長江經濟帶水環境承載力時空變化特征

楊亞鋒，閆佳偉，王紅瑞，周利超，楊榮雪

（1.北京師范大學水科學研究院，北京 100875；2.華北理工大學理學院，河北 唐山 063210；3.臨沂市自然資源和規劃局，山東 臨沂 276001）

水環境承載力分析是研究水環境問題及其應對策略的重要途徑之一［1-5］。目前學者們對水環境承載力概念的理解基本一致，即考慮與水資源、水環境相適配的人口和經濟社會發展規模，從而推動產業結構的優化與調整，促進區域可持續發展。在以往的水環境承載力評價研究中，通常將水環境承載力劃分為若干等級，進而利用某種方法判定研究對象所屬的等級，如BP神經網絡［6－7］、云模型［8］、集對分析［9－10］、系統動力學方法［11］、物元可拓模型［12］等。門寶輝等［8］基于驅動力-壓力-狀態-響應模型構建評價指標體系，結合熵權法和云理論評價了北京市水環境承載力水平。趙傳起等［11］基于系統動力學和向量模法，從水資源、經濟社會和水環境3個方面對水環境承載力變化情況進行評估。王富強等［13］基于廣義水環境承載力概念，從經濟社會、水資源、水環境和水生態4個方面構建了水環境承載力綜合評價指標體系。以上研究成果從不同角度開展水環境承載力指標體系構建及評價策略研究，豐富了水環境承載力理論體系和評價分析框架。然而，水環境承載力相鄰等級之間的模糊對立統一關系仍未得到充分考慮。事實上，水環境承載力是一個模糊概念，2個相鄰等級之間界限并不明確。陳守煜［14］提出的可變集方法為該類問題提供了一種有效的解決途徑，目前已在水資源領域得到成功的應用［15-18］。對于水環境承載力問題，特定指標下評價對象只與其中兩個相鄰等級存在模糊隸屬關系，且滿足歸一性。利用可變集方法計算相對隸屬度，進而通過級別特征值表征水環境承載力狀態，既可對評價對象劃分梯隊，亦可根據序關系研究其時空變化特征。長江經濟帶創造了超過全國2／5的國民經濟生產總值，同時也面臨著發展方式粗放、主要污染物排放強度大、水資源利用效率偏低等問題，使得經濟發展與水環境保護之間存在著沖突，水環境狀況不容樂觀。伴隨著經濟社會的高速發展和城市化進程加快，人類活動對水環境的影響越來越大，因此有必要綜合考慮人類活動和自然本底的雙重影響，探索構建水環境承載力評價體系，分析水環境承載力發展態勢，進而為長江經濟帶可持續發展提供支撐。鑒于此，選取長江經濟帶11個?。ㄖ陛犑校檠芯繀^域，結合前人研究基礎，選取水資源、生態環境和經濟社會等方面的15個指標構建水環境承載力評價體系，基于可變集方法研究2009—2018年長江經濟帶水環境承載力及其各個子系統的時空變化特征，進而探討存在的問題及其主要制約因素，結果可為長江經濟帶的綠色可持續發展和高質量發展的政策制定提供支持。

1 研究方法

1.1 研究區與數據來源

長江經濟帶橫跨我國東中西部，覆蓋11個?。ㄖ陛犑校?，西起四川省甘孜州，東至浙江省舟山市，最南端位于云南省西雙版納彝族自治州，最北端位于江蘇省徐州市，總面積約為全國國土面積的1／5。上游區域包括重慶、四川、貴州、云南；中游區域包括江西、湖北、湖南；下游區域包括上海、江蘇、浙江、安徽。下游面積約為中游面積的2.01倍，約為上游面積的3.24倍。長江經濟帶水資源量相對較為豐富，但存在的問題有：人均水資源量仍然相對較少，且存在用水效率偏低、水資源浪費嚴重的現象；重點湖泊富營養化、河湖連通性減弱等仍然存在；各省人口老齡化發展趨勢明顯，云貴等地第三產業超速發展引發產業結構合理化程度低；等等。因此，針對長江經濟帶開展水環境承載力時空變化特征研究，意義突出。

