黃初龍

(泉州師范學院資源與環(huán)境科學學院,福建泉州 362000)

福建省社會經濟轉型期水資源供需平衡趨勢分析

黃初龍

(泉州師范學院資源與環(huán)境科學學院,福建泉州 362000)

為了預測處于社會經濟轉型期的福建省各地市水資源供需平衡能力發(fā)展趨勢,構建了水資源供需平衡預測指標體系。采用情景分析法、非線性回歸法、自動回歸法對各指標變量進行預測,采用AHP賦權、加權求和法分析福建省各地市水資源供需平衡態(tài)勢。結果表明,除漳州外,各地市水資源供需平衡水平趨強,但增速減緩。由于水資源豐度、供水能力、用水效率、需水趨勢各領域指數(shù)對水資源供需平衡水平貢獻的變化,應注意因地因時調整水資源供需對策。

水資源供需平衡;指標體系;非線性回歸分析;福建省

福建省水資源以降水補給為主,降水時空分布不均,使水資源時空分布不均,水旱災害突出,是水資源供需失衡的自然因素,而目前工業(yè)廢水和生活污水對局部河段的污染加劇、沿海平原區(qū)地下水利用程度偏高等問題則是人為導致水資源供需失衡結果的外在表現(xiàn)。可見,從水資源供需平衡角度,研究水資源供需平衡發(fā)展趨勢有利于對福建省多種水問題進行系統(tǒng)性的整體探討。

水資源供需平衡研究中的水量供需平衡預測研究較多[1-3],但已不能滿足社會經濟轉型期區(qū)域可持續(xù)發(fā)展對水資源可持續(xù)利用的整體要求。人均地區(qū)生產總值1000美元向3000美元躍升階段是居民消費結構升級、產業(yè)結構調整和工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程加快的時期,也是人口、資源、環(huán)境等矛盾突出的時期[4]?！笆晃濉逼陂g,福建省人均地區(qū)生產總值將由2000美元向3000美元躍升[4],進入社會經濟轉型期后期。水資源供需平衡趨勢分析可為福建省轉型期的水資源規(guī)劃提供依據(jù)。

從復合系統(tǒng)角度,綜合考慮水資源供需平衡發(fā)展趨勢的各種主要因素,有利于規(guī)劃區(qū)域社會經濟發(fā)展模式、發(fā)展速度。水資源供需平衡復合系統(tǒng)由天然水系統(tǒng)和人工水系統(tǒng)構成,既受降水等自然因素影響,也受人口等社會經濟因素影響,這些影響因素復雜、不確定,但均可用某一指標或指標組去表征。本文采用回歸分析等方法預測水資源供需平衡評價指標體系的各指標變化趨勢,結合評價模型,評價福建省各地市水資源供需平衡的總體趨勢,可為水資源供需平衡能力增強對策的制定提供依據(jù)。

1 福建省水資源供需平衡評價指標體系的構建

根據(jù)科學性、協(xié)調性、可操作性和整體性等指標選取原則[5]與福建省的社會經濟及水資源特點,按水資源供需流程模式,構建了由目標層、領域層、指標層組成的福建省水資源供需平衡評價指標體系,見表1。

表1 福建省水資源供需平衡評價指標體系

2 福建省水資源供需平衡趨勢預測與分析

2.1 指標數(shù)據(jù)來源與處理

依據(jù)福建省及其各地市的統(tǒng)計年鑒、水資源公報、水利統(tǒng)計公報、環(huán)境狀況公報、建設統(tǒng)計公報、國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報等資料,以福建省及其9個地市作為評價對象,建立1997—2006年各指標數(shù)據(jù)庫,用于預測。2010年、2015年預測值納入1997—2006年各指標數(shù)據(jù)系列,再進行標準化處理。

