山西大水網(wǎng)建設(shè)對水資源承載能力的影響研究

陳向東 劉 揚(yáng) 劉家宏

（中國水利水電科學(xué)研究院 北京 100038）

1 研究背景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，水資源的重要性越來越顯著，但過高的水資源開發(fā)利用也導(dǎo)致河道斷流、濕地萎縮、植被退化、水環(huán)境惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問題。然而社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對水資源的需求還在不斷增長，水資源的供需矛盾還在加劇。為使社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)已成為新形勢下社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展必須堅(jiān)持的原則，因此研究區(qū)域水資源對經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的支撐作用與承載能力是十分必要的。

目前水資源承載力的研究方法可大體分成兩大類[1]：一是評價(jià)方法，綜合評判水資源對某種發(fā)展規(guī)模的支撐程度，研究方法主要有模糊綜合評價(jià)法、主成分分析法等；二是規(guī)劃方法，直接計(jì)算不同社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方案下水資源的最大支撐規(guī)模。

2011年山西省啟動(dòng)了“兩縱十橫、六河連通”的大水網(wǎng)建設(shè)，其中通過大水網(wǎng)的建設(shè)來解決山西省目前地表水配置能力不足、地下水超采嚴(yán)重的問題，大水網(wǎng)建成后山西省的供水能力將會(huì)顯著提高。在此背景下，本次研究將基于山西大水網(wǎng)進(jìn)行水資源承載能力的分析計(jì)算，研究大水網(wǎng)建成后山西省的水資源能夠支撐的經(jīng)濟(jì)規(guī)模、社會(huì)人口，分析大水網(wǎng)建設(shè)對山西省水資源承載能力的影響與變化，為山西的社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

山西省水資源地域分布不均，年際變化大。根據(jù)全省第二次水資源評價(jià)成果，1956～2000年系列全省多年平均降水量為508.8 mm，多年平均水資源總量123.79億m3。山西省地表水資源總體屬于中等開發(fā)利用水平，開發(fā)利用比較適度，但空間上不均衡。地下水作為山西省的主要供水水源，開發(fā)利用程度普遍較高，盆地區(qū)已出現(xiàn)了大量的超采區(qū)。改革開放以來，山西省的國民經(jīng)濟(jì)有了快速發(fā)展，2011年山西省總?cè)丝? 593萬人，全省地區(qū)生產(chǎn)總值11 237.55億元，人均地區(qū)生產(chǎn)總值31 274元。

3 承載能力研究

3.1 水資源支撐規(guī)模計(jì)算方法

本次水資源承載能力計(jì)算即在一定的水資源可供水量、用水技術(shù)水平、福利水平等約束條件下，優(yōu)化計(jì)算區(qū)域水資源可以承載的最大人口數(shù)量[2]。

在一定的水資源可供水量下，同時(shí)保證生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水，則水量平衡約束如下：

式中，Ws為年可供水量（萬m3），WP為年生活用水量（萬m3），WI為年生產(chǎn)用水量（萬m3），WE為年生態(tài)用水量（萬m3）。

在一定的生活福利標(biāo)準(zhǔn)約束下，即在特定階段可以接受的一定的人均GDP等生活標(biāo)準(zhǔn)。

式中，P為總?cè)丝冢ㄈf人），GDP為年地區(qū)生產(chǎn)總值（億元），PGDP為人均GDP需求標(biāo)準(zhǔn)（萬元/人）。

在一定經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平約束下，即與區(qū)域發(fā)展階段相對應(yīng)的特定的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和用水效率水平。

式中，qI為萬元GDP用水量（m3/萬元），qP為居民生活用水定額（L/（人×日）），qE為人均生態(tài)用水定額（m3/人）。

根據(jù)以上約束，得到水資源承載人口P*為

3.2 水資源承載力綜合評價(jià)方法

本次研究采用AHP-Fuzzy方法對水資源承載力進(jìn)行綜合評價(jià)。模糊評判B=A·R，式中評判結(jié)果B=[b1，b2，…bm]（0≤bi≤1）是等級V對綜合評判所得模糊子集B的隸屬度，表示綜合評判的結(jié)果。A=[a1，a2，…，an]（0≤ai≤1）代表了各因素對綜合評判重要性的權(quán)重系數(shù)。本次研究通過層次分析法（AHP）計(jì)算權(quán)重系數(shù)A，通過建立層次結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣，再由判斷矩陣確定各要素的相對權(quán)重，然后計(jì)算各層因素對系統(tǒng)目標(biāo)的合成權(quán)重，同時(shí)可對各因素或準(zhǔn)則對系統(tǒng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)程度的作用（相對權(quán)重）進(jìn)行總排序。

