華 佳，柏雙友，李治陽，周宏倉

（1.無錫環(huán)境科學與工程研究中心，江蘇 無錫 214153；2.南京信息工程大學 環(huán)境科學與工程學院， 江蘇 南京 210044）

1 研究背景

近年來，在快速城市化和經濟持續(xù)高速發(fā)展背景下，我國城市水資源供需矛盾日益突出，已成為制約許多城市社會經濟持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一，城市化水平和水資源利用的相互關聯(lián)機制成為研究熱點。國外關于城市化與水資源關系的研究始于1980年代。目前，大多數(shù)發(fā)達國家已進入城市化發(fā)展后期并實現(xiàn)了需水零增長，其研究內容主要為水環(huán)境污染和水資源管理。中國的相關研究始于20世紀末，研究主要集中在城市水質、水量供求和水循環(huán)等單個方面。如田禹等［1］通過對山東省城市化發(fā)展與污水排放關系的研究，認為隨著山東省城市化的快速發(fā)展，污水排放量呈上升趨勢；王東東等［2］研究表明，隨著城市化進程的加快，水資源的供需矛盾變得日益突出；姜昀等［3］研究了城市化進程引起的水文演化規(guī)律，并提出多種水文循環(huán)演化的解決對策。也有學者研究了水資源約束下的城市化進程，如鮑超等［4］探討了與水資源約束相適應的城市化發(fā)展模式，陳妍彥等［5］探討了在水資源總量控制約束下，用水和產業(yè)結構的關系。這些研究從不同角度和層次對城市化與水資源關系進行了探索，取得了一定成果。目前，國內外關于城市化發(fā)展與水資源系統(tǒng)關系的研究還存在很多不足之處，主要體現(xiàn)在：對城市化和水資源單方面的靜態(tài)研究較多，對二者相互關系動態(tài)演變及趨勢預測的研究較少；關于城市化發(fā)展對水資源產生影響作用的研究多，而有關水資源對城市化發(fā)展反作用機制的研究較少；對西北等干旱、半干旱地區(qū)的研究較多，對相對豐水地區(qū)（如沿海地區(qū)）的研究很少。

淮安市雖被譽為“運河之都”，其人均可利用的水資源只占全國人均指標的四分之一，是典型的水資源短缺城市，在蘇北城市中具有代表性。本文基于淮安市［6-9］和全國［10-11］2005—2014年間水資源利用及社會發(fā)展相關數(shù)據(jù)，分析淮安市用水指標及與城市化水平的關聯(lián)性，預測該市人均需水量和水資源人口承載力。以期為提高淮安市用水效率、促進節(jié)水節(jié)能、提升用水管理水平以及制定科學的水資源遠景規(guī)劃提供實證依據(jù)。

2 研究方法

灰色關聯(lián)分析法是根據(jù)比較數(shù)列曲線與參考數(shù)列曲線間的幾何相似程度來判斷兩數(shù)列間的關聯(lián)程度［12-16］。在水資源承載力評價系統(tǒng)中，分別將用水指標和城市化指標作為參考序列和比較數(shù)列，用灰色系統(tǒng)評價原理來評價兩序列的關聯(lián)度，找出與人均用水量變化呈較強相關性的用水指標，用多元回歸分析法建立人均需水量預測模型［17］，對用水潛力和人口承載力進行預測。

2.1 城市化水平指標的劃分為了能夠全面反映水資源利用和城市化水平之間的相互關系，本文在諸多城市化影響因素中選取城市化率（X1）、產業(yè)結構（X2）、經濟發(fā)展水平（X3）和居民生活水平（X4）作為淮安市城市化水平的衡量指標。

