任 博，曹永強，李可欣，楊雪婷，周姝含，趙 慧

(1.遼寧師范大學地理科學學院，遼寧 大連 116029；2.天津師范大學京津冀生態(tài)文明發(fā)展研究院，天津 300387)

水是人類賴以生存的資源。中國水資源呈現(xiàn)“東多西少，南多北少”的特點，水資源供需矛盾明顯，加之氣候變暖，淡水資源的短缺成為阻礙人類進步與發(fā)展的關(guān)鍵問題[1]。水資源承載力是指在一定的時段內(nèi)，支撐著區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，并能維持生態(tài)系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的最大水資源量[2]，提高水資源承載力水平，對于加強遼寧省生態(tài)環(huán)境保護與地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。工業(yè)發(fā)展和人口增長的過程中，水資源消耗量不斷增加，水資源短缺問題嚴重，探明區(qū)域水資源承載力成為至關(guān)重要的問題。

水資源承載力問題研究作為可持續(xù)發(fā)展研究和水資源安全戰(zhàn)略研究中的一個基礎科學問題，長期處于國內(nèi)外研究前沿。因此，國內(nèi)外在水資源承載力上做了大量的研究分析[3]，注重節(jié)約用水的提高。近些年，國家大力支持多項節(jié)水技術(shù)創(chuàng)新、新材料的改用、改造節(jié)水工藝，推行清潔生產(chǎn)，不斷促進水資源的重復利用率，使耗水量逐年減少，以提高水資源承載力，但與國外先進水平相比，仍有極大差距[4]。國外多在工業(yè)用水方面對污水處理和循環(huán)冷卻水部分進行研究，以此增強水資源承載力[5]。目前對水資源承載力的研究重點主要有：一是對水資源承載力評價，從而探究水資源所面臨的問題，提出相應的節(jié)水措施。例如鄭德鳳等[6]采用標準差橢圓、協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)等研究方法探究中國水資源承載力和城鎮(zhèn)化質(zhì)量的協(xié)調(diào)關(guān)系。余灝哲等[7]對京津冀水資源承載力進行綜合評價，從而發(fā)現(xiàn)京津冀水資源所面臨的問題。Barrington等[8]對煉油廠用水情況進行評價分析，確定出可行的節(jié)水措施，提高整個煉廠的用水水平，為實現(xiàn)污水零排放提供了一定的基礎。二是運用不同的預測模型對水資源承載力預警，以保護水資源安全。例如李琦蕓等[9]構(gòu)建了考慮供水與排污約束的南通市水資源-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)動力學模型，對南通市水資源承載狀態(tài)進行預警分析。李雨欣等[10]等利用ARIMA模型預測中國水資源承載力未來趨勢變化，發(fā)現(xiàn)在30～40°N部分地區(qū)，未來人均水資源生態(tài)盈虧有所惡化。三是探究突破水資源承載力上限所產(chǎn)生的影響以及對可持續(xù)發(fā)展的影響，例如HARRIS等[11]在分析農(nóng)業(yè)承載力的上限時，將水資源可利用量作為影響農(nóng)作物產(chǎn)量關(guān)鍵變量，并認為水資源可利用量對農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量和可持續(xù)發(fā)展有重要影響。Dai等[12]采用系統(tǒng)動力學方法提出了以人口和GDP為基礎的水資源承載力計算方法，為缺水地區(qū)尋找經(jīng)濟發(fā)展與水安全之間的平衡提供了信息。目前，在水資源承載力評價研究中，多集中對系統(tǒng)評價、預測和影響因素分析，缺少對評價系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)性分析，因此，本文探究影響水資源承載力的各子系統(tǒng)是否協(xié)調(diào)發(fā)展，尋找水資源實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的突破口，以此為遼寧省水資源管理和理論優(yōu)化提供依據(jù)。

