高玉琴，李媛媛，高 見，杜承霖，張 鳴，武 娟

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，江蘇 南京 210029；3.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635； 4.高淳區(qū)水資源管理中心，江蘇 南京 211300)

“水太少不夠用”和“水太臟用不了”是當(dāng)前中國在處理用水問題中亟需解決的矛盾點。我國水資源總量位居世界前列，但由于人口眾多，人均水資源占有量排名靠后，缺水問題愈發(fā)凸顯。2019年下半年，長江中下游地區(qū)多省發(fā)生較為嚴(yán)重的夏秋冬連旱，給群眾生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成較大影響[1]。據(jù)預(yù)測，2050年我國人口將達(dá)16.23億，根據(jù)當(dāng)前用水和經(jīng)濟發(fā)展趨勢，若不合理利用水資源，屆時年需水量恐超過可利用淡水資源量，可用水資源將逐步被消耗殆盡[2-3]。

對于用水緊張問題，按照傳統(tǒng)思路，人們通常習(xí)慣從實體水資源角度出發(fā)尋求解決方案，但往往會受到地理和氣候等客觀因素的限制，而虛擬水作為一種“無形”的水資源，寄存于生產(chǎn)和運輸產(chǎn)品的過程中，通過貿(mào)易的手段引導(dǎo)高耗水產(chǎn)品流入本地市場，從而可以避免在生產(chǎn)中大量消耗水資源，這一舉措為用水緊張問題提供了新的應(yīng)對策略。因此，將虛擬水與水資源承載力相結(jié)合進(jìn)行研究，能更真實地反映區(qū)域水資源利用情況與實際水資源承載力水平，從而對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、城市化規(guī)模調(diào)控等問題提供科學(xué)指導(dǎo)，保障國家水資源能夠被安全與合理地利用。

1 評價理論基礎(chǔ)

1.1 虛擬水概念及特征

當(dāng)商品從一個地區(qū)轉(zhuǎn)移至另一地區(qū)時，攜帶著生產(chǎn)該產(chǎn)品所消耗的水資源一同流動，這種伴隨著商品進(jìn)行流動的“看不見的水資源”稱作虛擬水，虛擬水的提出，使得從富水地區(qū)進(jìn)口水密集型產(chǎn)品成為緩解用水緊張地區(qū)水資源短缺的有力措施[4]。隨后各學(xué)者將虛擬水的研究領(lǐng)域從農(nóng)產(chǎn)品拓展到全領(lǐng)域商品中，與商品一樣，虛擬水有“進(jìn)口量”和“出口量”，求得某產(chǎn)品虛擬水的進(jìn)出口量差值即可衡量一個地區(qū)某項產(chǎn)品所蘊含的虛擬水量或虛擬水平衡狀況?；谏鲜龈拍?，虛擬水的主要特征有：①貿(mào)易性。虛擬水的產(chǎn)生和流動只有依托于商品或者服務(wù)的貿(mào)易才能進(jìn)行。②非實在性。虛擬水以非實在的形式凝結(jié)于產(chǎn)品與服務(wù)之中，屬于不可見的水資源。③便利性。相較于實體水，虛擬水隨著各種產(chǎn)品從富水地區(qū)向貧水地區(qū)轉(zhuǎn)移，運輸調(diào)度的難度與成本大大降低。

1.2 虛擬水量化方法

某種產(chǎn)品的虛擬水量往往通過計算生產(chǎn)地在生產(chǎn)過程中消耗的水資源量，或是消費地生產(chǎn)該產(chǎn)品所將消耗的水資源量來確定。為保證數(shù)據(jù)的一致性，本文均從消費地角度出發(fā)，以消費地生產(chǎn)所消耗的水資源量作為計算依據(jù)來量化虛擬水。虛擬水量化計算主要考慮農(nóng)、畜產(chǎn)品虛擬水以及工業(yè)虛擬水量的計算。

