尹杰杰，崔遠(yuǎn)來，劉方平，許亞群，劉 博(. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 40072；2.水利部淮河水利委員會，安徽 蚌埠 200；. 江西省灌溉試驗中心站，南昌 020)

水資源短缺及由其引起的一系列嚴(yán)重后果，已經(jīng)成為我國經(jīng)濟社會發(fā)展的主要限制因素之一。水資源承載力的研究是對水資源短缺、水環(huán)境惡化等一系列問題的直接回應(yīng)[1]，也是我們選擇合理的經(jīng)濟社會發(fā)展模式的理論支撐，因此，水資源承載力的研究具有十分重要的理論和實際意義。本文以鄱陽湖流域典型灌區(qū)為背景開展水資源承載力研究，主要有以下兩個方面的原因：一是2011年，國務(wù)院發(fā)布中央1號文件強調(diào)“推進最嚴(yán)格的水資源管理制度”后，江西省《江西省人民政府關(guān)于實行最嚴(yán)格水資源管理制度的實施意見》“贛府發(fā)[2012]29號”文件規(guī)定，撫河流域分配給贛撫平原灌區(qū)的地表水量為10.08億m3(未計張王廟水電站發(fā)電用水量)，供水量大幅度減??；而隨著江西省大力推進工業(yè)化、城鎮(zhèn)化政策的實施，城鎮(zhèn)生活用水、企業(yè)生產(chǎn)用水、特別是城區(qū)環(huán)境用水將日益增多[2]，灌區(qū)缺水形勢將會非常嚴(yán)峻。二是目前水資源承載力的研究多集中在面上，即流域和較大區(qū)域?qū)用?，即使是點上的研究也多為城市層面的，與宏觀大尺度相比，小尺度上水資源承載力研究的結(jié)果對于社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整的指導(dǎo)實際意義更大。灌區(qū)是一個以農(nóng)業(yè)灌溉用水為主的綜合區(qū)域，除灌溉用水外，還包括農(nóng)村生活、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)、環(huán)境生態(tài)等用水，其社會經(jīng)濟組成及用水結(jié)構(gòu)與流域及城市有很大區(qū)別，水資源承載力分析的指標(biāo)及方法也會存在差異，基于此，本文以贛撫平原灌區(qū)為背景開展研究，以期擴展水資源承載力研究的內(nèi)容。

1 贛撫平原灌區(qū)概況

贛撫平原灌區(qū)位于江西省贛中偏北部(東經(jīng)115°31′～116°10′及北緯28°00′～28°40′之間)，地處贛江和撫河下游三角洲地帶，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，總面積約2 000 km2，耕地面積13.3萬hm2，設(shè)計灌溉面積8萬hm2。灌區(qū)供水分為東、西總干，均從撫河引水，年平均引水總量約為36.83億m3，主要用于農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電，同時向城鎮(zhèn)提供生活用水、工業(yè)用水及環(huán)境用水。目前，灌區(qū)各用水戶實際用水總量為10.68億m3(未計張王廟水電站年均發(fā)電用水量10.80億m3)，水資源供應(yīng)情況比較樂觀，但是由于工程老化失修、用水管理不到位等各種原因，大量水資源被浪費，水資源綜合利用程度很低。

2 研究方法

水資源承載力研究在我國起步較晚，但是發(fā)展迅速，研究方法從過去的單一指標(biāo)、靜態(tài)分析發(fā)展到綜合多指標(biāo)、動態(tài)分析，研究領(lǐng)域由較大的流域尺度發(fā)展到較小的城市尺度，甚至是深入到更小的區(qū)域或各行業(yè)內(nèi)部[3]。水資源承載力具有影響因素多，模糊性和不確定性的特點[4,5]，模糊綜合評價法是在考慮影響水資源承載力的各因素與參考指標(biāo)相關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上對承載力進行的綜合評價，彌補了只考慮單承載因子的不足[6]，且其結(jié)果清晰，系統(tǒng)性較強，所以本文采用模糊綜合評價法。

2.1 模糊綜合評價模型

設(shè)評價因素集合U={u1,u2,…,um}，評語集合V={v1,v2,…,vn}。首先對因素集U中的單因素ui(i=1,2,…m)作單因素評價，從因素ui著眼確定該事物對評價等級vj(j=1,2,…,n)的隸屬程度(可能性程度)rij，這樣就可以得到因素ui的單因素評價集ri=(ri1,ri2,…,rin)，它是評語集V上的模糊子集，這樣m個因素的評價集就構(gòu)造出一個總的評價矩陣R：

