国土空间规划体系下的城市水资源空间均衡评价模型及应用.pdf

第 卷第 期 水 资 源 保 护 年 月.基金项目:国家自然科学基金项目()济南市财政水务科技创新专项资金资助项目()作者简介:杨荣雪()女硕士研究生主要从事水资源系统分析研究:.通信作者:王红瑞()男教授博士主要从事水资源系统分析和环境规划与评价研究:.:/国土空间规划体系下的城市水资源空间均衡评价模型及应用杨荣雪王 丰王红瑞刘艺欣李一阳姜 欣孙夕明(.北京师范大学水科学研究院北京 .济南市水利工程服务中心山东 济南)摘要:结合供给侧和需求侧的关系构建水资源空间均衡评价模型建立了包含供给子系统和需求子系统共 个评价指标的水资源空间均衡评价体系基于五元联系数定量评估和分析水资源空间均衡水平的状态和变化过程并采用减法集对势法对水资源空间均衡水平变化的发展趋势和影响因素进行诊断分析 将该模型应用于乌兰察布市 个旗县区结果表明:水资源空间均衡水平从 年得到改善的有 个旗县变化不明显的有 个旗县其中集宁区一直处于低水平均衡状态 年乌兰察布市水资源空间均衡整体水平呈现逐年改善的趋势 年供给子系统水平中集宁区处于反势状态化德县、商都县处于偏反势状态需求子系统水平只有集宁区处于偏反势状态乌兰察布市的脆弱性指标为人均水资源量和生态环境需水负荷关键词:水资源空间均衡国土空间规划供需关系五元联系数减法集对势法乌兰察布市中图分类号:.文献标志码:文章编号:()/(.):.:水资源是事关国计民生的基础性自然资源和战略性经济资源是生态环境的控制性要素也是经济社会发展的基础性、先导性、控制性要素水的承载空间决定了经济社会的发展空间与国土空间规划之间存在着相互制约、协调互动的复杂关系 人均占有量少、时空分布不均匀以及水土资源的不匹配是我国水资源的显著特点加之部分地区的快速发展导致水资源供需矛盾日益从局部逐步发展为一个普遍性的社会问题 中国城镇面积的快速扩张同样也伴随人口的大规模迁移和集聚导致部分城市水资源天然分布与高强度需水不协调的矛盾逐渐凸显这严重制约了部分地区的社会经济发展如何统筹水资源供需与人口布局、经济发展之间的关系是当今社会普遍关注的重要议题之一 改革开放以来中国的经济取得了非凡成就但部分地区存在着经济集聚受水资源制约、用水效率不高、浪费严重、节水意识淡薄等问题在转向高质量发展阶段需要了解经济集聚效应对局部用水强度的影响机制合理处理水资源与经济社会发展之间的关系这对缓解绿色发展中的水资源供需矛盾、实现人水和谐具有重要作用区域开发需求程度若与其开发供给能力不相匹配将会造成区域资源环境与社会发展不相协调资源空间失衡将不利于协调稳定发展和经济大循环水资源作为保障我国高质量可持续发展的重要因素需要在空间上合理布局、均衡发展 针对我国水资源分布与经济社会发展布局不相适应的问题 年 月 日习近平总书记提出了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的水利发展思路将“空间均衡”作为重大发展理念 年 月 日水利部李国英部长指出要在节水优先的基础上立足空间均衡的原则构建全国水资源的空间配置格局为促进国内经济大循环、实现区域协调发展提供强有力保障 由此可以看出空间均衡在新时期治水的重要性以及国家层面上对水资源空间均衡的高度重视 年自然资源部组织编制了资源环境承载能力和国土空间规划开发适宜性评价指南(试行)当前的资源环境承载力的研究思路已经从单一要素约束转变为多要素协调约束水资源要素是资源环境承载中的重要评价因素因此水资源规划要与其他规划相协调 