区域水资源承载力及可持续发展综合评价研究

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摘要：DPSIR是一种在环境系统中得到广泛使用的评价指标体系概念模型，它被作为衡量环境及可持续发展的一种指标体系而开发出来，主要是从系统分析的角度看待人和环境系统的相互作用。以宜昌市为例，基于DPSIR模型系统框架，构建了“水资源-社会经济-生态环境”复合系统承载力评价指标体系;运用AHP法确定了各评价指标的权重;基于Logistic对数增长方程，提出了Logistic对数承载模型;同时，引入了可持续发展综合指标测度，对社会经济可持续发展及社会经济与生态环境良性发展条件进行了判断;最后，对宜昌市水资源承载力和可持续发展水平进行了综合评价。通过对评价结果进行对比分析，可以看出：2005～2015年宜昌市水资源综合承载力发展状态较好，除了2011，2013年和2015年以外，社会经济发展是可持续的;除了2013年以外，社会经济与生态环境是良性发展的。因此，建议宜昌市在释放社会经济发展潜力的同时，应加强水资源保护和生态环境的治理工作。

关键词：水资源承载力;DPSIR模型;Logistic对数方程;综合评价;可持续发展;宜昌市

中图法分类号：TV213

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.025

1研究背景

水资源是维持人类生存和社会发展不可或缺的自然资源，我国水资源相对短缺，且时空分布不均。近几十年来，随着全球气候变化和人类社会经济的发展，部分地区缺水形势十分严峻[1-2]，水资源已成为制约地区社会经济发展的“瓶颈”因素，水资源承载力研究也成为可持续发展研究和水资源安全战略研究的基础课题[3]。

水资源承载力的概念是我国学者最早提出来的，随后国内不少专家对其定义进行了集中探讨[4-6]。同时期，国外与水资源承载力相近的概念有“可持续利用水量”、“水资源紧缺程度指标”等[7-8]。虽然多种定义表述略有不同，但可以将其概括为水资源对区域社会经济和生态环境的“最大支撑能力”或“最大支撑规模”[9]。

基于以上两种不同理解，可以将水资源承载力研究概括为以下两类。

（1）水资源承载程度综合评价。

（2）水资源承载规模系统推演。

第一类是通过选取单指标或者多指标对照评价标准而得出的定性的水资源承载力综合评价，主要评价方法有模糊综合评价[10]、主成分分析法等[11]。它们在数学计算方面得到了较好的应用，但存在着评价指标体系构建缺少系统性、评价指标承载度无科学理论支撑等问题。第二类通过对“水资源-社会经济-生态环境”系统进行模拟推演，从而得到定量的水资源承载规模，比如人口、GDP等，采用的主要方法有多目标决策分析法[12]、系统动力学法[13]等。它们将研究区域作为系统整体来考虑，但其对区域相关资料要求极高，模型内部各要素约束误差也较大，难以推广。目前，关于对水资源承载力的研究并没有真正地被纳入到可持续发展框架之中。因此对于如何判断区域社会经济是否可持续发展，还有待开展进一步探讨。

针对上述水资源承载力研究中存在的问题，本文以宜昌市为例，基于驱动力-压力-状态-影响-响应（Drivingforces-Pressure-State-Impact-Response，DPSIR）模型的系统整体框架，构建了“水资源-社会经济-生态环境”评价指标体系;基于Logistic对数增长方程，构建了水资源承载力Logistic对数承载模型，对宜昌市水资源承载力进行综合评价;同时，引入了可持续发展综合指标测度，将水资源承载力研究纳入到可持续发展框架。

