漢江流域水資源供需平衡及其承載力研究*

李柏山 粟 穎 周培疆 肖梅玲 徐 沈 王天維 趙丹丹

(1.中共貴陽市委黨校， 貴陽 550005； 2.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，生物質(zhì)資源化學(xué)與環(huán)境生物技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430079； 3.貴航貴陽醫(yī)院， 貴陽 550009； 4.龍泉市環(huán)境保護(hù)局， 浙江 龍泉 323700)

漢江流域水資源供需平衡及其承載力研究*

李柏山1，2粟 穎3周培疆2肖梅玲4徐 沈1王天維1趙丹丹1

(1.中共貴陽市委黨校， 貴陽 550005； 2.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，生物質(zhì)資源化學(xué)與環(huán)境生物技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430079； 3.貴航貴陽醫(yī)院， 貴陽 550009； 4.龍泉市環(huán)境保護(hù)局， 浙江 龍泉 323700)

2020年南水北調(diào)中線一期工程及引漢濟(jì)渭工程的實(shí)施將對漢江流域水資源形勢產(chǎn)生影響，本文對漢江流域水資源的可供給量、需求量進(jìn)行了分析，研究流域?qū)嶋H可供水量和余缺水量。水資源供需平衡計(jì)算表明：調(diào)水工程實(shí)施后，漢江流域上游供水可以滿足需水要求，漢江中下游流域?qū)⑷彼?4.81×108m3；全流域?qū)⑷彼?0.41×108m3，南水北調(diào)中線工程及引漢濟(jì)渭工程對漢江中下游甚至整個(gè)流域產(chǎn)生缺水性影響。從水資源條件、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)3個(gè)方面選擇評價(jià)指標(biāo)，以層次分析法確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，采用距離指數(shù)法對漢江流域進(jìn)行水資源承載能力分析，并對漢江流域水資源承載能力進(jìn)行評價(jià)。評價(jià)結(jié)果表明，受調(diào)水及水利工程建設(shè)的影響，漢江流域水資源已處于不可承載狀態(tài)。

漢江流域；水資源；供需平衡；承載力

漢江是長江中游最大的支流，發(fā)源于陜西省秦嶺南麓，干流流經(jīng)陜西、湖北兩省，于武漢市匯入長江，全長1 577 km，落差1 964 m，流域面積為159 000 km2，漢江流域水系呈葉脈狀，支流眾多[1]。漢江流域是我國中部地區(qū)重要的政治、經(jīng)濟(jì)、文化和生態(tài)中心，是全國的重要的商品糧生產(chǎn)基地，也是湖北省“兩圈一帶”的重要支撐，流域內(nèi)水資源豐富、周邊礦產(chǎn)資源豐富、中下游地域開闊，具有發(fā)展農(nóng)業(yè)和工業(yè)的優(yōu)勢。然而，目前流域面臨的問題是：隨著流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，上游工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水不斷擠占中下游湖北境內(nèi)的生態(tài)需水，流域中下游的水資源有逐年下降的趨勢。加上未來流域各地工業(yè)園區(qū)的建成，需要更多的水資源支撐。從漢江本身來看，工業(yè)污染和引漢濟(jì)渭調(diào)水工程、南水北調(diào)中線取水后漢江流量減小，對漢江水資源安全造成很大的威脅。陜西境內(nèi)的引漢濟(jì)渭工程、漢江干流14級梯壩建設(shè)及眾多支流小水電建設(shè)，對中下游來說可謂雪上加霜。水庫的建設(shè)及跨流域調(diào)水將會造成中下游水資源量減少、農(nóng)田灌溉機(jī)井報(bào)廢、地下水位下降等一系列問題。漢江水資源供需平衡與承載能力研究已成為國內(nèi)外廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)，不僅成為科學(xué)家們高度重視的科學(xué)前沿問題，也日益成為公眾關(guān)心的社會問題。因此，通過分析漢江水資源供需平衡，研究流域水資源承載能力，對產(chǎn)生的不利環(huán)境影響提出預(yù)防和減緩措施，實(shí)現(xiàn)在保障流域用水的基礎(chǔ)上的水資源有序開發(fā)，將是未來較長一段時(shí)間內(nèi)流域水資源環(huán)境管理等相關(guān)領(lǐng)域的重要研究課題。