由于各評價指標的量綱及其與評價目標間的函數(shù)關系不同,指標值一般不能直接應用于評價模型,必須對其進行標準化處理。標準化處理前,先按指標與評價目標的關系對指標進行分類,把不利于水資源供需平衡的指標作為數(shù)值越小越優(yōu)型指標,即萬元GDP用水量、人口增長率、GDP增長率(表1),反之,為越大越優(yōu)型指標;然后,采用極差變換法進行處理,即每個指標實際值Ci的無量綱化均按某評價單元時間系列數(shù)據(jù)U中的最大值Umax與最小值Umin之差為分母進行標準化處理,即,越小越優(yōu)型指標的標準化值Si=(Umax-U)/(Umax-Umin),越大越優(yōu)型指標的標準化值Si=(U-Umin)/(Umax-Umin)。標準化處理后,各指標各年份標準化值間區(qū)分度均符合要求。

2.2 指標預測

為獲取2010年和2015年福建省及其各地市的水資源供需平衡評價指標體系中的各指標預測值,對表1中各指標或人口、GDP等變量進行情景分析。

工業(yè)廢水排放達標率、生活污水處理率的各變量數(shù)據(jù)不全,直接采用指標值進行預測。各評價單元土地面積假定不變。降水總量、水資源總量具有豐、平、枯水年的變化,然而多年平均豐、平、枯水年的降水總量、水資源總量是相對穩(wěn)定的,本文假定預測年為平水年,其多年平均年降水量及年水資源總量采用《2006年福建省水資源公報》核算值。實際供水總量、總用水量、工業(yè)廢水排放達標率、生活污水處理率等變量既受降水總量、水資源總量的影響,也受人口數(shù)、社會經濟技術發(fā)展水平的影響,屬非線性變量;人口數(shù)、GDP、森林面積的影響因素復雜多變,也屬非線性變量。

非線性變量預測采用非線性回歸預測法,即曲線估計法和自動回歸法,曲線估計法的常用函數(shù)有冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、拋物線函數(shù)、對數(shù)函數(shù)和S型函數(shù)等。采用SPSS 11.5 for Windows軟件獲取各非線性指標或指標變量預測所需的最佳擬合方程。獲取步驟:①采用前述數(shù)據(jù)庫中的1997—2006年各指標數(shù)據(jù),建立數(shù)據(jù)文件,選擇回歸分析中的曲線估計法運算,選擇時間為自變量,待預測變量為因變量,選取曲線估計法對話框中的所有擬合模型,包括:Linear模型(Y=b0+b1t);Quadratic模型(Y=b0+b1t+b2t2);Compound模型(Y=b0bt1);Growth模型(Y=eb0+b1t);Cubic模型(Y=b0+b1t+b2t2+b3t3);S模型(Y=eb0+b1/t);Inverse模型(Y=b0+b1/t)。各模型公式中,Y為回歸函數(shù),b0、b1、b2、b3為系數(shù),t為時間變量。②選中顯示方差分析表及Save對話框中的Predicted Values和Residuals,得出不同擬合方法擬合的結果和殘差,并將它們作為列插入到原始數(shù)據(jù)表進行對比,通過觀察各因變量1997—2006年的散點圖,選擇具有最佳擬合效果的擬合方程,即選取F值的顯著性檢驗值最小的擬合方程,其中F值的顯著性檢驗值大于或等于0.05的擬合效果不佳的個別變量采用時間系列預測法中的自動回歸法預測。各評價單元各指標或指標變量最終選用的擬合方法如下:

a.總人口預測:各評價單元均采用S模型法。

b.GDP預測:漳州采用Linear模型法,其他地市均采用Quadratic模型法。

c.森林面積預測:福州、廈門、三明、南平采用Linear模型法,莆田采用Inverse模型法,泉州、寧德采用S模型法,其他地市采用自動回歸法。

d.總供水量預測:福州、泉州、廈門采用Inverse模型法,漳州采用S模型法,其他地市采用自動回歸法。

e.總用水量預測:福州采用Cubic模型法,泉州、廈門、寧德、全省采用Inverse模型法,漳州采用S模型法,其他地市采用自動回歸法。

f.工業(yè)廢水排放達標率預測:龍巖采用S模型法,其他地市均采用Inverse模型法。

g.生活污水處理率預測:福州、泉州、三明、南平采用Growth模型法,莆田采用Cubic模型法,廈門采用S模型法,漳州采用Linear模型法,龍巖采用Inverse模型法,全省采用Compound模型法。

