田 培，王瑾鈺，花 威，郝芳華，黃建武，龔雨薇

(1：華中師范大學(xué)地理過程分析與模擬湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430079)(2：華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079)

經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展與良好生態(tài)環(huán)境的維持必須考慮水資源承載力[1-3]. 水資源承載力的定義大體可分為兩類，一類是在可持續(xù)發(fā)展的前提下，水資源能夠支撐的最大人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)模[4-6]；另一類是通過對(duì)水資源的合理配置，達(dá)到水資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境之間的協(xié)調(diào)發(fā)展[7-9]. 本文認(rèn)為水資源承載力是以可持續(xù)發(fā)展為原則，在滿足生態(tài)環(huán)境用水的前提下，水資源對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的支撐能力. 水資源承載力評(píng)價(jià)方法多樣，包括系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法、多目標(biāo)分析法和綜合評(píng)價(jià)法等[10]. Wang等[11]采用突變級(jí)數(shù)法對(duì)2010-2016年中國(guó)跨省水資源綜合承載力進(jìn)行了評(píng)價(jià)；Wu等[12]運(yùn)用MPCA與風(fēng)險(xiǎn)矩陣的耦合模型對(duì)2005-2015年安徽省水資源承載力進(jìn)行了評(píng)價(jià)；Fang等[13]利用二元指數(shù)法和約簡(jiǎn)指數(shù)法對(duì)太湖流域水資源承載力進(jìn)行了評(píng)價(jià)；張禮兵等[14]基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)巢湖流域水資源承載力進(jìn)行了動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與調(diào)控研究. 水資源承載系統(tǒng)是一個(gè)多目標(biāo)決策系統(tǒng)，由水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)耦合組成[15-17]，因而在水資源承載力研究中，必須考慮各子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)發(fā)展水平. 協(xié)調(diào)度是定量描述區(qū)域范圍內(nèi)各要素或系統(tǒng)間協(xié)調(diào)狀況程度的指標(biāo)，通常由耦合協(xié)調(diào)發(fā)展模型計(jì)算得出[18-19]. 王保乾等[15]運(yùn)用4系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度模型衡量了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系. Wang等[20]運(yùn)用3系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)模型測(cè)算了湖南省水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)度.

長(zhǎng)江中游城市群是長(zhǎng)江流域人口最密集、水資源開發(fā)利用強(qiáng)度最高、生態(tài)環(huán)境問題最嚴(yán)峻的地區(qū)之一[21]. 近年來，該地區(qū)水資源承載力的研究得到廣泛關(guān)注. 姜大川等[22]運(yùn)用單位GDP綜合用水量評(píng)判法計(jì)算了武漢城市圈的水資源承載力；熊鷹等[23]基于雙要素水資源承載力模型的評(píng)價(jià)結(jié)果表明，長(zhǎng)株潭城市群2003-2012年水資源瀕臨超載，2013-2019年屬于水質(zhì)型超載；危文廣等[24]運(yùn)用理想點(diǎn)法得出江西省水資源承載力從2011-2015年整體呈上升趨勢(shì). 總體而言，這些研究對(duì)長(zhǎng)江中游地區(qū)水資源承載力時(shí)空格局研究不夠深入，沒有探討水資源承載系統(tǒng)內(nèi)部的耦合協(xié)調(diào)度；另外，評(píng)價(jià)主體主要是相關(guān)省份或內(nèi)部小城市群[22-26]，以長(zhǎng)江中游城市群整體為對(duì)象的研究多集中在生態(tài)承載力[27-29]和綠色發(fā)展水平[30-32]上，而水資源承載力時(shí)空演變及耦合協(xié)調(diào)性的研究鮮見報(bào)道.

2015年4月，《長(zhǎng)江中游城市群發(fā)展規(guī)劃》[33]印發(fā)，長(zhǎng)江中游城市群是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶實(shí)施生態(tài)優(yōu)先綠色發(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn)區(qū)域，研究其水資源承載力時(shí)空變化以及水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)間耦合協(xié)調(diào)程度具有重要意義. 本文選取2012-2018年(涵蓋規(guī)劃印發(fā)前后各3年)為研究時(shí)段，對(duì)長(zhǎng)江中游城市群及其所含28個(gè)城市的水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，深入分析水資源承載力時(shí)空格局及其影響機(jī)制、水資源承載系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，以期為促進(jìn)該區(qū)域水資源可持續(xù)利用、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)提供理論依據(jù).