2研究方法和数学模型

2.1DPSIR模型

DPSIR模型是一种在生态环境系统中广泛使用的评价指标体系模型。该模型是将社会经济发展作为驱动力作用于生态环境，对生态环境产生压力，引起生态环境状态发生变化并对生态环境造成影响，以此来促使人们做出响应;响应反过来又会引起驱动力、压力和状态发生改变[14]。基于DPSIR模型，陳洋波提出了一一个广义的水资源承载力评价指标体系[15];曹琦从系统动力学的角度出发，定量分析了“水资源-社会经济-生态环境”之间的相互作用和反馈机制[16]。

2.2AHP方法

层次分析法（AnalyticHierarchyProcess，AHP）是一种定性与定量分析相结合的决策分析方法。它的基本思想是将复杂问题分解为若干层次和因素，以实现思维和决策过程的系统化、模型化，常常被用来进行分层权重计算。层次分析法的主要步骤如下[17]：

（1）模型层次结构的确定。

（2）两两指标对比构造判断矩阵。

（3）求矩阵最大特征根及其对应的特征向量，进行一致性检验。

（4）计算各评价指数权重。

2.3Logistic对数承载模型

承载力概念最早源于生态学，其定义为“某一生态环境能够支撑某个物种的最大数量”。1920年，Pearl和Reed发现了生物数量增长的对数方程（Logisticequation），并证明了北美地区的人口增长也存在着类似的关系。目前，承载力概念在人口、自然资源管理规划等领域得到了广泛应用，刘燕华等在研究中国降雨量与人口密度时，发现两者也存在着明显的Logistic函数关系[19]，Logistic对数方程如式（1）所示，解如式（2）所示，Logistic增长曲线示意如图1所示。从图1可以看出：

（1）不论P0从何处开始，P（t）的增长都受到系统容量的限制。

（2）当P0找过K/2时，P（t）处于对数增长区间。

公式

式中，P（t）为系统状态变量，r为P（t）的变化率，K为系统容量，P0为系统状态变量初始值。

对于水资源复合系统发展过程，可以用Logistic对数方程表示[20]。本文提出的Logistic对数承载模型是基于如下假设：

（1）各评价指标承载度变化区间为[0，1]。

（2）各评价指标承载度处于对数增长区间。

（3）各评价指标承载度相互影响，年际无规律变化。对于正向和负向的评价指标，承载度计算分别如式（3）和式（4）所示。

公式

式中，y为承载度，x为评价指标数据，a和b分别为模型参数。

2.4可持续发展水平判断条件

水资源开发利用、社会经济发展水平和生态环境质量综合反映了“水资源-社会经济-生态环境”复合系统可持续发展的程度，可持续发展综合指标测度如式（5）所示[21-22]。实际上，水资源、社会经济、生态环境既是相互促进又是相互制约的，当可持续发展综合指标测度持续上升，且生态环境质量大于0.6时，才能说明社会经济是可持续且良性发展的;当年的社会经济满足可持续发展条件以式（6）所示，社会经济与生态环境满足良性发展条件以式（7）所示。

公式

式中，DD（T）为第T年可持续发展综合指标测度，S（T）为第T年社会经济子系统承载力，W（T）为第T年水资源子系统承载力，E（T）为第T年生态环境子系统承载力，β，B2，B3分别为权重系数，均取1/3。

3实例研究

3.1研究区域概况

宜昌市位于湖北省西南部，地处东经110°15’～112°04"，北纬29°56"～31°34"，是我国中部腹地承东接西、南北交流的中枢。宜昌市现辖5县3市5区，2016年，全市常住人口为415万人，城镇化率为57.2%，国土面积为2.1万km2，其中，90%的面积是山区和丘陵，生态环境良好，森林覆盖率超过了65%，有国家园林城市、国家森林城市等美誉。宜昌市水资源较为丰富，根据第二次《宜昌市水资源评价》（2015年）[23]，宜昌市多年平均水资源总量为134.96亿m3，拥有长江、清江等大小99条河流的重要河段，多年平均客水資源量为4216.89亿m3，被誉为“世界水电之都”。宜昌市也是国务院批准的沿江开放城市之一，2016年的GDP总量为3709.36亿元，常年位居湖北省第2位，正处于全面建设小康社会，加快建设省域副中心城市、长江中上游区域性中心城市和世界水电旅游名城的关键时期。近10a来，随着社会经济的快速发展，宜昌市水资源供需矛盾突出，生态环境污染问题加剧，使得宜昌市的可持续发展面临着挑战。