遼寧省由于多年的粗放開采，工業(yè)化耗水量大，一直以來存在水資源短缺嚴重，供需矛盾突出等問題，缺水會阻礙遼寧省社會經(jīng)濟的發(fā)展，水資源也成為衡量地區(qū)經(jīng)濟和環(huán)境是否均衡發(fā)展的標準之一[13]。遼寧省立足于自身水資源短缺的情況，在《遼寧省國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標綱要》中提出：深入貫徹“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路[14]。遼寧省作為極度缺水地區(qū)，水資源特性已成為當前乃至今后影響和制約全省經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展的一個瓶頸問題。2020年遼寧省水資源總量341.79億m3，僅為全國水資源總量的(31 605.2億m3)的1.1%，隨著經(jīng)濟發(fā)展對水資源承載力提出了更高的要求[15]。在此背景下，應提高遼寧省水資源承載力，為全省水資源安全提供保證。正確評價和判斷遼寧省區(qū)域發(fā)展的水資源承載力，進而相應地制定與水資源相協(xié)調(diào)的發(fā)展戰(zhàn)略，對遼寧省水資源與國民經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系具有重要的現(xiàn)實意義。因此，本文以遼寧省為研究區(qū)，在對研究區(qū)2010—2020年水資源發(fā)展狀況探究的基礎上，構(gòu)建評價體系，結(jié)合層次分析法和熵權(quán)法計算權(quán)重，利用理想點法對遼寧省水資源承載力進行評價，并在此基礎上，利用耦合協(xié)調(diào)性評價水資源、社會、經(jīng)濟和生態(tài)4個子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展水平，為遼寧省水資源可持續(xù)發(fā)展方向提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

遼寧省南瀕黃海、渤海，南北、東西跨度均約為550 km，總面積14.8萬km2(圖1)，是東北地區(qū)通往關(guān)內(nèi)的交通要道，也是東北地區(qū)通向世界、連接歐亞大陸橋的重要門戶和前沿地帶[16]。受海洋性氣候影響顯著，自東南向西北由溫帶的半濕潤向半干旱過渡。水資源現(xiàn)狀：水資源總量年際變化較大，2021年人均水資源總量930.8 m3/人，遠低于全國人均水資源量(2 239.8 m3/人)；萬元工業(yè)增加值用水量17.7 m3，較2015年降低35.76%；目前遼寧省農(nóng)業(yè)用水效率86.47%，水資源供需矛盾突出，是北方嚴重缺水的省份之一[17]。《遼寧省“十四五”水安全保障規(guī)劃》提出到2025年，全省用水總量控制在162億m3以內(nèi)，全面推進全省節(jié)水行動。

圖1 遼寧省行政區(qū)劃

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2010—2020年各地市評價指標數(shù)據(jù)來源于《遼寧省統(tǒng)計年鑒》《遼寧省水資源公報》和《中國城市統(tǒng)計年鑒》等。文中出現(xiàn)的指標數(shù)據(jù)主要依據(jù)《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設指標(修訂稿)》《生態(tài)文明建設考核目標體系》《綠色發(fā)展指標體系》等。

2.2 研究方法

2.2.1AHP組合賦權(quán)法[18-19]

采用歸一化處理公式消除量綱差異性，從而建立標準矩陣y。正向指標歸一化計算式為：

(1)

負向歸一化計算式為：

(2)

式中xij、yij——遼寧省水資源、社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境各系統(tǒng)指標j關(guān)于樣本i的原始值及標準化值；maxxij、minxij——各系統(tǒng)指標j的最大、最小值。

各參數(shù)的熵值的表達式為：

(3)

(4)

式中ej——第j個指標的信息熵；k——標準化系數(shù)，即k=-lnn；pij——計算第i年份第j個指標占該指標的比重。

確定指標權(quán)重，計算見式(5)：

(5)

為了能夠避免強烈的主觀判斷對水資源承載力評價結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差，本文結(jié)合層次分析法和熵權(quán)法，主客觀相結(jié)合來修正指標權(quán)重，計算方法如下：

(6)

2.2.2基于理想點法的評價模型

修正后的指標權(quán)重wi更加準確地反映指標的重要程度，使得評價結(jié)果更加可信[19]。利用理想點法評價遼寧省水資源承載力的主要流程如下。

a)正、負理想點[20]。根據(jù)各指標對系統(tǒng)的相關(guān)關(guān)系可將理想目標劃分為正、負理想點，計算方法如下：

(7)

(8)

b)測度距離的計算[20]。正、負理想點與評價指標之間的綜合測度距離D1、D2考慮選用歐式距離來定義，其表達式為：

(9)

(10)

c)確定貼近度[18]。理想點貼近度U可反映水資源承載力水平，其是在各評價指標的綜合影響下形成，理想點貼近度的計算公式如下：

(11)

式中U——貼近正理想點程度的參數(shù)，取值區(qū)間為0—1，其值越大則越接近于正理想點。

2.2.3耦合協(xié)調(diào)度模型

水資源承載力是受多個子系統(tǒng)耦合作用形成的動態(tài)系統(tǒng)，分析水資源、社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境4個子系統(tǒng)之間相互影響的程度大小[21]，具體計算公式如下：

(12)

(13)

T=aU1×bU2×cU3×dU4

(14)