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)江中游城市群是以武漢城市圈、環(huán)長(zhǎng)株潭城市群、環(huán)鄱陽湖城市群為主體的特大型城市群，是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的重要組成部分，共包括31個(gè)城市[33](圖1). 2017 年長(zhǎng)江中游城市群的經(jīng)濟(jì)總量為7.9萬億元、人口總量為1.53億、土地面積為31.7萬km2，分別占全國(guó)的9.6%、11.1%和3.3%[27]. 長(zhǎng)江中游城市群水資源總體上非常豐富，擁有鄱陽湖、洞庭湖、漢江、清江等眾多江河湖泊；但作為鄂湘贛三省的人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展集聚區(qū)，近年來重化工業(yè)過度集聚和粗放低效的資源利用方式使得水資源消耗量和污水排放量都非常大[34]，且鄱陽湖、洞庭湖、洪湖等重點(diǎn)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化加劇、水環(huán)境容量降低等問題逐漸凸顯，總體上該區(qū)域的水資源承載壓力和水生態(tài)安全問題較為突出[28].

圖1 長(zhǎng)江中游城市群示意Fig.1 Urban agglomeration in the middle reaches of the Yangtze River

2 研究方法

2.1 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建及數(shù)據(jù)來源

水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建要體現(xiàn)水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境4個(gè)子系統(tǒng)及其相互關(guān)系，并遵循科學(xué)性、客觀性、代表性和數(shù)據(jù)可獲得性等原則. 綜合已有成果，從水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境4個(gè)系統(tǒng)出發(fā)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[15,35]，選擇使用頻率較高的指標(biāo). 在水資源子系統(tǒng)內(nèi)，從水資源數(shù)量、水資源開發(fā)利用兩個(gè)維度中選取6項(xiàng)指標(biāo)[36-37]；在社會(huì)子系統(tǒng)內(nèi)，從社會(huì)發(fā)展水平、用水需求兩個(gè)維度中選取6項(xiàng)指標(biāo)；在經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)內(nèi)，從經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、用水效率兩個(gè)維度中選取6項(xiàng)指標(biāo)[35]；在生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)內(nèi)，從生態(tài)環(huán)境狀況、生態(tài)環(huán)境治理兩個(gè)維度中選取6項(xiàng)指標(biāo)[36,38]，建立了長(zhǎng)江中游城市群水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表1所示.

表1 長(zhǎng)江中游城市群水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation index system of water resources carrying capacity of urban agglomeration in the middle reaches of the Yangtze River

水資源子系統(tǒng)所含指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于2012-2018年湖北、湖南、江西省《水資源公報(bào)》；社會(huì)與經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)所含指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于湖北、湖南、江西3省及相關(guān)地級(jí)市的《統(tǒng)計(jì)年鑒》、《國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》、《水資源公報(bào)》及《水土保持公報(bào)》；生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)所含指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》各地市《環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》. 湖北省仙桃、潛江、天門3個(gè)縣級(jí)市相關(guān)數(shù)據(jù)獲取難度較大、缺失較多，鑒于3市人口、GDP和水資源總量分別僅占長(zhǎng)江中游城市群的2.59%、2.52%和1.75%，故未將這3市納入評(píng)價(jià)范圍. 江西省吉安市僅部分縣(區(qū))屬于長(zhǎng)江中游城市群，基于數(shù)據(jù)可獲取性及準(zhǔn)確性原則，以吉安全市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算.

2.2 改進(jìn)熵權(quán)TOPSIS模型

2.2.1 改進(jìn)的熵權(quán)法 熵權(quán)法根據(jù)不同指標(biāo)數(shù)據(jù)的離散程度確定指標(biāo)權(quán)重，能夠有效避免人為主觀因素的干擾，屬于客觀賦權(quán)方法[38]. 本文指標(biāo)數(shù)據(jù)是基于行政單元統(tǒng)計(jì)的水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，指標(biāo)權(quán)重采用熵權(quán)法確定. 傳統(tǒng)熵權(quán)法在計(jì)算熵值趨向于1的指標(biāo)權(quán)重時(shí)，熵值的微小差異會(huì)引起權(quán)重成倍變化，致使部分指標(biāo)獲得了與其重要性不相符的權(quán)重[39]，不少學(xué)者針對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了改進(jìn)[40-42]. 其中，李英海和周建中[41]的改進(jìn)熵權(quán)法既克服了傳統(tǒng)熵權(quán)法的不足，又保留了指標(biāo)權(quán)重拉開差距的能力，故本文借鑒此方法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，步驟如下：

1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化. 設(shè)研究區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)的原始數(shù)據(jù)矩陣(Zij)為：

(1)

式中,m為評(píng)價(jià)城市的數(shù)量，n為評(píng)價(jià)指標(biāo)總數(shù).

