侯 岳，李治軍，王華凡,黃佳俊

(黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

關(guān)鍵字：水資源承載力；時(shí)空演變特征；TOPSIS模型；吉林省

水是人類(lèi)生存發(fā)展的重要資源，隨著城市化進(jìn)程加快，城市用水需求不斷增加，全球氣候變暖，農(nóng)田灌溉用水量增加，水資源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化日益嚴(yán)重,影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。水資源承載力可探究地區(qū)水資源變化趨勢(shì)和社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r，為水資源合理調(diào)控和持續(xù)利用提供指導(dǎo)，是處理水資源與人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)之間關(guān)系的有力工具[3]。近年來(lái)，水資源承載力綜合研究已得到越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者重視，并在多個(gè)方面取得進(jìn)展。國(guó)外學(xué)者Sawunyama等[4]利用地理信息系統(tǒng)計(jì)算每個(gè)水庫(kù)的面積和容量，并結(jié)合GIS技術(shù)對(duì)Mzingwane小流域中12個(gè)小型水庫(kù)的調(diào)蓄能力進(jìn)行承載力評(píng)估。Eva等[5]等通過(guò)“生態(tài)足跡”概念，對(duì)澳大利亞的生態(tài)足跡進(jìn)行研究分析。從研究角度方面，Adnane等[6]分別從水資源供需關(guān)系與可持續(xù)發(fā)展角度研究水資源的承載能力。Chitakira等[7]則從環(huán)境管理機(jī)構(gòu)之間的相互作用方面出發(fā)，對(duì)環(huán)境及水資源質(zhì)量進(jìn)行全面評(píng)估研究。20世紀(jì)80年代末，中國(guó)學(xué)者首次提出水資源承載力的概念，之后水資源承載力的理論研究不斷完善，研究方法不斷創(chuàng)新，2002年朱一中等[8]系統(tǒng)地論述了水資源承載力的基本概念，指出可持續(xù)發(fā)展理論、水-生態(tài)-社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)理論、二元模式下的水文循環(huán)機(jī)制和過(guò)程是水資源承載力研究的理論基礎(chǔ) ,對(duì)水資源承載力研究的基本內(nèi)容、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了較全面的概括和總結(jié)。目前國(guó)內(nèi)具有代表性的研究方法有主成分分析法[9-10]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法[11-12]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[13-14]、云模型[15]等。綜合國(guó)內(nèi)外已有的研究成果，關(guān)于水資源承載力指標(biāo)權(quán)重的確定方法較為單一，以市為單位針對(duì)于省級(jí)水資源承載力的時(shí)間趨勢(shì)變化及空間分布研究較少。同時(shí)，吉林省是國(guó)家級(jí)糧食生產(chǎn)基地和重工業(yè)生產(chǎn)大省，水資源安全對(duì)地區(qū)生產(chǎn)生活具有重大意義，但全域降水時(shí)空分配極不均勻，旱澇災(zāi)害頻發(fā)，水污染現(xiàn)象嚴(yán)重等問(wèn)題，其水資源承載力研究至關(guān)重要。本文結(jié)合吉林省2004—2019年各地級(jí)市的水資源-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)基礎(chǔ)調(diào)研資料，考慮研究區(qū)自然地理?xiàng)l件，產(chǎn)業(yè)分布類(lèi)型和水利工程建設(shè)等實(shí)際情況，強(qiáng)調(diào)研究區(qū)水資源承載力狀態(tài)的時(shí)空演變，采用博弈論對(duì)指標(biāo)進(jìn)行綜合賦權(quán)，運(yùn)用TOPSIS模型對(duì)吉林省各地市進(jìn)行水資源承載評(píng)價(jià)，并輔之以耦合協(xié)調(diào)發(fā)展模型分析水資源承載力各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)度，全面深入了解吉林省各地級(jí)市16年間的水資源時(shí)間與空間的變化特征及各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，為當(dāng)?shù)厮Y源優(yōu)化配置提供參考，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