水资源空间均衡是我国水资源安全保障宏观发展战略的重要组成部分进行水资源空间均衡研究是实现国土空间规划“以水四定”的重要基础 鉴于此本文面向国土空间规划开展水资源空间均衡评价研究结合供给侧和需求侧的关系构建空间均衡评价模型探究水资源空间均衡的评价思路分析水资源供需的空间匹配态势和时空演变特征以期为资源开发、国土空间约束、重大水利基础设施布局提供参考 水资源空间均衡评价模型构建.评价指标体系确立依据在水资源趋紧和用水需求不断增长的背景下国土空间规划中提出要合理确定城市发展规模以水资源供需平衡为核心目标和路径从而实现“以水四定”从供需平衡角度量化水资源空间均衡水平分析区域水资源盈缺程度厘清水资源开发利用动态变化规律对于科学规划区域水资源联合调度、管理和形成水资源承载风险防控方案具有重要意义同时也为构建面向荷载平衡的水资源配置机制及模型提供重要支撑 鉴于此本文将水资源空间均衡评估划分为水资源空间均衡供给子系统和需求子系统在供需数量关系的基础上更加注重水资源供给侧和需求侧的水平以此来构建水资源空间均衡评价指标体系.权重计算方法采用联系数理论对水资源空间均衡评价指标体系进行分析时由于每个指标对系统的影响程度有差异因此需要合理地确定每个指标的权重 层次分析法可以根据专家经验和实际情况合理地对指标进行比较但缺点是难以忽略个人的主观随意性 变异系数法具有绝对的客观性但计算得到的权重值也会与实际的重要程度产生偏差这样会导致差异性明显的个别指标权值较大 为了避免和弥补单方面赋权的误差和不足本文采用层次分析法和变异系数法对水资源空间均衡评价的各项指评价标进行组合赋权首先建立综合评价目标层的一级指标体系(因素层:供给、需求)一级指标的供给和需求同样重要这里一级指标权重均取.接着判断二级指标(指标层的 个指标)的重要性并对其重要性赋值分别通过层次分析法和变异系数法得到主观权重和客观权重并采用下式得到组合权重:()式中:为 组合权重 为 客观权重 为 主观权重.联系数理论五元联系数是在集对分析理论基础上将评价等级范围扩大通过同、异、反联系数将评价对象中的确定与不确定因素相结合通过联系数评价研究对象之间的联系与差异 定义 为评价等级 为置信度 .当置信度 的取值越大时评价的等级越保守和稳妥置信度 取.减法集对势法采用减法集对势法来判别所构建水资源空间均衡评价的联系数所表述集对的关键指标及其变化趋势 由水资源空间均衡状态的联系数计算其减法集对势值当系统整体的减法集对势处于反势或偏反势表示其状态向着不利的方向发展当样本值的减法集对势为反势或偏反势则表示该样本是影响水资源空间均衡状态的脆弱性指标 乌兰察布市水资源空间均衡评价作为半干旱地区的乌兰察布市部分区域的水资源承载能力已经达到甚至超过其限值水资源已经成为制约当地社会经济发展的主要短板 根据 年乌兰察布市水资源公报乌兰察布市 年总供水量为 万 其中地表水供水量为 万 地下水供水量为 万 非常规水资源为 万 乌兰察布 年用水总量为 万 其中农业用水量为 万 工业用水量为 万 生活用水量为 万 生态环境用水量为 万 分别占比为、和 乌兰察布市水资源开发利用率整体变化不大而局部地区却居高不下 根据乌兰察布市第三次水资源评价初步成果 及乌兰 察 布 市 国 土 空 间 总 体 规 划(年)乌兰察布市 个旗县区的水资源禀赋、用水水平、经济发展程度等方面存在明显差异多数地区的水资源开发利用情况在空间上呈现失衡状态国土空间规划作为协调区域经济发展、国土空间布局、生态环境保护的重要机制按照“多规合一”的要求乌兰察布市水资源开发与利用的空间布局要支撑国土空间开发需求 以乌兰察布市 个旗县区作为评价单元构建的评价模型流程如图 所示 利用 年数据资料并根据水资源主要突出矛盾选取评价指标基于五元联系数和减法集对势法定量评估和分析乌兰察布市水资源空间均衡的状态和变化过程图 水资源空间均衡评价模型流程.