1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

國外最早關(guān)于水資源承載力(Water Resources Carrying Capacity, WRCC)的研究是北美湖泊協(xié)會定義了湖泊承載力的概念[2]，其后美國URS公司對佛羅里達(dá)州Keys流域的承載力進(jìn)行了研究[3-4]；1999年Harris等對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域水資源農(nóng)業(yè)承載力進(jìn)行研究[5-6]；Rijiberman.J等以承載力作為城市水資源安全保障的衡量標(biāo)準(zhǔn)[7]。在我國，1985年新疆水資源軟科學(xué)課題研究組認(rèn)為水資源承載力是水資源可開發(fā)利用量，即在滿足維護(hù)生態(tài)環(huán)境用水要求后，所能支撐的工農(nóng)業(yè)最大產(chǎn)值和人口數(shù)量[8]。楊大慶等[9-14]運(yùn)用常規(guī)趨勢法、模糊綜合評價(jià)法、主成分分析法、系統(tǒng)動力學(xué)方法對水資源承載力進(jìn)行了評價(jià)。從漢江流域本身來看[15]，劉年豐等[16]根據(jù)氣候資料計(jì)算得出漢江中游襄樊市水資源短缺的人為風(fēng)險(xiǎn)度為22.8%，說明南水北調(diào)中線工程可能影響襄樊水資源安全。沈大軍等[17]分析了丹江口水庫不同調(diào)水方案對漢江中下游水位、流量及灌溉和航運(yùn)的影響，并提出補(bǔ)償工程措施。張明波等[18-21]運(yùn)用多種手段對漢江流域局部區(qū)域水資源承載力情況進(jìn)行了評價(jià)。上述研究對漢江流域水資源可利用量、水量分配及中下游水資源承載力進(jìn)行了分析，而對于考慮生態(tài)環(huán)境需水的全流域水資源承載力研究較少。本文在分析2020年南水北調(diào)中線一期工程及引漢濟(jì)渭工程的實(shí)施后漢江流域水資源的可供給量、需求量分析的基礎(chǔ)上，從水資源條件、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)等方面選取多個(gè)指標(biāo)，采用距離指數(shù)法對漢江流域水資源承載能力進(jìn)行分析，以期為漢江流域水資源的開發(fā)利用綜合治理提供數(shù)據(jù)支撐。

2 研究方法

層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合的方法，通過將問題分解成遞階層次結(jié)構(gòu)，然后將上下層次的因素進(jìn)行兩兩判斷，構(gòu)造判斷矩陣。通過對判斷矩陣的計(jì)算，進(jìn)行層次排序和一致性檢驗(yàn)，最后進(jìn)行層次總排序，得到各因素的組合權(quán)重[22]。層次分析法所確定的量化指標(biāo)是相對差距即距離指數(shù)，可通過相對差距來評估水資源承載力，這種方法被稱為距離指數(shù)—層次分析法，如式(1)、(2)所示。

(1)

(2)

3 水資源供需平衡分析

漢江流域2000年水資源量513×108m3，上游干流已建石泉、安康大型水利樞紐，支流上建成了石門樞紐和黃龍灘電站，上述總庫容52.3×108m3。此外，上游建有1 026座中小型水庫，總庫容15.2×108m3。漢江中下游現(xiàn)有大型水庫7座、中型水庫32座、小型水庫563座，總引提水能力約為1 630m3/s，一般年份可供水量約為56×108m3[23]。近年來，國家加大對大江大河水資源的統(tǒng)一調(diào)度，2014年將建成漢江上游引漢濟(jì)渭工程(年調(diào)水量15億m3)和南水北調(diào)中線工程(一期工程年調(diào)水量95億m3)。漢江流域多年平均水資源量呈逐漸下降的趨勢，而調(diào)水工程將對漢江流域水資源產(chǎn)生更大的影響。

水資源量及水資源供給量：漢江流域水資源量主要包括地表水資源量、地下水資源量。地表水資源是該區(qū)域最重要的水資源之一，漢江流域2020年平均地表水資源量約為508×108m3；漢江流域淺層地下水天然資源量71.84×108m3，其中可開采量6.54×108m3。漢江流域水資源供給量包括地表水可供給量和地下水可供給量。2020年南水北調(diào)中線一期工程及引漢濟(jì)渭工程調(diào)水后，漢江流域水資源的理論水資源量為404.54×108m3。

水資源需求量：漢江流域的水資源主要用于工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水、城鎮(zhèn)生活用水、農(nóng)村人畜飲水、生態(tài)環(huán)境需水等，其中絕大部分用水由地表水供給，少部分由地下水資源支出。1)農(nóng)業(yè)灌溉需水量：按照農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展規(guī)劃，漢江流域2000年及更遠(yuǎn)水平年的灌溉面積約66.5×108m2，農(nóng)業(yè)灌溉需水量2020年為75.73×108m3。2)工業(yè)用水量：依據(jù)工業(yè)預(yù)測產(chǎn)值及用水定額預(yù)測2020年工業(yè)用水量約為47.49×108m3。3)城鎮(zhèn)生活用水量：根據(jù)城鎮(zhèn)生活用水定額估算所需用水量。4)農(nóng)村人畜飲水量：根據(jù)人畜數(shù)量及其用水定額預(yù)測2020年水平年人畜生活需水量。5)生態(tài)環(huán)境需水量：漢江流域生態(tài)環(huán)境需水量由維護(hù)河流生態(tài)所需最小水量、河流滲漏需水量及河流蒸發(fā)需水量組成[24]，根據(jù)胡安焱等[25]的計(jì)算結(jié)果，漢江中下游河流生態(tài)環(huán)境需水量為184.51×108m3。