（1）城市化率X1：

式中，X1為農業(yè)人口轉化為城市人口的比率，反映了農村生活方式向城市生活方式、農村傳統(tǒng)自然經濟向城市社會化大生產轉變程度。

（2）產業(yè)結構X2：

式中，X2為反映國民經濟各產業(yè)部門之間以及各產業(yè)部門內部的構成比例，合理的產業(yè)結構有利于國民經濟的平穩(wěn)快速發(fā)展。

（3）經濟發(fā)展水平X3：

式中，X3為衡量經濟發(fā)展狀況的指標，是了解和把握一個國家或地區(qū)宏觀經濟運行狀況的有效工具，反映了經濟的發(fā)達程度。

（4）X4=居民可支配收入。X4為反映居民生活狀況和生活質量的重要指標，是居民儲蓄、消費支出和非義務性支出之和。

2.2 用水指標選取用水指標有多種，本文選取人均用水量（Y1）、萬元GDP用水量（Y2）、萬元工業(yè)增加值用水量（Y3）、農田灌溉畝均用水量（Y4）和水資源產出率（Y5）等5個典型指標進行分析。

其中：

式中，工業(yè)用水量指工業(yè)企業(yè)在生產過程中用于制造、加工、冷卻、空調、凈化、洗滌等方面的用水量（不包括企業(yè)內部的重復利用水量）；工業(yè)增加值是指工業(yè)企業(yè)總產值減去物質產品和勞務價值后的差值，是生產過程中新的價值。

式中，水資源產出率是指消耗單位水資源所產出的產值，該項指標的比率越高，水資源利用效益越好。

2.3 城市化水平與用水指標的灰色關聯(lián)分析方法

（1）確定參考數(shù)列和比較數(shù)列。分別將X1、X2、X3和X4等城市化水平指標和Y1、Y2、Y3、Y4和Y5等用水指標作為參考數(shù)列和比較數(shù)列。

（2）對參考數(shù)列和比較數(shù)列進行無量綱化處理。采用均值化方法（將數(shù)列各項與平均值相比）形成新數(shù)列。

（3）求參考數(shù)列與比較數(shù)列的灰色關聯(lián)系數(shù)ξ(ki)［18］

式中，ρ取0.5。

（4）求關聯(lián)度ri

式中，ri值越接近1，說明相關性越好。

（5）關聯(lián)度排序。對關聯(lián)度大小排序，以判斷待識別對象對研究對象的影響程度。

2.4人均需水量Cp的預測［13］將人均需水量作為因變量y，將各影響因素作為自變量xi（i=1，2…，n），對于已有的一組數(shù)據(jù)，因變量y與其相應自變量xi之 間的關系可以描述為：

該公式可表示為Y=XB。其中的Y、X和B分別為：

自變量x的選取要考慮與人均需水量Cp的相關性，本文將其確定的多元回歸預測模型表示為：

式中：Cp為人均需水量（m3/人·年）；Qs為總用水量（億m3/年）；Wi為萬元工業(yè)增加值用水量（m3/萬元）；Vw為水資源產出率（元/m3）；Wa為農田灌溉畝均用水量（m3/畝）。

3 淮安市用水指標分析

3.1 人均用水量2005—2014年間淮安市、江蘇省和全國人均用水量比較見圖1。近10年來，淮安市人均用水量雖有波動，但基本維持在670 m3/人·年左右。江蘇省人均用水量約為690 m3/人·年，近年有下降趨勢。對全國而言，這一指標多年維持在450 m3/人·年左右。雖然江蘇省是水資源大省，目前人均用水量較高，但可用的水資源量低于全國平均水平。特別是淮安市，可利用的水資源只占全國人均指標的四分之一，而人均用水量比全國平均水平高出48.9%，隨著城市化的快速推進，淮安市對水資源的需求和依賴越來越大，節(jié)水建設迫在眉睫。

圖1 淮安市、江蘇省和全國的人均用水量比較

3.2 萬元GDP用水量和水資源產出率2005—2014年間淮安市、江蘇省和全國的萬元GDP用水量比和水資源產出率的比較見圖2。萬元GDP用水量反映了單位地區(qū)生產總值的用水效率，水資源產出率反映了單位水量對地區(qū)生產總值的貢獻率。這兩個用水指標從不同視角對用水效率作出詮釋。淮安市2005年的萬元GDP用水量為636 m3/萬元，遠高于江蘇省的284 m3/萬元和全國的304 m3/萬元；同時當年淮安市、江蘇省和全國的水資源產出率分別為15.7、35.9和33.0元/m3。用水效率的排序為：江蘇?。救珖净窗彩校梢娀窗彩械挠盟史浅５拖?。