评价指标体系确立和权重计算.评价指标体系构建将水资源空间均衡系统划分为水资源空间均衡供给子系统和需求子系统结合供给子系统和需求子系统的特性以及乌兰察布市自身的特点遵循科学合理、相对独立性、相对完备性和可操作性的原则构建评价指标体系如表 所示 所需数据来源于 年乌兰察布市统计年鉴、年乌兰察布市水资源公报乌兰察布市第三次水资源评价初步成果乌兰察布第三轮水资源调查评价 及 乌兰察布市国土空间总体规划(年)表 水资源空间均衡评价指标体系及评价等级划分标准 子系统评价指标单位属性评价等级标准高水平较高水平中等水平较低水平低水平供给子系统人均水资源量正向 人均可供水量万 正向 水资源开发利用率负向 地下水开发利用率负向 需求子系统城镇化率负向 人口密度人/负向 人均日生活用水量负向 万元 用水量负向 万元工业增加值用水量负向 农田灌溉定额/负向 水浇地比例负向 .评价等级划分由于水资源空间均衡水平是一个不确定的概念所以评价的等级标准也是不确定的需要根据乌兰察布市的实际情况来确定 参考以往有关水资源空间均衡评价、水资源承载力评价、水资源开发利用评价等相关的研究对每个指标进行水资源空间均衡评级共分为高水平、较高水平、中等水平、较低水平、低水平 个评价等级 各评价指标的评价等级见表.确定权重采取层次分析法和变异系数法进行组合赋权计算得到水资源空间均衡评价指标的综合权重见表 通过层次分析法和变异系数法分别得到各子系统每个指标的权重值利用组合赋权公式得到子系统各个指标的权重 由于供给子系统和需求子系统同等重要子系统的权重值均取.由此得到评价指标的综合权重表 水资源空间均衡评价指标权重 评价指标层次分析法权重值变异系数法权重子系统权重综合权重人均水资源量.人均可供水量.水资源开发利用率.地下水开发利用率.城镇化率.人口密度.人均日生活用水量.万元 用水量.万元工业增加值用水量.农田灌溉定额.水浇地比例.生态环境需水负荷.五元联系数计算设水资源空间均衡评价指标体系的样本数据集 记为 集合对应的评价等级标准集记为 集合那么样本数据和标准等级之间则可以用联系数来讨论同异反关系 分析集对 ()中的指标特性并对水资源空间均衡质量评价指标体系进行数据处理和计算得到 年乌兰察布市各单元的五元联系数计算结果利用置信度准则进行均衡等级状态判断得到 年间水资源空间均衡评价结果 以 年为例其评价结果如表(表中 为等级结果)所示由表 可见乌兰察布市整体处于较高水平均衡状态有 个旗县处于高水平均衡状态分别是四子王旗、卓资县、凉城县、察哈尔右翼中旗有 个旗县处于较高水平均衡状态分别是丰镇市、兴和县、察哈尔右翼前旗有 个旗县处于中等水平均衡状态分别是化德县、商都县、察哈尔右翼后旗只有集宁区处于低水平均衡状态同理对水资源空间均衡供给和需求子系统进行计算得到 年间乌兰察布市两个子系统的五元联系数计算结果 