宋世強,馮 倩,王萍根,唐郭豪,熊夏暉,計 勇

(南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院,江西 南昌 330099)

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展,用水矛盾日益突出,在對水資源進行規(guī)劃利用時,必須考慮水資源系統(tǒng)的承載能力[1-2]。對水資源承載力進行合理評價可為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供參考及理論依據(jù)[3]。水資源利用率低、水環(huán)境惡化、洪澇災(zāi)害等問題已成為制約江西省經(jīng)濟發(fā)展的重要因素[4]。如何解決經(jīng)濟社會發(fā)展與水環(huán)境之間的供需矛盾,加強水資源利用的管理,實現(xiàn)水資源與社會、經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,為江西省經(jīng)濟快速發(fā)展和人民幸福生活提供全面保障,是當(dāng)前迫切需要解決的重大問題[5]。合理評價水資源承載力可為江西省水資源的可持續(xù)利用和社會的可持續(xù)發(fā)展提供決策指導(dǎo)[4]。對于區(qū)域水資源承載力的評估,國外研究并不多,大部分將其歸入可持續(xù)發(fā)展研究中,較為廣泛地應(yīng)用于土地、旅游、環(huán)境領(lǐng)域。在水資源領(lǐng)域的具體應(yīng)用,國外往往以“水資源供需比(Ratio of Water Supply to Water Demand)”[6]、“可利用水量(Water Availability)”[7]等概念出現(xiàn)。中國對水資源承載能力的研究起步于20世紀(jì)80年代,以新疆水資源軟科學(xué)課題研究組[8]為代表從水資源開發(fā)利用角度提出了水資源承載力的模糊概念;直至1992年,施雅風(fēng)等[9]將水資源承載力這一概念明確定義。目前國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一的區(qū)域承載力評估方法,常見的大致可以分為四大類:一是生態(tài)足跡法,生態(tài)足跡理論在20世紀(jì)90年代初由William E.Rees[10]提出,以用來評估目前人類活動的永續(xù)性,但由于各評價要素間信息雜糅與主觀性人為判斷的影響,使結(jié)果偏離了實際情況[11];二是綜合評價法,該方法采用具體的評價指標(biāo)、評價標(biāo)準(zhǔn)及評價方法,對水資源承載力情況進行量化評價[12-14],但通常會忽略評價指標(biāo)之間的耦合關(guān)系[15]。主要包括了綜合指標(biāo)評價法[16]、投影尋蹤法[14]、成分分析法[17]、層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)[18]等;三是經(jīng)驗估算法,該方法根據(jù)供需平衡、水熱平衡等基本原理,對承載力大小進行估計[19],但難以對調(diào)控方案提供有效的技術(shù)支撐[19]?，F(xiàn)階段的經(jīng)驗公式法主要有背景分析法[20]、常規(guī)趨勢法[21]、經(jīng)驗公式法[21]等;四是復(fù)雜系統(tǒng)分析法,該方法將一個復(fù)雜系統(tǒng)基于社會經(jīng)濟、資源環(huán)境等方面劃分為多個子系統(tǒng),并根據(jù)子系統(tǒng)間的聯(lián)系,模擬水資源的變化趨勢。但存在方程和模型建立不夠準(zhǔn)確的問題[22],需通過檢驗確定模型的準(zhǔn)確性。主要包括系統(tǒng)動力學(xué)法(system dynamics,SD)[22]、控制目標(biāo)反推模型[23]、優(yōu)化模型法[24]。因此,水資源承載力的研究得到學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注[25]。