式中U1、U2、U3、U4——水資源、社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)承載力指數(shù)；C——耦合度；T——發(fā)展度；a、b、c、d——水資源、社會、經(jīng)濟、生態(tài)4個準則層權(quán)重系數(shù)，參照已有研究成果[21-22]，令a=b=c=d=1/4；D——耦合協(xié)調(diào)度。

根據(jù)梁建飛等[22]的相關(guān)研究，耦合協(xié)調(diào)度D劃分見表1。

表1 “水資源-社會-經(jīng)濟-生態(tài)”系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展水平度量標準

2.3 評價指標體系構(gòu)建

水資源承載力評價指標體系應反映“水資源-社會-經(jīng)濟-環(huán)境”系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律與質(zhì)量，水資源承載力受多方面因素影響[23]，確定指標體系要客觀地反映區(qū)域水資源條件、社會發(fā)展狀況和生態(tài)環(huán)境等方面(表2)。以遼寧省為研究對象，在左其亭等[2]、吳明艷等[24]學者研究基礎上，結(jié)合遼寧省各指標的發(fā)展特點和趨勢，科學地建立目標層、準則層、指標層。評價指標體系見表2，目標層為遼寧省省區(qū)水資源承載力綜合評價指數(shù)，反映水資源承載力水平；準則層包括水資源、社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境4個子系統(tǒng)；水資源準則層主要通過降水量和人均水資源量來聯(lián)系生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟社會，選取總耗水量等 5 個指標來表征[25]；社會準則層利用人口密度指標反映其對水資源造成的壓力，選取城鎮(zhèn)化率等 4 個指標表征[26]；經(jīng)濟準則層主要通過人均GDP、GDP年增長率來反映對水資源承載力的影響，經(jīng)濟水平的提高更利于管理水平及技術(shù)水平的提升，從而有利于水資源承載力的提升[27]；生態(tài)環(huán)境準則層主要分析污水處理及生態(tài)環(huán)境用水，從而反映生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)對水資源的影響[28]。科學地評價指標等級劃分顯著影響最終評價結(jié)果，根據(jù)相關(guān)研究成果，將評價指標等級分級標準由優(yōu)到劣分為5個等級：Ⅰ—Ⅴ級，分別代表可承載、弱可承載、臨界、超載、嚴重超載，再結(jié)合遼寧省各指標的發(fā)展特點和趨勢，參考目前比較公認的水資源承載能力評價指標分級標準及國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范[2,19]，合理設計指標的分級標準值。

表2 水資源承載力評價體系及等級劃分

3 結(jié)果分析

3.1 權(quán)重及各等級綜合貼進度的確定

評價指標結(jié)合AHP和熵權(quán)法進行評價，修改后的權(quán)重見表3?？梢钥闯?，修正之后降水量權(quán)重最大，為0.134，其次是第三產(chǎn)業(yè)比重、人均水資源量和污水處理率，權(quán)重分別是0.094、0.078、0.078。萬元工業(yè)增加用水的修正權(quán)重最小，為0.019?？傮w而言，修正后的指標權(quán)重更加貼近實際，完善了因2種方法的不足而造成評價結(jié)果脫離實際情況的問題[29]。

表3 修正后的權(quán)重系數(shù)計算結(jié)果

3.2 遼寧省水資源承載力評價

評估系統(tǒng)對2010—2020年這16個指標的數(shù)據(jù)值進行了標準化，并利用水資源承載力評估模型計算了每個指標的理想點接近度。根據(jù)評價等級分類標準，得出了2010—2020年的承載力水平。從時間上看，研究期內(nèi)遼寧省各地市的水資源承載力呈波動特征，總體范圍在0.4～0.8，評價指數(shù)均值由2010年的0.517增大到2020年的0.662，提高了23.40%，見表4。

表4 2010—2020 年遼寧省各地市水資源承載力水平

遼寧省各地市水資源承載力時間變化趨勢見圖2，每隔5年監(jiān)測一次，遼寧省各地區(qū)水資源承載力水平均在Ⅱ—Ⅳ級，研究期內(nèi)評價等級逐漸提高。從空間上看(圖2)，2010年，大連市、沈陽市、丹東市和本溪市水資源承載力為Ⅳ級，大連市水資源承載力水平表現(xiàn)最差(0.478)，其余地級市均為Ⅲ級，其中阜新市表現(xiàn)最好，其理想點貼近度值為0.567；2015年，大部分地級市仍為Ⅲ級，其中盤錦市水資源承載力水平呈現(xiàn)最低值為0.504，阜新市、錦州市、鞍山市和葫蘆島市水資源承載力為Ⅱ級，其中錦州市理想點貼近度最高為0.629；2020年所有地級市水資源承載力均為Ⅱ級，一半的地級市承載力水平高于全省平均水平，其中錦州市水資源承載力表現(xiàn)最高為0.716，大連市水資源承載力表現(xiàn)最低為0.631。由此可以看出，中西部地區(qū)水資源承載力變化最為明顯。