對于評判矩陣R有：

式中：rij表示第i個(gè)因素Ci的評價(jià)對等級vj的隸屬度。

本研究構(gòu)建了水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)4個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)含指標(biāo)若干，4個(gè)子系統(tǒng)共計(jì)16個(gè)指標(biāo)Ci（i=1…16）。將上述16個(gè)評價(jià)指標(biāo)劃分為v1、v2和v3三個(gè)等級，則n=16，m=3。其中，v1表示水資源復(fù)合承載力較高，開發(fā)潛力較大；v3表示水資源承載力很低，極易發(fā)生水資源短缺、環(huán)境惡化等問題；v2則為介于v1與v3之間，表示可持續(xù)利用度一般，水資源承載能力適中的狀態(tài)。令v1與v2級的臨界值為k1，v2與v3二個(gè)等級的臨界值為k3，v2等級區(qū)間中點(diǎn)值為k2，k2=（k1+k3）/2。對不一致指標(biāo)（C4、C8、C9、C11、C13、C14）相對隸屬度函數(shù)rij的計(jì)算公式為[4]：

對其余一致指標(biāo)相對隸屬度函數(shù)的計(jì)算公式僅需“≤”改為“≥”、“＜”改為“＞”，計(jì)算式不變。為更好地反映水資源承載能力的情況，對三個(gè)等級進(jìn)行0-1之間的評分，即y1=0.95、y2=0.50、y3=0.05。數(shù)值越高，表明水資源承載能力越強(qiáng)。則基于綜合評判結(jié)果B的綜合評分值α為

3.3 承載力計(jì)算邊界條件

本次水資源承載能力邊界條件研究主要是對未來水平年2020年山西省的需水和供水進(jìn)行預(yù)測。需水分居民生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)灌溉、建筑及三產(chǎn)、林牧漁業(yè)、生態(tài)6個(gè)行業(yè)進(jìn)行預(yù)測。其中居民生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)與生態(tài)按照定額法進(jìn)行預(yù)測。建筑及三產(chǎn)業(yè)需水基于歷史資料建立建筑及三產(chǎn)用水與城市居民生活用水量之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行預(yù)測。林牧漁業(yè)需水按灌溉需水的趨勢比例計(jì)算。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，2020年預(yù)計(jì)全省需水97.95億m3，各行業(yè)需水預(yù)測結(jié)果與相關(guān)流域水資源綜合規(guī)劃結(jié)果的對比見圖1。

圖1 需水預(yù)測結(jié)果與相關(guān)規(guī)劃結(jié)果對比

在2011年現(xiàn)有工程可供水量的基礎(chǔ)上，根據(jù)山西大水網(wǎng)規(guī)劃的重點(diǎn)水源工程方案預(yù)測未來水平年的地表水新增可供水量。根據(jù)現(xiàn)狀地下水實(shí)際開采量，結(jié)合重點(diǎn)超采區(qū)域的地下水壓采方案，進(jìn)行地下水供水量預(yù)測。同時(shí)考慮山西省用水總量控制指標(biāo)的剛性約束進(jìn)行供水預(yù)測。2020年山西省預(yù)計(jì)可供水量92.29億m3。與現(xiàn)狀相比，通過大水網(wǎng)建設(shè)本地地表水與黃河水將得到充分利用。本地地表水供水將增長到27.94億m3；引黃水量將增長到30.24億m3。

為分析大水網(wǎng)建設(shè)對山西省水資源承載力的影響，本次水資源承載研究考慮兩種供水方案。方案1（2020（1））：實(shí)施大水網(wǎng)建設(shè)，并對地下水進(jìn)行壓采。方案2（2020（2））：不實(shí)施大水網(wǎng)建設(shè)，地下水開發(fā)利用保持現(xiàn)狀水平。兩方案的供水量Ws見圖2，人均GDP為標(biāo)準(zhǔn)見圖3。

圖2 兩種方案的各市供水量Ws

圖3 各市人均GDP標(biāo)準(zhǔn)

構(gòu)建的具有多層遞階結(jié)構(gòu)的水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系、各指標(biāo)基于AHP的權(quán)重系數(shù)、各指標(biāo)的分級見表1。

