華 佳，柏雙友，李治陽，周宏倉

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

1 研究背景

近年來，在快速城市化和經(jīng)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(jīng)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(guān)聯(lián)機制成為研究熱點。國外關(guān)于城市化與水資源關(guān)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(nèi)容主要為水環(huán)境污染和水資源管理。中國的相關(guān)研究始于20世紀末，研究主要集中在城市水質(zhì)、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(guān)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(xué)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(yīng)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(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。這些研究從不同角度和層次對城市化與水資源關(guān)系進行了探索，取得了一定成果。目前，國內(nèi)外關(guān)于城市化發(fā)展與水資源系統(tǒng)關(guān)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(guān)系動態(tài)演變及趨勢預(yù)測的研究較少；關(guān)于城市化發(fā)展對水資源產(chǎn)生影響作用的研究多，而有關(guān)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(biāo)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(guān)數(shù)據(jù)，分析淮安市用水指標(biāo)及與城市化水平的關(guān)聯(lián)性，預(yù)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(xué)的水資源遠景規(guī)劃提供實證依據(jù)。

2 研究方法

灰色關(guān)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(guān)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(biāo)和城市化指標(biāo)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(guān)聯(lián)度，找出與人均用水量變化呈較強相關(guān)性的用水指標(biāo)，用多元回歸分析法建立人均需水量預(yù)測模型［17］，對用水潛力和人口承載力進行預(yù)測。

2.1 城市化水平指標(biāo)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(guān)系，本文在諸多城市化影響因素中選取城市化率（X1）、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)（X2）、經(jīng)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(biāo)。

（1）城市化率X1：

式中，X1為農(nóng)業(yè)人口轉(zhuǎn)化為城市人口的比率，反映了農(nóng)村生活方式向城市生活方式、農(nóng)村傳統(tǒng)自然經(jīng)濟向城市社會化大生產(chǎn)轉(zhuǎn)變程度。

（2）產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)X2：

式中，X2為反映國民經(jīng)濟各產(chǎn)業(yè)部門之間以及各產(chǎn)業(yè)部門內(nèi)部的構(gòu)成比例，合理的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有利于國民經(jīng)濟的平穩(wěn)快速發(fā)展。

（3）經(jīng)濟發(fā)展水平X3：

式中，X3為衡量經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r的指標(biāo)，是了解和把握一個國家或地區(qū)宏觀經(jīng)濟運行狀況的有效工具，反映了經(jīng)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(zhì)量的重要指標(biāo)，是居民儲蓄、消費支出和非義務(wù)性支出之和。

2.2 用水指標(biāo)選取用水指標(biāo)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(nóng)田灌溉畝均用水量（Y4）和水資源產(chǎn)出率（Y5）等5個典型指標(biāo)進行分析。

其中：

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

式中，水資源產(chǎn)出率是指消耗單位水資源所產(chǎn)出的產(chǎn)值，該項指標(biāo)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(biāo)的灰色關(guān)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(biāo)和Y1、Y2、Y3、Y4和Y5等用水指標(biāo)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(guān)聯(lián)系數(shù)ξ(ki)［18］

式中，ρ取0.5。

（4）求關(guān)聯(lián)度ri

式中，ri值越接近1，說明相關(guān)性越好。

（5）關(guān)聯(lián)度排序。對關(guān)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(yù)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(yīng)自變量xi之 間的關(guān)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(guān)性，本文將其確定的多元回歸預(yù)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(chǎn)出率（元/m3）；Wa為農(nóng)田灌溉畝均用水量（m3/畝）。