因數(shù)據(jù)的量綱不一，要先標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù). 指標(biāo)數(shù)據(jù)正、負(fù)向之分，正向指標(biāo)表示指標(biāo)值越大越好，負(fù)向指標(biāo)表示指標(biāo)值越小越好，采用極差法進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化：

Aij=(zij-minzi)/(maxzi-minzi)

(2)

Aij=(maxzi-zij)/(maxzi-minzi)

(3)

式中,zij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)為第i個(gè)城市的第j個(gè)指標(biāo)值.

2)計(jì)算第i城市第j項(xiàng)指標(biāo)值在所有城市中所占的比重(Pij), 即：

(4)

3)計(jì)算各指標(biāo)的熵值(Hj), 即：

(5)

4)計(jì)算各指標(biāo)的熵權(quán)系數(shù)(ωj), 即：

(6)

(7)

熵權(quán)系數(shù)ωj越大，則該指標(biāo)代表的信息量越大，對(duì)綜合評(píng)價(jià)的作用越大.

2.2.2 TOPSIS模型 TOPSIS模型是一種逼近理想解的評(píng)價(jià)方法，以各個(gè)城市為評(píng)價(jià)對(duì)象，通過計(jì)算各對(duì)象與理想解的貼進(jìn)度C來進(jìn)行評(píng)價(jià)，C取值在[0,1]之間，與理想解越近，值越接近1，評(píng)價(jià)結(jié)果越好[43-45]. 借鑒已有研究成果[46-47]，將水資源承載力水平分為 5個(gè)等級(jí)，如表2所示.

表2 水資源承載力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Water resources carrying capacity grading standard

2.3 空間自相關(guān)

空間自相關(guān)分析能夠揭示某區(qū)域數(shù)據(jù)與鄰近區(qū)域數(shù)據(jù)間是否具有關(guān)聯(lián)性，包括全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)[48-49]，前者考察研究區(qū)是否存在空間聚集現(xiàn)象、用于分析區(qū)域總體的空間關(guān)聯(lián)和差異程度，而后者考察研究區(qū)內(nèi)某區(qū)域與相鄰區(qū)域的空間集聚程度. 借助Geoda1.16軟件計(jì)算長(zhǎng)江中游城市群水資源承載力全局 Moran’sI指數(shù)和局部Moran’sI指數(shù)并生成LISA聚類地圖，以揭示該地區(qū)水資源承載力的空間分異情況.

2.4 耦合協(xié)調(diào)發(fā)展模型

為了對(duì)水資源子系統(tǒng)、社會(huì)子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)程度進(jìn)行分析，參考相關(guān)研究成果[15,19]，構(gòu)造耦合協(xié)調(diào)度函數(shù)如下：

(8)

式中,A為耦合度；X1、X2、X3、X4分別代表水資源子系統(tǒng)、社會(huì)子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的承載力，由各子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值乘以其權(quán)重得到.

(9)

T=αX1+βX2+γX3+λX4

(10)

式中,D為耦合協(xié)調(diào)度；T為四元系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)值；α、β、γ、λ表示待定系數(shù)，一般認(rèn)為在水資源承載系統(tǒng)中，水資源子系統(tǒng)、社會(huì)子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)同等重要，故取α=β=γ=λ=1/4.

3 結(jié)果與分析

3.1 水資源承載力的時(shí)間變化特征

運(yùn)用改進(jìn)熵權(quán)法結(jié)合TOPSIS模型，計(jì)算出長(zhǎng)江中游城市群28個(gè)城市的水資源承載力指數(shù)并取平均值得到長(zhǎng)江中游城市群整體的水資源承載力水平；長(zhǎng)江中游城市群所含的武漢城市圈、環(huán)長(zhǎng)株潭城市群、環(huán)鄱陽湖城市群的水資源承載力同理可得，如圖2所示.