本研究將系統(tǒng)動力學(xué)與層次分析法相結(jié)合,考慮了水資源承載力定量分析過程中,各評價指標(biāo)間的耦合關(guān)系,單一評價方法的局限性,并通過歷史性檢測來驗證模型的有效性。系統(tǒng)動力學(xué)由美國麻省理工學(xué)院Forrester[6]提出,是一種通過計算機模擬技術(shù)與反饋控制理論相結(jié)合,定性并定量分析復(fù)雜非線性系統(tǒng)的方法。1980 年,英國學(xué)者Sleeser[26]綜合考量人口、資源、環(huán)境和發(fā)展之間的關(guān)系,提出了用系統(tǒng)動力學(xué)模型計算資源環(huán)境承載力的新方法。通過在一些國家和地區(qū)的實際應(yīng)用,該模型在實踐中取得了良好的效果,并通過了聯(lián)合國開發(fā)計劃署的批準(zhǔn)。隨著系統(tǒng)動力學(xué)理論體系及研究方法的成熟,它已被廣泛應(yīng)用于水資源承載力的研究[7,27]。以系統(tǒng)動力學(xué)為基礎(chǔ),建立了由4個子系統(tǒng)組成的SD模型,利用2013—2020年的經(jīng)濟、人口、水環(huán)境及水資源數(shù)據(jù)對水資源承載力模型進行率定,對江西省4種發(fā)展情境下的水資源承載力發(fā)展趨勢進行系統(tǒng)評價,以期為該地區(qū)水資源可持續(xù)利用以及水資源政策的制定提供借鑒。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

江西省位于中國的東南部,全省總面積16.69萬km2,地處北緯24°29′14″—30°04′43″與東經(jīng)113°34′18″—118°28′56″,屬于典型的亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,全省雨量充沛,多年平均降水量為1 638 mm[5]。隨著經(jīng)濟發(fā)展,水資短缺成為制約江西省可持續(xù)發(fā)展的重要因素[4]。據(jù)統(tǒng)計,江西省2020年地表水資源總量1 685.56億m3,全省用水總量244.12億m3,占全年水資源總量的14.5%。從用水結(jié)構(gòu)來看,農(nóng)業(yè)用水占66.3%,工業(yè)用水占20.6%,居民生活用水占9.0%,城鎮(zhèn)公共用水占2.8%,生態(tài)環(huán)境用水占1.3%。本文以江西省為研究區(qū)域,分析研究未來江西省水資源承載力。

1.2 系統(tǒng)動力學(xué)模型構(gòu)建

1.2.1模型結(jié)構(gòu)

水資源承載力模型中主要包括經(jīng)濟子系統(tǒng)、人口子系統(tǒng)、水環(huán)境子系統(tǒng)及水資源子系統(tǒng)。其中,經(jīng)濟子系統(tǒng)中包括各產(chǎn)業(yè)的GDP增長值與需水量;人口子系統(tǒng)包括農(nóng)村與城鎮(zhèn)的常住人口數(shù)量及生活用水定額;水環(huán)境子系統(tǒng)包括生態(tài)需水量、污水排放量、污水回用率、污水回用量等;水資源子系統(tǒng)中包括系統(tǒng)的需水總量及供水總量。根據(jù)各子系統(tǒng)間的相互關(guān)系和反饋作用,基于Vensim PLE 7.3.5軟件將4個子系統(tǒng)相互鏈接,得到整體的江西省水資源承載力SD模型系統(tǒng)流圖,見圖1。

圖1 江西省水資源承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型系統(tǒng)流圖

1.2.2數(shù)據(jù)來源

研究所選取的指標(biāo)數(shù)據(jù)主要包括生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟社會兩方面,具體數(shù)據(jù)來源參考《2013—2020江西省水資源公報》《2014—2021江西省統(tǒng)計年鑒》、DB 36/T 419—2017《江西省生活用水定額》等政府公開數(shù)據(jù),此類數(shù)據(jù)被前人多次引用[28-29],具有一定的有效性及可靠性。

1.2.3模型參數(shù)

系統(tǒng)動力學(xué)模型未提供參數(shù)估算方法,需借助其他方法來合理估算模型中的相關(guān)變量。本研究在前人的基礎(chǔ)上,采用3種估算方法[30]:①均值法,計算歷史數(shù)據(jù)的多年均值來確定參數(shù);②回歸分析法,對于具有線性相關(guān)性的變量,線性回歸歷史數(shù)據(jù)來確定變量的參數(shù);③表函數(shù)法,對于不具備線性相關(guān)性的變量,采用Vensim PLE 7.3.5中的表函數(shù)來確定變量的參數(shù)。本系統(tǒng)中部分參數(shù)的估算方法見表1。