年乌兰察布市水资源空间均衡供给子系统的评价结果显示乌兰察布市水资源供给子系统整体处于中等水平状态其他旗县等级结果从高到低排序分别为卓资县、凉城县、察哈尔右翼中旗、丰镇市、兴和县、察哈尔右翼前旗、商都县、察哈尔右翼前旗、察哈尔右翼后旗、化德县、集宁区 年乌兰察布市水资源需求子系统的评价结果显示乌兰察布市水资源空间均衡需求子系统整体处于较高水平状态其他旗县等级结果从高到低排序分别为化德县、商都县、察哈尔右翼中旗、四子王旗、丰镇市、察哈尔右翼前旗、察哈尔右翼后旗、集宁区、卓资县、兴和县、凉城县表 年乌兰察布市水资源空间均衡评价结果 评价单元等级集宁区.低水平均衡丰镇市.较高水平均衡卓资县.高水平均衡化德县.中等水平均衡商都县.中等水平均衡兴和县.较高水平均衡凉城县.高水平均衡察哈尔右翼前旗.较高水平均衡察哈尔右翼中旗.高水平均衡察哈尔右翼后旗.中等水平均衡四子王旗.高水平均衡乌兰察布市.较高水平均衡.历年水资源空间均衡评价结果同理可得到 年的水资源空间均衡评价结果 水资源空间均衡水平 年得到改善的有 个旗县分别是卓资县、丰镇市、兴和县、凉城县、察哈尔右翼中旗、四子王旗 卓资县、四子王旗、察哈尔右翼中旗从中等水平均衡状态逐渐提高到高水平均衡状态凉城县在 年处于中等水平均衡状态 年处于较低水平均衡状态 年逐步提升到高水平均衡状态 兴和县从低水平均衡状态提高到较低水平均衡状态 丰镇市从较低水平均衡状态提高到较高水平均衡状态 水资源空间均衡水平变化不明显的有 个旗县分别是集宁区、化德县、商都县、察哈尔右翼后旗、察哈尔右翼前旗 集宁区一直处于低水平均衡状态化德县在 年处于较高水平均衡状态其他年份都处于中等水平均衡状态商都县在 年和 年处于较低水平均衡状态其他年份处于中等水平均衡状态察哈尔右翼后旗 年一直处于中等水平均衡状态 察哈尔右翼前旗在 年、年处于较高水平均衡状态其他年份处于中等水平均衡状态.态势分析和诊断识别.趋势分析由减法集对势来判断水资源空间均衡水平的微观运动趋势依据 年乌兰察布市水资源空间均衡评价的联系数以及供给子系统、需求子系统的联系数计算得到相应的减法集对势并进行态势分析结果见表 由表 可知 年乌兰察布市水资源空间均衡整体水平、供给子系统水平、需求子系统水平的减法集对势值全部为正值除了 年为均势状态外 年全部处于偏同势或同势状态说明整体水平、供给子系统水平、需求子系统水平呈现逐年改善的趋势这与由五元联系数判断的状态变化情况基本吻合表 年乌兰察布市水资源空间均衡评价减法集对势分析结果 年份系统整体供给子系统需求子系统均势均势均势偏同势偏同势偏同势偏同势偏同势偏同势偏同势偏同势偏同势偏同势偏同势偏同势偏同势偏同势偏同势偏同势偏同势同势同势同势同势同势同势同势同势同势同势同理对 年乌兰察布市 个单元的水资源空间均衡水平、供给子系统水平、需求子系统水平进行减法集对势分析结果见图 系统单元整体有 个单元存在不良态势集宁区 年间全部处于反势和偏反势状态说明集宁区的水资源空间均衡水平逐渐恶化丰镇市、商都县只有在 年处于偏反势状态兴和县只有在 年、年处于偏反势状态其他年份都处于较好态势说明除了集宁区外其他单元的水资源空间均衡整体水平逐年提高 而供给子系统有 个单元存在不良态势集宁区 年间的减法集对势值全部为 说明集宁区的水资源供给水平持续恶化化德县除 年外其他年份处于偏反势或反势状态商都县、察哈尔右 ()单元整体()供给子系统()需求子系统图 年乌兰察布市处于不良态势单元的减法集对势值.