临海市水资源承载力动态变化及驱动因素分析

刘朝露， 陈 星， 崔广柏， 许 钦， 董凤军， 王君诺

(1.河海大学 水文水资源学院， 江苏 南京 210098； 2.南京水利科学研究院 水文水资源研究所， 江苏 南京 210029； 3.山东省临沂市岸堤水库管理处， 山东 临沂 276217； 4.山东省淮河流域水利管理局规划设计院， 山东 济南 272037)

1 研究背景

城市的发展依赖于水，也影响着水，事实证明，水资源短缺等问题已经成为制约城市社会经济发展的瓶颈[1]。同时水资源作为社会经济、生态环境发展的支撑条件，与二者均存在着十分复杂的响应关系[2]。孙富行等[3]提出水资源承载力是关于水资源、社会经济和生态环境等多方面的内部特征和相互关系的综合指标；马向东等[4]以协同理论为基础分析了水资源约束下生态环境与社会经济复合系统的协同进化。李庆贺等[5]在构建福建省城市水资源承载力评价指标体系时，综合考虑了水资源、社会经济和生态环境系统。

随着我国城镇化的不断推进，水资源短缺与社会经济发展的矛盾日益突出，影响水资源利用的社会驱动力研究成为热点。陈雯等[6]应用LMDI方法研究了技术进步和产业结构效应对工业耗水强度的影响；童玉芬等[7]分析了人口规模、家庭数量等人口学因素对形成水资源压力的驱动作用；刘洁等[8]通过构建城镇化-水资源综合评价指标体系、响应关系模型，揭示了江苏省城镇化与水资源的动态变化过程及响应特征。

本文基于城市水资源承载力复合系统分析，以浙江省临海市为例，评价临海市2010-2015年水资源承载力水平。在分析影响水资源承载力动态变化驱动来源的基础上，结合单因素敏感性分析法和情景分析法，探索城市水资源承载力水平动态变化的主要驱动因素。在考虑分析水资源-社会经济-生态环境响应关系的基础上，研究水资源承载力水平动态变化的主要驱动因素，为实现城市水资源可持续利用提供决策参考。

2 研究方法

2.1 城市水资源承载力复合系统

城市水资源承载力表示某一城市，某一特定时间尺度下，水资源以可持续发展为原则，以可预见的经济技术和社会发展水平为依据，以维护生态环境良性循环为条件，通过水资源优化配置，对该城市社会-经济-环境协调发展规模的最大支撑能力[9-10]。

在城市水资源承载力复合系统中，水资源、社会经济和生态环境三大子系统相互制约、互相影响，内在联系复杂(见图1)[9-12]。其中，水资源与生态环境是社会经济系统得以发展的基础条件。社会经济子系统，一方面通过水资源的消耗与废污水的排放对水资源与生态环境造成破坏，降低其承载能力；另一方面通过水资源管理和水利工程建设对生态环境和水资源进行补偿，来提高其承载力。水资源子系统是社会经济和生态环境子系统之间的桥梁，它是由自然和人工组成的复合系统，具有物质性和资源性，分别通过水利工程设施与水文循环过程来实现。城市水资源承载力复合系统的最优发展方式是通过实现水资源的可持续利用承载社会经济和生态环境的发展[2]。

图1 城市水资源承载力复合系统概念模型

2.2 水资源承载力评价指标体系

遵循评价指标体系确立原则，基于城市水资源承载力复合系统的分析，通过对临海市水资源子系统、社会经济子系统和生态环境子系统及其内在联系的研究，构建临海市水资源承载力评价指标体系(表3)。

2.3 水资源承载力评价方法

在城市水资源承载力复合系统中，水资源-社会经济-生态环境之间内在联系的复杂性和不确定性，评价存在模糊性，因此选择模糊综合评判法[13-15]，评价过程包括确定评价因素集和评语集、计算隶属矩阵、多指标综合评价三大步骤。为避免主观随意性过大，相对客观地度量事物或现象的不确定性，采用熵值法[14-15]来确定研究区域水资源承载力各项评价指标的权重。通过模糊综合评判法和熵值法联合求解，相对客观、准确地反映研究区域的水资源承载力水平。

为定量化表示城市水资源承载力水平，按照各个因素的影响程度，将评价标准划分为5个等级(由弱到强分别为V1～V5，表1)[15-16]，并对5个等级设置评分值(表2)，综合评分值大小代表水资源承载力水平[17]。