表1 部分參數(shù)估算方法

1.3 水資源承載力評價體系構(gòu)建

1.3.1評價指標(biāo)選取

水資源承載力具有社會和自然雙重屬性[31],結(jié)合江西省社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護情況[5],遵循評價指標(biāo)的選取原則[17],參考相關(guān)文獻中使用的高頻指標(biāo)[32-33],分析影響水資源承載力的主要因素,合理構(gòu)建了由水資源、生態(tài)環(huán)境、社會、經(jīng)濟4個子系統(tǒng)15個評價指標(biāo)組成的指標(biāo)體系,見表2。指標(biāo)體系中水資源子系統(tǒng)主要考慮區(qū)域供水能力、水資源開發(fā)利用程度及水資源再利用水平;生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)重點考慮生態(tài)環(huán)境用水情況、水資源污染狀況及水環(huán)境保護力度;社會子系統(tǒng)主要考慮區(qū)域社會發(fā)展水平及生活用水量;經(jīng)濟子系統(tǒng)主要反映區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展及用水水平[22]。

表2 江西省水資源承載力評價指標(biāo)體系

1.3.2評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化

在水資源承載力預(yù)警評價體系中,評價指標(biāo)的選取多來自社會、經(jīng)濟、水環(huán)境、水資源等不同領(lǐng)域,他們的單位和數(shù)值都有較大差異,不能直接進行比較[34],需要將所選指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理,使指標(biāo)數(shù)值經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后都處在0～1。

在水資源承載力評價體系內(nèi)部,各指標(biāo)對水資源承載力具有不同的影響,對水資源承載力具有積極影響的指標(biāo)稱之為正向指標(biāo)(如水資源供需差、污水回用率等);對水資源承載力具有消極影響的指標(biāo)稱之為負(fù)向指標(biāo)(如生活污水排放量、工業(yè)用水量等);數(shù)值越接近均值,越有利于水資源承載力的提高的指標(biāo)稱之為協(xié)調(diào)指標(biāo)(如總?cè)丝?。正向指標(biāo)、負(fù)向指標(biāo)及協(xié)調(diào)指標(biāo)的計算見式(1)—(3):

正向指標(biāo):

(1)

負(fù)向指標(biāo):

(2)

協(xié)調(diào)指標(biāo):

(3)

1.3.3水資源承載力量化

在完成各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理后,將所有指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)加權(quán)求和,得到區(qū)域水資源承載力綜合指數(shù)為:

(4)

式中,Uj為水資源承載力,wi為指標(biāo)i的權(quán)重。綜合前人研究成果,將水資源承載力綜合指數(shù)值劃分到0～1,數(shù)值越大,表明水資源承載狀況越好,可支撐的社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模越高[35-36]。借鑒前人研究[37-38],具體水資源承載力狀況分級情況見表3。

表3 水資源承載力狀況分級

2 系統(tǒng)動力學(xué)模型計算分析

2.1 模型檢驗

選取2013—2020年江西省的供水量、第三產(chǎn)業(yè)增加值、生活用水量、工業(yè)用水量、農(nóng)業(yè)灌溉用水、漁畜用水量6個關(guān)鍵變量在模型中模擬出的數(shù)據(jù)與歷史真實數(shù)據(jù)對比,分析誤差大小,誤差在一定范圍內(nèi)即認(rèn)為模型可靠。由表4可知,誤差均在10%以內(nèi),準(zhǔn)確度較高,通過歷史性檢驗,說明模型擬合符合要求,可以預(yù)測2013—2025年江西省的水資源承載力狀況[31]。