翼前旗有 个年份处于不良态势兴和县和丰镇市前期处于偏反势状态后期的水资源供给水平得到提高 需求子系统有 个单元存在不良态势说明需求端的用水水平较高集宁区在 年、年、年处于偏反势状态说明集宁区前期的需求水平在逐渐改善近两年有轻微恶化的趋势兴和县只有在 年、年处于不良态势凉城县在前期处于不良态势说明这两个单元的需求水平恶化的趋势得到了遏制.现状年诊断识别各评价单元的水资源空间均衡评价的减法集对势分析结果见表 就单元整体的水资源空间均衡水平发展趋势而言只有集宁区处于反势状态供给子系统水平中集宁区处于反势状态化德县、商都县处于偏反势状态需求子系统水平中只有集宁区处于偏反势状态 因此集宁区需要在供给侧和需求侧采取措施否则其供需水平将持续恶化化德县和商都县 年供给子系统分别处于较低水平状态和中等水平状态未来应需提高水资源供给能力表 年乌兰察布市各单元水资源空间均衡评价减法集对势态势分析结果 评价单元单元整体供给子系统需求子系统集宁区反势反势偏反势丰镇市偏同势偏同势偏同势卓资县同势同势偏同势化德县偏同势偏反势同势商都县偏同势偏反势同势兴和县同势同势偏同势凉城县偏同势同势均势察哈尔右翼前旗偏同势偏同势偏同势察哈尔右翼中旗同势同势同势察哈尔右翼后旗均势均势偏同势四子王旗同势同势同势乌兰察布市同势同势同势采用减法集对势法对现状年水资源空间均衡评价指标进行识别当由某一指标样本值的联系数计算得到的减法集对势值判定处于反势、偏反势则认为该指标是导致系统整体评价等级水平较低的主要原因可诊断识别为该评价单元的脆弱性指标在未来的发展过程中是主要的调控因子若指标判定为同势、偏同势则认为该指标对未来的发展可作为有利因素对现状年乌兰察布市和 个评价单元的 个指标进行减法集对势值计算发现乌兰察布市整体只有人均水资源量和生态环境需水负荷处于偏反势状态 对于人均水资源量有 个评价单元(集宁区、丰镇市、化德县、商都县、兴和县、察哈尔右翼前旗、察哈尔右翼后旗)处于反势或偏反势状态 对于生态环境需水负荷有 个评价单元(丰镇市、卓资县、化德县、商都县、兴和县、察哈尔右翼前旗、察哈尔右翼中旗、察哈尔右翼后旗、四子王旗)处于反势或偏反势状态 年乌兰察布市除集宁区外人口呈下降趋势在当前趋势下除集宁区外其他地区人均水资源量或将缓慢增加由于乌兰察布市处于半干旱地区所以调控该指标困难较大随着生态文明理念的深入人心生态环境用水越来受到人们重视生态环境需水负荷成为预期可调控的指标其他 个指标中人均日生活用水量四子王旗、卓资县、化德县处于反势或偏反势状态这些地区应积极推进各类节水措施来加强生活节水水浇地比例集宁区、凉城县、察哈尔右翼前旗、察哈尔右翼后旗处于反势状态地下水开发利用率集宁区处于反势状态化德县和商都县处于偏反势状态人均可供水量集宁区处于反势状态化德县处于偏反势状态水资源开发利用率、城镇化率、人口密度只有集宁区处于反势状态万元 用水量只有四子王旗处于偏反势状态万元工业增加值用水量只有凉城县处于反势状态农田灌溉定额只有卓资县处于偏反势状态由以上分析可知人均水资源量和生态环境需水负荷是系统整体的脆弱性指标 集宁区的脆弱性指标包含供给子系统的全部指标和需求子系统的 个指标(城镇化率、人口密度、水浇地比例)卓资县的脆弱性指标是人均日生活用水量和农田灌溉定额今后应加强生活节水和农业节水 化德县的脆弱性指标是人均可供水资源量、地下水开发利用率、人均日生活需水量、农田灌溉定额今后可通过外部调水增加可供水量同时减少对地下水的开发 商都县的脆弱性指标是地下水开发利用率所以应压减地下水的使用量 