江苏省水资源空间均衡评价

王泽斌，陶佳辉，尹 鑫，张海滨，施小清

（1.南京大学地球科学与工程学院水科学系，江苏南京 210023；2.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029）

0 引言

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源［1］。随着我国经济社会的快速发展，水资源供需矛盾突出，水资源空间分布与经济社会布局不匹配，引起水资源空间不均衡，严重制约区域可持续发展［2］。针对水资源问题，习近平总书记于2014年提出了“十六字”治水思路，突出强调了新时期治水必须始终坚守“空间均衡”重大原则［3］。

江苏省地处长江经济带，其具有的水资源时空分布不均、人均水资源占有量较低等特点已成为制约经济社会高质量发展的重要因素［4，5］。因此，开展江苏省水资源空间均衡的评估研究对于指导其水资源管理和区域高质量发展具有重要意义。

目前，水资源空间均衡研究受到广泛关注。金菊良等［2］指出水资源空间均衡评价指标体系的构建与评价方法的选取是水资源空间均衡评价的两大关键问题。在评价指标体系方面，马睿等［6］以水资源禀赋及供用水、经济社会、粮食和能源、水资源与水环境承载状况等5 个方面作为子系统，构建黄河流域空间均衡评价指标体系；金菊良等［7］从“水资源空间均衡就是区域水资源承载支撑力与承载压力在空间分布的协调程度”这一角度出发，基于水资源承载力与压力两个子系统构建指标体系。迄今，鲜有研究将反映水的需求、水的开发、水的供需3 个方面的水资源空间均衡基本特征作为子系统，构建更具有针对性的评价指标体系。

在评价方法方面，当前水资源空间均衡研究主要有基尼系数［8］、空间均衡系数［9］、集对分析联系度［10］、可变模糊集［11］等方法。其中，联系度方法可定量刻画评价样本与评价等级之间的不确定性关系［7，12，13］，但对于评价等级间的模糊性描述不足，在等级判断时存在信息丢失问题［14］，而可变模糊集方法可以更准确的反映评价等级间的模糊性［11，15-17］。已有研究表明集对分析与可变模糊集方法应用于水资源空间均衡评价具有适用性［11］，但研究侧重于两种方法评价结果的综合分析，未能实现方法间的优势互补。应进一步构建耦合模型开展评价研究，提高评价结果的分辨率。

为此，依据水资源空间均衡理论内涵，以水资源空间均衡基本特征作为子系统，针对性地选取指标。将集对分析与可变模糊集方法相结合，定量刻画水资源-经济社会-生态环境复合系统的模糊不确定性特点，构建集对分析-可变模糊集耦合模型。选取江苏省为研究对象开展实例研究，评价江苏省13个地级市2010-2019年水资源空间均衡程度。通过模型评价结果对比分析，检验其合理性，以期为江苏省水资源管理和区域高质量发展的政策制定提供参考。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

江苏省地处长江、淮河下游，省内分布长江、太湖、淮河和沂沭泗四大水系。江苏省湖泊众多，水网密布，海陆相邻，水域面积占国土面积16.9%，素有“水乡”之称。江苏省水资源呈现南多北少的空间分布，具有汛期集中，季节分配不均的特点；江苏省降水相对丰富，且过境水量丰沛；根据国家统计局数据，2020 年末江苏省人均水资源量641.3 m³，人均水资源量远低于全国人均水平（2 239.8 m³）。

1.2 数据来源

水资源及用水指标数据主要来自于《全国第三次水资源调查评价》、江苏省及各地市2010-2019 年《水资源公报》；经济社会指标数据来自于《江苏省统计年鉴》；生态环境指标数据主要来自于江苏省及各地市2010-2019年《环境状况公报》。

2 评价方法

2.1 水资源空间均衡基本特征

围绕水资源空间均衡理论内涵，王浩等［18］阐述了水资源空间均衡的概念，提出面向水资源系统空间均衡的优化协同配置方案；左其亭等［19］认为水资源空间均衡是指某一特定空间区域下水资源与经济社会、生态环境系统之间的相对平衡状态；郦建强等［20，21］指出水资源空间均衡的核心为“以水定需”，空间均衡评价应抓住“水”、“需”、“定”三个核心要素，进而提出评价体系的构建应基于契合内涵的“水的需求刚性合理、水的开发规模适度、高质量供需平衡”三大空间均衡基本特征。在此基础上，结合江苏省实际情况，水资源空间均衡基本特征具体表现为：①水资源需求刚性合理：对需求侧，合理的生活、生产用水要予以满足，用水合理程度要与区域经济社会发展水平相适应；②水资源开发规模适度：对供给侧，水资源的开发利用不应超过区域水资源承载能力；③高质量供需平衡：对供需两侧，在节水优先的前提下，通过动态双向调节缓解区域缺水程度，同时保障生态用水、提升水生态水环境质量，最终实现区域水资源空间均衡。