表1 城市水资源承载力评价标准

表2 水资源承载力水平分级

3 城市水资源承载力评价

3.1 研究区域概况

临海市位于浙江沿海中部，东连东海、西接仙居、南连黄岩、北靠天台，全市土地面积2 203 km2，其中山地丘陵占68.4%，平原占25.1%，水域占6.5%，属亚热带季风性气候。根据市内气象和水文资料统计：年平均气温16.5～17.8℃，多年平均降雨量1 710.4 mm，年内降雨主要集中在5、6月梅雨季和7-9月的台风雨季。丰枯水期明显、冬夏季风交替分明。随着社会经济的进一步发展，临海市水资源水量时空分配与经济发展不协调、水质逐渐恶化、水资源开发利用程度不高和可调配水量少等问题日益突出，因此，科学评价临海市水资源承载力，通过研究其动态变化分析临海市水资源承载力复合系统的驱动因素，是探索实现水资源可持续利用的重要手段。

3.2 水资源承载力评价

研究区域为临海市，资料与数据来源主要有《台州市统计年鉴》、《台州市水资源公报》等。采用熵值法计算指标权重，结果见表3。采用模糊综合评判法评价水资源承载力水平，计算结果见表4。

表3 临海市水资源承载力评价指标体系及权重

3.3 评价结果分析

在临海市水资源承载力复合系统中，综合评分值代表了各个子系统以及复合系统的水资源承载力水平，分值越大，表示水资源承载力水平越高，表明水资源与社会经济、生态环境协调发展程度越好，水资源开发利用空间越大。

根据以上评价结果(表4、图2)可见，2010-2015年临海市水资源承载力总体呈波动上升趋势，均处于可承载水平及以上，其中2011年与2013年，水资源承载水平略低，2015年达到良好承载力水平。2011年临海市水资源承载力水平下降的原因主要是水资源子系统中产水模数下降50.5%，人均水资源量减少50.8%，而社会经济子系统中人均综合用水量增加14.3%，万元工业增加值用水量升高5.5%，亩均农田灌溉用水量升高10.6%，导致临海市水资源供需矛盾加剧。2013年临海市水资源承载力水平回落的原因主要是生态环境子系统中生态环境用水率减少30.1%，排水管道密度减少16.3%，绿化覆盖率减少16.7%，表明在经济得到更快发展的同时生态环境代价也更为突出，并且生态环境子系统的响应具有一定滞后性。

图2 2010-2015年临海市水资源承载力评价结果

在临海市水资源承载力复合系统中，社会经济子系统与复合系统的演变趋势较一致，表明社会经济子系统对城市水资源承载力的整体贡献较大。之后依次是生态环境子系统和水资源子系统，表明由于临海市处于东南沿海湿润地区，年均降水量大、地表水资源丰富，水资源总量相对丰沛，水资源子系统对水资源承载力的制约力度较小。而社会经济的迅速发展造成用水的时空不均匀、水资源供需矛盾加剧等问题，对临海市的水资源承载力产生较大影响，特别是粗放型的社会经济发展模式会造成水资源的不可持续发展，并进一步对生态环境子系统产生影响，使得水生态环境恶化，降低水资源的可利用性。因此临海市水资源承载力动态变化的驱动因素主要来源于社会经济子系统。

4 城市水资源动态变化驱动力分析

4.1 单因素敏感性分析

单因素敏感性分析[18-19]是假定其它评价因素均保持不变，分析单个不确定因素的变动对不同情景方案下水资源承载力影响的方法。为进一步分析临海市水资源承载力水平动态变化的驱动因素，采用单因素敏感性分析确定社会经济子系统中的主要敏感性因素，即在各指标平均年际变化率基础上分别增加或减少5%和10%，保持其他指标数据不变的情况下，计算单指标增减不同百分比后的水资源承载力，比较综合评分变化率，变化率越大，表示指标越敏感。

由分析结果(表5)可知，社会经济子系统中城镇化率、第三产业占GDP比重、工业用水重复利用率3个指标是临海市水资源承载力水平动态变化的主要敏感性因素。

表5 单因素敏感性分析结果

4.2 驱动力情景分析

基于单因素敏感性分析结果，利用模糊综合评判法、熵值法联合，以城镇化率、第三产业占GDP比重、工业用水重复利用率为情景分析指标对不同情景下2025年临海市水资源承载力进行评价。各项指标预测方法及预测值见表6，其中各指标预测值基于对数拟合或相关规划并结合实际略作修正，情景分析指标采用2015年指标值作为低预测值，国家先进值作为高预测值。情景设置和评价结果见图3，其中U表示城镇化率(Urbanization Rate)，T表示第三产业占GDP比重(The Tertiary Industry Rate)，I表示工业用水重复利用率(Industrial Water Reuse Rate)，H表示高预测值，L表示低预测值，如HU-HT-HI表示城镇化率、第三产业占GDP比重和工业用水重复利用率均为高预测值的情景。