圖2 2012-2018年長(zhǎng)江中游城市群水資源承載力變化趨勢(shì)Fig.2 Trend of water resources carrying capacity in urban agglomeration in the middle reaches of the Yangtze River from 2012 to 2018

在評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)，水資源承載力總體呈先緩慢上升后下降再上升的波動(dòng)變化趨勢(shì). 環(huán)長(zhǎng)株潭城市群、環(huán)鄱陽湖城市群以及長(zhǎng)江中游城市群各年水資源承載力得分均超過0.5，處于水資源協(xié)調(diào)狀態(tài)，其中，環(huán)鄱陽湖城市群承載力于2015年達(dá)到最高值(0.562). 武漢城市圈水資源承載力水平低于其他2個(gè)城市群和長(zhǎng)江中游城市群整體，2012、2017、2018年承載力得分低于0.5，處于合理狀態(tài). 水資源承載力評(píng)分均在2017年出現(xiàn)最小值，為究其原因，選擇波動(dòng)顯著的3年(2016-2018年)分析指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)值，如圖3(橫坐標(biāo)代表長(zhǎng)江中游城市群28個(gè)城市)所示，可以發(fā)現(xiàn)地表水資源占比(C2)、人口自然增長(zhǎng)率(C8)、人均耕地面積(C12)指標(biāo)在2017年的數(shù)值顯著低于2016和2018年；地表水資源占比反映水資源的豐枯，人口自然增長(zhǎng)率和人均耕地面積反映人口動(dòng)態(tài)變化和水資源與區(qū)域環(huán)境的協(xié)調(diào)狀態(tài)，說明水資源稟賦及人口增長(zhǎng)對(duì)水資源的壓力是限制長(zhǎng)江中游城市群水資源承載力提升的重要因素.

圖3 2016-2018年部分水資源承載力指標(biāo)加權(quán)值(編號(hào)1～28分別代表武漢、黃石、宜昌、襄陽、鄂州、荊門、孝感、荊州、黃岡、咸寧、長(zhǎng)沙、株洲、湘潭、衡陽、岳陽、常德、益陽、婁底、南昌、景德鎮(zhèn)、萍鄉(xiāng)、九江、新余、鷹潭、吉安、宜春、撫州、上饒)Fig.3 Apart of the weighted value of evaluation indices from 2016 to 2018

3.2水資源承載力的空間格局演化

3.2.1 空間分布特征 利用ArcGIS10.2繪制2012-2018年各城市水資源承載力空間分布圖(圖4)，水資源承載力水平整體較高，得分集中在合理、協(xié)調(diào)、充裕三級(jí). 2012-2016年，長(zhǎng)江中游城市群水資源承載力水平整體呈上升趨勢(shì)，至2016年最高；其中，3個(gè)城市承載力處于豐裕狀態(tài)，4個(gè)城市處于合理狀態(tài)，其余城市處于協(xié)調(diào)狀態(tài). 2017、2018年承載力水平整體相對(duì)降低，出現(xiàn)了水資源短缺狀態(tài)，空間差異增大. 武漢城市圈2012-2018年10個(gè)城市的水資源承載力評(píng)分均值為0.498，較環(huán)長(zhǎng)株潭城市群(0.537)和環(huán)鄱陽湖城市群(0.541)低. 長(zhǎng)沙、宜昌、武漢水資源承載力評(píng)分最高，7年平均得分依次為0.611、0.587、0.579，水資源較為充裕. 黃石、孝感、鄂州水資源承載力評(píng)分最低，分別為0.460、0.454、0.408，其中鄂州水資源承載力于2017、2018年降至短缺等級(jí). 分析鄂州市原始數(shù)據(jù)可知，2017、2018年人均水資源量較2016年分別下降了58.5%和66.6%，產(chǎn)水模數(shù)分別下降了58.1%和66.3%，水資源稟賦條件欠佳導(dǎo)致鄂州水資源承載力的降低.

圖4 2012-2018年長(zhǎng)江中游城市群水資源承載力空間分布Fig.4 Spatial different of water resources carrying capacity inurban agglomeration in the middle reaches of the Yangtze River from 2012 to 2018

3.2.2 空間自相關(guān)分析 借助Geoda1.16軟件構(gòu)造空間權(quán)重矩陣，獲得長(zhǎng)江中游城市群水資源承載力2012-2018年全局自相關(guān)Moran’sI指數(shù)(表3). 在0.1的置信水平上，2016年全局Moran’sI指數(shù)為-0.237，P值為0.051(<0.1)，通過了顯著性檢驗(yàn)，說明2016年長(zhǎng)江中游城市群呈現(xiàn)較為顯著的空間異質(zhì)格局.

