发展指数计算。发展指数是反映承载主体、承载客体各自发展情况的定量指标，具体计算公式如下：

(5)

(6)

b. 协调度计算。离差系数可以反映系统间组合协调的数量程度，还可以表征系统间运动轨迹的相似程度和接近程度。因此，系统间的协调度可用离差系数进行度量，具体计算公式如下：

(7)

(8)

式中：C为承载主体和承载客体之间的协调度；Cfg为离差系数，Cfg越大，系统间协调性越高；K为调节系数，一般取2～5。

c. 协调发展度计算。为了能更好地表征承载主体与承载客体之间的协调状况及其发展水平，引入协调发展度的概念，具体计算公式如下：

(9)

(10)

式中：D为协调发展度，值越大表示协调水平越高，表征整个系统更加有序；T为系统综合指数；a、b为权重系数，一般a取0.7，b取0.3。

关伟等[15]将协调度划分为若干协调等级，等级划分标准见表3，协调发展度达到0.90则认为优质协调，对应水资源承载状态为好；协调发展度在0～0.49范围内为不协调，对应水资源承载状态为差；协调发展度在0.50～0.90范围内为勉强-良好协调水平，对应水资源承载状态为中。因此，将协调度大于0.90达到优质协调作为满足水资源承载状态较好的条件。

表3 协调发展度等级划分

3 盐城市水资源承载状态量化结果与分析

3.1 指标数值确定

盐城市2015—2030年各指标数值通过各类规划、公报中规定数值和方法进行确定，见表4。表中，C1、C2由《盐城市水资源公报》《盐城市水资源保护规划》中数据查得，C3由2015年《盐城市水资源公报》查得，C4与C5由《盐城市统计年鉴》中的GDP值与《盐城市水资源公报》中的排污数值计算得到，C6和C7由《盐城市统计年鉴》得到，C8和C9分别由《江苏基本实现现代化指标体系》《盐城市生态文明先行示范区建设实施方案》得到。

规划年份C1取不变；C2由《盐城市水利现代化规划(2011—2020)》《2015年盐城市水资源保护规划》查得；C4与C5通过预测GDP与排污值计算得到，其中预测与计算所用公式和系数严格参照《2015年盐城市水资源保护规划》中排污计算部分；C6和C7通过趋势法进行预测得到；C8和C9分别通过《江苏基本实现现代化指标体系》《盐城市生态文明先行示范区建设实施方案》查得。

表4 盐城市水资源状态量化评价指标值

3.2 指标权重确定

以盐城市2015年、2020年、2025年、2030年数据为基础，运用熵权法求得盐城市水资源状态量化评价指标权重，见表5。

3.3 盐城市水资源承载状态量化结果

C、离差系数Cfg、系统综合指数T以及整个系统协调发展度D的计算结果见表7。

表5 盐城市水资源状态量化评价指标权重

表6 盐城市水资源状态量化评价去量纲后指标值

表7 2015—2030年盐城市水资源状态量化评价结果

3.4 盐城市水资源承载状态量化结果分析

表7中2015—2030年盐城市水资源状态评价结果，反映了2015—2030年间盐城市水资源系统承载状态的具体情况。由表7可以看出，盐城市2015年水资源协调发展度最低，水资源承载状态最差，2030年水资源协调发展度最高，水资源承载状态最好，其间水资源协调发展度呈上升趋势。

根据表7结果，现状年(2015年)盐城市承载主体水资源子系统发展水平和承载客体社会经济与生态环境子系统发展水平均较低，且二者协调性不高，反映在协调发展度上为0.51，为勉强协调水平，是4个计算年中的最小值。具体指标中，水功能区水质达标率水平较差，且万元GDP排污量较大，导致了水资源承载状态偏差。2020年盐城市水资源承载主体发展指数为0.57，水资源承载客体发展指数为0.87，说明经过5年社会经济发展后，水资源子系统、社会经济子系统及生态环境子系统的发展水平都得到较大的提升，协调发展度为0.77，为中级协调水平，较现状年也有了较大提升，但因为水资源子系统发展的提升水平较社会经济及生态环境子系统发展的提升水平有一定差距，所以C较现状年有所下降。具体指标中，水功能区水质达标率较2015年有所提升，但仍然维持在一般水平，所以承载主体发展水平依然不高。随着盐城市节水水平不断提高以及限排措施的实施，万元GDP用水、万元GDP排污等指标评价值得到了提高，从而使承载客体发展水平得到较大提升。盐城市水资源承载主体发展指数在2025年为0.85，水资源承载客体发展指数为0.96，水资源承载主体与承载客体的协调发展度为0.94，达到了优质协调水平，说明在2020—2025年间，盐城市水资源承载主体与承载客体得到了进一步发展，其中水资源子系统的发展程度较高，已经与社会经济和生态环境子系统的发展水平相近。其中水功能区水质达标率得到大幅提升，促使水资源承载主体发展水平进一步提升，再加上水资源承载客体部分的指标继续提升，并且达到了较高水平，致使盐城市水资源承载状态在2025年达到较好水平。到2030年，盐城市水资源承载主体发展指数为0.93，水资源承载客体发展指数约为1.00，水资源承载主体与承载客体的协调发展度为0.98，说明在2030年，由于节水水平的不断提高与限制排污措施的进一步实施，使全市水功能区水质达标率达到较好水平，且承载客体指标均保持在较好水平，因为承载客体发展有所放缓且承载主体发展不断提高，二者的发展水平越发协调，所以盐城市水资源承载状态到2030年达到较好水平。

由表7中盐城市水资源协调发展度的变化趋势可以看出，盐城市水资源协调发展度从2015—2030年间不断提升，说明盐城市水资源承载状态随时间不断变好。盐城市地处江苏省沿海地区，具有水资源总量丰沛、但年内分布较不均匀，水环境易受上游影响，水质状况较为一般等特点；在社会经济发展过程中，用水主要以农业用水为主，用水方式较粗放，且污染物排放状况不容乐观，导致了盐城市水资源承载状态在现状年(2015年)处于中等水平。针对水资源承载条件的独特性，盐城市从水资源供需、水环境保护等方面提出了相应措施，主要有：在“三条红线”的控制下，调整产业布局、对污染物实施源头治理、河道整治、优化蓄淡工程布局、对沿海地区非传统的水资源进行开发利用，提高用水效率，降低排污水平等。上述一系列措施的实施使得盐城市在未来年份(2020年、2025年、2030年)水资源供需、水环境状况有较大提高，水资源承载状态也呈现出持续变好趋势，到2030年水资源承载状态达到较好的水平。

4 结 论

a. 本文通过引入协调发展度的思路，构建盐城市水资源承载状态量化方法，对盐城市2015—2030年水资源承载状态进行了评价，得到了合理的评价结果，为之后相关研究拓宽了思路。

b. 盐城市水资源承载状态在2015年呈现出承载水平中等、水资源承载主体与承载客体之间协调度勉强协调的情况，其中用水效率水平不高以及水污染情况严重是水资源承载状态水平较差的原因。在未来年份，如按盐城市水资源规划实施最严格水资源管理制度、严格执行“三条红线”控制等措施，水资源承载状态会呈现预测的持续转好趋势。如按盐城市水资源规划继续实施直至2030年，水资源承载主体与承载客体协调发展度将达到优质协调水平，水资源承载状态达到较好水平。

c. 通过分析研究可知，为了使盐城市在未来年份水资源承载状态呈现出更好状态，相关部门需要注意提升水资源承载主体的发展水平，即严格控制水功能区水质达标率，将其维持在良好水平，严格限制排污，提高节水水平。