3 淮安市用水指標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(shè)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(chǎn)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(chǎn)出率的比較見圖2。萬元GDP用水量反映了單位地區(qū)生產(chǎn)總值的用水效率，水資源產(chǎn)出率反映了單位水量對地區(qū)生產(chǎn)總值的貢獻率。這兩個用水指標(biāo)從不同視角對用水效率作出詮釋?；窗彩?005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(dāng)年淮安市、江蘇省和全國的水資源產(chǎn)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(shù)的應(yīng)用和節(jié)水型社會建設(shè)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)中每生產(chǎn)1萬元工業(yè)增加值所需的水量。該指標(biāo)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(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對工業(yè)用水和節(jié)水的影響，比萬元工業(yè)產(chǎn)值用水量更能體現(xiàn)水資源投向產(chǎn)品附加值高、技術(shù)密集產(chǎn)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(biāo)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(chǎn)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(jié)構(gòu)調(diào)整和用水定額下降有關(guān)，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(fù)利用率有關(guān)。例如，2015年淮安市工業(yè)用水重復(fù)利用率已達93%，超過國家節(jié)水型城市考核標(biāo)準(zhǔn)10個百分點。

3.4 農(nóng)田灌溉畝均用水量農(nóng)田灌溉畝均用水量反映了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的用水效率。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在用水結(jié)構(gòu)中所占比重較大，因此這一指標(biāo)對總用水量的影響比較關(guān)鍵。2005—2014年間淮安市、江蘇省和全國的農(nóng)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(nóng)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(nóng)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(nóng)業(yè)用水效率提高緩慢。對于這一指標(biāo)，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(nóng)業(yè)用水效率方面還沒有取得重大進展，應(yīng)當(dāng)成為未來節(jié)水型社會建設(shè)的重點關(guān)注方向。

4 淮安市用水指標(biāo)與城市化指標(biāo)關(guān)聯(lián)度分析

有研究表明，城市化水平同用水效率之間關(guān)系密切［19］，對城市節(jié)水建設(shè)具有指導(dǎo)價值。用水效率主要體現(xiàn)在用水指標(biāo)上，因此，本文基于淮安市2005—2014年間城市化指標(biāo)（城市化率X1、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)X2、經(jīng)濟發(fā)展水平X3、居民生活水平X4）和用水指標(biāo)（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(nóng)田灌溉畝均用水量Y4、水資源產(chǎn)出率Y5）的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用2.3所述灰色關(guān)聯(lián)分析方法對二者進行關(guān)聯(lián)性分析。

4.1城市化（Xi）對用水指標(biāo)（Yi）的關(guān)聯(lián)度城市化對用水指標(biāo)關(guān)聯(lián)度的分析結(jié)果見表1。

表1 Xi-Yi關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果

根據(jù)關(guān)聯(lián)度劃分標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)關(guān)聯(lián)度 ri∈［0，0.35），為弱關(guān)聯(lián)；ri∈［0.35，0.65），為中度關(guān)聯(lián)；ri∈［0.65，1］，為強關(guān)聯(lián)。從表1關(guān)聯(lián)度分析可以看出，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)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(nóng)田灌溉畝均用水量等4個用水指標(biāo)的影響較大，其關(guān)聯(lián)度為強關(guān)聯(lián)；居民生活水平和經(jīng)濟發(fā)展水平對這4個用水指標(biāo)的影響較小，為中度關(guān)聯(lián)。在城市化水平指標(biāo)中，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和城市化率是“因”、經(jīng)濟發(fā)展水平和居民生活水平是“果”。即只有合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、并提高城市化率促進農(nóng)村剩余勞動力轉(zhuǎn)移，才有利于城市社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，進而促進居民生活水平的提升。關(guān)聯(lián)性分析結(jié)果提示我們，提高城市用水效率要以產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整為抓手，綜合運用經(jīng)濟、政策和技術(shù)手段，才能達到較好的效果。

另外，經(jīng)濟發(fā)展水平和居民生活水平與水資源產(chǎn)出率表現(xiàn)出強關(guān)聯(lián)性。因為科技進步與經(jīng)濟發(fā)展是相互促進、協(xié)同發(fā)展的，水資源產(chǎn)出率的提高與節(jié)水技術(shù)進步有關(guān)，上述強關(guān)聯(lián)性正是體現(xiàn)了經(jīng)濟發(fā)展與技術(shù)進步之間的相互關(guān)系。水資源產(chǎn)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(shù)措施，而應(yīng)從經(jīng)濟社會發(fā)展的全局考慮、綜合解決。