R即是因素集合U到評語集合V的一個模糊關(guān)系，rij表示因素ui對評價等級vj的隸屬度。

單因素評價是比較容易辦到的，但是對于多因素評價，就要考慮各因素在總評價中的影響程度，其影響程度的大小形成因素集U上的一個模糊子集A，A=(a1,a2,…,am)(0≤ai≤1)，ai為ui對A的隸屬度，它是表示單因素ui在總評定因素中所起作用大小的變量。則模糊綜合評價即表示為下列模糊變換B=A*R，為V上的模糊子集。B可以表示為B={b1,b2,…,bn}(0≤bi≤1)，bj為等級vj對綜合評定所得模糊子集B的隸屬度，它們表示綜合評價的結(jié)果。

2.2 評價指標(biāo)的選取、分級和評分

水資源承載力綜合評價指標(biāo)體系是對區(qū)域水資源、社會、經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r進行綜合評價與研究的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。本文根據(jù)灌區(qū)水資源特性，遵循全面性、層次性、簡明性、可操作性、動態(tài)性和差異性原則[1,7]，綜合頻度統(tǒng)計與理論分析方法，即對目前有關(guān)承載力研究和灌區(qū)評價研究報告和論文進行頻度統(tǒng)計選取其中使用頻次較高的指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合贛撫平原灌區(qū)水資源時空分布狀況、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、社會經(jīng)濟發(fā)展總體部署等條件，選取適合該地區(qū)的評價指標(biāo)體系，將水資源子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)作為水資源承載力目標(biāo)的準(zhǔn)則層，再根據(jù)準(zhǔn)則層所描述問題的性質(zhì)及內(nèi)涵，選取18個指標(biāo)(表1)。

指標(biāo)體系建立以后，需要對各單項指標(biāo)進行分析，確立其合理的取值范圍和分級標(biāo)準(zhǔn)。將研究區(qū)水資源承載力劃分為4種狀態(tài)，各單項指標(biāo)也相應(yīng)地劃分為4個等級[1,8](表1)。V1級屬情況很好，表示本區(qū)水資源有較大的承載力，水資源的供給情況比較樂觀；V2級屬情況適中，表示水資源開發(fā)利用已經(jīng)初具規(guī)模，但仍有較大的開發(fā)利用潛力，區(qū)內(nèi)水資源對社會經(jīng)濟的發(fā)展有較好的保障；V3級屬情況較差，表示水資源開發(fā)利用已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)囊?guī)模，但仍有一定的開發(fā)利用潛力，區(qū)內(nèi)水資源對社會經(jīng)濟的發(fā)展有一定的保障；V4級屬情況很差，表示水資源承載力已經(jīng)接近飽和值，進一步開發(fā)會對水資源系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)等造成破壞，這時應(yīng)采取相應(yīng)的政策。

2.3 評價指標(biāo)隸屬度計算

隸屬函數(shù)的建立是模糊數(shù)學(xué)應(yīng)用的關(guān)鍵，根據(jù)隸屬函數(shù)，可確定各指標(biāo)實際值的隸屬度，進行單因素評價，并得到隸屬函數(shù)關(guān)系矩陣。隸屬函數(shù)的種類有很多，選取不當(dāng)會偏離實際情況，影響計算結(jié)果。這里綜合各指標(biāo)數(shù)據(jù)分布特征，隸屬函數(shù)采用“降半梯形分布”。當(dāng)評價指標(biāo)越小越優(yōu)時，各指標(biāo)對V1，V2，V3，V4級水資源承載力的隸屬度函數(shù)為：

(1)

表1 各評價因素分級指標(biāo)

(2)

(3)

(4)

式中：a1為V1級與V2級的臨界點；a4為V3級與V4級的臨界點；a2為V2級的中間值；a3為V3級的中間值。

對于越大越優(yōu)型指標(biāo)，隸屬度函數(shù)的計算公式，只需將上式(1)～(4)中的≤、<改為≥、>，將≥、>改為≤、<。

為了更直觀的反映水資源承載力情況，對各等級分別賦予0～1之間的數(shù)值來反映各等級因素影響水資源承載力的程度，取值越高，表示水資源的開發(fā)潛力越大，分別取a1=0.95，a2=0.70，a3=0.40，a4=0.05[9]。按式(5)分析計算基于綜合評價結(jié)果矩陣B的水資源承載力的綜合評分值：