從擬合曲線(略)可以看出,各因變量使用的最終模型擬合效果好,除了寧德的總用水量及福州、廈門的工業(yè)廢水排放達標率的預測結果F值的顯著性檢驗值為0.01～0.05,其他各評價單元的各變量預測值的F值的顯著性檢驗值均小于0.01。按上述步驟,可得各變量或指標的2010年、2015年預測值,見表2。

2.3 指標權重

本文采用層次分析法(AHP)[6]結合專家咨詢法確定各指標權重。為了使單排序一致性指標CI值最小,精度最好,本文采用 10/10～18/2標度法,構造兩兩判斷矩陣[7]。領域層B1、B2、B3、B4的賦權結果分別為 0.172、0.396、0.26、0.172,指標層C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9 等指標的賦權結果分別為 0.5、0.5 、0.478、0.315 、0.121、0.086 、1、0.6、0.4。上述賦權結果的隨機一致性檢驗表明,一致性指標CI與平均隨機一致性指標RI的比值均小于0.1,各判斷矩陣的一致性均可以接受。

2.4 評價模型

為避免個別指標對指標體系整體功能造成影響,水資源供需平衡評價采用加權求和法,評價模型為

式中:Aj為水資源供需平衡指數(shù);Bmj為領域層指數(shù);j為年份序號,j=1,2,…,12,分別代表1997年、1998年、…、2006年、2010年、2015年;m為領域層序號;i為指標序號;n為各領域層指標個數(shù);Wm、wi分別為各領域、各指標權重;Cij為指標標準化值。

2.5 評價結果

把各指標的實際值和預測值的標準化值及權重代入式(1)和式(2),可得各年份各評價單元的水資源供需平衡指數(shù),見表3。

表2 福建省水資源供需平衡評價指標變量預測

2.6 結果分析

2.6.1 水資源供需平衡發(fā)展趨勢與對策

從全省看(表3),1997—2006年,水資源供需平衡指數(shù)以2005年最高,達 0.625,1997年最低,為0.165,預測年2010年、2015年分別為 0.692、0.779,說明中長期上升趨勢明顯。1997—2015年水資源供需平衡指數(shù)的變化大致可分為兩個階段:1997—2005年增速較快,年均增速5.75%;2005—2015年增速略緩,年均增速1.54%,其中,“十二五”比“十一五”略快,年均增速分別為1.74%和1.34%。全省水資源供需平衡指數(shù)增長趨勢符合社會經濟發(fā)展模式由數(shù)量型向質量型的轉型期特征?！笆晃濉奔捌渲暗乃Y源供需平衡受數(shù)量型增長模式影響為主,指數(shù)較低,“十二五”水資源供需平衡能力受社會經濟轉型期影響較“十一五”小,年均增速加快。