為了滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的用水要求，提高漢江流域水資源的利用效率，對漢江流域水資源供需平衡進(jìn)行分析顯得尤為必要。在現(xiàn)有的水資源條件下，按照以需定供的原則，合理確定工農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模并進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。在上游流域可供水量(150.84×108m3/a)保持不變的條件下，通過計(jì)算得出各個(gè)方案下漢江流域水資源供需平衡結(jié)果，如表1所示。

表1 漢江流域規(guī)劃水平年2020年水資源供需平衡結(jié)果 ×108m3/a

由表1可知，2020年調(diào)水后，南水北調(diào)中線工程及引漢濟(jì)渭工程調(diào)水實(shí)施后，漢江流域上游供水可以滿足需水要求；但漢江流域中下游缺水54.81×108m3；全流域缺水10.41×108m3。說明南水北調(diào)中線工程及引漢濟(jì)渭工程對漢江流域漢江中下游甚至整個(gè)流域會產(chǎn)生缺水性影響。

4 漢江流域水資源承載力分析

4.1 漢江流域水資源承載力指標(biāo)體系

以流域內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境以及水資源之間的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r來構(gòu)建漢江流域水資源承載力指標(biāo)體系。根據(jù)馬瑤瑤[20]所確立的評價(jià)指標(biāo)體系，漢江流域水資源承載力評價(jià)指標(biāo)及采用層次分析法計(jì)算的相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重值如表2所示。

距離指數(shù)的值(處于[0,1]的范圍)決定了系統(tǒng)距離參照年的目標(biāo)差距。距離指數(shù)數(shù)值越接近0則差距越小，越接近于1差距越大。其相對的水資源承載力狀態(tài)如表3所示。

4.2 漢江流域水資源承載力分析

4.2.1 指標(biāo)值的確定

漢江流域上游主要包括陜西省漢中、安康、商洛和湖北省十堰市，中游主要包括湖北省襄陽、河南省南陽等市，下游主要包括湖北省的荊門、潛江、天門、隨縣、漢川、仙桃和武漢市蔡甸區(qū)、硚口區(qū)、東西湖區(qū)等地。以南水北調(diào)中線工程、引漢濟(jì)渭工程調(diào)水后的2020年作為評估年，2010年作為參照年。參照年數(shù)據(jù)為當(dāng)年實(shí)際數(shù)據(jù)，評估年數(shù)據(jù)為區(qū)域發(fā)展目標(biāo)數(shù)據(jù)或者國際通用數(shù)據(jù)。漢江流域水資源承載力指標(biāo)值見表4。

4.2.2 指標(biāo)值的標(biāo)準(zhǔn)化處理

將上述指標(biāo)分為9個(gè)級別，將絕對值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的等級值。具體評價(jià)時(shí)，根據(jù)給定數(shù)據(jù)確定評價(jià)等級(1，2，3，4，5，6，7，8，9)，其評價(jià)意義介于相應(yīng)等級之間的某個(gè)位置(見表5)。

表2 漢江流域水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系及相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重

表3 水資源承載力狀態(tài)等級參考

表4 漢江流域水資源承載力評價(jià)指標(biāo)

續(xù)表4

表5 指標(biāo)預(yù)處理參考

4.2.3 計(jì)算距離指數(shù)

將表5中評估年2020年和參照年2010年的指標(biāo)值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)量等級，借助表2中層次分析法得出的指標(biāo)賦值，運(yùn)用公式(1)和公式(2)，對漢江流域水資源承載力進(jìn)行評估，結(jié)果如表6所示。

表6 漢江流域2010年相對于2020年的距離指數(shù)

由表6可知，漢江流域水資源承載力系統(tǒng)的相對距離指數(shù)為0.501，水資源條件系統(tǒng)則為0.814，水資源總量和總供水量相對距離較大，污水處理達(dá)標(biāo)率和水資源利用率相對距離較小。社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的相對距離指數(shù)為0.422，人均水資源占有量相對距離最大為0.611，萬元GDP水耗、人均GDP和人口自然增長率其次，恩格爾系數(shù)和經(jīng)濟(jì)增長速度的相對距離指數(shù)較小。生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)在流域水資源承載力系統(tǒng)中距離指數(shù)最小為0.296，水土流失率相對距離指數(shù)最大，其次為生態(tài)環(huán)境用水率，森林覆蓋率和單位GDP廢水排放量的相對距離指數(shù)較小。