吉林省位于東北地區(qū)中部，松遼平原腹地，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大省和老工業(yè)基地，全省面積187 400 km2，地勢(shì)東南高，西北低，接近亞寒帶，具有顯著的溫帶大陸性季風(fēng)特征。區(qū)內(nèi)水系發(fā)達(dá)，全省多年平均降雨量為608.4 mm，擁有圖們江、鴨綠江、遼河、綏芬河和松花江等五大水系，省內(nèi)流域面積在20 km2以上的河流有1 648條，但水資源時(shí)空分布不均，東多西少，南豐北欠，水資源年際與年內(nèi)變化大，汛期6—9月的降雨量占全年降水量的70%左右，連續(xù)豐水年，連續(xù)枯水年時(shí)有發(fā)生。區(qū)內(nèi)水資源開(kāi)發(fā)利用程度不均，中西部河流利用率高，東部利用率低，全省重點(diǎn)河流全年水質(zhì)優(yōu)于Ⅲ類(lèi)的河流約為67%，劣Ⅴ類(lèi)占12%，地下水水質(zhì)以Ⅲ類(lèi)、Ⅳ類(lèi)、Ⅴ類(lèi)水質(zhì)為主，水環(huán)境形式嚴(yán)峻。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

各類(lèi)指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源于2004—2019年《吉林省水資源公報(bào)》《吉林省統(tǒng)計(jì)年鑒》及《吉林省國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展公報(bào)》等資料，所有數(shù)據(jù)均是資料中的原始數(shù)據(jù)或通過(guò)原始數(shù)據(jù)推算得出。

2 研究方法

2.1 水資源承載力指標(biāo)體系構(gòu)建

構(gòu)建水資源承載力指標(biāo)體系是進(jìn)行相關(guān)研究的重要依據(jù)和基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，遵循代表性、區(qū)域性和可操作性等原則，在眾多的因素中選取能夠反映問(wèn)題本質(zhì)的因素。本文參考相關(guān)研究成果并征求專(zhuān)家意見(jiàn)[16-17]，基于水資源系統(tǒng)-社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)-自然生態(tài)系統(tǒng)耦合機(jī)理，對(duì)區(qū)域內(nèi)水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)各子系統(tǒng)的影響指標(biāo)進(jìn)行綜合分析研究，選取18個(gè)指標(biāo)構(gòu)建水資源承載力指標(biāo)體系(表1)，通過(guò)2004—2019年的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)吉林省9個(gè)地級(jí)市的水資源承載力時(shí)空演變特征進(jìn)行分析。

表1 水資源承載力預(yù)警指標(biāo)體系

2.2 博弈論確定指標(biāo)權(quán)重

(1)

表2 吉林省水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重

2.3 TOPSIS計(jì)算模型

TOPSIS模型是進(jìn)行多目標(biāo)分析的有效方法，又稱(chēng)優(yōu)劣解距離法，通過(guò)將各評(píng)價(jià)方案組成的正、負(fù)理想解進(jìn)行排序，計(jì)算各評(píng)價(jià)方案與正、負(fù)理想解的距離，進(jìn)一步推求貼近度。該方法避免了數(shù)據(jù)的主觀性，應(yīng)用靈活、方便，適用于多評(píng)價(jià)單元和多指標(biāo)的大系統(tǒng)，具體步驟[21-23]如下。

步驟一根據(jù)所選取的指標(biāo)，建立吉林省水資源承載力原始數(shù)據(jù)矩陣Rmn，其中m表示年份，n表示指標(biāo)，即原始矩陣表示第m年的n個(gè)指標(biāo)，原始評(píng)價(jià)矩陣見(jiàn)式(2)。

(2)

(3)

步驟三通過(guò)博弈論確定的綜合權(quán)重ω*計(jì)算規(guī)范化加權(quán)矩陣yij，其中i表示年份，j表示指標(biāo)，即：

(4)

(5)

(6)

最終計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象的貼近度：

(7)

貼近度Ti表示第i年的該區(qū)域水資源承載力與最優(yōu)的水資源承載力的靠近程度，其取值范圍為[0，1]，當(dāng)Ti越大時(shí)，表明評(píng)價(jià)對(duì)象越接近理想狀態(tài)，水資源承載力越優(yōu)，反之越差。根據(jù)吉林省水資源實(shí)際情況，結(jié)合先前學(xué)者的研究成果[24-25]，將最終的計(jì)算結(jié)果劃分為5個(gè)等級(jí)，分為嚴(yán)重超載、輕度超載、瀕臨超載、承載良好、承載盈余，具體水資源承載力等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 吉林省水資源承載力等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.4 耦合協(xié)調(diào)度模型