隨著近年來人們節(jié)水意識提高、節(jié)水技術的應用和節(jié)水型社會建設的推進，我國用水效率得以大幅提高。到2014年，淮安市、江蘇省和全國的萬元GDP用水量分別降為130、73.8和96 m3/萬元，水資源產出率分別提高到77.1、135.4和104.3元/m3。盡管淮安市的用水效率提高較大，仍然沒有達到江蘇省甚至全國的平均水平，還有較大的提升空間。

圖2 淮安市、江蘇省和全國的萬元GDP用水量和水資源產出率比較

3.3 萬元工業(yè)增加值用水量萬元工業(yè)增加值用水量是指在工業(yè)生產中每生產1萬元工業(yè)增加值所需的水量。該指標既能反映工業(yè)行業(yè)用水效率的高低，也能反映工業(yè)產業(yè)結構調整對工業(yè)用水和節(jié)水的影響，比萬元工業(yè)產值用水量更能體現(xiàn)水資源投向產品附加值高、技術密集產業(yè)的優(yōu)化配置水平。

2005—2014年間淮安市、江蘇省和全國的萬元工業(yè)增加值用水量比較見圖3。10年間淮安市（除2006年指標異常外）、江蘇省和全國的萬元工業(yè)增加值用水量分別從2005年的83、64和169 m3/萬元下降到2014年的14.3、17.4和59.5 m3/萬元，工業(yè)生產用水效率都在提高。從2008年開始，淮安市工業(yè)用水效率不僅比全國平均水平高出較多，還超過了全省的平均水平，這與該市部門結構調整和用水定額下降有關，也與該市嚴格限制工業(yè)清潔水取用、努力提高工業(yè)用水重復利用率有關。例如，2015年淮安市工業(yè)用水重復利用率已達93%，超過國家節(jié)水型城市考核標準10個百分點。

3.4 農田灌溉畝均用水量農田灌溉畝均用水量反映了農業(yè)生產的用水效率。由于農業(yè)生產在用水結構中所占比重較大，因此這一指標對總用水量的影響比較關鍵。2005—2014年間淮安市、江蘇省和全國的農田灌溉畝均用水量比較見圖4。

圖3 淮安市、江蘇省和全國的萬元工業(yè)增加值用水量比較

圖4 淮安市、江蘇省和全國的農田灌溉畝均用水量比較

總體而言，淮安市、江蘇省和全國的農田灌溉畝均用水量呈下降趨勢，它們分別從2005年的540、442和448 m3/畝下降到2014年的382、433和402 m3/畝，但下降幅度較小，農業(yè)用水效率提高緩慢。對于這一指標，淮安市近兩年基本和全省、全國處在同一水平上。這種情況也說明我國在解決農業(yè)用水效率方面還沒有取得重大進展，應當成為未來節(jié)水型社會建設的重點關注方向。

4 淮安市用水指標與城市化指標關聯(lián)度分析

有研究表明，城市化水平同用水效率之間關系密切［19］，對城市節(jié)水建設具有指導價值。用水效率主要體現(xiàn)在用水指標上，因此，本文基于淮安市2005—2014年間城市化指標（城市化率X1、產業(yè)結構X2、經濟發(fā)展水平X3、居民生活水平X4）和用水指標（人均用水量Y1、萬元GDP用水量Y2、萬元工

業(yè)增加值用水量Y3、農田灌溉畝均用水量Y4、水資源產出率Y5）的基礎數(shù)據(jù)，利用2.3所述灰色關聯(lián)分析方法對二者進行關聯(lián)性分析。