所使用的數據均來源于長江經濟帶11個?。ㄖ陛犑校┑牡胤浇y計年鑒（2010—2019）、水資源公報（2009—2018）以及中國統計年鑒（2010—2019）。

1.2 指標體系

區域水環境承載力的影響因素較多，相關學者［4］普遍認為水環境承載力內部各子系統之間呈現出相互疊加、相互影響的作用。水資源是水環境承載力的直接影響因素，是一定區域內水環境“量”上的直接體現。當水資源需求增加時，對區域水環境“量”要求增加，即所面臨的承載壓力加大。水資源的供需、開發和利用，污染物的富集和排放等直接影響區域水量和水質的改變，導致生態環境的惡化，進而促使經濟社會活動逆向反饋，采取一定的處理與調控措施來改善水環境狀態［5］。

基于以上分析，從自然本底和人類活動雙重影響的視角出發，以水資源子系統、生態環境子系統、經濟社會子系統作為準則層，構建水環境承載力的評價指標體系，見表1。

表1 水環境承載力評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of water environment carrying capacity（WECC）

水資源子系統與水資源量和水資源利用狀況密切相關，包括人均水資源量和庫容量、生活用水占比、生態用水占比和農業灌溉畝均用水量［12］。生態環境子系統是水環境污染狀況的直接體現，水環境污染越嚴重，水環境承載能力越弱。因此，水環境子系統的選取應與污染狀況密切相關，包括城市污水處理率、萬元GDP化學需氧量排放量和氨氮排放量、森林覆蓋率和濕地總面積占國土面積比重［8］。經濟社會子系統與經濟增長、產業結構和宏觀調控政策等密切相關。當經濟呈增長態勢時，環境壓力先增加后減??；在水環境不變的基礎上，人均GDP的提高也會導致單位水環境承載活動的增多。因此，經濟社會指標包括建成區綠化覆蓋率、人均GDP、第三產業占GDP比重、萬元GDP用水量和節水灌溉面積占有效灌溉面積比例。

結合長江經濟帶平均水平及研究實際，參考相關研究成果［4，7-8，11-12］，將評價標準分為5個等級，其中：1級代表承載能力很強，有巨大的可供開發和利用的潛力；2級代表承載能力較強，有較大的可供開發和利用的潛力；3級代表承載能力與經濟社會發展相匹配；4級代表承載能力較弱，有輕微的超載現象；5級代表承載能力弱，超載現象嚴重。

1.3 可變集方法

將長江經濟帶11個?。ㄖ陛犑校└髂甓鹊乃h境承載力記為對象集U＝｛uj｝（j＝1，2，3，…，n），將評價指標體系記為指標集V＝｛v j｝（i＝1，2，3，…，m），則水環境承載力問題轉化為多目標決策與評價問題。X＝｛xij｝，其中xij為對象uj的指標v i的取值。指標v i分為c個等級，其中，1級最優，c級最差，對應的指標值區間分別記為I＝［aih，bih］（h＝1，2，…，c）。其中aih、bih為指標v i在h級別標準值區間的上下限。

根據可變集對立統一定理，在級別h值區間中必定存在指標v i的級別h與級別h＋1的漸變式質變點k ih表達式為

由式（1）與矩陣I得K＝［k ih，bih］，若xij在相鄰兩級h與h＋1區間，則xij對h級的相對隸屬度為

對于小于h級、大于h＋1級的指標的相對隸屬度均為0，即：μi（＜h）（uj）＝0，μi（＞h＋1（uj）＝0。計算uj對于級別h的綜合相對隸屬度為

式中：w i為指標v i的權重，且。采用CRITIC（criteria importance though intercrieria correlation）方法獲取指標權重。CRITIC方法是一種常用的賦權法，具體步驟參見文獻［19］和［20］，不再贅述。

對象uj的級別特征值為

1.4 水環境承載力指數

為直觀表示水環境承載力水平，構建對象uj的水環境承載力指數IWECC為

IWECC在區間［0，10］上取值，其值越大，表示水環境承載力越高。為便于作圖對比，綜合考慮表1中15項指標的等級劃分情況，按取值比例對級別特征值進行離散化處理，劃分為5個等級，其中，1級代表承載力很強，5級代表承載力很弱。水環境承載力指數與等級的對應關系見表2。

表2 水環境承載力指數分級標準Tab.2 Classification standard of IWECC（water environment carrying capacity index，WECCI）