耦合協(xié)調(diào)度模型是在耦合度模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建的模型，可進(jìn)一步衡量各系統(tǒng)之間相互作用的協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系，判斷其耦合協(xié)調(diào)程度，可定量測(cè)算水資源承載力子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，計(jì)算步驟[26]如下：

(8)

T=αU1+βU2+γU3+φU4

(9)

(10)

式中D——耦合度；U1、U2、U3、U4——水資源系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)值；T——四元系統(tǒng)綜合發(fā)展指數(shù)；α、β、γ、φ——待定系數(shù)，本研究認(rèn)為四子系統(tǒng)的貢獻(xiàn)度同等重要，故系數(shù)α=β=γ=φ=0.25；C——耦合協(xié)調(diào)度，C∈[0,1] ，其值越大，耦合協(xié)調(diào)程度越高。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)博弈論確定的組合權(quán)重(表2)，利用式(2)—(7)計(jì)算水資源承載力評(píng)價(jià)值，將計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)到吉林省水資源承載力等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表3)，得到2004—2019年吉林省各地級(jí)市的水資源承載力狀態(tài)，見(jiàn)表4。其計(jì)算結(jié)果符合吉林省水資源時(shí)空分布特征，在區(qū)域上呈現(xiàn)“南豐北欠，東多西少”“邊緣多，腹地少”的局面。吉林省中西部地區(qū)土地資源較為豐富，中西部耕地面積占全省的80%以上，但水資源量只占全省的22%，農(nóng)業(yè)用水量巨大，水資源承載力狀態(tài)較差；吉林省東南部自然條件優(yōu)越，人均水資源擁有量相對(duì)較高，水利資源和森林資源豐厚，水資源承載力狀態(tài)較好[27]。

表4 吉林省水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2 水資源承載力時(shí)間演變分析

由全省各市州多年水資源承載力評(píng)價(jià)均值，除長(zhǎng)春市、白城市和四平市多年水資源承載力為Ⅲ級(jí)，處于瀕臨超載狀態(tài)，其余6個(gè)市州均為Ⅱ級(jí)，承載狀態(tài)良好。根據(jù)吉林省各年降水量情況、水利工程建設(shè)和相關(guān)政策文件的出臺(tái)時(shí)間等因素，將評(píng)價(jià)年份劃分為3個(gè)演變階段。①第一階段為2004—2010年，該時(shí)段水資源承載力較差，其主要原因是該時(shí)期內(nèi)自然條件惡劣多變，降水量常處于偏枯狀態(tài)，旱災(zāi)頻發(fā)，工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水較多，水資源開(kāi)發(fā)利用程度較低導(dǎo)致地區(qū)水資源污染嚴(yán)重，水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，劣Ⅴ類(lèi)河段長(zhǎng)在總評(píng)價(jià)河段長(zhǎng)中常年占比30%左右。由圖1可見(jiàn)，2005年，除通化市和延邊州處于承載良好狀態(tài)外，其他地區(qū)均處于水資源承載高壓狀態(tài)，吉林市評(píng)價(jià)值為0.348，處于嚴(yán)重超載狀態(tài)。②第二階段為2011—2015年，該時(shí)段水資源承載力有所提升，其主要原因是隨著經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的改善，農(nóng)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，其節(jié)水灌溉設(shè)備加大投資使用，節(jié)水管灌溉率大幅度提升，使得農(nóng)業(yè)用水充分利用；政府大力建設(shè)水利工程，嚴(yán)格落實(shí)水資源管理制度，各地區(qū)水資源承載力顯著提高。2011年，吉林省全面落實(shí)最嚴(yán)格的資源管理制度，制定各市州水資源管理“三條紅線”指標(biāo)評(píng)估體系。 2013年，吉林省繼續(xù)加大對(duì)重點(diǎn)水利項(xiàng)目的建設(shè)，累計(jì)完成投資82.23億元。該時(shí)期，除長(zhǎng)春市外，其他市州的水資源承載力均值處于較高水平，水資源安全得到了保障，地區(qū)用水緊張態(tài)勢(shì)得以緩解。③第三階段為2016—2019年，該時(shí)段水資源處于承載盈余狀態(tài)，承載力評(píng)價(jià)值達(dá)到最大。其主要原因是城鎮(zhèn)化水平顯著提高，居民生活用水較為集中；工業(yè)化水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有所改善，其工業(yè)重復(fù)用水率、第三產(chǎn)業(yè)用水率大幅度提升。隨著國(guó)民環(huán)保意識(shí)的提高，“節(jié)水優(yōu)先，空間均衡，系統(tǒng)治理，兩手發(fā)力”治水理念的深入人心，生態(tài)環(huán)境用水率進(jìn)一步調(diào)整，吉林省水資源承載力進(jìn)一步提高。在吉林省整個(gè)評(píng)價(jià)年份演變過(guò)程中，吉林省堅(jiān)持朝著全面構(gòu)筑起科學(xué)的水資源開(kāi)發(fā)、利用、治理、配置、節(jié)約和保護(hù)體系這一方向邁進(jìn)，大力宣傳節(jié)約用水的環(huán)保理念，大力發(fā)展資源水利、效益水利和生態(tài)水利，使得吉林省市水資源承載力狀態(tài)整體上呈向好的態(tài)勢(shì)。