4.2用水指標(biāo)（Yi）對城市化（Xi）的關(guān)聯(lián)度用水指標(biāo)對城市化的關(guān)聯(lián)度的分析結(jié)果見表2。

表2 Yi-Xi關(guān)聯(lián)度的分析結(jié)果

從表2關(guān)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(nóng)田灌溉畝均用水量等3個用水指標(biāo)對城市化率和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的影響較大，為強關(guān)聯(lián)；而水資源產(chǎn)出率和萬元GDP用水量的影響較小，為中度關(guān)聯(lián)。（2）水資源產(chǎn)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(biāo)對經(jīng)濟發(fā)展水平和居民生活水平的影響較大，為強關(guān)聯(lián)；而農(nóng)田灌溉畝均用水量、萬元GDP用水量對經(jīng)濟發(fā)展水平和居民生活水平的影響較小，為中度關(guān)聯(lián)。

從這些結(jié)論可以看出，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理調(diào)整放到一個重要位置。

5 淮安市用水潛力預(yù)測

在一定時期內(nèi)，一個城市可利用的水資源總量（本地水資源量、區(qū)外調(diào)水量、污水和雨水的資源化利用量）是能夠預(yù)測的。用水潛力預(yù)測的準(zhǔn)確性主要取決于人均需水量預(yù)測的準(zhǔn)確性。在城市各項用水指標(biāo)中，如果能找到與人均需水量相關(guān)的要素并建立相關(guān)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(zhǔn)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(jīng)過第4章中的灰色關(guān)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(chǎn)出率的變化趨勢呈現(xiàn)出較強的相關(guān)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(biāo)在內(nèi)的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立人均需水量預(yù)測模型。

將淮安市2005—2014年用水指標(biāo)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(jié)果見圖5；對模型的檢驗結(jié)果見表4。

表3 2005—2014年用水指標(biāo)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(guān)。復(fù)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(diào)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(diào)整后的復(fù)測系數(shù)大于0.85即表明關(guān)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(yù)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(chǎn)出率和農(nóng)田灌溉畝均用水量等具體指標(biāo)的前提下，可以利用上述回歸模型對人均需水量進行預(yù)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(biāo)為18 m3/萬元，水資源產(chǎn)出率規(guī)劃指標(biāo)為100元/m3，用水總用水量規(guī)劃指標(biāo)為32億m3/年，農(nóng)田灌溉畝均用水量規(guī)劃指標(biāo)為510 m3/畝。將上述指標(biāo)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(biāo)為32億m3，預(yù)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(yù)測值與《淮安市城市總體規(guī)劃2009—2030》中規(guī)劃的中期目標(biāo)（2020年）總?cè)丝?60萬人非常接近［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(yīng)提高。

6 結(jié)論

（1）淮安市可利用的水資源量僅為全國人均指標(biāo)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(shè)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(chǎn)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(nóng)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(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)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(nóng)田灌溉畝均用水量等4個用水指標(biāo)的影響較大，屬于強關(guān)聯(lián)；居民生活水平和經(jīng)濟發(fā)展水平對這4個用水指標(biāo)的影響較小，為中度關(guān)聯(lián)。提高城市用水效率應(yīng)綜合運用經(jīng)濟、政策和技術(shù)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(nóng)田灌溉畝均用水量等3個用水指標(biāo)與城市化率和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之間為強關(guān)聯(lián)關(guān)系；水資源產(chǎn)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(biāo)與經(jīng)濟發(fā)展水平和居民生活水平之間也呈強關(guān)聯(lián)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)用水效率對城市化發(fā)展影響較大，城市化進程應(yīng)將產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整放到一個重要位置。

（6）根據(jù)淮安市人均需水量預(yù)測結(jié)果，在制定該市未來發(fā)展規(guī)劃時應(yīng)充分考慮用水指標(biāo)和城市化水平之間的關(guān)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。