3.4 結(jié)果分析

通過水資源支撐規(guī)模計(jì)算得到未來水平年2020年全省水資源可承載的人口數(shù)量與經(jīng)濟(jì)規(guī)模。在一定的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平下，2020年完成大水網(wǎng)建設(shè)后（2020（1）），全省水資源可承載人口4 199萬、區(qū)域生產(chǎn)總值20650億元；在未實(shí)施大水網(wǎng)重點(diǎn)工程建設(shè)的情景下（2020（2）），全省水資源可承載人口3 357萬、區(qū)域生產(chǎn)總值16 408億元。其中，方案1支撐的人口數(shù)量與經(jīng)濟(jì)規(guī)模分別比方案2提高25.08%、25.85%；與現(xiàn)狀年2011年相比，則分別提高16.9%、83.8%。可以看到，通過大水網(wǎng)的建設(shè)，全省水資源所能承載、支撐的人口數(shù)量與經(jīng)濟(jì)規(guī)模均得到大幅提高。各市的水資源支撐的人口、經(jīng)濟(jì)規(guī)模見圖4、圖5。

表1 山西省水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系

圖4 各市水資源承載人口規(guī)模

圖5 各市水資源承載經(jīng)濟(jì)規(guī)模

從圖3、圖4可以看出，在中部引黃、小浪底調(diào)水以及引黃南北干線等利用黃河水源的大水網(wǎng)重點(diǎn)工程的覆蓋區(qū)域，如呂梁、運(yùn)城、臨汾、太原等市，其水資源承載社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)模有明顯提高。但主要利用本地地表水源的大水網(wǎng)重點(diǎn)工程覆蓋區(qū)域，如晉中、忻州等市水資源承載的社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)模在兩種方案中變化不大，如晉中市建設(shè)有大水網(wǎng)重點(diǎn)工程-東山供水工程，能夠明顯提高晉中市地表水的配置能力與可供水量，但由于該市2020年用水總量控制指標(biāo)與現(xiàn)狀用水相差不大，在水資源開發(fā)利用紅線的約束下，兩方案總供水量沒有太大變化，但通過地表水的開發(fā)將加大對地下水的置換，優(yōu)化了該市的供水結(jié)構(gòu)，有利于生態(tài)環(huán)境的改善。水資源支撐規(guī)模計(jì)算卻無法體現(xiàn)這些因素的變化，因此本研究還進(jìn)行了水資源承載力的綜合評價(jià)，綜合評價(jià)是在對區(qū)域水資源特征、開發(fā)利用情況、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平、人民生活水平、生態(tài)環(huán)境狀態(tài)等方面的綜合分析，經(jīng)過多因素、多層次地綜合評價(jià)、更全面地反映區(qū)域水資源承載能力的狀態(tài)。各市水資源承載力的綜合評價(jià)結(jié)果見圖6，可以看出，通過水資源承載能力綜合評價(jià)，方案1的水資源承載能力明顯優(yōu)于方案2，晉中、忻州等市通過改進(jìn)用水結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境，水資源承載能力也得到大幅提高。

圖6 各市水資源承載力綜合評價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

本文一是建立了水資源支撐規(guī)模量化模型，以市為單元，研究了在一定的可供水量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、用水效率的約束下，山西省水資源可以承載的最大人口數(shù)量與經(jīng)濟(jì)規(guī)模。二是建立了AHP-Fuzzy模型對水資源承載能力進(jìn)行了綜合評價(jià)。在此基礎(chǔ)上分析了大水網(wǎng)建設(shè)對山西省水資源承載能力的影響。大水網(wǎng)建設(shè)使山西省水資源承載能力大幅提高，通過大水網(wǎng)建設(shè)可承載的人口與經(jīng)濟(jì)規(guī)模比未實(shí)施大水網(wǎng)的情景提高約25%。對于水資源支撐規(guī)模變化不大的市，由于其大力壓采地下水，用水結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，生態(tài)環(huán)境將得到改善，水資源開發(fā)利用更具可持續(xù)性，水資源承載能力同樣得到大幅提高。

[1]段春青，劉昌明，陳曉楠，等.區(qū)域水資源承載力概念及研究方法的探討[J].地理學(xué)報(bào)，2010，65(1):82-89.

[2]孫富行.水資源承載力分析與應(yīng)用[D].博士學(xué)位論文，河海大學(xué)，2006.

[3]王忠靜，廖四輝，吳曉峰，等.大同市水資源承載能力分析[J].南水北調(diào)與水利科技，2007，5(3):47-50.

[4]閔慶文，余衛(wèi)東，張建新.區(qū)域水資源承載力的模糊綜合評價(jià)分析方法及應(yīng)用[J].水土保持研究，2004，11(3):14-16.