高曉琦，董增川，楊 光，鮑慶煜，紀(jì)小敏，聶 青

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局南京分局，南京 210008；3.江蘇省水文水資源勘測(cè)局，南京 210029)

0 引 言

水資源承載狀態(tài)是指區(qū)域水資源承載某一特定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模時(shí)，區(qū)域水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)整體所呈現(xiàn)的狀態(tài)[1]，目前關(guān)于水資源承載狀態(tài)的研究大多僅采用多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系對(duì)水資源承載狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[2-4]，所得到的結(jié)果只能定性衡量狀態(tài)的優(yōu)劣，而無(wú)法為當(dāng)?shù)厮Y源管理部門(mén)的具體決策提供參考。在對(duì)區(qū)域水資源承載狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行水資源承載狀態(tài)障礙因素診斷計(jì)算，通過(guò)計(jì)算能夠明確區(qū)域水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)現(xiàn)狀的不足，為水資源規(guī)劃與管理提供科學(xué)可行的依據(jù)，保障區(qū)域向著可持續(xù)方向發(fā)展。

指標(biāo)歸一化計(jì)算是影響障礙因素診斷結(jié)果的重要部分，目前的研究大多以正向指標(biāo)的最大值和逆向指標(biāo)的最小值為歸一化標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用極差法[5]或極值法[6]進(jìn)行計(jì)算，這樣處理會(huì)導(dǎo)致處于較優(yōu)狀態(tài)的指標(biāo)也計(jì)入障礙因素中，使得最終障礙度計(jì)算結(jié)果較為分散，各指標(biāo)間障礙度差值較小，不利于主要障礙因素的識(shí)別與篩選。針對(duì)上述不足，本文通過(guò)對(duì)各指標(biāo)優(yōu)劣等級(jí)進(jìn)行劃分，再將不同等級(jí)的指標(biāo)依據(jù)不同的歸一化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)障礙因素診斷方法進(jìn)行了改進(jìn)。本文以南京市為例，結(jié)合其水資源開(kāi)發(fā)利用、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn)，運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法分別對(duì)2015、2020及2030三個(gè)水平年南京市各分區(qū)的水資源承載狀態(tài)分別進(jìn)行評(píng)價(jià)，并運(yùn)用改進(jìn)的障礙因素診斷方法對(duì)影響南京市各分區(qū)水資源承載狀態(tài)的障礙因素進(jìn)行識(shí)別與分析。

1 研究方法

1.1 模糊綜合評(píng)價(jià)

1.1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

考慮到南京市水資源承載狀態(tài)的影響因素與數(shù)據(jù)收集情況，秉持全面性、精煉性和可操作性的原則，本文從水資源稟賦條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r與生態(tài)環(huán)境三個(gè)方面共篩選出8項(xiàng)指標(biāo)，構(gòu)建了水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Water resources carrying status evaluation index system

1.1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)確定

上述評(píng)價(jià)指標(biāo)以江蘇省對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的要求為參照，根據(jù)前人的研究成果并綜合江蘇省內(nèi)相關(guān)的規(guī)劃管理報(bào)告如《江蘇基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化指標(biāo)體系》、《江蘇省水中長(zhǎng)期供求規(guī)劃報(bào)告》、江蘇省內(nèi)各市水資源保護(hù)規(guī)劃、水資源管理現(xiàn)代化報(bào)告及水資源公報(bào)等，進(jìn)行等級(jí)劃分，如表2所示。每個(gè)指標(biāo)分為 3 個(gè)等級(jí)[7]，V1 代表區(qū)域水資源承載狀態(tài)較好，水資源現(xiàn)階段不會(huì)制約區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展；V3 代表區(qū)域水資源承載狀態(tài)較差，水資源進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用空間有限，水資源已明顯制約該區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展；V2 介于二者之間，表明區(qū)域水資源承載狀態(tài)適中，水資源開(kāi)發(fā)已達(dá)到一定規(guī)模，仍有一定潛力，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)注重對(duì)水資源的保護(hù)和合理利用。

表2 水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Water resources carrying status evaluation index grading standard

1.1.3 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)水資源承載狀態(tài)影響程度的大小，在廣泛閱讀文獻(xiàn)與咨詢專家的基礎(chǔ)上，本文采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重wi。