(5)

式中：θ為基于綜合評價結(jié)果矩陣的水資源承載力的綜合評分值；bkj為評價結(jié)果B中各等級隸屬度的值；k值是為了突出占優(yōu)勢等級的作用，通常k=1[8]。

3 結(jié)果與分析

3.1 模糊綜合評價計算

根據(jù)我國短期和長期國民經(jīng)濟發(fā)展目標(biāo)，結(jié)合贛撫平原灌區(qū)發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃，設(shè)計出灌區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展模式，進行發(fā)展模式下灌區(qū)需水量和供水量預(yù)測，并查閱相關(guān)文獻(xiàn)，得到灌區(qū)在現(xiàn)狀年及規(guī)劃年的評價指標(biāo)數(shù)據(jù)(表2)。

表2 評價指標(biāo)數(shù)據(jù)

根據(jù)各評價指標(biāo)對水資源承載力的影響大小，結(jié)合贛撫平原灌區(qū)的實際情況運用層次分析法，對影響贛撫平原灌區(qū)水資源承載力的各指標(biāo)進行權(quán)重系數(shù)的計算，得權(quán)重矩陣A={0.077 2,0.178 6,0.168 2,0.041 7,0.040 8,0.030 0,0.019 0,0.011 4,0.060 0,0.030 8,0.098 2,0.059 4,0.016 4,0.048 6,0.023 7,0.062 2,0.011 7,0.022 1}。在影響贛撫平原灌區(qū)水資源承載力的18個指標(biāo)中，按照重要性排序為x2>x3>x11>x1>x16>x9>x12>x14>x4>x5>x10>x6>x15>x18>x7>x13>x17>x8，人均水資源占有量、供水模數(shù)、萬元GDP用水量、水資源開發(fā)利用程度是影響贛撫平原灌區(qū)水資源承載力的最主要因子，總權(quán)重為0.522 2；其他14個指標(biāo)的影響相對較小，人均糧食占有量、工業(yè)用水重復(fù)利用率、水質(zhì)河長達(dá)標(biāo)比例、城鎮(zhèn)污水處理率4個指標(biāo)的權(quán)重均在0.02以下，對水資源承載力的影響非常小。

根據(jù)表2，按式(1)～式(4)分別計算出贛撫平原灌區(qū)各指標(biāo)因素在不同年份關(guān)于V1、V2、V3和V4的隸屬度矩陣。結(jié)合上述權(quán)重矩陣，可以計算出贛撫平原灌區(qū)水資源承載力的最終評價結(jié)果矩陣B(表3)，進一步按式(5)可以計算出贛撫平原灌區(qū)水資源承載力的綜合評分值(表3)。

表3 贛撫平原灌區(qū)水資源承載力綜合評價結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

由表3可見，2013年、2020年和2030年，贛撫平原灌區(qū)水資源承載力綜合評分值分別為0.603 4、0.590 3和0.653 8，均處于中等偏上水平，表明本區(qū)水資源開發(fā)利用已經(jīng)初具規(guī)模，但仍有較大的開發(fā)利用潛力，水資源對社會經(jīng)濟發(fā)展有較好的保障。3個年份評價結(jié)果對于V1和V2兩個等級的總隸屬度分別為0.609 7、0.663 1和0.718 7，對前兩個等級均有較大的隸屬度，表明本區(qū)水資源承載狀況良好。其中2013年評價結(jié)果更趨向于V1等級，2020年和2030年評價結(jié)果更趨向于V2等級，但是2020年的評價結(jié)果對V1等級的隸屬度較小，而2030年評價結(jié)果對V1等級的隸屬度是最大的。灌區(qū)水資源承載力隨規(guī)劃年時間的變化趨勢是先有小幅下降，然后大幅上升，2030年水資源承載力綜合評分值比現(xiàn)狀年高0.050 4，水資源承載狀況表現(xiàn)為良好的發(fā)展態(tài)勢。

為了更加清楚地反映上述趨勢產(chǎn)生的內(nèi)部原因，本文對影響水資源承載力的18個指標(biāo)和4個子系統(tǒng)進行獨立的模糊綜合計算，得到各指標(biāo)的評價結(jié)果(圖1)以及各子系統(tǒng)的綜合評價結(jié)果(圖2)。

