葉海焯，董增川，杭慶豐，劉 淼，陸小明

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2.江蘇省水文水資源勘測局鹽城分局，江蘇 鹽城 224000；3.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029)

作為重要的自然資源之一，水資源往往成為區(qū)域社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的制約因素。隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，部分地區(qū)水資源供需矛盾愈發(fā)尖銳，出現(xiàn)水質(zhì)不達標、水生態(tài)惡化等嚴重問題[1]。因此，有必要了解區(qū)域水資源對社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀支撐狀態(tài)，并對未來可能出現(xiàn)的情況進行預警。自20世紀80年代末，新疆水資源軟科學課題研究組提出水資源承載力的概念后，學者們開展了大量關(guān)于水資源承載狀態(tài)評價的研究，相關(guān)成果主要集中在評價指標體系的構(gòu)建、評價方法的選擇等方面[2]。在綜合評價指標體系構(gòu)建方面，往往采用系統(tǒng)分析[3]或“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)”[4]的思路；常用的評價方法包括模糊綜合評價、主成分分析、投影尋蹤[5]等。但迄今為止，針對水資源承載狀態(tài)預警的相關(guān)研究較少。筆者按照水利部辦公廳“關(guān)于做好建立全國水資源承載能力監(jiān)測預警機制工作的通知”的相關(guān)要求并結(jié)合鹽城市水資源開發(fā)利用、社會經(jīng)濟發(fā)展特點，構(gòu)建鹽城市水資源承載狀態(tài)預警指標體系。引入“三類六級”(三類是指評價結(jié)果中超載、臨界超載、不超載三種承載狀態(tài)，六級是指Ⅴ級警度、Ⅳ級警度、Ⅲ級警度、Ⅱ級警度、Ⅰ級警度和無警六個警度)的預警思想，闡述承載狀態(tài)預警方法，以2015年為現(xiàn)狀年，對鹽城市2020年、2030年水資源承載狀態(tài)進行預警。

1 概況

鹽城市位于江蘇省中部，淮河入海尾閭、黃海之濱，是江蘇省省轄市中面積最大的市，總面積達 16 972 km2，2015年末常住人口722.85萬，地區(qū)生產(chǎn)總值4 212.5億元，人均GDP 58 299元。下轄響水、濱海、阜寧、射陽、建湖、亭湖、鹽都、大豐及東臺9個縣。鹽城市屬于北亞熱帶季風氣候，降雨豐沛，過境水量豐富，多年平均水資源總量為 47.89億m3。2015年全市降水量1 326.8 mm，年總用水量 54.41億m3(其中深層地下水0.629億m3)，總耗水量38.17億m3。全市地表水資源量79.47億m3,折合年徑流深510.8 mm。(研究數(shù)據(jù)及來源：①鹽城市水資源綜合規(guī)劃、鹽城市水資源保護規(guī)劃、鹽城市水資源公報、鹽城市水利現(xiàn)代化規(guī)劃；②鹽城統(tǒng)計年鑒、鹽城市國民經(jīng)濟發(fā)展統(tǒng)計公報、鹽城市土地利用總體規(guī)劃；③鹽城市地理位置及行政區(qū)劃圖、鹽城市河流水系圖等。)

2 鹽城市水資源評價預警指標體系構(gòu)建

2.1 評價指標的選取

區(qū)域水資源承載狀態(tài)是通過“水資源—水環(huán)境—社會—經(jīng)濟”這個復雜系統(tǒng)相互作用而表現(xiàn)出來的一種狀態(tài)，其中涉及水資源、水環(huán)境、社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境各個子系統(tǒng)內(nèi)部作用以及各個子系統(tǒng)之間的相互關(guān)聯(lián)和相互影響[6]。筆者在分析影響各個子系統(tǒng)運行主要因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合鹽城市實際情況，遵循可持續(xù)發(fā)展理論，分別從水資源、社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境4個子系統(tǒng)中選取15個指標，構(gòu)建水資源承載狀態(tài)預警指標體系。其中，水資源子系統(tǒng)包括水利工程設(shè)施完好率、用水總量控制指標比、地下水超采面積比、再生水利用率4個指標，分別反映區(qū)域水利工程、地表水、地下水、再生水情況；社會子系統(tǒng)包括人口密度、供水管網(wǎng)漏損率、城鎮(zhèn)生活污水集中處理率3個指標，表征居民生活及其用水、排污狀況；采用人均GDP、萬元工業(yè)增加值用水量、灌溉水利用系數(shù)、化肥施用強度、工業(yè)廢水排放達標率等指標表征經(jīng)濟水平及經(jīng)濟發(fā)展相關(guān)用水、排污情況；生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)則采用水功能區(qū)水質(zhì)達標率、城鎮(zhèn)綠化覆蓋率、水面率等指標反應(yīng)，見表1。