1.1.4 模糊關(guān)系矩陣的計(jì)算

在目前的研究中，大多通過(guò)構(gòu)建隸屬度函數(shù)計(jì)算確定模糊關(guān)系矩陣R。本文為了消除各等級(jí)之間數(shù)值相差不大，而評(píng)價(jià)等級(jí)相差一級(jí)的跳躍現(xiàn)象，使隸屬函數(shù)在各級(jí)之間能平滑過(guò)渡，將其進(jìn)行模糊化處理[8]。具體為： V1等級(jí)與V2等級(jí)、V2等級(jí)與V3等級(jí)的臨界值的隸屬度均為0.5；V2等級(jí)區(qū)間中點(diǎn)的隸屬度為 1，中間點(diǎn)向兩側(cè)按線性遞減處理；對(duì)于V1等級(jí)和V3等級(jí)區(qū)間，指標(biāo)值距離等級(jí)臨界值越遠(yuǎn)，則屬于兩側(cè)區(qū)間的隸屬度越大。因此，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬函數(shù)如下：

(1)

(2)

(3)

式中：xij為第j單元i指標(biāo)的指標(biāo)值；ki1為第i指標(biāo)V1等級(jí)和V2等級(jí)之間的臨界值；ki3為評(píng)價(jià)指標(biāo)V2等級(jí)和V3等級(jí)的臨界值；ki2為V2等級(jí)區(qū)間中點(diǎn)值，即ki2=(ki1+ki3)/2。

根據(jù)上述計(jì)算得到的R矩陣與權(quán)重系數(shù)矩陣，兩者相乘即可求得水資源承載狀態(tài)在各等級(jí)間的隸屬度結(jié)果，根據(jù)最大隸屬度原則，可以得到各水平年各分區(qū)的水資源承載狀態(tài)等級(jí)；同時(shí)本文將V1、V2和V3三個(gè)等級(jí)分別賦予不同的評(píng)分值a1、a2和a3，基于等級(jí)間的遞減關(guān)系，令a1=0.95，a2=0.5，a3=0.05，即可求得區(qū)域水資源承載狀態(tài)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

1.2 障礙因素診斷

1.2.1 指標(biāo)歸一化

為了統(tǒng)一各指標(biāo)的單位與量綱，使各指標(biāo)具可比性，需要對(duì)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。本文根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)中指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將各指標(biāo)按照等級(jí)優(yōu)劣的劃分結(jié)果進(jìn)行歸一化，若指標(biāo)達(dá)到V1等級(jí)則認(rèn)為是優(yōu)的，歸一化值為1；位于V3等級(jí)的指標(biāo)則認(rèn)為是劣的，需要亟待改善，歸一化值為0。因此，正向指標(biāo)與逆向指標(biāo)的歸一化公式如下：

(4)

1.2.2 障礙度計(jì)算

目前障礙因素診斷的研究仍處于初級(jí)階段，通常采用“指標(biāo)偏離度”、“因子貢獻(xiàn)度”和“障礙度”3個(gè)概念開(kāi)展障礙因素診斷分析[9]，通過(guò)分別計(jì)算各水平年各評(píng)價(jià)單元的指標(biāo)障礙度，根據(jù)障礙度的大小識(shí)別出占主導(dǎo)地位的多個(gè)指標(biāo)作為影響水資源承載狀態(tài)的障礙因素，計(jì)算方法如式(5)～式(7)所示。

(5)

Ti=wi

(6)

(7)

式中：Xij為指標(biāo)偏離度，是第j單元i指標(biāo)與水資源承載狀態(tài)目標(biāo)的差距；Ti為因子貢獻(xiàn)度，為指標(biāo)對(duì)總體目標(biāo)的影響程度；Pij為障礙度，指第j單元i指標(biāo)對(duì)水資源承載狀態(tài)的影響程度。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

現(xiàn)狀年(2015年)指標(biāo)由南京市水資源公報(bào)、南京市統(tǒng)計(jì)年鑒等報(bào)告中查得，未來(lái)年份(2020年、2030年)指標(biāo)值通過(guò)定額法與增長(zhǎng)率預(yù)測(cè)法等方法計(jì)算，并參考南京市相關(guān)未來(lái)年份的規(guī)劃文件以及“三條紅線”相關(guān)要求綜合獲得。

2 南京市水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

本文將南京市劃分為市區(qū)、江寧區(qū)、六合區(qū)、浦口區(qū)、溧水區(qū)與高淳區(qū)共6個(gè)評(píng)價(jià)單元，分別對(duì)2015年、2020年與2030年3個(gè)水平年各單元的水資源承載狀態(tài)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，各水平年各評(píng)價(jià)單元的評(píng)價(jià)指標(biāo)值如表3～表5所示。運(yùn)用AHP法計(jì)算得到各指標(biāo)權(quán)重wi，如表6所示。