2 結果與討論

2.1 總體時空變化特征

利用CRITIC方法計算指標權重，見表1?；谑剑?）～（5）計算長江經濟帶11個?。ㄖ陛犑校?009—2018年的水環境承載力指數，見圖1。

由圖1可知，2009—2018年長江經濟帶水環境承載力整體上呈現逐年提升的發展態勢，水環境承載力平均指數由4.20提升至6.08，增幅高達44.76%，但仍存在較大差距?？傮w來看，2009—2018年長江經濟帶的水環境承載力狀況可分為3個階段：臨界超載期（2009—2012年）；蓄力沉淀期（2013—2015年）；穩步提升期（2016—2018年）。具體來看，2009—2012年，長江經濟帶水環境承載力處在3級水平，但部分?。ㄖ陛犑校┫鄬β浜?，處在4級，如湖北和安徽等，其4年平均水環境承載力指數分別為3.54和3.78。2012年11月，“美麗中國”概念的提出在全國掀起了一場生態文明建設的熱潮。作為全國生態文明建設的先行示范帶，長江經濟帶各?。ㄖ陛犑校┬盍η靶?，水環境承載力從2013年開始出現較為明顯的變化，全部進入3級及以上水平。至2015年，各?。ㄖ陛犑校┑乃h境承載力均得到一定的提升，但除浙江省更進一步而邁入1級水平之外，其余?。ㄖ陛犑校┪茨芡黄?級范圍。進入2016年，四川和重慶進入2級水平，開啟了長江經濟帶水環境綠色發展的強勁潮流。上游的云南和貴州、中游的湖北隨后分別在2016和2017年進入2級，長江經濟帶的水生態環境顯現出盎然之勢。截至2018年，長江經濟帶上游4個?。ㄖ陛犑校┤窟M入較強的承載水平，而中下游地區，除浙江和湖北外，大部分區域仍處于3級一般臨界水平。需要指出的是，浙江始終保持著較高的承載水平，成為長江經濟帶水環境承載力提升和綠色發展的排頭兵。隨著當前長江大保護戰略的進一步實施，長江經濟帶的水生態環境狀態正在迎接著下一個關鍵提升期。

圖1 長江經濟帶11?。ㄖ陛犑校?009—2018年的水環境承載力指數Fig.1 WECCI of 11 provinces（cities）in Yangtze River Economic Belt from 2009 to 2018

從空間維度來看，長江經濟帶水環境承載力水平日趨均衡，見圖2。上中下游水環境承載力指數的方差經2011至2015年一段高峰期后顯著下降［圖2（a）］，從2015年的0.19降至2017年的0.06，降幅高達68.42%，但在2018年出現了小幅增加，主要擾動因子是水資源子系統的方差由2017年的0.91增加至2018年的0.99。2018年中下游水資源子系統承載力指數較2017年分別下降了0.65%和1.48%，而上游則提升了0.36%，表明中下游水資源子系統的滯后現象進一步加劇。11個?。ㄖ陛犑校┑乃h境承載力指數的方差呈現略有波動、總體遞減的基本態勢［圖2（b）］，由2009年的0.78降至2018年的0.58，降幅為25.64%。其中，經濟社會子系統的?。ㄖ陛犑校╅g差異一直較大，而生態環境子系統則較為均衡，且逐年變優，反映了長江經濟帶各?。ㄖ陛犑校﹨⒉畈积R的經濟社會發展水平和日益凸顯的長江流域協同治理的生態環境效益。水資源子系統承載力的?。ㄖ陛犑校╅g差異同樣較大，尤其是2014年之后，沒有出現明顯的好轉跡象。不難發現，無論是區域尺度還是?。ㄖ陛犑校┏叨?，長江經濟帶水環境承載力的空間差異均在逐步縮小，但在3個子系統上存在顯著差異，因此有必要從子系統的角度對上中下游的水環境承載力情況進行剖析。

圖2 2009—2018年長江經濟帶水環境承載力的方差演變Fig.2 Variance evolution of WECC grade from 2009 to 2018 in Yangtze River Economic Belt

2.2 上中下游及子系統分析

2009—2018年，長江經濟帶的水環境承載力經過臨界超載、蓄力沉淀和穩步提升3個階段，得到一定的提升，向更好的方向發展，但也應注意到，這種好轉并不顯著，仍存在著較大的提升空間。長江經濟帶橫跨我國西中東部，自然稟賦和經濟社會發展的省際差異顯著，而水資源、生態環境和經濟社會3個子系統相互制約、相互促進，以一種復雜的結構關系影響著水環境承載力。因此，探討上中下游的水環境承載力狀況，從子系統的角度分析各區域的優勢與短板，有助于精準施策，促進高質量發展。