表1 水資源承載狀態(tài)評價預警指標體系

2.2 權(quán)重確定

層次分析法(AHP)能夠把決策者的主觀判斷和推理緊密地聯(lián)系起來，對決策者的推理過程進行量化描述，體現(xiàn)了決策思維過程中分解、判斷、綜合的基本特征，是一種有特點和優(yōu)點的多準則決策方法，因此近年來得到了廣泛應(yīng)用[7]。運用層次分析法的具體步驟如下：

a. 遞階層次結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建。將問題包含的因素分層：最高層(解決問題的目標)；中間層(實現(xiàn)總目標而采取的各種措施、必須考慮的準則等，也可稱為方略層、約束層或者準則層)；最底層(用于解決問題的各種措施、方案等)。

b. 構(gòu)造多因子比較矩陣。為了綜合不同方面專家的意見，主要采用發(fā)放專家意見調(diào)查表的方法。問卷中詳細介紹了各指標的具體內(nèi)容,并對評分標準進行說明。根據(jù)專家意見判斷其相對重要性,并將這些判斷用數(shù)值表示，得到一個n階互反性判斷矩陣A，即所謂的判斷矩陣。各指標層次排序標準見表2。

表2 層次排序標準

c. 因子權(quán)重系數(shù)的確定。對比較矩陣A，先計算出矩陣的最大特征根λmax，然后求出其相應(yīng)的規(guī)范化特征向量W，即AW=λmaxW，其中，W的分量(w1,w2,…,wn)就是對應(yīng)于n個因子的權(quán)重系數(shù)。

d. 求解特征向量和特征值。直接求解特征向量和特征值比較繁瑣，由于專家進行兩兩因子相對重要性比較的精度有限，在實際工作中采用近似算法可以簡易地計算權(quán)重系數(shù)。該方法的步驟：

對B按列規(guī)范化：

(1)

再按行相加求和數(shù)：

(2)

再規(guī)范化，即得權(quán)重系數(shù)Wi：

(3)

e. 一致性檢驗。為了檢驗層次分析法得出的結(jié)果是否合理，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗。所謂一致性，即指當X1比X2重要、X2比X3重要時，則認為X1一定比X3重要。判斷矩陣一致性指標CI與同階平均隨機一致性指標RI的比值稱為隨機一致性比率，即：CR=CI/RI。根據(jù)判斷矩陣的一致性準則，當CR<0.1時，就認為判斷矩陣具有滿意的一致性；否則，就需要不斷改動判斷矩陣，直到取得較為合理的一致性為止。

準則層及各子系統(tǒng)比較矩陣見表3～7。

表3 水資源子系統(tǒng)比較矩陣

表5 經(jīng)濟子系統(tǒng)比較矩陣

表6 生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)比較矩陣

表7 準則層比較矩陣

經(jīng)檢驗，各子系統(tǒng)指標比較矩陣以及準則層比較矩陣CR值均小于0.1，則認為以上矩陣具有合理的一致性。

f. 層次性總排序。利用同一層次中所有層次單排序的結(jié)果，就可計算針對上一層的本層次所有因素的重要性權(quán)值。

各指標權(quán)重計算結(jié)果見表8。

表8 鹽城市水資源承載狀態(tài)評價指標權(quán)重

2.3 評價標準確定

根據(jù)國際和國家標準、國家和地方發(fā)展規(guī)劃目標和要求、國際關(guān)于某些指標的發(fā)展規(guī)劃值和相關(guān)專家看法，結(jié)合鹽城市的實際情況，確定指標評價標準，見表9。