a)2010年

3.3 遼寧省水資源系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)性分析

通過式(12)—(14)，計算2010—2020年遼寧省水資源、社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)性，耦合度一直呈現(xiàn)高度耦合階段，耦合度指數(shù)在0.875 4～0.978 4，呈逐年增長趨勢，水資源承載力耦合協(xié)調(diào)性由2010年的0.643 6增大到2020年的0.825 7，總體呈波動上升，處于初級協(xié)調(diào)向中級協(xié)調(diào)過渡。從空間上來看(圖3)，2010年除沈陽市以外其他地級市協(xié)調(diào)水平在0.6～0.7，處于初級協(xié)調(diào)水平，耦合協(xié)調(diào)度最低值為鐵嶺市0.631 7，最高值為沈陽市0.709 4，處于中級協(xié)調(diào)水平。2015年遼寧省所有地級市協(xié)調(diào)水平在0.7～0.8，處于中級協(xié)調(diào)水平。2020年遼寧省所有地級市均表現(xiàn)為良好協(xié)調(diào)的狀態(tài)，沈陽市、盤錦市、丹東市耦合協(xié)調(diào)水平最高，其中沈陽市為0.859 3，朝陽市、阜新市、鐵嶺市協(xié)調(diào)性較差，其中鐵嶺市為0.713 8。從時間上看(圖4)，各地市系統(tǒng)間耦合協(xié)調(diào)度指數(shù)均呈波動增長態(tài)勢，2010—2015年耦合協(xié)調(diào)性增長幅度比2015—2020年大，沈陽市耦合協(xié)調(diào)性變化最明顯，由2010年0.709 4增長至2020年0.859 3，阜新市變化幅度最小由2010年0.654 1增長至2020年0.731 1。

圖3 遼寧省水資源空間耦合協(xié)調(diào)性

圖4 遼寧省水資源時間耦合協(xié)調(diào)性

3.4 水資源承載力原因變化分析

a)遼寧省水資源承載力穩(wěn)定性較差。2010—2020年，遼寧省水資源承載力呈現(xiàn)波動特征，水資源承載力隨著降水量和人均水資源呈正相關(guān)。由表4可知，錦州市相對于其他地級市，水資源承載力發(fā)展較好，主要由于該市工業(yè)用水量較少；大連市、沈陽市等地區(qū)經(jīng)濟水平高，社會發(fā)展迅速，工業(yè)用水量增加且人口多，人均水資源量低于全省平均水平，水資源可持續(xù)性低，用水矛盾問題突出[30]。除2016、2019年外，大連市的水資源承載力為全省最低，與其他城市相比，其水資源質(zhì)量和數(shù)量都相對較差。在營口市、葫蘆島市和丹東市等人均水資源量和年降水量相對豐富的地區(qū)，城市居民的生活用水較少，用水效率較高，污水處理率高于全省平均水平[31]，因此水資源承載力水平較高。遼寧省水資源承載力最值差異顯著，表明遼寧省水資源時空分布極其不均衡。東部山區(qū)水資源豐富，人口稀少，工業(yè)不發(fā)達，工農(nóng)業(yè)水資源壓力小，水資源承載力水平較高；中部和沿海地區(qū)人口稠密，是遼寧省重要的工商業(yè)谷物基地，經(jīng)濟發(fā)展迅速，供用水矛盾日益突出[32]。隨著人民生活水平的提高，對水環(huán)境的要求也越來越高，人們已經(jīng)不能忍受主要河流的持續(xù)枯竭[33]，加之水資源分布空間差異明顯，對化工產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定性和集聚性產(chǎn)生極大不利影響，因此導致水資源承載力出現(xiàn)顯著空間差異。

b)行業(yè)用水矛盾突出。通過計算遼寧省各地級市2010—2020年水資源承載力可知，行業(yè)用水矛盾突出的地區(qū)水資源承載力較低，例如大連市的每年水量僅有16.47億m3，生活用水量約為2.88億m3，城鎮(zhèn)人均占有量僅為450 m3，遠低于世界人均水平的標準(1 000 m3)。主要是由于該地區(qū)工業(yè)發(fā)展水平較高，GDP增長率迅速，人口數(shù)量和總耗水量急劇增大，使得大連市缺水現(xiàn)象屢屢發(fā)生，嚴重制約經(jīng)濟的發(fā)展。此外，生活垃圾和工業(yè)污水造成水環(huán)境污染嚴重，破壞水系生態(tài)平衡[34]。同時，水資源系統(tǒng)受到破壞，也會進一步加大水資源供需缺口矛盾，加劇阻礙大連市區(qū)域發(fā)展[35]。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文從生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟、社會與水資源4個子系統(tǒng)構(gòu)建水資源承載力評價指標體系，利用AHP-熵權(quán)法計算權(quán)重，并采用理想點法評價方法確定遼寧省各年份水資源承載力等級，評價各子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)性。主要結(jié)論如下。