4.1城市化（Xi）對用水指標（Yi）的關聯(lián)度城市化對用水指標關聯(lián)度的分析結果見表1。

表1 Xi-Yi關聯(lián)度分析結果

根據(jù)關聯(lián)度劃分標準，當關聯(lián)度 ri∈［0，0.35），為弱關聯(lián)；ri∈［0.35，0.65），為中度關聯(lián)；ri∈［0.65，1］，為強關聯(lián)。從表1關聯(lián)度分析可以看出，產業(yè)結構與城市化率對人均用水量、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量和農田灌溉畝均用水量等4個用水指標的影響較大，其關聯(lián)度為強關聯(lián)；居民生活水平和經濟發(fā)展水平對這4個用水指標的影響較小，為中度關聯(lián)。在城市化水平指標中，產業(yè)結構和城市化率是“因”、經濟發(fā)展水平和居民生活水平是“果”。即只有合理調整產業(yè)結構、并提高城市化率促進農村剩余勞動力轉移，才有利于城市社會經濟的快速發(fā)展，進而促進居民生活水平的提升。關聯(lián)性分析結果提示我們，提高城市用水效率要以產業(yè)結構調整為抓手，綜合運用經濟、政策和技術手段，才能達到較好的效果。

另外，經濟發(fā)展水平和居民生活水平與水資源產出率表現(xiàn)出強關聯(lián)性。因為科技進步與經濟發(fā)展是相互促進、協(xié)同發(fā)展的，水資源產出率的提高與節(jié)水技術進步有關，上述強關聯(lián)性正是體現(xiàn)了經濟發(fā)展與技術進步之間的相互關系。水資源產出率越高用水效率越好，提高城市用水效率不能單靠某項技術措施，而應從經濟社會發(fā)展的全局考慮、綜合解決。

4.2用水指標（Yi）對城市化（Xi）的關聯(lián)度用水指標對城市化的關聯(lián)度的分析結果見表2。

表2 Yi-Xi關聯(lián)度的分析結果

從表2關聯(lián)度分析可以發(fā)現(xiàn)：（1）人均用水量、萬元工業(yè)增加值用水量和農田灌溉畝均用水量等3個用水指標對城市化率和產業(yè)結構的影響較大，為強關聯(lián)；而水資源產出率和萬元GDP用水量的影響較小，為中度關聯(lián)。（2）水資源產出率、人均用水量和萬元工業(yè)增加值用水量等3個用水指標對經濟發(fā)展水平和居民生活水平的影響較大，為強關聯(lián)；而農田灌溉畝均用水量、萬元GDP用水量對經濟發(fā)展水平和居民生活水平的影響較小，為中度關聯(lián)。

從這些結論可以看出，農業(yè)生產和工業(yè)生產用水效率對城市化發(fā)展的影響較大，城市化進程必須將產業(yè)結構合理調整放到一個重要位置。

5 淮安市用水潛力預測

在一定時期內，一個城市可利用的水資源總量（本地水資源量、區(qū)外調水量、污水和雨水的資源化利用量）是能夠預測的。用水潛力預測的準確性主要取決于人均需水量預測的準確性。在城市各項用水指標中，如果能找到與人均需水量相關的要素并建立相關模型，就可以利用歷史數(shù)據(jù)模擬出符合未來發(fā)展的人均需水量，進而就可以較準確地計算出水資源的人口承載力，為城市發(fā)展的未來規(guī)劃提供支撐依據(jù)。

5.1 人均需水量模型的建立經過第4章中的灰色關聯(lián)分析可以看出，淮安市人均用水量的變化趨勢與總用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、水資源產出率的變化趨勢呈現(xiàn)出較強的相關性。因此，采用2.4節(jié)中多元回歸分析法來研究包含上述指標在內的數(shù)學關系，建立人均需水量預測模型。

將淮安市2005—2014年用水指標的原始數(shù)據(jù)列于表3，并對表3中的數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到人均需水量的多元回歸模型：

為檢驗回歸效果，利用該多元回歸模型對歷年人均用水量擬合，結果見圖5；對模型的檢驗結果見表4。

表3 2005—2014年用水指標原始數(shù)據(jù)