表3 2012-2018年長(zhǎng)江中游城市群水資源承載力全局自相關(guān)Moran’s I指數(shù)Tab.3 Moran’s I of water resources carrying capacity in urban agglomeration in the middle reaches of the Yangtze River from 2012 to 2018

基于研究區(qū)2012-2018年的局部Moran’sI指數(shù)得到LISA聚類地圖(圖5)，局部空間自相關(guān)LISA聚集類型主要包括低-高、高-低、低-低3種類型. 2012年宜春、2016年九江、以及研究年限內(nèi)武漢均為高-低模式，這3個(gè)城市的水資源承載力高而臨近地區(qū)的水資源承載力低，為高值異質(zhì)中心；2012、2015、2017年宜春以及2016年荊州為低-高模式，水資源承載力低而臨近地區(qū)水資源承載力高，為低值異質(zhì)中心；2012-2015年、2018年黃岡為低-低模式，為低值聚集中心. 武漢城市圈呈現(xiàn)明顯的低值包圍高值的空間分布特征，表現(xiàn)出明顯的空間差異. 其他地區(qū)聚集性和異質(zhì)聚集性不明顯，空間差異較小. 總體而言，2012-2018年長(zhǎng)江中游城市群水資源承載力的空間差異呈先縮小、再增大、后縮小趨勢(shì)，武漢城市圈水資源承載力較其他2個(gè)城市群低且空間差異大，主要由于武漢城市圈內(nèi)部社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，而其他2個(gè)城市群得益于其良好的水資源稟賦，水資源承載力相對(duì)較高，內(nèi)部差異較小.

圖5 2012-2018年長(zhǎng)江中游城市群水資源承載力LISA聚類地圖Fig.5 LISA cluster map of water resources carrying capacity in urban agglomeration in the middle reaches of the Yangtze River from 2012 to 2018

3.3 子系統(tǒng)差異性評(píng)價(jià)

水資源承載系統(tǒng)由水資源子系統(tǒng)、社會(huì)子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)組成，對(duì)水資源承載力各子系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖6所示.

圖6 2012-2018年水資源承載力子系統(tǒng)平均評(píng)分Fig.6 Average score of water resources carrying capacity subsystem from 2012 to 2018

各城市水資源子系統(tǒng)評(píng)分差異較大. 上饒、撫州、景德鎮(zhèn)評(píng)分最高，平均評(píng)分為0.829、0.821和0.795，均位于環(huán)鄱陽湖城市群(圖6). 武漢城市圈的孝感、襄陽、鄂州評(píng)分最低，平均評(píng)分依次為0.420、0.406和0.108. 武漢城市圈水資源子系統(tǒng)承載力(0.497)較環(huán)長(zhǎng)株潭城市群(0.613)、環(huán)鄱陽湖城市群(0.724)低且內(nèi)部差異大. 對(duì)比3個(gè)城市群2012-2018年水資源子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)武漢城市圈12個(gè)城市平均后的所有指標(biāo)數(shù)據(jù)均小于其他2個(gè)城市群，因此造成武漢城市圈水資源子系統(tǒng)承載力較低. 長(zhǎng)江中游城市群各個(gè)城市的社會(huì)子系統(tǒng)承載力均處于合理及以上等級(jí). 評(píng)分最高的3個(gè)城市(荊門、宜昌、荊州)和評(píng)分最低的3個(gè)城市(咸寧、鄂州、黃岡)均位于武漢城市圈，該地區(qū)社會(huì)子系統(tǒng)承載力差異較大，而環(huán)長(zhǎng)株潭城市群、環(huán)鄱陽湖城市群評(píng)分分布較為均衡. 經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)承載力評(píng)分差異懸殊，武漢、長(zhǎng)沙、南昌評(píng)分最高，平均評(píng)分為0.884、0.726、0.607，取權(quán)重第二大的人均GDP指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)的7年平均值，排名前4的為武漢、長(zhǎng)沙、新余、南昌，成為導(dǎo)致武漢、長(zhǎng)沙、南昌評(píng)分最高的主要原因，該結(jié)果也體現(xiàn)了長(zhǎng)江中游城市群內(nèi)省會(huì)城市獨(dú)大的特點(diǎn). 評(píng)分最低的3個(gè)城市為撫州、吉安和宜春，均位于環(huán)鄱陽湖城市群，說明其社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)承載力較武漢城市圈和環(huán)長(zhǎng)株潭城市群低，也反映出該城市群的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)落后. 長(zhǎng)江中游城市群面積廣闊，內(nèi)部各城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差異大，武漢、長(zhǎng)沙、南昌的經(jīng)濟(jì)實(shí)力相對(duì)較強(qiáng)但輻射能力較弱，對(duì)城市群內(nèi)其他城市發(fā)展的帶動(dòng)能力不強(qiáng)，造成社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)承載力評(píng)分不均衡. 生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)承載力評(píng)分較為均衡，承載力整體較高，各個(gè)城市平均分皆在0.4以上. 最高值出現(xiàn)在武漢(0.589)，最低值出現(xiàn)在宜昌(0.439)，武漢城市圈(0.488)評(píng)分雖較環(huán)長(zhǎng)株潭城市群(0.599)和環(huán)鄱陽湖城市群(0.630)低，但仍處于合理狀態(tài). 計(jì)算出長(zhǎng)江中游城市群28個(gè)城市的各個(gè)子系統(tǒng)承載力評(píng)分并取平均值，發(fā)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)承載力差異不大，水資源子系統(tǒng)、社會(huì)子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)承載力分別為0.611、0.487、0.517和0.509. 長(zhǎng)江中下游地區(qū)河川徑流節(jié)律的變化是中下游生態(tài)環(huán)境面臨的主要問題之一，通過降低水利水電工程的影響進(jìn)行生態(tài)修復(fù)后[50]，水資源承載力應(yīng)會(huì)有所提升.