a)2010—2020年期間遼寧省各地區(qū)承載力總體呈現(xiàn)上升趨勢，總體范圍在0.4～0.8，水資源承載力評價等級位于Ⅱ—Ⅳ級，區(qū)域空間差異明顯，其中大連市和沈陽市等地區(qū)的水資源承載力較差，錦州市水資源承載力較好,2020年三市水資源承載力分別為0.631、0.614、0.716。

b)遼寧省水資源耦合協(xié)調(diào)水平在0.6～0.9，處于初級協(xié)調(diào)向中級協(xié)調(diào)過渡，最后表現(xiàn)為良好協(xié)調(diào)的狀態(tài)，其中沈陽市綜合評價最高為0.859 3，鐵嶺市最低為0.713 8。水資源、社會、經(jīng)濟、生態(tài)4個系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)性從高到低為：經(jīng)濟>社會>生態(tài)>水資源。

c)遼寧省水資源承載力主要受降水量、污水處理率、水資源量和第三產(chǎn)業(yè)比重的影響，因此應大力宣傳綠色發(fā)展理念，嚴格控制水資源使用，加強節(jié)約用水管理，提高水資源利用效率，合理設定水資源管理控制指標，實現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展。

4.2 討論

以往對遼寧省的水資源承載能力分析多停留在評價區(qū)域承載力大小上，對于連同水資源承載力系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)同發(fā)展研究較少?；诖耍梃b已有學者的研究，構(gòu)建“水資源-社會-經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境”系統(tǒng)，一方面剖析了遼寧省水資源承載力水平時空演變特征，另一方面揭示耦合演變趨勢，以期為提升遼寧省水資源承載力起到積極作用。

基于研究結(jié)論，遼寧省多年水資源承載力呈增加的趨勢，水資源承載力空間差異明顯。與經(jīng)濟和社會子系統(tǒng)相比，水資源和生態(tài)子系統(tǒng)承載力水平相對滯后。影響遼寧省水資源承載力的因素眾多，其中受降水量、第三產(chǎn)業(yè)比重、人均水資源量和污水處理率的影響較大，除此與自然人口增長率、總耗水量和GDP增長率等因素也是相關(guān)的[36]。其中，水資源量、降水量和生態(tài)環(huán)境與自然資源環(huán)境密切相關(guān)，在發(fā)展經(jīng)濟的同時，需要在現(xiàn)有水資源量和降水量的基礎上加強對水資源的利用效率[37]；此外，污水的合理回收循環(huán)處理和利用成為需要解決水資源短缺關(guān)鍵，兼顧對生態(tài)環(huán)境的有效保護，促進生態(tài)效益的提升[38]。分析顯示遼寧省水資源均衡性問題依然突出，供水安全保障程度不高。當前，隨著遼寧省社會經(jīng)濟發(fā)展步伐的加快，要合理考慮“水資源-社會-經(jīng)濟-生態(tài)”系統(tǒng)性因素在水資源承載力中的占比情況，科學調(diào)整水系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，開展新型水資源技術(shù)的研發(fā)，針對性地提出促進水資源承載力提高的有效措施，在穩(wěn)定發(fā)展水資源的同時兼顧生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境的適宜性追求經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益一體化[39]。

由于數(shù)據(jù)的可獲取性，本文指標數(shù)據(jù)存在一定的局限性，就研究內(nèi)容和研究對象而言，在今后研究中，將考慮水質(zhì)等生態(tài)環(huán)境指標，未來在提高遼寧省水資源承載力方面，完善水治理體系，提升水治理能力，提升涉水事務監(jiān)管能力和水平，提升用水計量、工程安全、河湖管理等方面自動監(jiān)測能力，全面整合水利信息系統(tǒng)及各類水利數(shù)據(jù)資源，提升水利信息化智慧化水平；進一步完善水利工程建設與運行、水資源管理、河湖管理、水災害防御、水土保持、水庫移民、農(nóng)村供水等重點領(lǐng)域管理標準規(guī)范；提高水資源利用率，促進遼寧省水資源向均衡協(xié)調(diào)方向發(fā)展。