圖1 吉林省水資源承載力時(shí)空演變

3.3 水資源承載力空間格局分析

由各地市水資源承載力子系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果(圖2)，評(píng)價(jià)年份內(nèi)吉林省水資源承載力評(píng)價(jià)值均值為0.467，水資源承載狀態(tài)良好。結(jié)合各市州地理位置、自然條件和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等因素，將評(píng)價(jià)地區(qū)劃分為西北部(包括白城市、松原市和四平市)、中部(包括長(zhǎng)春市、吉林市和遼源市)和東南部(包括通化市、白山市和延邊州)。各區(qū)域綜合評(píng)價(jià)值由高到低依次為東南部、中部和西北部。由于該省水資源分布、開(kāi)發(fā)利用程度極不平衡；各地產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)大不相同，使得研究區(qū)水資源承載力空間格局出現(xiàn)較大的差異性。從研究區(qū)水資源承載力等級(jí)分布來(lái)看，西北部位于平原區(qū)，是國(guó)家重要的商品糧生產(chǎn)基地，由于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)比重大，灌溉用水量巨大，評(píng)價(jià)年份內(nèi)旱情旱災(zāi)嚴(yán)重且時(shí)常發(fā)生，自然條件相對(duì)較差，導(dǎo)致該區(qū)域水資源承載能力較差；中部是國(guó)家重要的工業(yè)和糧食生產(chǎn)基地，多條河流水系流經(jīng)于此，地理位置優(yōu)越。但由于中部人口密度大，居民生活用水量大；重工業(yè)比重高，廢污水排放排放量占比大，水環(huán)境污染形勢(shì)嚴(yán)峻，使得水資源承載常處于高壓態(tài)勢(shì)，尤其長(zhǎng)春市處于瀕臨超載狀態(tài)；東南部地處山區(qū)，河流水系眾多，地下水資源儲(chǔ)量巨大，長(zhǎng)白山提供了豐富的水利資源和森林資源，優(yōu)越的自然條件使得延邊州水資源狀態(tài)常年水資源承載良好狀態(tài)。為緩解吉林省西北部水資源承載壓力，促進(jìn)地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，保障糧食安全生產(chǎn)，“引嫩入白”、哈達(dá)山樞紐和大安灌區(qū)等一系列水利工程建設(shè)相繼規(guī)劃實(shí)施，對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水、濕地補(bǔ)水和人畜飲水具有重大意義。