3.4 子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度

計(jì)算水資源承載系統(tǒng)的水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度，并利用ArcGIS自然斷點(diǎn)法將其分為5個(gè)等級(jí)：協(xié)調(diào)度極低(0.596～0.597)、協(xié)調(diào)度較低(0.598～0.701)、協(xié)調(diào)度中等(0.702～0.725)、協(xié)調(diào)度較高(0.726～0.750)、協(xié)調(diào)度極高(0.751～0.779)，28個(gè)城市2012-2018年平均耦合協(xié)調(diào)度如表4所示.

長(zhǎng)沙、宜昌、武漢耦合協(xié)調(diào)度極高. 長(zhǎng)沙水資源承載力各子系統(tǒng)評(píng)分均在0.5以上；宜昌水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)承載力大于0.6，彌補(bǔ)了生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的短板(0.439)；武漢經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)評(píng)分為0.884，水資源、社會(huì)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)得分分別為0.442、0.499、0.589，可見社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來的節(jié)水減排技術(shù)可以提高水資源利用效率和效益. 鄂州耦合協(xié)調(diào)度極低，主要由于其水資源子系統(tǒng)承載力評(píng)分極低(0.180)造成整體協(xié)調(diào)度不高. 分析鄂州市標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，除2016年產(chǎn)水模數(shù)(C3)指標(biāo)外，2012-2018年鄂州水資源子系統(tǒng)內(nèi)6個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)均小于長(zhǎng)江中游城市群平均值，其中，人均水資源利用量(C4)和供水模數(shù)(C5)的值7年間均為最小，地表水資源占比(C2)數(shù)據(jù)除2016年外為最小，水資源開發(fā)利用率(C6)數(shù)據(jù)除2012年、2016年外為最小，導(dǎo)致水資源子系統(tǒng)承載力評(píng)分低. 另外還有10個(gè)城市協(xié)調(diào)度較高，7個(gè)城市協(xié)調(diào)度中等、7個(gè)城市協(xié)調(diào)度較低，長(zhǎng)江中游城市群水資源承載力子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度整體處于中等水平. 長(zhǎng)沙、宜昌、武漢2012-2018年平均水資源承載力和耦合協(xié)調(diào)度在28個(gè)城市中處于前3位；黃石、孝感、鄂州處于后3位，通過計(jì)算可得28個(gè)城市水資源承載力和耦合協(xié)調(diào)度兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.98，說明水資源承載力與耦合協(xié)調(diào)度有極強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系. 取各城市同一年耦合協(xié)調(diào)度的算術(shù)平均值得到該年度的長(zhǎng)江中游城市群平均耦合協(xié)調(diào)度，如圖7所示.