凉城县的脆弱性指标是万元工业增加值用水量和水浇地比例所以应注重工业节水、提高工业用水效率水浇地比例过高需要对水浇地面积进行合理压减 察哈尔右翼前旗和察哈尔右翼后旗的脆弱性指标是水浇地比例需要对部分水浇地面积进行合理压减 四子王旗的脆弱性指标是人均日生活用水量和万元 用水量应注重生活节水和提高用水效率 结 语本文基于五元联系数和减法集对势法相结合的方法结合供给侧和需求侧的关系构建空间均衡评价模型并以乌兰察布市为例进行了应用分析考虑了国土空间规划中对水资源的实际需要定量评估和分析地级市尺度水资源空间均衡的状态和变化过程更加全面地识别出不同单元内部和之间的联系该评价模型可为城市水资源宏观调控、实现高质量发展提供新的思路对乌兰察布市水资源空间均衡评价表明:年水资源空间均衡水平得到改善的有 个旗县分别是卓资县、丰镇市、兴和县、凉城县、察哈尔右翼中旗、四子王旗到 年西部地区处于高水平均衡状态 年乌兰察布市水资源空间均衡整体水平、供给子系统水平、需求子系统水平均呈现逐年改善的趋势这与通过五元联系数判断的状态变化基本吻合乌兰察布市整体的脆弱性指标为人均水资源量和生态环境需水负荷生态环境需水负荷成为预期可调控的指标在应用本文模型时需要根据当地水资源禀赋条件及自然资源概况等实际情况构建相应的评价指标体系 此外本文是在多年平均状况下开展的水资源空间均衡评价未来可划分丰平枯年份分别进行脆弱因子分析参考文献:李轶万芬芬张文龙.长三角地区工业园区水资源高效利用的发展趋势与策略.河海大学学报(自然科学版)():.(.()():.()夏军翟金良占车生.我国水资源研究与发展的若干思考.地球科学进展():.(.():.()张超杨艳昭封志明等.基于人粮关系的“一带一路”沿线国家土地资源承载力时空格局研究.自然资源学 报():.(.():.()吴丹向筱茜冀晨辉.京津冀水资源与产业结构优化适配模型.水利水电科技进展():.(.():.()卢亚丽徐帅帅沈镭.基于胡焕庸线波动的长江经济带水资源环境承载力动态演变特征.自然资源学报 ():.(.():.()易雨君徐嘉欣宋劼等.黄河河口区生态需水量及流量过程核算.水资源保护():.(.():.()黄建水.新时期治水的内涵和任务 习近平同志重要治水思想学习体会.水利发展研究():.(.():.()左其亭李倩文马军霞.人水关系学的研究方法及应用前景.水电能源科学():.(.():.()贾绍凤.高质量发展阶段的水治理标志要求.中国水 利 ():.(.():.()武连洲白涛黄强.基于 阈值区间集成的河道内生态需水计算与应用.水资源保护():.(.():.()孙才志孟程程.中国区域水资源系统韧性与效率的发展协调关系评价.地理科学():.(.():.()(下转第 页)./.:/./.()/.:/././.:/./?.(.)/.:/./.?.:.:.:.:.武永亮赵书良李长镜等.基于 和余弦相似度的文本分类方法.中文信息学报():.(.():.()张振豪过弋韩美琪等.基于关键词相似度的短文本分类方法研究.计算机应用研究():.(.():.()孙海生.作者关键词共现网络及实证研究.情报杂志 ():.(.:.():.()(收稿日期:编辑:熊水斌)(上接第 页)缪昭旺吴成国崔毅等.水资源空间均衡评价的联系数耦合协调度模型及应用.华北水利水电大学学报(自 然 科 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