農(nóng)、畜產(chǎn)品虛擬水選取糧食(稻谷、大豆)、經(jīng)濟作物(糖蔗、煙葉、花生、木薯)、大型牲畜(豬肉、牛肉)等生活中的主要消費產(chǎn)品進(jìn)行估算。量化農(nóng)產(chǎn)品虛擬水時用單位面積農(nóng)作物耗水量與其單位面積產(chǎn)量的比值來表示該種農(nóng)作物單位質(zhì)量所含的虛擬水量。因家畜消耗的水資源量由飲用水、飼料生長用水、環(huán)境清潔用水、畜產(chǎn)品加工用水組成[5]，所以一般釆用Chapagain等[6-7]提出的生產(chǎn)樹量化方法計算畜產(chǎn)品虛擬水。

工業(yè)虛擬水量從2個角度計算，一是研究區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)各規(guī)模以上主要工業(yè)產(chǎn)品所消耗的水資源量，即工業(yè)生產(chǎn)虛擬水；二是研究區(qū)域內(nèi)人類消費活動中對工業(yè)產(chǎn)品及其原材料消耗時用掉的水資源量，即消費虛擬水，它又可細(xì)分為生活工業(yè)品消費用水和總工業(yè)原料消費用水。

2 評價指標(biāo)體系

2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

對區(qū)域水資源承載力進(jìn)行評價時，應(yīng)對社會經(jīng)濟系統(tǒng)、自然水循環(huán)系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)三者協(xié)調(diào)情況進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的描述與周全的考慮[8-9]，因此需要構(gòu)建一個合理的評價指標(biāo)體系對其進(jìn)行反映。虛擬水將生產(chǎn)過程、消費品數(shù)量與水資源承載力之間建立了關(guān)聯(lián)，將虛擬水對水資源產(chǎn)生影響的相關(guān)因素作為指標(biāo)，納入水資源承載力評價指標(biāo)體系，能夠?qū)^(qū)域水資源的承載力水平和利用情況進(jìn)行更加全面的了解和剖析。按照科學(xué)性、層次性、整體性、可操作性、可比性、定性定量結(jié)合的原則[10]，從社會經(jīng)濟、自然水循環(huán)、生態(tài)環(huán)境三者組成的復(fù)合系統(tǒng)角度出發(fā)，探求分析內(nèi)在聯(lián)系，綜合考慮各影響因素與虛擬水發(fā)展?fàn)顩r，構(gòu)建水資源量、虛擬水、生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟4個維度的區(qū)域水資源承載力評價指標(biāo)體系[11-12]，通過Delphi法初選、主成分分析法優(yōu)選得到的評價指標(biāo)體系如圖1所示，篩選后的體系能夠通過合理性檢驗。

圖1 水資源承載力評價指標(biāo)體系

2.2 評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)區(qū)域水資源承載力的特點，綜合分析前人研究成果，并通過對研究區(qū)域的社會發(fā)展程度與水資源承載力本身進(jìn)行分析，最終確定水資源承載力評價指標(biāo)體系對應(yīng)不同等級(可承載、弱可承載、臨界、超載和嚴(yán)重超載)的劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)[13-15]。其中，Ⅴ級為可承載狀態(tài)，表示研究區(qū)域水資源量較為充足，開發(fā)潛力大，水資源承載力水平高；Ⅳ級為弱可承載狀態(tài)，表示研究區(qū)域水資源量基本能夠滿足自然水的循環(huán)、社會經(jīng)濟發(fā)展的使用以及生態(tài)系統(tǒng)的正常運作，已進(jìn)行了一定程度上的開發(fā)，水資源承載力水平較好，是一種過渡級別，進(jìn)一步的開發(fā)或保護措施都會影響其向著臨近等級變化；Ⅲ級為臨界承載狀態(tài)，表示研究區(qū)域的水資源處于供需平衡的臨界狀態(tài)，其開發(fā)水平已趨于飽和，水資源承載力水平一般；Ⅱ級為超載狀態(tài)，表示研究區(qū)域水資源量較為緊缺，水資源系統(tǒng)被過度開發(fā)，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要及時制定相關(guān)政策與方案進(jìn)行改善；Ⅰ級為嚴(yán)重超載狀態(tài)，表示研究區(qū)域的水資源已面臨十分惡劣的境況，由于過度的開發(fā)利用，水資源系統(tǒng)已遭到嚴(yán)重破壞。