由圖3可知，長江經濟帶水環境承載力整體上逐年變優，呈現下游優于上游、上游優于中游的分布特征。云南、貴州、四川和重慶的人均水資源量在長江經濟帶乃至全國都處于一個相對領先的水平，因此上游區域始終占據一定的優勢，2014年以后更為明顯；相反，中下游的水資源子系統則較為滯后，且二者的相對劣勢交替出現。上海和江蘇水資源子系統一直處于較差的狀態，這與其人均水資源量較少有著密切的聯系。上海人口一直處于高度密集狀態，江蘇水資源總量常年偏少，在長江經濟帶各?。ㄖ陛犑校┲惺冀K處于相對落后的位置。需要指出的是，浙江人均水資源量相對較高，以2018年為例，分別是江蘇和上海的3.23倍和9.51倍，水資源系統常年保持在較高的水平。沿海江浙滬地區的水資源失衡問題亟待緩解。湖南、湖北、江西和安徽等地水資源系統中規中矩，且年際變化較小。

圖3 2009—2018年長江經濟帶水環境承載力的上中下游區域對比Fig.3 Comparison between upper，middle and lower reaches of WECC of Yangtze River Economic Belt from 2009 to 2018

長江經濟帶的生態環境子系統十年來保持著穩定的增長態勢，上中下游的承載水平依次遞增。下游地區等級相對較高，這些地區在長江流域甚至全國水資源管理方面都處于領先地位，具體表現為污水處理率高、萬元GDP化學需氧量排放量和萬元GDP氨氮排放量低?！?017年全國非常規水資源利用分析報告》顯示，江蘇的中水回用率處于全國領先水平。上海的濕地面積占陸域面積高達一半以上，明顯提升了生態環境承載能力；江浙滬地區的經濟社會發展水平處于長江經濟帶，乃至全國的領先地位，城市系統功能相對完善，主要污染物排放比例較低，且污水處理率較高，充分體現了人類活動對水環境的重要影響。因此，發揮人類的主觀應對和調控能力，積極提升城市系統和水資源系統的韌性，對于提升水環境承載力具有決定性的作用。中游區域在2015年以前與長江經濟帶平均水平高度一致，2016年以后逐漸向下游區域靠攏。上游區域的生態環境子系統等級相對較低，這主要歸因于其濕地面積占國土面積比重過低。濕地作為生態環境系統評價的重要指標，對生態環境的可持續發展有著重要的意義。

經濟社會子系統方面：下游區域顯著占優，這與江浙滬地區的經濟發展水平與產業結構布局密不可分，可見經濟社會發展可為提升水環境承載能力提供重要的基礎支撐，但同時要關注經濟社會高速發展可能帶來的水環境惡化風險；中游區域經濟社會子系統承載能力相對較低，分析其主要制約因素可以發現：江西用水效率較低，2009—2018年的萬元GDP用水量均超過100 m3，平均值為184.35 m3／萬元，湖北和湖南節水灌溉面積占有效灌溉面積比例較低，十年平均分別為15.16%和11.71%；上游區域中，重慶和四川處于較高級別，而云南和貴州則相對落后，這主要歸因于云貴地區相對較低的人均GDP和相對較高的萬元GDP用水量，上游區域經濟發展和用水效率的不均衡是當前需要重點關注的問題之一。

綜上，2009—2018年長江經濟帶水環境承載力呈現良好的發展態勢，為該區域的高質量發展提供了必要的保障，但上中下游各子系統之間存在顯著差異，見圖4。

圖4 2009—2018年長江經濟帶上中下游區域的水環境承載力子系統對比Fig.4 Comparison of WECC subsystems in the upper，middle and lower reaches of Yangtze River Economic Belt from 2009 to 2018

圖4顯示，長江經濟帶整體的經濟社會子系統發展水平較高，生態環境子系統逐年變優，尤其是2015年以來發展迅猛，而水資源子系統則存在嚴重的滯后現象，2016年以來出現明顯下滑。上游區域經濟社會子系統遠優于生態環境子系統，但近年來二者的協調和均衡程度越來越高。中游區域近年來生態環境子系統具有明顯優勢，而相反水資源子系統則嚴重滯后，且有進一步惡化的趨勢。下游區域的經濟社會子系統常年保持絕對領先的優勢，而水資源子系統則一直面臨著巨大的壓力和負載，供需矛盾突出。