表9 鹽城市水資源承載狀態(tài)評價標準

注：數(shù)據(jù)來源于《鹽城市水利現(xiàn)代化規(guī)劃(2011—2020)》《江蘇省水利廳、省發(fā)展和改革委員會關(guān)于核準同意省轄市實行最嚴格水資源管理制度考核指標縣級(市、區(qū))分解方案的批復》《鹽城市水資源公報(2015年)》《鹽城市市區(qū)節(jié)水規(guī)劃》《鹽城節(jié)水型社會規(guī)劃》《江蘇基本實現(xiàn)現(xiàn)代化指標體系》《江蘇全面建成小康社會指標體系》等

2.4 評價及預警方法

2.4.1 評價方法

由于評價指標的分級標準是區(qū)間的概念，為了科學地對水資源承載狀態(tài)進行綜合評價，筆者采用可變模糊方法。該方法能夠科學、合理地確定樣本指標對各級指標標準區(qū)間的相對隸屬度，并且能夠通過變化模型及其參數(shù)，合理地確定樣本水資源承載能力的評價等級，提高對樣本等級評價的可信度[8]?？勺兡：ǖ闹饕砣缦拢?/p>

設(shè)水資源環(huán)境承載能力綜合評價的特性用m個指標特值指表示：

X=(xi)

(4)

式中：xi為指標i的特征值，i=1，2，…，m。m個指標按c個級別的指標標準特征值進行識別,則有m×c階指標標準特征值矩陣：

Y=(yih)

(5)

式中：yih為級別h指標i的標準特征值，其中h=1，2，…，c。

參照指標標準值矩陣和待評價區(qū)域的實際情況，確定水資源承載能力可變集合的吸引(為主)域矩陣與范圍域矩陣：

Iab=([aih,bih])

(6)

Icd=([cih,dih])

(7)

根據(jù)水資源承載能力分為c個級別的實際情況，確定吸引(為主)域[aih,bih]中DA(xi)h=1的點值Mih的矩陣：

M=(Mih)

(8)

判斷特征值xi在Mih點的左側(cè)還是右側(cè)，據(jù)此計算差異度DA(xi)h,再由式(9)計算指標對h級的相對隸屬度μA(xi)h矩陣：

Uh=(μA(xi)h)

(9)

模糊評價模型：

(10)

歸一化處理得到綜合相對隸屬度矩陣：

U=(uh)

(11)

采用p=1,α=1;p=1,α=2;p=2,α=1;p=2,α=2共4種參數(shù)情況進行計算，并采用4種情況的隸屬度均值作為最終結(jié)果。

最大隸屬度原則是模糊集合論中一個重要的判斷準則，具有簡明直觀的優(yōu)點，被廣泛運用于模糊集領(lǐng)域。但是最大隸屬度原則也有不適用性，當結(jié)果與2種或者2種以上級的隸屬度相近時，利用最大隸屬度原則不能作出合理的判斷[9]。為了解決最大隸屬度原則的不適用性，筆者采用級別特征值對狀態(tài)進行判斷。級別特征值H表示了h與uh分布列的整體相對特征，利用了狀態(tài)變量h的全部相對隸屬度信息，使樣本歸屬于何種狀態(tài)更加全面和客觀[10]。

H=(1,2，…，c)U

(12)

根據(jù)級別特征值，按照下式對評價結(jié)果進行判別：

(13)

2.4.2 預警方法

結(jié)合現(xiàn)狀年份(2015年)和未來年份(2020年、2030年)的評價結(jié)果，采用“三類六級”的預警思路，對鹽城市水資源承載狀態(tài)進行預警。對水資源承載狀態(tài)進行預警時，需要同時考慮預警年份評價結(jié)果及其與基準年份承載狀態(tài)的變化趨勢。其中，承載狀態(tài)的變化趨勢是指H值變化情況，如果預警年份H值小于基準年份，那么承載狀態(tài)呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)趨勢；反之，如果預警年份H值大于基準年份，則呈現(xiàn)出惡化趨勢。具體預警原則見表10。