圖2 吉林省各地級(jí)市水資源承載力子系統(tǒng)及綜合評(píng)價(jià)值

3.4 水資源承載力各子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展分析

在對(duì)吉林省水資源承載力進(jìn)行時(shí)空特征分析后，輔之以子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)程度的分析，能夠深入了解評(píng)價(jià)年份內(nèi)水資源承載力的發(fā)展情況。通過(guò)式(8)—(10)計(jì)算耦合協(xié)調(diào)度，結(jié)果見(jiàn)圖3。通過(guò)等距斷點(diǎn)法將耦合協(xié)調(diào)度分為5個(gè)等級(jí)：極低耦合協(xié)調(diào)階段(0.256～0.289)、較低耦合協(xié)調(diào)階段(0.289～0.325)、中等耦合協(xié)調(diào)階段(0.325～0.361)、較高耦合協(xié)調(diào)階段(0.361～0.394)、極高耦合協(xié)調(diào)階段(0.394～0.429)。吉林省水資源承載力子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展大致分為2個(gè)階段，2014年之前，在各地區(qū)大型水利和引水工程完全結(jié)項(xiàng)之前，水資源協(xié)調(diào)利用率低，西北部農(nóng)業(yè)灌溉用水量大，常年缺水，東南部水資源豐富，但水資源開(kāi)發(fā)利用率低，中部工業(yè)用水量大，污染嚴(yán)重，人均水資源量低，各子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平處于低度狀態(tài)。2014年之后，在各水利工程保障地區(qū)安全用水的基礎(chǔ)上，水資源管理法律法規(guī)的相繼出臺(tái)并得到貫徹落實(shí)，節(jié)水保水等理念隨著大力宣傳深入民心，各子系統(tǒng)耦合發(fā)展水平大體處于高度耦合協(xié)調(diào)階段。

圖3 2004—2019年吉林省水資源承載力子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度

雖然上述研究對(duì)吉林省全省水資源承載力4個(gè)子系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度進(jìn)行了時(shí)間特征分析，并且把結(jié)果劃分為5個(gè)等級(jí)，但很難反映出吉林省各市的耦合協(xié)調(diào)度的空間格局，因此根據(jù)各市耦合度的計(jì)算結(jié)果，借助GIS技術(shù)，分別得到2004年和2018年各市耦合協(xié)調(diào)度的空間格局(圖4)，進(jìn)而分析吉林省不同時(shí)段的空間分布特征。通過(guò)圖4可以發(fā)現(xiàn)，2004—2018年吉林省水資源承載力子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度發(fā)生的巨大變化，2004年，除長(zhǎng)春市外，其他城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)比重大，其水資源消耗量巨大，協(xié)調(diào)度較差。隨著大型水利工程建設(shè)的完成，水資源利用率的提高，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的深化推進(jìn)，2018年，各市州水資源承載力子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度有了很大提升，由此可見(jiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善對(duì)增加水資源利用效益至關(guān)重要。

圖4 吉林省水資源承載力各子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)狀態(tài)空間格局

4 結(jié)語(yǔ)

吉林省水資源承載力發(fā)展趨勢(shì)整體呈逐步上升狀態(tài)，在2004—2010年評(píng)價(jià)階段，吉林省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)緩慢，社會(huì)居民環(huán)保意識(shí)相對(duì)薄弱，大水漫灌式的傳統(tǒng)灌溉模式較為普遍，西北部城市農(nóng)業(yè)用水量大，中部地區(qū)工業(yè)污水排放量大，環(huán)境污染嚴(yán)重，水資源承載壓力大，評(píng)價(jià)結(jié)果明顯偏低于自然條件優(yōu)越的東南部山區(qū)。隨著水資源“三條紅線”管理制度的落實(shí)，相關(guān)舉措緩解了西北部農(nóng)業(yè)灌溉缺水量大、中部城鎮(zhèn)居民生活用水緊張和東南部水資源開(kāi)發(fā)利用率低等問(wèn)題，各水資源承載力子系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度也進(jìn)一步提高。但從空間維度來(lái)看，吉林省水資源承載力空間分布較不均衡，總體呈現(xiàn)“東部?jī)?yōu)于中西部”的空間格局，各地水資源承載力水平具有一定差異性，其中，長(zhǎng)春市、白城市、四平市處于瀕臨超載狀態(tài)。以上三地雖處于瀕臨超載狀態(tài)，但其水資源承載力各子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度較高，說(shuō)明具有一定的提升潛力，應(yīng)合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高工業(yè)用水重復(fù)率和農(nóng)業(yè)灌溉利用率，增加節(jié)水灌溉面積，全面推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)的建設(shè)，增強(qiáng)國(guó)民用水意識(shí)，提高水資源利用效率。