2.2 评价指标体系及等级标准

2.2.1 指标体系

建立水资源空间均衡评价指标体系是构建评价模型的基础和前提。将上述水资源空间均衡基本特征作为评价子系统，针对性地选取指标，建立如表1 所示的水资源空间均衡评价指标体系。

表1 水资源空间均衡评价指标及权重、等级划分标准Tab.1 Evaluation index and weight，classification standard of water resources spatial equilibrium

对于水资源需求刚性合理特征，选取万元GDP 用水量等4项指标反映需求侧生产、生活用水合理程度及用水效率；考虑到用水合理程度应与区域经济社会发展水平匹配，选取人均GDP 指标表征区域经济社会发展水平。对于水资源开发规模适度特征，选取降水量、人均水资源量2项指标体现区域水资源禀赋条件；选取水资源开发利用率指标判断区域水资源开发利用是否规模适度，并依据《水资源规划规范》（GB∕T 51051-2014）进行指标值计算；选取再生水利用率指标表征区域供水结构合理程度。对于高质量供需平衡特征，考虑到水资源供需平衡应以节约用水为前提，选取城市供水公共管网漏损率等3项指标表征区域生产、生活节约用水水平；选取缺水率指标表征区域水资源供需平衡程度，基于河道外供需平衡差进行指标值计算［22］；参考《全国第三次水资源调查评价》与已有研究［2］，选取生态水位∕水量满足程度指标表征区域生态用水满足情况，选取I-III 类水质河长占比、水功能区水质达标率、饮用水水源地水质达标率3 个指标分别反映区域河流、各类水域以及饮用水水质。

2.2.2 指标等级标准

评价指标等级划分是集对分析中常用的指标分类方法，同时也是集对分析的基础性工作［7］。参考已有研究［10，11］，将水资源空间均衡程度划分为“不均衡（I）”、“较不均衡（II）”、“临界均衡（III）”、“比较均衡（IV）”、“均衡（V）”共5 个等级，进而依据水利部、江苏省政府颁布的标准和规划目标，咨询相关专家意见并结合各指标极值与均值等，以指标区间阈值将评价指标划分为5个等级，指标等级划分标准如表1所示。

2.3 模型构建

在建立评价指标体系、划分指标等级的基础上，采用层次分析-熵权法确定指标权重；将集对分析（Set Pair Analysis，SPA）理论中联系度概念与可变模糊集（Variable Fuzzy Set，VFS）理论中相对隶属度概念相结合，构造函数使得评价指标、样本只与相邻等级存在模糊隶属关系；最终通过级别特征值法与属性识别法确定指标、样本评价等级［23］。综上，构建集对分析-可变模糊集耦合模型（Set Pair Analysis-Variable Fuzzy Set Coupling Model，SPA-VFSCM），具体计算步骤如下：

（1）确定指标权重。指标权重的合理性是综合评价的重点，已有SPA-VFSCM 模型仅以单一的主观或客观赋权方法确定指标权重，模型评价结果可靠性有待于提高［14，23-25］。对此，采用层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）计算指标主观权重ω′［26］，采用熵权法计算指标客观权重ω′′［27］，进而采用拉格朗日乘子法求解AHP-熵权法的组合权重ω［28］。计算公式为：

（2）计算模糊联系度。基于SPA、VFS 理论，构造函数式计算单指标模糊联系度uijkg：

式中：i代表评价样本；j代表子系统；k代表评价指标；g代表指标等级；xijk为评价样本值；sgjk为指标的标准值。

（3）计算相对隶属度。基于单指标联系度uijkg与VFS 理论，得到样本隶属于等级g的归一化综合隶属度向量vig计算公式为：

式中：ωjk为子系统j中指标k的权重；ωj为子系统j的权重。

（4）级别特征值法与属性识别法确定评价等级。考虑到基于最大隶属度原则的模糊识别可能造成结果失真，将级别特征值作为评价等级值，以提高精度。样本评价等级hi计算公式为：