圖1 灌區(qū)不同水平年指標(biāo)評價結(jié)果

圖2 灌區(qū)不同水平年水資源承載力子系統(tǒng)評價結(jié)果

由圖1、圖2可見，水資源子系統(tǒng)綜合評分值隨不同年型先有較大幅度的下降，然后在遠(yuǎn)期規(guī)劃年有小幅下降。這是因為撫河供水對灌區(qū)水資源承載力具有重要的支撐作用，現(xiàn)狀年撫河供水充沛，水量豐富，評分值較大；規(guī)劃年實行取水總量控制，撫河供水量分配指標(biāo)驟減，灌區(qū)出現(xiàn)水資源短缺現(xiàn)象，水資源系統(tǒng)指標(biāo)尤其是缺水率指標(biāo)(x4)評分值大幅下降，供水形勢不容樂觀。

社會子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)的綜合評分值隨規(guī)劃年時間呈穩(wěn)步上升的趨勢，現(xiàn)狀年和2020年評分值均小于0.5，處于較低水平；2030年評分值大于0.6，社會經(jīng)濟子系統(tǒng)對水資源承載力的支撐力有所提高。分析其原因，現(xiàn)狀年人口增長率(x5)、城鎮(zhèn)化率(x6)、農(nóng)業(yè)灌溉用水定額(x12)、政府水利投資比例(x15)、萬元GDP用水量(x11)和灌溉水利用系數(shù)(x14)6項指標(biāo)評分值很低，尤其是前4項指標(biāo)，評分值低于0.1，說明灌區(qū)的社會發(fā)展水平和節(jié)水程度相對較低，嚴(yán)重制約著水資源承載力的提高。2020年和2030年，隨著灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造進程的推進及節(jié)水防污型社會的建設(shè)，水資源利用率大幅度提高，尤其是農(nóng)業(yè)節(jié)水效果非常顯著，人口增長率、城鎮(zhèn)化率、萬元GDP用水量和灌溉水利用系數(shù)四項指標(biāo)評分值增大，社會經(jīng)濟子系統(tǒng)表現(xiàn)為良性發(fā)展態(tài)勢。但是，農(nóng)業(yè)灌溉用水定額和政府水利投資比例表現(xiàn)較差，社會經(jīng)濟子系統(tǒng)評分值依然不高，水資源系統(tǒng)面臨著社會經(jīng)濟發(fā)展帶來的巨大壓力。

生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)評分值均在0.9以上，表現(xiàn)良好。主要是因為近年來南昌市立志打造“中國水生態(tài)文明城市”，灌區(qū)對水資源利用引發(fā)的水環(huán)境問題高度重視，生態(tài)環(huán)境用水量占總用水量的比例較大，城鎮(zhèn)污水處理率和污水排放達(dá)標(biāo)率穩(wěn)步增長，水污染及農(nóng)田水環(huán)境問題得到改善。

4 結(jié) 語

贛撫平原灌區(qū)水資源開發(fā)利用已經(jīng)初具規(guī)模，但仍有較大的開發(fā)利用潛力，本區(qū)水資源對社會經(jīng)濟發(fā)展有較好的保障。由于近期水平年供水量分配指標(biāo)驟減，灌區(qū)水資源承載力小幅下降；隨著水利工程改造和節(jié)水型社會的建設(shè)，水資源利用率大幅度提高，遠(yuǎn)期水平年水資源承載力又有所增強，灌區(qū)水資源承載狀況表現(xiàn)為良性發(fā)展態(tài)勢。但是從長期規(guī)劃來看，隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化水平的提高，工業(yè)、城鎮(zhèn)生活和生態(tài)環(huán)境需水量將會有較大幅度的增加，在供水總量一定的情況下，遠(yuǎn)期內(nèi)水資源承載力必將呈現(xiàn)下降的趨勢。因此，對于解決該區(qū)水資源短缺的危機，除提高水資源利用效率外，還應(yīng)增加水資源的使用外延，如通過加大撫河供水、有效利用雨水、洪水資源化、污水處理等，不斷提高灌區(qū)水資源承載力。

現(xiàn)狀年贛撫平原灌區(qū)水資源盈余，規(guī)劃年出現(xiàn)水資源短缺的狀況，但是遠(yuǎn)期規(guī)劃年水資源承載力卻大于現(xiàn)狀年，這也從側(cè)面反映出模糊綜合評價法側(cè)重的是水資 源-社會-經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)性的研究[10]，其結(jié)果并不是水資源對當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展的最大支撐能力[8]，這是目前水資源承載力研究方法普遍存在的一個問題。

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