根據(jù)水資源承載力狀態(tài)等級參考表，可知2020年實(shí)施了南水北調(diào)中線一期工程、引漢濟(jì)渭工程、引江濟(jì)漢工程、引江補(bǔ)漢工程后，漢江流域水資源承載力狀態(tài)等級如表7所示。

表7 漢江流域2010年相對于2020年水資源承載力狀態(tài)等級

由表7可知，從水資源條件方面看，漢江流域2020年水資源總量在下降。但在水資源利用率和污水處理達(dá)標(biāo)率2個(gè)指標(biāo)，漢江流域2010年相對于2020年的距離指數(shù)較大，因此漢江流域水資源開發(fā)潛力有限。從流域經(jīng)濟(jì)狀況分析，該區(qū)域人均水資源量相對于中部地區(qū)平均水平較低，萬元GDP水耗、人均GDP和人口自然增長率這3個(gè)指標(biāo)2010年相對于2020年的距離指數(shù)偏大。該區(qū)域恩格爾系數(shù)和經(jīng)濟(jì)增長速度則差距較小，其綜合距離指數(shù)顯示漢江流域經(jīng)濟(jì)狀況處于基本可承載狀態(tài)，并較接近初步可承載狀態(tài)。漢江流域水土流失率及生態(tài)環(huán)境用水率兩指標(biāo)值的相對距離指數(shù)偏大，森林覆蓋率和單位GDP廢水排放量距離指數(shù)較小，接近可承載狀態(tài)。

綜上所述：漢江流域2010年相對于2020年水資源承載力等級狀態(tài)為初步可承載。在漢江流域各子系統(tǒng)中，水資源子系統(tǒng)承載力狀態(tài)相對其他系統(tǒng)為最差，生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)距離可承載的范圍最近。

5 結(jié)論

(1) 2020年南水北調(diào)中線工程及引漢濟(jì)渭工程調(diào)水實(shí)施后，漢江流域上游供水可以滿足需水要求，但全流域?qū)⑷彼?0.41×108m3，對流域中下游的影響尤其劇烈。建議盡快實(shí)施漢江中下游引江補(bǔ)漢、引江濟(jì)漢等其他補(bǔ)償工程，并暫停南水北調(diào)中線二期工程調(diào)水。

(2) 目前漢江流域水資源處于臨界狀態(tài)。根據(jù)對水資源安全等級狀態(tài)的界定，計(jì)算得出漢江流域各系統(tǒng)2010年相對于2020年總綜合距離為0.501，其中水資源條件的距離指數(shù)為0.814，已處于不可承載狀態(tài)，說明該地區(qū)水資源開發(fā)利用明顯過度。

(3) 影響漢江流域水資源承載力的關(guān)鍵因素是經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源、生態(tài)環(huán)境三者之間的關(guān)系。生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)和水資源三者是一個(gè)有機(jī)整體，必須協(xié)調(diào)好水資源、生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系，加強(qiáng)水資源的統(tǒng)一管理，建立節(jié)水型社會。

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Water supply and demand balance and the carrying capacity study of Hanjiang river basin

Li Baishan1，2，Su Ying3, Zhou Peijiang2，Xiao Meiling4, Xu Shen1, Wang Tianwei1, Zhao Dandan1

(1. Guiyang Municipal School of Chinese Committee Party，Guiyang 550005；2. School of Resources and Environmental Sciences, Hubei Biomass-Resource Chemistry and Environmental Biotechnology Key Laboratory, Wuhan University, Wuhan 430079； 3. Guihang Guiyang Hospital，Guiyang 550009；4.Longquan Municipal Environmental Protection Bureau of Zhejiang province, Longquan 323700，China)

According to the impact on the Hanjiang river basin water resources of the middle route of the south-to-north water diversion project (MR-SNWDP) and the water diversion project from the Hanjiang River to the Wei River, the water supply and demand of the upstream, mid-downstream and basin-wide were calculated. The results show that: after completion of the transfer project, the water supply of upstream is adequate while the water shortage of middle and lower reaches is 54.81×108m3, that of the basin-wide is 10.41×108m3, and the transfer project will affects the entire basin. With indicators selected from water resources, environment, and socio-economy, and AHP used to determine the evaluation index weight, the resources carrying capacity of Hanjiang river basin water is evaluated. Affected by water diversion and water conservancy construction, water resources in Hanjiang river basin has been in a non-capacity state.

Hanjiang river basin; water resource; supply and demand balance; carrying capacity

* 湖北省環(huán)境保護(hù)廳環(huán)保專項(xiàng)基金項(xiàng)目(20110307)。

2014-09-24；2014-11-10修回

李柏山，男， 1982年生，博士，研究方向：環(huán)境安全及管理、環(huán)境經(jīng)濟(jì)、生態(tài)評價(jià)。E-mail：lbs1113@126.com

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