表1 水資源承載力評價指標(biāo)等級劃分

3 改進(jìn)物元可拓模型

物元可拓法是一種廣泛應(yīng)用于水資源承載力評價領(lǐng)域的多指標(biāo)決策方法[16-17]。然而傳統(tǒng)物元可拓模型在反映評價等級時只考慮隸屬度向量中的最大分量，忽略了除去最大分量以外的部分，針對這一缺點，選用擇近原則替代，并引入貼近度代替關(guān)聯(lián)度來反映評價等級；針對其利用常權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重難以表現(xiàn)指標(biāo)數(shù)值水平分布發(fā)生的變化這一缺陷，利用變權(quán)法作為替代。

3.1 待評價物元、經(jīng)典域、節(jié)域的建立

利用物元三元素，即事物名稱N、特征C及量化的數(shù)值X來描述研究對象，通過有序一元物元R=(N，C，X)的形式來表現(xiàn)。所研究的事物對象若具有多種特征，則可以稱為n維物元：

(1)

式中：N代表物，用來表示不同系統(tǒng)中的研究對象；C代表特征，用來表示研究對象的特征以及研究對象間的作用關(guān)系；X代表實數(shù)量值，用來表示研究對象關(guān)于特征所具有的數(shù)量范圍；Cn表示所研究事物對象N的第n個特征；Xn指所研究事物對象N關(guān)于某個特征Cn所表示的實數(shù)量值。

用關(guān)系元Rj來表示評價體系中某個評價等級Nj(j=1,2,…,m)的取值范圍，即經(jīng)典域：

(2)

式中：Cj為水資源承載力等級Nj所具有的特征，即相應(yīng)評價狀況等級的特征；Xj=[aji，bji]表示評價等級Nj關(guān)于Cj所劃分的取值范圍，其中[aji，bji](i=1,2,…,n)即為經(jīng)典域。

用關(guān)系元Rp來表示指標(biāo)特征值取值范圍所構(gòu)成的矩陣，即節(jié)域：

Rp=(Np,C,Xp)=

(3)

式中Xpi=[api，bpi](i=1,2,…,n)為Np關(guān)于C的取值范圍，其中Np為評價等級的全體，Xj∈Xp。

3.2 變權(quán)法確定評價指標(biāo)權(quán)重

(4)

其中

式中α為均衡參數(shù)，反映決策人對指標(biāo)的均衡要求。

當(dāng)α>0、α=0、α<0時，模型分別為n維激勵型、常權(quán)型、n維懲罰型，常權(quán)分量wk(k=1,2，…,n)取相同值以保證賦值客觀。利用各評價指標(biāo)的實測值與節(jié)域區(qū)間來表示狀態(tài)變權(quán)向量，指標(biāo)權(quán)重為

(5)

其中dimax=max(|Xi-aNi|,|bNi-Xi|)

dimin=min(|Xi-aNi|,|bNi-Xi|)

式中：Xi為所研究事物N關(guān)于某個特征Ci的實數(shù)量值；aNi、bNi分別為特征Ci取值范圍內(nèi)的最小值、最大值。

表2 2019年粵港澳大灣區(qū)9市主要農(nóng)、畜產(chǎn)品虛擬水總量

3.3 貼近度計算

傳統(tǒng)物元可拓模型通過計算指標(biāo)與評價對象之間的關(guān)聯(lián)度反映評價等級，忽略了隸屬度向量中除去最大分量以外的部分，從而使最終評價結(jié)果不夠合理周全。張曉平[19]選用擇近原則作為替代方法，提出貼近度的概念，待評價物元對于指標(biāo)各評價等級的貼近度為

(6)

3.4 等級評價

(7)

得到

(8)

式中j*為待評價物元R的等級變量特征值。

4 實例應(yīng)用

4.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)位于廣東省東、西、北三江下游區(qū)域，包括粵港澳大灣區(qū)9市，涵蓋東、西、北三江和珠江三角洲諸河共4大水系，河網(wǎng)密布，相互貫通，各支流經(jīng)虎跳門、磨刀門等八大口門后匯入中國南海。研究區(qū)為亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，雨熱同期，年均降雨量為1 600～2 300 mm，4—9月為汛期，夏季高溫多雨，冬季溫暖宜人；水資源總量3 742億m3，承接?xùn)|、西、北三江過境水量合計2 941億m3。雖然降雨量較為充沛，但在社會發(fā)展與經(jīng)濟建設(shè)過程中，累積了大量用水超標(biāo)問題，使得該區(qū)域水資源脆弱性處于較高水平，因此開展粵港澳大灣區(qū)9市水資源承載力評價對于指導(dǎo)地區(qū)合理高效配置水資源具有重要意義。研究數(shù)據(jù)來源于《廣東省用水定額》《廣東省統(tǒng)計年鑒》及粵港澳大灣區(qū)9地市的《統(tǒng)計年鑒》。研究區(qū)地理位置如圖2所示。