2.3 調控方向挖掘

根據以上分析發現，2009—2018年長江經濟帶上中下游區域的水環境承載力均有一定的提升，但具有明顯的區域分異特征，且部分省區存在子系統發展的不均衡問題。為發現現狀問題，進而挖掘各省市水環境承載力的調控方向，以2018年為基礎年進行短板分析，見圖5。

圖5 2018年長江經濟帶11個?。ㄖ陛犑校┑腤ECC子系統分析Fig.5 WECC subsystem analysis of 11 provincial administrative regions of Yangtze River Economic Belt in 2018

圖5顯示，2018年，長江經濟帶水環境承載力按?。ㄖ陛犑校┡判蛴筛叩降鸵来螢檎憬?、四川、重慶、云南、貴州、湖南、江西、湖北、江蘇、上海和安徽，除浙江外，表現為上游優于中游、中游優于下游，具有明顯的空間分異特征。上游的四川、重慶、云南和貴州的3個子系統發展較為均衡，基本上處在較強的2級水平，相對較弱的是水資源子系統。四川和云南大力發展第三產業旅游經濟，為水環境承載力的提升提供了堅實的保障。重慶作為我國西南地區唯一的直轄市，受地形地貌的影響，過境水多但利用量少，生態環境保護力度相對較低，這些因素間接限制了重慶市水環境承載力的提升。中游區域的生態環境子系統較為均衡，略低于長江經濟帶平均水平，相對較弱的也是水資源系統。湖北水資源和生態環境子系統承載力處于較高的水平，在國家區域中心城市的帶動下，近年來縣域經濟發展較快，且占全省GDP比值越來越大，推動了其水環境承載力的提升。下游區域江浙滬地區的經濟社會子系統占據絕對優勢，而安徽則相對落后。上海和江蘇的水資源系統極為滯后，是制約水環境承載力提升的關鍵因素。安徽省雖地處長三角地區，近十年間生態環境保護力度和經濟社會發展不協調限制了水環境承載力的提升，3個子系統的狀態與中游區域的情況類似，中規中矩，優勢不足。需要指出的是，浙江的3個子系統齊頭并進，均處于領先水平，水資源子系統和生態環境子系統排名第一，而經濟社會子系統僅次于上海，排在第二位，使得浙江省打破空間分布規律，在長江經濟帶水環境承載力排名中占據第一。

綜上，長江經濟帶的水環境承載力雖具有明顯的空間分布規律，但總體上呈現經濟社會子系統絕對占優、生態環境子系統一般、水資源子系統相對滯后的特征?？梢?，無論從水環境承載力的自然條件，還是人為調控來看，水資源子系統始終是需要重點關注的主要矛盾點之一，這涉及水資源的集約節約和安全利用。因此，關鍵是要做好水資源消耗總量和強度雙控，同時保障水質和用水安全。大力發展水資源利用與節水技術，充分發揮上游地區自然資源優勢，提高中下游地區的用水效率，優化產業結構，緩解供水用水矛盾是長江經濟帶水環境承載力進一步提升的主要方向與途徑。

3 結 論

以自然本底和人類活動的雙重影響為主要視角，從水資源、生態環境和經濟社會子系統3個方面探索構建了一種新的水環境承載力評價指標體系，進而考慮等級之間的模糊對立統一關系，基于可變模糊集方法構建并計算了水環境承載力指數，開展了長江經濟帶11個省級行政區水環境承載力的時空變化特征及其制約因素分析研究，得到的主要結論有：2009—2018年，長江經濟帶水環境承載力逐年變好，但仍存在較大的提升空間；分區域來看，2009—2017年由強到弱依次為下游、上游和中游；2018年上游略超下游，中游仍居其次；長江經濟帶11個省級行政區的水環境承載力具有明顯的空間分布規律，2018年除浙江外表現為上游優于中游、中游優于下游，按?。ㄖ陛犑校┡判蛴蓮姷饺跻来螢檎憬?、四川、重慶、云南、貴州、湖南、江西、湖北、江蘇、上海和安徽；水資源子系統對當前長江經濟帶水環境承載力提升的制約作用較為顯著。長江經濟帶在后期研究中將考慮水災害指標對水環境承載力的影響，進一步厘清水環境承載力的內涵，對相關指標及數據進行補充與更新，以得到更加準確全面的評價結果。