为增强评价结果的合理性，同时采用属性识别法，评判样本的水资源空间均衡程度等级［23，29，30］。计算公式为：

式中：hi′为属性识别评判等级；λ为置信度，一般在[0.5，0.7]内取值［30］，为得到较为稳妥的评价结果，取λ=0.5。

3 结果与讨论

3.1 模型计算结果

利用式（1）计算得到的主客观兼备的评价指标组合权重见表1，评价体系中水资源需求刚性合理子系统、水资源开发规模适度子系统、高质量供需平衡子系统权重分别为0.308、0.297、0.395。

限于篇幅，以南京市（2019 年）为例，展示样本评价计算过程。由式（2）～式（3）计算得到的综合相对隶属度向量vig=[0.165，0.094，0.132，0.274，0.335]，由式（4）～式（5）分别计算得到级别特征值hi=3.52，评判等级hi′=4，为IV 级。相同地，由式（2）～式（5）计算得到的江苏省各地市2010-2019 年水资源空间均衡级别特征值、评判等级结果见表2、3。

表2 江苏省水资源空间均衡评价级别特征值Tab.2 Level eigenvalue of water resources spatial equilibrium in Jiangsu Province

3.2 江苏省水资源空间均衡评价等级分析

根据表3 选取2010、2013、2016、2019 年评价结果绘制江苏省各地市水资源空间均衡等级分布情况，见图1。为便于分析江苏省水资源空间均衡空间分布差异，参考《江苏省城镇体系规划》，考虑水资源禀赋、经济发展水平、生态功能定位等要素将13 个地市划分为三大研究区域：①沿江地区（南京、镇江、扬州、泰州、常州、无锡、苏州、南通）；②江淮地区（淮安、宿迁、徐州）；③沿海地区（连云港、盐城）。

表3 江苏省水资源空间均衡评价等级Tab.3 Level of water resources spatial equilibrium in Jiangsu Province

由表2 与图1（a）可知，2010 年沿江地区除泰州评价等级为II 级外，其余地市达到III 级；江淮地区徐州评价等级为II 级，淮安、宿迁评价等级达到III级；沿海地区连云港、盐城评价等级均为II级，级别特征值分别为2.24、2.46。

由表2 与图1（b）可知，2013 年沿江地区的苏州、无锡评价等级提升至IV 级，泰州由II 级提升至III 级，其余地市评价等级仍为III 级。通过分析指标可发现2010 年至2013 年，苏州农田灌溉水有效利用系数C3由0.604 增加到0.652，I～III 类水质河长占比C5由26.82%增加到30.50%。可见，节水水平以及水质的提升是苏州市评价等级变化的主要原因。无锡万元GDP 用水量A1由58.88 m³∕万元减少至43.58 m³∕万元，农田单位面积灌溉用水量A4由6 780 m³∕hm2减少至5 835 m³∕hm2；而泰州万元工业增加值用水量A3由30.21 m³∕万元减少为13.46 m³∕万元、农田灌溉单位面积用水量A4由8 835 m³∕hm2减少到7 200 m³∕hm2。可见，用水效率的提高是无锡、泰州评价等级提升的主要因素。江淮地区徐州评价等级提升至III级，主要原因为万元工业增加值用水量A3由34.49 m³∕万元减少到16.59 m³∕万元，用水效率提升；城市供水公共管网漏损率C1由15.60%降低到14.00%、农田灌溉水有效利用系数C3由0.538 增加到0.598，节水水平提高。沿海地区连云港、盐城评价等级仍为II 级，其级别特征值分别为2.36、2.59，未有明显改善。

图1 江苏省水资源空间均衡等级分布Fig.1 Distribution of water resources spatial equilibrium level in Jiangsu Province

由表2 与图1（c）可知，至2016 年，沿江地区除南通以外，其余地市评价等级均达到IV级。南通水资源禀赋条件稍差，水资源承载能力较弱，且该市再生水利用率较低，供水结构不够合理，导致其评价等级相对滞后；江淮地区地市评价等级仍为III级；沿海地区盐城市用水效率提升，例如万元GDP 用水量A1由2013 年的155.42 m³∕万元降低至121.42 m³∕万元；节水水平有明显改善，例如城市供水公共管网漏损率C1由2013 年的13.00%降低到7.97%，导致其评价等级提升至III 级。连云港市级别特征值虽由2010年的2.24提升至2.49，但评价等级仍为II级。