表3 福建省水資源供需平衡指數(shù)發(fā)展趨勢

Pearson相關分析表明(表4),按相關性強弱,全省水資源供需平衡指數(shù)主要取決于用水效率、供水能力和需水趨勢。由于供水能力的4個指標中,森林覆蓋率、工業(yè)廢水排放達標率、生活污水處理率的預測值均已超過“十一五”發(fā)展目標值[4],已難提升;水資源開發(fā)利用率在水資源緊張的閩東南區(qū)提升空間也不大,特別在枯水年份,如2003、2004年莆田、泉州、廈門的人均水資源量均低于1000m3,屬缺水區(qū)[8],水資源開發(fā)利用率均已超過國際公認的上限,即已開發(fā)利用量占水資源總量的40%;反映需水趨勢的GDP增長率預測值已控制在5.5%以內,低于“十一五”目標值。然而,反映需水趨勢的人口增長率和反映用水效率的萬元GDP用水量的中長期預測值盡管已分別降至0.56%、200m3左右,但仍遠高于1995年經濟高收入國家水平[9],下降空間較大。因而,在未來水資源供給趨緊情景下,提高全省水資源供需平衡能力的關鍵在于萬元GDP用水量的下降和控制人口增長率。此外,可適度提升閩西北水資源開發(fā)利用率。

從各評價單元看(表3),中長期發(fā)展趨勢上,除泉州、漳州外,其他評價單元的水資源供需平衡水平均為增強;與全省水資源供需平衡水平比較,2015年福州、龍巖強于全省,其他評價單元均弱于全省,福州最高,漳州最低;排序位置上,以2006年為基準年,三明、福州在預測年的位置均提前,廈門、漳州不變,其他地市則退后。

Pearson相關分析表明(表4),各評價單元水資源供需平衡水平與用水效率相關性均最強,其次是供水能力,但泉州、漳州、南平與需水趨勢的相關性強于供水能力。從各評價單元領域層與目標層的綜合相關性看,水資源供需平衡指數(shù)與水資源豐度相關性差,與需水趨勢相關性一般,與用水效率、供水能力相關性強。說明各地市水資源供需平衡水平的提高主要依賴于用水效率的提高。此外,除較缺水的莆田、泉州、廈門外,其他評價單元水資源供需平衡水平與水資源豐度的相關性均最差,說明閩東地區(qū)受水資源豐度的影響強于其他地區(qū),必須在著重提高用水效率基礎上,適度關注節(jié)水、跨流域調水、虛擬水貿易。

2.6.2 水資源供需平衡區(qū)域分異及其演變趨勢

從區(qū)域分異看(表3),大體上表現(xiàn)為:2010年水資源供需平衡指數(shù)達0.7以上的有龍巖、福州、三明,2015年擴展到莆田、寧德,2個預測年均表現(xiàn)為廈門、泉州、漳州閩南地區(qū)和南平地區(qū)弱于其他地區(qū)。在人口增長、經濟快速發(fā)展而可利用水資源趨緊情況下,豐水地區(qū)的水資源供給可能不受影響,甚至可能在全省政策影響下與缺水地區(qū)同步提高用水效率,從而增強水資源供需平衡能力,而缺水地區(qū)的水資源供需矛盾將加劇,從而削弱水資源供需平衡能力。南平水資源供需平衡指數(shù)偏低是由于預測年供水能力較弱,而其他領域也無優(yōu)勢。

表4 福建省水資源供需平衡指數(shù)與領域層評價值間的Pearson相關系數(shù)

從空間分異格局演變趨勢看(表3),全省水資源供需平衡指數(shù)空間分異格局的演變大致可分為兩個階段:1997—2006年為水資源供需平衡指數(shù)空間差異逐漸縮小階段,各評價單元水資源供需平衡指數(shù)大多呈上升趨勢,2006—2015年為空間差異逐漸變大階段,漳州略降,廈門、泉州略升,其他地區(qū)明顯上升。2001年之前,在水資源供給充足、水資源需求增長相似情況下,閩東南沿海地區(qū)社會經濟用水效率高于閩西北地區(qū),水資源供需平衡指數(shù)也較高。2002—2004年枯水期間,閩西北相對豐水地區(qū)人均水資源量降幅明顯低于莆田、泉州、廈門等閩東南相對缺水地區(qū),水資源供需平衡指數(shù)上升速度快于閩東南地區(qū),從而縮小差距,成為區(qū)域分異格局演化的轉折期。