表3 2015年南京市各評(píng)價(jià)單元評(píng)價(jià)指標(biāo)值Tab.3 Evaluation index values of various evaluation units in Nanjing in 2015

表4 2020年南京市各評(píng)價(jià)單元評(píng)價(jià)指標(biāo)值Tab.4 Evaluation index values of various evaluation units in Nanjing in 2020

表5 2030年南京市各評(píng)價(jià)單元評(píng)價(jià)指標(biāo)值Tab.5 Evaluation index values of various evaluation units in Nanjing in 2030

表6 南京市水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Tab.6 Water resources carrying status evaluation index weight in Nanjing

根據(jù)式(1)～式(3)確定出不同水平年的各評(píng)價(jià)單元各個(gè)指標(biāo)對(duì)于不同等級(jí)的隸屬度，進(jìn)而不同水平年的各評(píng)價(jià)單元分別得到一個(gè)8×3的模糊關(guān)系矩陣R，將模糊關(guān)系矩陣R進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得到評(píng)價(jià)單元在3個(gè)等級(jí)間的隸屬度，最后求出南京市水資源承載狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，如表7所示。

表7 南京市水資源承載狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.7 Comprehensive evaluation results of water resources carrying status in Nanjing

由表7可以看出，2015年、2020年和2030年，南京市各評(píng)價(jià)單元水資源承載狀態(tài)均處于V2或V3等級(jí)。其中2015年，南京市市區(qū)、江寧、六合與浦口的水資源承載狀態(tài)為V3等級(jí)，溧水與高淳的水資源承載狀態(tài)為V2等級(jí)；2020年南京市市區(qū)資源承載狀態(tài)仍為V3等級(jí)，江寧、六合、浦口、溧水與高淳的水資源承載狀態(tài)為V2等級(jí)；2030年市區(qū)、六合、溧水與高淳的水資源承載狀態(tài)為V2等級(jí)，而江寧與浦口的水資源承載狀態(tài)為V3等級(jí)。2015年、2020年和2030年，南京市各評(píng)價(jià)單元的綜合評(píng)分均較低，值域?yàn)?.223～0.558。結(jié)合圖1的南京市各評(píng)價(jià)單元綜合評(píng)分趨勢(shì)來(lái)看，南京市內(nèi)溧水與高淳的水資源承載狀態(tài)相對(duì)其他單元來(lái)說(shuō)較優(yōu)，且2015至2020年南京市各單元水資源承載狀態(tài)均得到了一定程度的改善；但至2030年，除市區(qū)外其他單元的綜合評(píng)分均為下降趨勢(shì)，水資源承載狀態(tài)惡化。因此，為了分析南京市水資源承載狀態(tài)惡化的原因，進(jìn)而有效的改善當(dāng)?shù)厮Y源承載狀態(tài)，保障南京市水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，有必要對(duì)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的障礙作用大小進(jìn)行評(píng)估，識(shí)別出影響南京市水資源環(huán)境承載狀態(tài)的主要障礙因素，為后期針對(duì)性的采取措施提供依據(jù)。

圖1 南京市各評(píng)價(jià)單元綜合評(píng)分趨勢(shì)圖Fig.1 Comprehensive evaluation trend chart of various evaluation units in Nanjing

2.2 障礙因素識(shí)別結(jié)果與分析

為說(shuō)明障礙因素識(shí)別方法的改進(jìn)效果，在根據(jù)式(4)對(duì)各水平年各評(píng)價(jià)單元的指標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理的同時(shí)，采用極差法進(jìn)行歸一化計(jì)算，再運(yùn)用式(5)～式(7)分別計(jì)算各水平年各評(píng)價(jià)單元的障礙度，兩種方法得到的計(jì)算結(jié)果如圖2～圖3所示。

圖2 2015-2030年南京市各評(píng)價(jià)單元障礙度計(jì)算結(jié)果(改進(jìn)前)Fig.2 Calculation results of obstacles in various evaluation units in Nanjing in 2015-2030 (before the improvement)

圖3 2015-2030年南京市各評(píng)價(jià)單元障礙度計(jì)算結(jié)果(改進(jìn)后)Fig.3 Calculation results of obstacles in various evaluation units in Nanjing in 2015-2030 (after the improvement)

通過(guò)對(duì)比可以看出，由于方法改進(jìn)后，較優(yōu)的指標(biāo)不計(jì)入障礙因素中，使得南京市各評(píng)價(jià)單元障礙度計(jì)算結(jié)果更為集中，影響水資源承載狀態(tài)的障礙因素更為突出，其中以2030年表現(xiàn)最為明顯，這是因?yàn)椴糠种笜?biāo)隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展得到了改善，使指標(biāo)值處于較優(yōu)的狀態(tài)。