圖5 多元回歸分析人均需水量數(shù)據(jù)擬合

本例R=0.9836表明自變量與因變量之間高度正相關。復測定系數(shù)是R2，用以表征自變量解釋因變量變差的程度，測定擬合效果。本例中R2為0.9675，即自變量可解釋因變量變差的96.75%。調整后的R2為0.9415，與R比較接近，自變量能說明因變量的94.15%，僅有5.85%由其他因素來解釋。一般而言，調整后的復測系數(shù)大于0.85即表明關系顯著，本例為0.9415，說明回歸模型比較可靠。此外，本例回歸分析的平均相對誤差僅為0.01%，最大相對誤差也只有-1.41%，說明具有較好的擬合效果。P值為0.0007，小于0.05的顯著性水平，說明本例回歸效果顯著。

表4 模型檢驗參數(shù)

5.2 淮安市人均需水量預測通過以上分析可以看出，在水利部門規(guī)劃好未來某年該市的總用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、水資源產出率和農田灌溉畝均用水量等具體指標的前提下，可以利用上述回歸模型對人均需水量進行預測，以此為依據(jù)進一步對該市的水資源人口承載力進行計算。

根據(jù)《淮安市水利現(xiàn)代化規(guī)劃（2011—2020）》［20］，2020年淮安市的萬元工業(yè)增加值用水量規(guī)劃指標為18 m3/萬元，水資源產出率規(guī)劃指標為100元/m3，用水總用水量規(guī)劃指標為32億m3/年，農田灌溉畝均用水量規(guī)劃指標為510 m3/畝。將上述指標數(shù)據(jù)代入回歸模型，可以計算出2020年淮安市的人均用水量為562 m3/人·年。

5.3 淮安市水資源人口承載力分析由以上分析可知，到2020年，淮安市用水總量控制目標為32億m3，預測的人均需水量為562 m3/人·年，據(jù)此可以計算得出淮安市2020年水資源可承載人口為569萬。這一預測值與《淮安市城市總體規(guī)劃2009—2030》中規(guī)劃的中期目標（2020年）總人口560萬人非常接近［21］。

需要指出的是，目前對用水總量的控制主要是針對取用水量，即地表水和地下水資源。隨著科技的進步和人們環(huán)保意識的不斷增強，污水處理的成本越來越低，再生利用水等非常規(guī)水源正在成為水資源利用的一種重要補充。因此，城市水資源的人口承載力也會得到相應提高。

6 結論

（1）淮安市可利用的水資源量僅為全國人均指標的四分之一，但近年來該市人均用水量維持在670 m3/人·年左右，比全國平均水平高出48.9%，節(jié)水建設迫在眉睫。

（2）2005—2014年間，盡管淮安市萬元GDP用水量不斷降低、水資源產出率不斷升高，用水效率提高明顯，但仍沒達到江蘇省甚至全國的平均水平，還有較大提升空間。

（3）近年淮安市工業(yè)用水效率不斷提升，不僅比全國平均水平高出較多，還超過了全省平均水平，進步較大；淮安市農田灌溉畝均用水量逐年下降，但降幅較小，近兩年基本和全省、全國處在同一水平上。

（4）淮安市的產業(yè)結構與城市化率對人均用水量、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量和農田灌溉畝均用水量等4個用水指標的影響較大，屬于強關聯(lián)；居民生活水平和經濟發(fā)展水平對這4個用水指標的影響較小，為中度關聯(lián)。提高城市用水效率應綜合運用經濟、政策和技術手段，才能達到較好的效果。

（5）淮安市人均用水量、萬元工業(yè)增加值用水量和農田灌溉畝均用水量等3個用水指標與城市化率和產業(yè)結構之間為強關聯(lián)關系；水資源產出率、人均用水量和萬元工業(yè)增加值用水量等3個用水指標與經濟發(fā)展水平和居民生活水平之間也呈強關聯(lián)。農業(yè)生產和工業(yè)生產用水效率對城市化發(fā)展影響較大，城市化進程應將產業(yè)結構調整放到一個重要位置。

（6）根據(jù)淮安市人均需水量預測結果，在制定該市未來發(fā)展規(guī)劃時應充分考慮用水指標和城市化水平之間的關聯(lián)性，兼顧水資源利用量、利用效率和城市發(fā)展規(guī)模，將淮安市2020年人均需水量控制在562 m3/人·年左右，人口控制在569萬人左右。