上述分析表明,預測結果符合實際,說明指標體系、賦權方法、評價方法及指標變量預測模擬方法適用。本研究以10a基準時段預測4a、9a后,即2010、2015年的水資源供需平衡水平,由于各指標預測值符合預期,水資源供需平衡水平預測值可信。

回歸分析法適用于短期預測,且時間序列法所需數(shù)據(jù)較少,擬合精度高,但受初始值影響較大,基準時段越短,預測時段越長,可靠性越差。反之,基準時段越長,預測時段越短,可靠性越好。因而,2015年的水資源供需平衡水平預測值可靠性不如2010年。

3 結 論

從水資源供需平衡中長期發(fā)展趨勢看,近10年來福建全省水資源供需平衡水平明顯提高,中長期上升趨勢明顯,但增速減緩。各評價單元中,除泉州、漳州外,其他評價單元的中長期水資源供需平衡水平均增強。Pearson相關分析表明,全省和各地市水資源供需平衡能力提高的關鍵在于萬元GDP用水量的下降,控制人口增長率,較缺水的閩東地區(qū)還應適度關注節(jié)水、區(qū)水調水、虛擬水貿易等有利水資源豐度提高的各種對策,閩西北則可適度提高水資源開發(fā)利用率。在水資源充足的地區(qū)或時期,水資源供需平衡指數(shù)主要取決于用水效率,其次是供水能力;而在水資源緊缺的地區(qū)或時期,水資源供需平衡指數(shù)主要取決于用水效率、水資源豐度,應注意因地因時調整水資源供需對策。

從水資源供需平衡指數(shù)空間分異看,閩南地區(qū)和南平地區(qū)弱于其他地區(qū),2002—2004年為空間差異演變的轉折期。

水資源供需平衡區(qū)域分異及其演變趨勢分析表明,預測結果符合區(qū)域實際和研究區(qū)現(xiàn)有水資源供需平衡時空分異格局的發(fā)展預期,說明預測模式和方法適用。但因各預測環(huán)節(jié)均會影響結果,特別是指標體系的指標構成與預測所用數(shù)據(jù)序列長度直接影響預測結果,今后應加強驗證各預測環(huán)節(jié),特別是指標體系的科學性與適用性,并隨數(shù)據(jù)的完善再作更精確的預測。此外,回歸曲線估計法預測中長期各指標值,計算過程較繁瑣,但操作簡便,可用SPSS和Excel完成。

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Trend analysis of water resources supply and demand balance in Fujian Province in socio-economic transformation period

HUANG Chu-long
(School of Resources and Environmental Sciences,Quanzhou Normal University,Quanzhou 362000,China)

In order to forecast the trend of the water resources supply and demand balance ability in Fujian Province,which is experiencing social and economic reformation,an indicator system for trend forecast of the water resources supply and demand balance was established.Scenario analysis,nonlinear regression,and auto-regression were adopted to forecast indicator variables,and AHP was applied in weight estimation to assess the water resources supply and demand balance trend in regions of Fujian Province using the method of weighting summation.The results showed that the water resources supply and demand balance ability will slowly be enhanced in Fujian in the future except in the Zhangzhou region,but the rate of enhancement will slow down.Due to the effects of changing contributions of factors such aswater resources abundance,water supply ability,efficiency of water consumption,and water demand tendency on the water resources supply and demand balance,it should be noted that the water resources supply and demand balance countermeasures must be adjusted according to differences in time or space.

water resources supply and demand balance;indicator system;nonlinear regression;Fujian Province

TV213

A

1004-6933(2010)03-0013-05

福建省科技廳青年人才項目(2006F3115);泉州師范學院學科帶頭人培養(yǎng)基金(泉師院人[2009]35號)

黃初龍(1971—),男,福建三明人,副教授,博士,主要從事水資源開發(fā)利用系統(tǒng)理論與方法研究。E-mail:huangchulong1718@163.com

(收稿日期:2008-12-17 編輯:熊水斌)