基于方法改進(jìn)后得到的計(jì)算結(jié)果可以看出，2015年南京市各評(píng)價(jià)單元的首位障礙因素均為水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率，說(shuō)明河湖水質(zhì)問(wèn)題亟待改善；隨著水污染的治理，2020年南京市大部分評(píng)價(jià)單元水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率指標(biāo)的障礙度降低，但仍居各指標(biāo)首位；同時(shí)萬(wàn)元GDP排污量指標(biāo)與單位面積水資源量指標(biāo)障礙度所占比重升高，為改善南京市水資源承載狀態(tài)，解決水環(huán)境修復(fù)與保護(hù)問(wèn)題刻不容緩。具體各分區(qū)來(lái)說(shuō)，除水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況較差外，市區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高，人口密度大，單位面積水資源量較低，應(yīng)在管理方面注重水資源優(yōu)化配置，同時(shí)加強(qiáng)虛擬水貿(mào)易，豐富可利用水資源量，進(jìn)而改善水資源承載狀態(tài)；隨著江寧的快速發(fā)展，人口密度增大，萬(wàn)元GDP排污量較高，因此可以在后期工作中將重點(diǎn)放在水污染治理、污水處理與排放的管理上；六合與浦口存在的主要問(wèn)題為人口較為密集，且單位面積水資源量較低，因此應(yīng)著力于提升區(qū)域水資源供給，加強(qiáng)非常規(guī)水的利用與水資源優(yōu)化配置；溧水與高淳水資源存在的主要問(wèn)題為萬(wàn)元GDP排污量較高，應(yīng)加大污水排放管理力度，其中高淳還存在單位面積水資源量較低的問(wèn)題，可通過(guò)加強(qiáng)外調(diào)水的利用來(lái)增加其水資源可利用量。

2030年南京市各評(píng)價(jià)單元由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)模擴(kuò)大，人口迅速增長(zhǎng)，生活水平不斷提升，水資源需求量激增，水資源承載狀態(tài)惡化。具體各分區(qū)來(lái)說(shuō)，2030年市區(qū)與江寧識(shí)別出的障礙因素與2020年相同，市區(qū)的主要問(wèn)題為水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率較低、人口密度較大且水資源可利用量較少，因此仍應(yīng)注重市區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)、污染治理與豐富水資源供給，以保障區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展；江寧存在的主要問(wèn)題表現(xiàn)為水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率較低、人口密度較大且萬(wàn)元GDP排污量較高，因此仍應(yīng)積極開(kāi)展水污染治理與截污限排等工作；2030年六合、浦口、溧水與高淳的障礙因素主要集中在萬(wàn)元GDP排污量上，各區(qū)域均應(yīng)重視生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，控制排污總量；并且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各區(qū)域均出現(xiàn)了人口密度較大的問(wèn)題，水資源供需矛盾突出，因此為實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展可持續(xù)，應(yīng)通過(guò)增加非常規(guī)水利用加大水資源可利用量的同時(shí)，注重節(jié)水型社會(huì)的建設(shè)，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，以提升水資源承載狀態(tài)。

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)南京市水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果，2015、2020、2030年南京市各分區(qū)水資源承載狀態(tài)均處于 中等或較差等級(jí)；較2015年，2020年水資源承載狀態(tài)有所好轉(zhuǎn)，但至2030年，由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)規(guī)模的快速發(fā)展，水資源供需矛盾加劇，如不及時(shí)采取措施，水資源承載狀態(tài)將會(huì)惡化。

(2)本文對(duì)障礙因素識(shí)別中的指標(biāo)歸一化方法進(jìn)行了改進(jìn)，得到了合理的計(jì)算結(jié)果，為之后相關(guān)研究拓寬了思路。根據(jù)障礙因素識(shí)別結(jié)果，南京市各分區(qū)在發(fā)展過(guò)程中均存在水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率較低的問(wèn)題，且萬(wàn)元GDP排污量與單位面積水資源量指標(biāo)障礙度逐年升高，為了使南京市在未來(lái)年份水資源承載狀態(tài)呈現(xiàn)出更好狀態(tài), 相關(guān)部門(mén)必須基于各分區(qū)實(shí)際情況，從水資源供給側(cè)、需求側(cè)與水環(huán)境保護(hù)與治理三個(gè)方面制定提升措施，保證南京市的可持續(xù)發(fā)展。

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