表4 歷史性檢驗結(jié)果

2.2 發(fā)展情境設(shè)計

本研究設(shè)計了4種經(jīng)濟社會發(fā)展情境,通過分析4種情境下的區(qū)域水資源承載力發(fā)展?fàn)顩r,進而尋求提高水資源承載力的政策或技術(shù)性措施及建議。

a)現(xiàn)狀型。假設(shè)到2025年江西省保持現(xiàn)有的發(fā)展?fàn)顩r,則模型中的所有參數(shù)保持不變,應(yīng)用該情境與其他情境進行比較。

b)高速發(fā)展型。優(yōu)先發(fā)展經(jīng)濟,提高經(jīng)濟發(fā)展速率。工業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)凈增率及灌溉面積均達到最高水平,但也形成巨大的水資源需求,包括工業(yè)用水、第三產(chǎn)業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水及生活用水,經(jīng)濟發(fā)展會帶動當(dāng)?shù)鼐用竦氖杖?從而推動城鎮(zhèn)化發(fā)展。

c)節(jié)水治污型。基于節(jié)約水資源和生態(tài)環(huán)境改善,提高用水效率,加大環(huán)境保護治理力度。在該模式下減少居民及各行業(yè)的生活用水定額,提高污水處理率及污水回用量,減少高耗水產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

d)綜合發(fā)展型。同時考慮調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、節(jié)約用水、污染治理等措施,相關(guān)參數(shù)取值在前三種方案基礎(chǔ)上綜合調(diào)整,其中節(jié)水力度、污水治理程度參照節(jié)水治污型,灌溉面積增長情況參照高速發(fā)展型,經(jīng)濟發(fā)展速度介于現(xiàn)狀型和節(jié)水治污型之間。

各個情境在參考前人研究的基礎(chǔ)上[27,39-41],結(jié)合近八年江西省政府公布的《江西省水資源公報》《江西省統(tǒng)計年鑒》,主要變量到預(yù)測期末的取值情況見表5。

2.3 模型預(yù)測結(jié)果

通過對4種情境進行參數(shù)設(shè)定,經(jīng)過模擬得到最終結(jié)果,見圖2。

圖2 不同情境下主要變量模擬結(jié)果

a)在現(xiàn)狀型的情境下,2025年江西省的工業(yè)及第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比2020年增加2 481億、11 442億元,工業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)、第一產(chǎn)業(yè)、生活的需水量比2020年增加1.3億、7.0億、4.0億、0.5億m3,總需水量增加了12.8億m3,水資源供需比將由2020年的0.91降低至2025年的0.85。

b)在高速發(fā)展型的情境下,經(jīng)濟效益最顯著,到2025年工業(yè)及第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比現(xiàn)狀型增加4 214億、13 605億元;與此同時,用水壓力也大大提高,工業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)、第一產(chǎn)業(yè)、生活的需水量比現(xiàn)狀型的情境下分別提高15.7億、13.8億、3.8億、4.7億m3,總需水量提高了38億m3,水資源供需比降低至0.77。

c)在節(jié)水治污型的情境下,需水總量將在2025年達到257.4億m3,比現(xiàn)狀型共降低26.5億m3,供需比達到0.92;工業(yè)增加值在現(xiàn)狀型的基礎(chǔ)上降低了1 050.6億元,但第三產(chǎn)業(yè)增加值未發(fā)生明顯變化。

d)在綜合發(fā)展型的情境下,到2025年需水總量比現(xiàn)狀型降低4.9億m3,工業(yè)增加值及第三產(chǎn)業(yè)增加值分別提高了1 133.8億、3 521.4億元,GDP增加值高于除高速發(fā)現(xiàn)型情境的其他情境;水資源供需比在2025年達到0.87,高于除節(jié)水治污型情境外的其他情境。

3 水資源承載力模型分析

3.1 水資源承載力模型構(gòu)建

本研究通過Yahhp 10.1軟件構(gòu)建以指標(biāo)體系為基礎(chǔ)的層次結(jié)構(gòu)模型。在李林漢等[34]的基礎(chǔ)上,結(jié)合江西省實際情況與指標(biāo)的相對重要性,構(gòu)建了判斷矩陣[32,42]。在判斷矩陣通過一致性檢驗后,通過軟件計算得到指標(biāo)的權(quán)重,見表6。

表6 水資源承載力評價指標(biāo)及權(quán)重

3.2 不同情境下的水資源承載力

雖然設(shè)計的發(fā)展情境與區(qū)域真實發(fā)展?fàn)顩r并不完全一致,但通過研究不同發(fā)展情境下的區(qū)域水資源承載力變化趨勢,可以探索最適合江西省的發(fā)展模式[43]。根據(jù)前文介紹的方法,分別計算出4種發(fā)展情境下的江西省水資源承載力,見圖3。