根据评价结果可知，不同情景下2025年临海市水资源承载力均处于良好承载水平，其中情景HU-LT-LI、LU-LT-HI和 LU-LT-LI的综合评分低于2015年。进一步观察图3可知，城镇化率、第三产业占GDP比重和工业用水重复利用率3个敏感性因素中，第三产业占GDP比重对临海市水资源承载力水平动态变化影响较为突出。从3个具体的指标来看：

(1)第三产业占GDP比重，表示区域产业结构，间接反映了区域生产用水结构。诸多研究表明，产业结构演进将带动用水结构、用水量及用水量变化，对水资源消耗具有一定遏制作用[20-21]。临海市2014年的第三产业占比超过第二产业，工业用水量减少了494×104m3。2025年HU-HT-LI情景第三产业占GDP比重与2015年相比增加了21.3%，综合评分比2015年提高0.02，均表明产业结构的调整升级带动了水资源利用方式的改变，水资源与产业结构关系的均衡发展有利于提高水资源承载力水平。

表6 指标预测值

注：预测值括号中数据表示(高预测值/低预测值)。

图3 驱动力情景分析结果

(2)城镇化率，不仅表现为城市规模扩张与结构变化两个方面，同时也伴随着社会经济发展质量和效率的变化[7]。2010-2015年临海市城镇化率由45.8%上升到57.7%，城镇人口增加29%，城镇公共用水量增加27%。LU-LT-LI情景2025年城镇化率较2015年提高了29.9%，水资源承载力综合评分下降0.02，表明随着城镇化的深入发展，水资源供需矛盾将更加突出，进而对水资源承载力造成巨大压力。

(3)工业用水重复利用率，反映了工业用水在一定技术条件和循环用水水平之下的效率。就目前经济状况而言，临海市仍以扩大再生产作为发展工业的重要手段，技术水平发展较为缓慢，工业用水量仅次于农业灌溉用水量，加强工业节水是减少工业用水量、缓解水资源压力的主要手段。由2025年HU-LT-HI情景与2015年相比可见，2025年临海市工业用水重复率增长到97%，水资源承载力综合评分增加0.0051，因此在未来一段时间内，提升工业用水重复利用水平仍是工业节水的一大重要措施。

综合以上分析，城镇化率、第三产业占GDP比重和工业用水重复利用率为临海市水资源承载力变化的主要驱动因素，提高第三产业占GDP比重和工业用水重复利用率，控制城镇化率是临海市提升水资源承载力水平的主要途径。其中，借助政策手段，积极推进产业结构调整是同时实现城市用水结构优化和经济增长的首要措施；借助管理手段，通过水资源综合管理协调城镇化发展与水资源利用，提高城镇化发展质量是促进临海市水资源承载力复合系统协调发展的主要措施；同时借助科技手段，提高城市工业用水水平是未来一段时间内能够有效减少水资源压力的重要措施。从长远来看，适应水资源与生态环境子系统的用水结构升级是实现临海市水资源承载力复合系统可持续发展的关键。

5 结 论

(1)本文基于城市水资源承载力复合系统分析，从水资源子系统、社会经济子系统与生态环境子系统出发，结合研究区域实际特点，选取了19项评价指标构建临海市水资源承载力评价指标体系。

(2)利用模糊综合评判法和熵值法联合对临海市水资源承载力进行评价，并对临海市水资源承载力动态变化趋势进行分析，得出2010-2015年临海市水资源承载力总体呈波动上升趋势，均处于可承载水平及以上，临海市水资源承载力动态变化的驱动因素主要来源于社会经济子系统。

(3)采用基于单因素敏感性分析的情景分析识别临海市水资源承载力驱动因素，结果显示，社会经济子系统中的城镇化率、第三产业占GDP比重和工业用水重复利用率为主要驱动因素，其中第三产业占GDP比重对临海市水资源承载力水平动态变化的驱动影响较为突出。并根据分析结果，提出了促进临海市水资源承载力复合系统协调发展的措施。