圖7 長(zhǎng)江中游城市群2012-2018年水資源承載系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度Fig.7 Coordination degree of water resources carrying system in urban agglomeration in the middle reaches of the Yangtze River from 2012 to 2018

長(zhǎng)江中游城市群水資源承載力子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度呈先平穩(wěn)上升、隨后下降、再上升的變化趨勢(shì)(圖7)，與水資源承載力的變化趨勢(shì)較為相似. 2012年耦合協(xié)調(diào)度處于中等水平(0.703)；2013-2016年處于較高水平，2015年達(dá)到峰值(0.734). 2017、2018年協(xié)調(diào)度跌至中等水平，為探究協(xié)調(diào)度變化原因，取各市的算數(shù)平均值得到水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)2012-2018年承載力，如圖8所示.

圖8 2012-2018年各子系統(tǒng)承載力的評(píng)分Fig.8 Scores of carrying capacity for each subsystem from 2012 to 2018

2012-2016年水資源子系統(tǒng)承載力呈上升趨勢(shì)，社會(huì)子系統(tǒng)承載力呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)承載力在波動(dòng)中緩步上升，生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)承載力2014年后逐年下降. 2017年水資源子系統(tǒng)、社會(huì)子系統(tǒng)承載力大幅下降，造成協(xié)調(diào)度降低，但仍處與協(xié)調(diào)度中等水平. 由圖3可知水資源子系統(tǒng)內(nèi)的地表水資源占比(C2)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)內(nèi)的人口自然增長(zhǎng)率(C8)、人均耕地面積(C12)指標(biāo)加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化值在2017年下降明顯，導(dǎo)致該年份水資源子系統(tǒng)承載力和社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)承載力下降，進(jìn)而導(dǎo)致耦合協(xié)調(diào)度的降低.

4 討論

4.1 水資源承載力關(guān)鍵影響因素

取每個(gè)指標(biāo)2012-2018年權(quán)重的算術(shù)平均值，排名前5的指標(biāo)分別是城市污水處理廠日處理能力(C24)、人均GDP(C14)、城鎮(zhèn)化率(C9)、第三產(chǎn)業(yè)比重(C13)和人均水資源量(C1). 可見人類對(duì)水資源的保護(hù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和當(dāng)?shù)厮Y源稟賦對(duì)長(zhǎng)江中游城市群水資源承載力有重要影響. 長(zhǎng)江中游城市群水資源承載力的研究主體以相關(guān)省份和內(nèi)部小城市群居多，陸佳慧等[51]基于隨機(jī)森林算法對(duì)湖北省水資源承載力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，供水模數(shù)、需水模數(shù)、萬元GDP排污量、日生活用水定額、水資源開發(fā)利用率是湖北省水資源承載力的關(guān)鍵影響因子；危文廣等[24]基于理想點(diǎn)法對(duì)江西省資源進(jìn)行了評(píng)價(jià)，年降水量、工業(yè)用水重復(fù)利用率、第三產(chǎn)業(yè)比重、人均水資源量、污水處理率對(duì)江西省的水資源承載力影響較大. 其中第三產(chǎn)業(yè)比重與本文的結(jié)論吻合，由于研究尺度和指標(biāo)選取的不同，部分關(guān)鍵指標(biāo)與本文有差異，但都主要體現(xiàn)在在水資源數(shù)量和利用上. 田培等[46]運(yùn)用變權(quán)TOPSIS模型評(píng)價(jià)了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶2015-2017年的水資源承載力，發(fā)現(xiàn)湖北省、湖南省、江西省水資源承載力3年間穩(wěn)步增長(zhǎng)，而本文認(rèn)為2015-2017年承載力逐年下降，這可能與研究尺度、權(quán)重確定方法和指標(biāo)選取等差異有關(guān).