圖2 研究區(qū)地理位置示意圖

4.2 虛擬水量化計算

4.2.1主要農(nóng)、畜產(chǎn)品虛擬水計算

選擇消費地生產(chǎn)時所消耗的水資源量作為計算依據(jù)量化虛擬水，綜合2019年粵港澳大灣區(qū)9市的主要農(nóng)、畜產(chǎn)品總量和單位農(nóng)、畜產(chǎn)品虛擬水含量，計算可得農(nóng)、畜產(chǎn)品虛擬水總含量(表2)。2019年廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門、肇慶主要農(nóng)、畜產(chǎn)品虛擬水總量分別為29.085億m3、0.854億m3、12.451億m3、39.860億m3、23.850億m3、3.181億m3、18.292億m3、45.395億m3和63.498億m3。

4.2.2主要工業(yè)產(chǎn)品虛擬水計算

由于工業(yè)產(chǎn)品種類繁多，數(shù)據(jù)收集存在一定難度，因此主要分析常見規(guī)模以上工業(yè)產(chǎn)品，計算中考慮單一產(chǎn)品用水量占規(guī)模以上產(chǎn)品用水量的比例和各區(qū)域規(guī)模以上工業(yè)產(chǎn)品用水量占總產(chǎn)品用水量的比重。研究區(qū)工業(yè)生產(chǎn)虛擬水用量、工業(yè)消費虛擬水用量以及凈進(jìn)口虛擬水量見表3。

表3 2019年粵港澳大灣區(qū)9市工業(yè)虛擬水總用水量 單位：億m3

分析表3可知，研究區(qū)工業(yè)消費用水為5 155.97億m3，工業(yè)凈進(jìn)口水量為5 090.17億m3，工業(yè)生產(chǎn)虛擬水總量合計約為65.75億m3，其中廣州市和東莞市對工業(yè)虛擬水的進(jìn)口較為依賴。在工業(yè)消費用水結(jié)構(gòu)中，工業(yè)原料虛擬用水是其主要組成部分，主要是因為研究區(qū)在擴大其經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模的過程中，需要消耗大量的原材料用于工業(yè)生產(chǎn)，以帶動第二、三產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展。生活工業(yè)虛擬水對工業(yè)消費虛擬水的影響程度受到生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)研究區(qū)域人口數(shù)量上升，客觀上相應(yīng)的食物需求量會增加，從而促進(jìn)食品飲料業(yè)的發(fā)展，此時以農(nóng)產(chǎn)品作為工業(yè)原材料的消耗量會增大，工業(yè)消費虛擬水量增大的同時，生活工業(yè)虛擬水在工業(yè)消費虛擬水中所占的比例因此上升，此時工業(yè)消費虛擬水量與研究區(qū)域的人口數(shù)量和消費意愿強度呈正相關(guān)性。這對當(dāng)?shù)厮Y源承載力造成了巨大的壓力，通過對這類水密集型的農(nóng)業(yè)原材料或工業(yè)加工品采取進(jìn)口貿(mào)易的手段，增加虛擬水凈進(jìn)口量，可以緩解當(dāng)?shù)赜盟畨毫?，從而間接提高水資源承載力。

4.2.3水資源承載力的評價結(jié)果及分析

應(yīng)用改進(jìn)物元可拓模型對2019年粵港澳大灣區(qū)9市的區(qū)域水資源承載力進(jìn)行計算評價。根據(jù)變權(quán)法計算得到各指標(biāo)權(quán)重，C1～C17的權(quán)重分別為0.056、0.073、0.091、0.055、0.085、0.067、0.054、0.057、0.044、0.042、0.049、0.064、0.061、0.052、0.048、0.056、0.046。各評價指標(biāo)的貼近度函數(shù)值與等級變量特征值見表4。