由表2与图1（d）可知，至2019年，沿江地区除扬州外，其余地市评价等级维持于IV 级。造成扬州评价等级由IV 级降至III级的原因为：尽管该市用水效率有所提高，例如万元工业增加值用水量A3由2016年的42.17 m³∕万元减少为29.06 m³∕万元，但其降雨量B1695.0 mm 相比于2016 的1 475.5 mm 明显减少，其水资源承载能力下降，最终导致评价等级降低。结合级别特征值分析可以发现，与2016-2018 年相比，2019 年扬州市级别特征值（3.26）略有降低。

综上所述，从空间分布角度分析，江苏省沿江地区各地市的水资源空间均衡程度相对较高，沿海地区连云港、盐城市相对较差。从动态变化角度分析，2010-2019年沿江地区除泰州、扬州外，其余地市评价等级由III 级提升至IV 级，其中苏州、无锡级别特征值相对较高；泰州评价等级由II 级提升至IV 级，改善幅度最大；扬州评价等级于2016年提升至IV 级，2019年降至III 级。江淮地区中宿迁、淮安评价等级维持在III 级，徐州与沿海地区连云港、盐城评价等级由II级提升至III级。需进一步通过指标评价等级分析连云港与盐城均衡程度滞后的原因。

3.3 沿海地区指标评价等级分析

基于模型计算结果，连云港、盐城市2019 年水资源空间均衡指标评价等级见图2。

图2 沿海地区水资源空间均衡指标评价等级Fig.2 Index evaluation level of coastal area

由图2可知，连云港市与盐城市万元GDP用水量A1、再生水利用率B2、人均水资源量B4、水功能区水质达标率C64 项指标评价等级同为I 级；连云港市与盐城市水资源开发利用率B32项指标同为II 级，连云港市饮用水源地水质达标率C7为II 级，盐城市工业用水重复利用率C2为II级。综上，导致沿海地区两市水资源空间均衡程度相对滞后的主要因素为万元GDP 用水量、再生水利用率、人均水资源量、水功能区水质达标率以及水资源开发利用率。

3.4 结果对比分析

为检验模型结果可靠性，选取2019年耦合模型评价等级结果分别与集对分析方法、可变模糊集方法的评价结果进行对比分析，3种方法评价等级结果见图3。

图3 3种方法评价等级结果对比Fig.3 Comparison of evaluation level results in three methods

由图3可知，耦合模型评价结果与集对分析方法、可变模糊集方法评价结果一致率分别为53.85%、84.62%。由于集对分析方法的评价准则为最大隶属度原则，可能存在等级判断信息丢失问题，导致部分地市评价等级相比于耦合模型的评价结果提高了一个等级，其中无锡、常州、苏州、南通的评价等级达到V级，与实际情况不符；可变模糊集方法在评价过程中权向量与所构建模糊矩阵可能不匹配，影响评价结果分辨率，这导致连云港、镇江的评价等级相比于耦合模型的评价结果降低了一个等级，其中连云港评价等级为II 级，同样与实际情况不符。由此可见，3 种方法中，集对分析方法的评价等级整体偏高，可变模糊集方法整体上趋于保守，而耦合模型位于二者之间，这一规律在前人对于区域地下水水质评价的研究中也得到了证实［25］。因此，构建的耦合模型评价结果与已有方法评价结果基本一致且更为客观，表明集对分析-可变模糊集耦合模型应用于江苏省水资源空间均衡程度评价合理可行。

4 结论

（1）从空间分布角度分析，江苏省沿江地区各地市的水资源空间均衡程度相对较高，沿海地区连云港、盐城市相对较差。从动态变化角度分析，2010-2019年江苏省沿江地区中南京、无锡等5 个地市空间均衡程度由临界均衡提升至比较均衡，泰州由较不均衡提升至比较均衡，扬州市于2016年由临界均衡提升至比较均衡，后于2019年降至临界均衡；江淮地区中淮安、宿迁市均衡程度维持于临界均衡，徐州与沿海地区连云港、盐城市均衡程度由较不均衡提升至临界均衡；连云港、盐城市均衡程度相对滞后。

（2）连云港、盐城市水资源空间均衡程度相对滞后的主要影响因素为万元GDP 用水量、再生水利用率、人均水资源量、水功能区水质达标率以及水资源开发利用率。因此，可考虑新增外调水源并设置不同节水情景，进一步深入研究江苏省沿海地区水资源空间均衡程度优化调控方案。

（3）模型评价结果与集对分析方法、可变模糊集方法评价结果基本一致，且更为客观。依据水资源空间均衡基本特征构建评价指标体系并基于耦合模型评价区域水资源空间均衡程度合理可行。