4.2 水資源承載系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)性

Wang等[20]運(yùn)用三系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)模型測(cè)算了湖南省各個(gè)地級(jí)市水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)度，結(jié)果表明湖南省耦合協(xié)調(diào)度呈現(xiàn)東西北三面高，中南部(湘潭、衡陽、婁底)低的空間分布特征. 本文研究發(fā)現(xiàn)湘潭、衡陽處于耦合協(xié)調(diào)度中等水平，婁底處于較低水平，環(huán)長(zhǎng)株潭城市群其他城市處于中等或較高水平，空間分布特征與該研究稍有不同. 該研究根據(jù)相關(guān)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃及相關(guān)專家學(xué)者咨詢的結(jié)果，為突出湖南省作為中部重要省份將經(jīng)濟(jì)建設(shè)放在較重要的位置，把水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的待定系數(shù)分別設(shè)為0.3、0.4、0.3. 然而本文與其他協(xié)調(diào)度研究文獻(xiàn)[15,19,52]認(rèn)為水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)同等重要，各系統(tǒng)的待定系數(shù)相等. 在耦合協(xié)調(diào)度的計(jì)算中，將各子系統(tǒng)視為同等重要是否忽略了區(qū)域特征，若有側(cè)重又如何避免待定系數(shù)設(shè)置中主觀性過強(qiáng)的問題有待深入研究. Zhu等[53]運(yùn)用隸屬函數(shù)協(xié)調(diào)模型分析了長(zhǎng)江中游城市群2008-2017年水資源與經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系，認(rèn)為武漢、長(zhǎng)沙、南昌和新余的協(xié)調(diào)度持續(xù)處于較差水平；而本研究表明武漢、長(zhǎng)沙的耦合協(xié)調(diào)度處于極高水平，南昌、新余處于較高水平，可能是由于研究方法和子系統(tǒng)數(shù)量不同所致. 另外，Zhu等[53]提出利用經(jīng)濟(jì)發(fā)展成果提高水資源利用效率、改善水環(huán)境是促進(jìn)長(zhǎng)江中游城市群水資源與經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展相協(xié)調(diào)的關(guān)鍵，本文也認(rèn)為提高長(zhǎng)江中游城市群水資源承載力應(yīng)注重經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中的技術(shù)創(chuàng)新.

5 結(jié)論與建議

本文綜合考慮水資源-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境復(fù)合關(guān)系，構(gòu)建了水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用改進(jìn)熵權(quán)TOPSIS模型、空間自相關(guān)和耦合協(xié)調(diào)發(fā)展模型，定量評(píng)價(jià)了長(zhǎng)江中游城市群發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施前后(2012-2018年)的水資源承載力時(shí)空格局及耦合協(xié)調(diào)性，主要結(jié)論如下：

1)長(zhǎng)江中游城市群整體的水資源承載力水平較高，并呈先穩(wěn)步上升(2012-2015年)、后下降(2015-2017年)、再上升(2017-2018年)的波動(dòng)變化趨勢(shì).

2)2012-2018年各城市間的水資源承載力差異不明顯(僅2016年差異顯著)，且水資源承載力空間差異性的變化特征隨時(shí)間呈先縮小(2012-2014年)、后增大(2015-2016年)、再縮小(2017-2018年)的趨勢(shì)；武漢城市圈水資源承載力呈現(xiàn)明顯的低值包圍高值的空間分布特征，且其內(nèi)部各城市水資源承載力的差異較環(huán)長(zhǎng)株潭城市群和環(huán)鄱陽湖城市群大.

3)水資源子系統(tǒng)承載力水平最高(0.611)，經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)承載力水平最低(0.487)，社會(huì)子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)承載力分別為0.517和0.509. 各城市的生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)承載力水平較高且較為均衡，水資源子系統(tǒng)、社會(huì)子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的承載力差異較大.

4)長(zhǎng)江中游城市群水資源承載力各子系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)度總體處于中等水平，3個(gè)城市耦合協(xié)調(diào)度極高、10個(gè)城市較高、7個(gè)城市中等、7個(gè)城市較低、1個(gè)城市極低，水資源承載力與耦合協(xié)調(diào)度之間有極強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系.

長(zhǎng)江中游城市群水資源承載力的提高需要通過新建、改建、擴(kuò)建等方式提升污水處理廠的處理能力，推進(jìn)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè). 合理控制城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模和調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，減少經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水負(fù)擔(dān)，壓縮耗水量大、用水效益低、水污染嚴(yán)重的產(chǎn)業(yè)，提高工業(yè)用水重復(fù)率，逐步形成節(jié)水高效的產(chǎn)業(yè)體系. 全面推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)，形成以人水和諧為核心的節(jié)水型社會(huì)生產(chǎn)關(guān)系，完善地方性水法規(guī)，增強(qiáng)公眾節(jié)水意識(shí)，提高水資源利用效率.