3.2评价指标体系的构建

本文根据宜昌市的实际情况，在DPSIR模型系统整体框架下，遵循代表性和可操作性的原则，选取了12个评价指标;然后，按照水资源、社会经济、生态环境3个层次，将12个指标划分到3个子系统中，构建了“水资源-社会经济-生态环境”评价指标体系。具体情况如表1所示。

在本文研究中，用变化较大的城镇化率代替人口密度来作为驱动力指标;用处理率较低的生活污水代替工业废水来进行日人均排放量计算;增加了表征社会经济发展公平性的农村恩格尔系数作为状态指标;将不易量化的响应指标具体化为水利环境公共设施投资占比和生态环境用水量的占比;为了响应“河长制”、“一河一策"等生态治理行动，将全年期的河流水质达标率定义为河流水质在III类以上4个季度达标率中的最小值。

3.3评价指标权重的确定

通过咨询相关专家意见，考虑到宜昌市生态环境污染问题的加剧，在赋权时突出了生态环境。利用AHP法计算的各评价指标权重如表2所示。

3.4Logistic对数承载模型构建

在构建Logistic对数承载模型时，应根据国内外经济发达地区的平均水平状况以及中国生态省（市、县）的建设标准，参考相关学者的研究成果[20-24]，并结合区域的实际情况。例如，宜昌市生态环境用水量的占比很小，到2015年，仍不足0.3%，经分析是，因为宜昌市的生态环境较好，很少的生态环境用水就能够满足生态环境的需求。宜昌市水资源承载力Logistic对数承载模型如表3所示。

3.5水资源综合承载力计算

根据2005～2015年《宜昌市水资源公报》《宜昌市统计年鉴》以及《宜昌市环境公报》等相关资料，得到了各评价指标的原始数据，如表4所示。根据表3的Logistic对数承载模型，计算出了各评价指标的承载度;使用加权平均法，计算得到了2005～2015年宜昌市水资源综合承载力，结果如表5和图2所示。

3.6可持续发展水平的判断

2005～2015年的宜昌市可持续发展水平如图3所示。其中，社会经济可持续发展判断结果为1，表明当年满足可持续发展，为0则不满足可持续发展;社会经济与生态环境良性发展判断结果为0，表明当年社会经济与生态环境满足良性发展，为1则不满足当年社会经济与生态环境的良性发展。

4综合评价

4.1水资源承载力综合评价

从图2可以看出，2005～2015年，宜昌市水资源子系统承载力经历了先增长后稳定的过程。原因是：

（1）宜昌市的用水效率得到了不断提高，引起万元GDP用水量指数下降，用水总量缓慢增加，使水资源开发利用率也在较缓地增长。

（2）社会经济子系统承载力得到了持续较快的增长，除了第三产业GDP占比以外，其他评价指标都明显变好。

（3）生态环境子系统承载力波动较大，原因是其他评价指标趋势明显，全年期的河流水质达标率波动变化明显。

（4）水资源综合承载力呈缓慢增长趋势，主要原因是社会经济子系统承载力持续增长。

总体来说，宜昌市水资源综合承载力发展状态较好，从2005年的0.60缓慢上升到了2015年的0.70;水资源子系统的承载力状态良好，稳定在0.85.上下;社会经济子系统承载力发展状态很好，从2005年的0.40.上升到了2015年的0.64，如果能进行产业结构调整，则发展潜力将会得到进一步的释放;生态环境子系统承载力状态较好，在0.66附近波动，如果能有效地控制废污水排放量增长的趋势以及推进“河长制”、“一河一策”等生态治理行动，则生态环境承载力将会得到极大的提高。