表10 水資源承載狀態(tài)預警示意表

2.5 評價指標值的確定

以2015年作為基準年，在評價2015年、2020年和2030年鹽城市水資源承載狀態(tài)的基礎(chǔ)上，對2020年和2030年2個年份水資源承載狀態(tài)進行預警。預警指標值主要參考鹽城市相關(guān)規(guī)劃、公報、統(tǒng)計資料。具體指標值見表11。

表11 鹽城市水資源承載狀態(tài)預警指標值

根據(jù)式(13)確定級別特征值判別標準，當H<1.5時，則判定為該年份承載狀態(tài)為不超載；當2.5>H>1.5時，則判定該年份承載狀態(tài)為臨界超載；當H>2.5時，則判定該年份承載狀態(tài)為超載。

3 評價預警結(jié)果及分析

按照上述方法，分別計算鹽城市不同水平年承載狀態(tài)級別特征值，并按照式(13)的標準進行判別，結(jié)果如表12所示。結(jié)合鹽城市2020年和2030年的承載狀態(tài)評價結(jié)果和圖1所示承載狀態(tài)變化趨勢，清晰展示了從2015—2030年鹽城市水資源承載狀態(tài)的變化趨勢，對2020年和2030年的水資源承載狀態(tài)進行預警，結(jié)果如表13所示。可以看出，鹽城市2015和2020年水資源承載狀態(tài)處于臨界超載，2030年處于不超載狀態(tài)；同時，就預警結(jié)果可以看出，鹽城市2020年水資源承載狀態(tài)處于Ⅰ級警度，2030年處于無警的警度。

表12 鹽城市各水平年承載狀態(tài)評價結(jié)果

圖1 鹽城市水資源承載狀態(tài)變化趨勢

表13 鹽城市未來年份水資源承載狀態(tài)預警結(jié)果

鹽城市位處長江下游平原河網(wǎng)區(qū)，水資源具有總量充沛、年內(nèi)分配不均、水環(huán)境受上游影響大、水質(zhì)不容樂觀等特點；在社會經(jīng)濟方面，鹽城市以農(nóng)業(yè)用水為主，用水方式較為粗獷，面源污染不易控制，導致鹽城市現(xiàn)狀水資源處于臨界超載的狀態(tài)。針對鹽城市水資源稟賦條件和社會經(jīng)濟發(fā)展模式的特殊性，從水資源供給、需求以及水環(huán)境保護等方面提出了相應(yīng)保護措施，主要包括：蓄淡工程優(yōu)化布局、沿海地區(qū)非傳統(tǒng)水資源開發(fā)利用、產(chǎn)業(yè)布局調(diào)整、源頭治理、河道整治等方面，使鹽城市在未來年份水資源開發(fā)利用、水環(huán)境治理等方面有長足提高，水資源承載狀態(tài)也就隨之呈現(xiàn)出持續(xù)好轉(zhuǎn)的狀態(tài)。至2030年，鹽城市水資源承載狀態(tài)將處于無警的警度。

4 結(jié) 語

a. 通過引入“三類六級”預警思路，結(jié)合各年份

承載狀態(tài)的評價結(jié)果以及相應(yīng)的變化趨勢，對未來年份的水資源承載狀態(tài)進行預警，預警結(jié)果更加精細，為之后相關(guān)研究拓寬思路。

b. 鹽城市地處流域供水末梢區(qū)域，水功能區(qū)水質(zhì)狀況不容樂觀。同時，鹽城市以農(nóng)業(yè)為主，整體用水效率偏低，這造成鹽城市水資源承載現(xiàn)狀較差。在未來，隨著“水十條”“最嚴格水資源管理制度”等相關(guān)政策、措施的實施，鹽城市用水水平得到提高、水環(huán)境狀況持續(xù)改善，水資源承載狀態(tài)呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)的趨勢，故而預警警度逐漸減輕，至2030年，整體上為無警的警度。