表4 等級貼近度和等級變量特征值

各市等級貼近度的最大值對應(yīng)的評價等級即為各市水資源承載力等級，廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門、肇慶的水資源承載力等級分別為臨界、超載、弱可承載、臨界、可承載、弱可承載、弱可承載、可承載、可承載。

深圳水資源承載力為Ⅱ級，處于超載狀態(tài)，主要是人均水資源占有量過低、水資源開發(fā)利用率過高導(dǎo)致的，這與深圳城鎮(zhèn)化水平高、人口密度大有關(guān)；佛山和廣州水資源承載力為Ⅲ級臨界承載。這些地區(qū)社會人口、經(jīng)濟發(fā)展過快，影響其水資源承載力評價結(jié)果的主要指標(biāo)為人均水資源占有量、水資源開發(fā)利用率，相較于水資源量要素指標(biāo)，虛擬水要素指標(biāo)對這些地區(qū)的水資源承載力影響較弱。未來應(yīng)在提高水資源利用效率、保護水環(huán)境、改善城區(qū)水質(zhì)等方面采取合理的措施，以保證經(jīng)濟-環(huán)境-水資源的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

東莞水資源承載力為Ⅳ級弱可承載，影響東莞水資源承載力的主要因素為人均水資源占有量、水資源開發(fā)利用率，因其人口密度、經(jīng)濟發(fā)展水平低于深圳、廣州等城市，故水資源承載力水平略高；中山水資源承載力為Ⅳ級弱可承載，除受人均水資源占有量、水資源開發(fā)利用率影響外，虛擬水土地密度也是降低其水資源承載力的主要原因，這是由于中山工業(yè)用水集中于服裝業(yè)和造紙業(yè)，出口較多，故工業(yè)虛擬水流出較多；珠海水資源承載力為Ⅳ級弱可承載，其中人均水資源占有量、水資源開發(fā)利用率對珠海水資源承載力影響較大。這些地區(qū)目前能夠基本保證區(qū)域內(nèi)人口、經(jīng)濟、環(huán)境、資源的協(xié)調(diào)發(fā)展，水資源開發(fā)利用程度中等。

肇慶、惠州、江門水資源承載力為Ⅴ級可承載，其中人工生態(tài)環(huán)境補水率都處于超載等級，但因該項指標(biāo)權(quán)重較輕，故對水資源承載力影響不大。區(qū)域內(nèi)人口、經(jīng)濟、環(huán)境、資源的協(xié)調(diào)發(fā)展，水資源開發(fā)利用程度較小，潛力較大，具有較強的承載能力，能夠較好地滿足社會發(fā)展的需求，但工、農(nóng)業(yè)及居民生活用水效率低下，耗水率高，導(dǎo)致水資源未得到充分利用，建議采取科學(xué)的技術(shù)管理手段，調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)布局，對水資源配置與利用進(jìn)行優(yōu)化，從而提高水資源的利用效率，增強區(qū)域水資源承載力的水平。

5 結(jié) 論

a.采用改進(jìn)物元可拓模型構(gòu)建水資源承載力評價模型，結(jié)合虛擬水新概念及其特性，對粵港澳大灣區(qū)9市水資源承載力進(jìn)行了綜合評價。評價結(jié)果表明，深圳水資源超載，廣州、佛山為臨界超載，其他地市為弱可承載或可承載。

b.改進(jìn)物元可拓模型適用于虛擬水影響下水資源承載力評價，粵港澳大灣區(qū)9市的應(yīng)用結(jié)果，表明該模型應(yīng)用于虛擬水影響下水資源承載力評價有較好的推廣價值。

c.深圳、佛山、廣州應(yīng)加強水資源管理，保護水環(huán)境，改善城區(qū)水質(zhì)，嚴(yán)格落實最嚴(yán)格水資源管理制度，加強用水過程監(jiān)管；肇慶、惠州、江門應(yīng)采取科學(xué)的技術(shù)管理手段，調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)布局，對水資源配置與利用進(jìn)行優(yōu)化。