4.2可持续发展水平的综合评价

从图3可以看出：①除了2011，2013年和2015年外，宜昌市的社会经济发展是可持续的。②不可持续的原因是，2011年的人均水资源量仅为2010年的66%，2013年的全年期河流水质达标率比2012年的低31.3%，2015年的生活污水日人均排放量较2014年增长了12.8%。③除了2013年外，宜昌市的社会经济与生态环境是良性发展的，原因是2013年全年期的河流水质达标率仅为44.1%。

总体来说，宜昌市可持续发展水平较好。其中，可持续发展年份占70%，良性发展年份占90.9%。除去气候等不可控的因素以外，宜昌市在释放社会经济发展潜力的同时，应加强水资源保护和生态环境方面的治理。

5结论

本文以宜昌市为例，基于DPSIR模型系统整体框架，构建了“水资源-社会经济-生态环境”评价指标体系;基于AHP法，确定了偏重生态环境的评价指标权重;基于Logistic对数增长方程，提出了Logistic对数承载模型;引入可持续发展综合指标测度，结合社会经济可持续发展及社会经济与生态环境良性发展判断条件，对宜昌市水资源综合承载力和可持续发展水平进行了综合评价，从而得出以下主要结论。

（1）借助于DPSIR模型，从系统论的角度，分析了人与环境的相互作用，这样既能体现驱动力、压力、状态、影响和响应等5种指标间的静态关系，又能体现其动态机制。本文构建的宜昌市水资源承载力评价指标体系，能较好的地体现“水资源-社会经济-生态环境”复合系统的系统性。

（2）承载力概念应用领域广泛，本文基于Logistic对数方程提出的Logistic对数承载模型，能较好地表征宜昌市各评价指标的承载度，可操作性好且便于推广。

（3）通过引入可持续发展综合指标测度、可持续发展和良性发展判断条件，结合水资源承载力进行了综合评价，结果表明，将宜昌市水资源承载力研究纳入可持续发展的框架，效果較好。

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引用本文：

刘志明，周召红，王永强，洪晓峰，陈进.区域水资源承载力及可持续发展综合评价研究[J].人民长江，2019，50（3）：145-150.

Study on comprehensive evaluation of regional water resourcescarrying capacity and its development sustainability

LIU Zhiming，ZHOU Zhaohong，WANG Yongqiang，HONG Xiaofeng，CHEN Jin

（1.Hubei Provincial Key Laboratory of Basin Water Resources and Ecological Environment，Yanglze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China;2.Yichang Water Resources Management Center，Yichang 443000，China）

Abstract：DPSIR is a conceptual model of evaluation index system，which is widely used in environmental systems.It hasbeen developed as an indicator system to measure the environment and sustainable development.The interaction between humanand environmental system is mainly viewed from the perspective of systematic analysis.Taking Yichang，Hubei for example，weconstructed an evaluation index system of " water resource-social economy-ecological environment" for water resources carryingcapacity based on DPSIR model.We calculated evaluation weight for each criterion using AHP method and proposed a Logisticlogarithmic calculation model based on Logistic equation;meanwhile，we introduced sustainable development evaluation indexes，and estimated the sustainable social and economical development and the virtuous conditions for the development of social economy and ecological environment.We also carried out comprehensive evaluation on carrying capacity of water resources and its developing sustainability.The results showed that comprehensive carrying capacity is in a healthy state between 2005 and 2015，and social economy develops sustainably except for 2011，2013 and 2015.Social economy and ecological environment developedin a sound way over the years other than the year 2013.It is suggested that while tapping the potential in social and economic development，we should also promote water resources protection and ecological environment governance.

Key words：water resources carrying capacity;DPSIR model;Logistic logarithmic equation;comprehensive evaluation;sustainable development;Yichang City