圖3 不同情境下的江西省水資源承載力

在現(xiàn)狀型的發(fā)展情境下,預(yù)測期內(nèi)的水資源承載力總體呈下降趨勢,由2020年的0.600 3下降至2025年的0.565 2,下降了5.85%,處于輕微超載狀態(tài),說明當(dāng)前江西省的經(jīng)濟社會發(fā)展方式不符合可持續(xù)發(fā)展的要求,此結(jié)果符合江西省水資源利用率低、水環(huán)境惡化、洪澇災(zāi)害嚴(yán)重的現(xiàn)狀;在高速發(fā)展情境下,預(yù)測期內(nèi)的水資源承載力呈高速下降趨勢,由2020年的0.600 3下降至2025年的0.461 4,下降了23.14%,處于輕微超載狀態(tài),且有向超載狀態(tài)發(fā)展的趨勢,對比現(xiàn)狀型的發(fā)展情境,此情境下江西省的水資源承載力愈加惡化,說明只追求經(jīng)濟高速發(fā)展會對江西省水資源承載力造成巨大壓力;在節(jié)水治污情境下,區(qū)域水資源承載力總體呈上升趨勢,由2020年的0.600 3上升至2025年的0.692 3,上升了15.33%,處于臨界超載狀態(tài);在綜合發(fā)展情境下,區(qū)域水資源承載力呈高速上升趨勢,由2020年的0.600 3上升至2025年的0.714 7,上升了19.06%,且有向不超載發(fā)展的趨勢,說明在節(jié)水治污及綜合發(fā)展情境均有利于江西省的經(jīng)濟發(fā)展和水資源的可持續(xù)利用。

節(jié)水治污及綜合發(fā)展情境對水資源承載力均有明顯的改善作用,但節(jié)水治污情境下的江西省經(jīng)濟社會發(fā)展無法得到充分滿足。綜合發(fā)展情境同時考慮了經(jīng)濟社會發(fā)展及生態(tài)環(huán)境保護,且水資源承載力的提高量居于最高水平,所以是最適宜江西省的發(fā)展情境。在此情境下江西省整體水資源承載力水平得到改善,但局部水資源承載力的改善水平與整體存在差異。在局部區(qū)域或某時段內(nèi)水資源承載力處于嚴(yán)重超載時,需借助水資源調(diào)度才能緩解用水情況,以保證江西省經(jīng)濟、社會及生態(tài)的安全。

4 結(jié)論

鑒于江西省存在水資源時空分布不均及來水與用水不同步等問題,本文基于水資源承載力評價理論體系,將層次分析法與系統(tǒng)動力學(xué)模型相結(jié)合,對江西省水資源承載力進行有效評價。在模型中設(shè)置4種情境進行仿真,并選擇出最優(yōu)發(fā)展情境。研究結(jié)論如下:①在現(xiàn)階段的發(fā)展趨勢下,未來的可供水資源量將無法滿足經(jīng)濟社會的發(fā)展需求,水資源短缺問題愈發(fā)嚴(yán)重;②在采取節(jié)水治污情境時,用水負(fù)載力最小,在該方案下水資源供需情況得到了明顯改善,但經(jīng)濟增長量遠(yuǎn)小于現(xiàn)階段下的發(fā)展情境;③在采取高速發(fā)展情境時,經(jīng)濟發(fā)展速度遠(yuǎn)高于其他情境,但用水供需嚴(yán)重不平衡;④在采取綜合發(fā)展情境時,區(qū)域水資源承載力得到最大程度的改善,說明綜合發(fā)展型情境綜合考慮了區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護,是符合江西省可持續(xù)發(fā)展的最優(yōu)發(fā)展模式。

本文結(jié)合研究結(jié)論就江西省水資源規(guī)劃管理提出以下兩方面的建議:①優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局,在水資源承載力基礎(chǔ)上確定發(fā)展規(guī)模;②從多方面綜合管理水資源,不僅要提高用水效率,還應(yīng)加強污水處理能力。