西北干旱半干旱區(qū)水資源承載力研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

韓 琦，姜紀(jì)沂，李 瑛，史志廣，尹鵬浩

(1.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 101601；2.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710054)

我國是一個缺水國家，水資源存在時空分布不均勻、水環(huán)境污染和水資源不合理利用等問題，目前我國水資源供需矛盾已日趨激化。尤其是西北干旱半干旱地區(qū)，深居內(nèi)陸，降水稀少，可利用水資源量較少，生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源不合理利用引起的水資源短缺和生態(tài)環(huán)境破壞問題已經(jīng)成為制約可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”。因此，研究水資源承載力，對西北干旱半干旱區(qū)水資源的科學(xué)與合理開發(fā)利用、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)、生態(tài)平衡以及人地關(guān)系和諧等都具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 水資源承載力的概念

“承載力”一詞源于力學(xué),是指物體在不改變原有形狀和未損壞的前提下，所能承受的最大荷載。后來生態(tài)學(xué)加以引用，指“在特定的生態(tài)環(huán)境下，某一物種所能生存數(shù)量的極限值”[1]。作為資源承載力的一部分，水資源承載力概念的提出比較晚。

國外大部分發(fā)達(dá)國家水資源相對充足，所以對水資源承載力的研究較少，針對水資源承載力提出的概念也相對較少，通常是在可持續(xù)發(fā)展的研究中有所涉及[2]。Rijiberman等在研究城市水資源評價和管理體系過程中，將“承載力”這一要素作為城市水資源供需和安全保障的重要標(biāo)準(zhǔn)[3]；Harris等人重點研究了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域水資源對農(nóng)業(yè)的承載能力,并以此作為農(nóng)業(yè)區(qū)域規(guī)劃的參考標(biāo)準(zhǔn)[4,5]；另外，在關(guān)于虛擬水與水足跡的研究之中，以及在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量評估和農(nóng)業(yè)區(qū)劃的研究之中，也涉及對水資源承載力的探討[6-8]。

國內(nèi)對水資源承載力的研究始于20世紀(jì)80年代，我國新疆水資源軟科學(xué)課題組[9]第一次提出了水資源承載能力的概念，此后施雅風(fēng)[10]、許有鵬[11]、惠泱河[12]、王傳武[13]、田靜宜[14]、劉曉[15]等也分別給出了水資源承載力的概念。綜合前人從不同角度給出的定義，筆者認(rèn)為水資源承載力是指在國家法律法規(guī)政策允許范圍內(nèi)，在依托當(dāng)前科技水平的前提下，在可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)下，一個地區(qū)的可利用水資源總量所能支撐最大規(guī)模人口數(shù)量、生態(tài)環(huán)境、工農(nóng)業(yè)發(fā)展、城市化水平等的能力。

2 西北干旱半干旱區(qū)水資源承載力的研究進(jìn)展

圍繞水資源承載力的內(nèi)涵，推進(jìn)我國典型區(qū)域尤其是西北干旱半干旱區(qū)水資源承載能力評價體系及其應(yīng)用研究，是水科學(xué)領(lǐng)域的重點研究課題之一。針對我國西北內(nèi)陸干旱半干旱區(qū)水資源承載力的研究，主要集中在城市水資源承載力研究、區(qū)域(省、地區(qū))水資源承載力研究和流域水資源承載力研究3個方面。

2.1 城市水資源承載力研究

城市承載著第一、二、三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，承載著巨大的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)、人口壓力，城市化的進(jìn)程加劇了水資源緊缺情況。所以水資源供需平衡顯得異常重要，水資源承載力研究的重要性也凸顯了出來。

牟海省等[16]探討了城市戰(zhàn)略布局和不同類型城市設(shè)置的水資源標(biāo)準(zhǔn)，并提出城市水資源評價預(yù)測的理論和方法，以及準(zhǔn)城市區(qū)域水環(huán)境容量的估算；佟長福等[17]則具體以鄂爾多斯市為例，利用灰色關(guān)聯(lián)分析方法分析其水資源承載力，結(jié)果顯示當(dāng)?shù)厮Y源承載力提升空間不大，應(yīng)大力發(fā)展節(jié)水工程和水權(quán)轉(zhuǎn)換工程；肖迎迎等[18]基于主成分分析法，對陜西榆林水資源承載力進(jìn)行了分析，研究表明各分區(qū)水資源承載力狀況差異明顯，要對水資源統(tǒng)籌規(guī)劃；李瑞等[19]也采用主成分分析法，對博爾塔拉蒙古自治州水資源承載力進(jìn)行了研究，為當(dāng)?shù)睾侠砝盟Y源提供了科學(xué)依據(jù)；王濤等[20]則通過構(gòu)建研究指標(biāo)體系，使用主成分分析法對烏魯木齊市水資源承載力進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)烏魯木齊市水資源利用程度很高，水資源承載能力在不斷下降，而且以后的利用發(fā)展?jié)摿Ψ浅Ｐ　?/p>

2.2 區(qū)域水資源承載力研究

區(qū)域水資源承載力研究的范圍更大，往往是一個省、城市群，或者一個地區(qū)，所以需要整體把握，統(tǒng)籌考慮。

賈嶸等[21]對缺水地區(qū)的水資源承載力評價模型進(jìn)行了研究，初步建立了區(qū)域水資源承載力評價模型體系，并應(yīng)用到關(guān)中地區(qū)研究了當(dāng)?shù)厮Y源承載力；朱一中等[22]則運用模糊模型對西北5省(新疆、甘肅、青海、陜西、寧夏)干旱、半干旱地區(qū)現(xiàn)狀年以及未來10、20、50 a的水資源承載力進(jìn)行了分析預(yù)測與評價；鄭奕等[23]運用多目標(biāo)決策分析方法，對新疆焉耆盆地的水資源承載力進(jìn)行了研究，建立了區(qū)域水資源承載力多目標(biāo)決策模型，并且預(yù)測了未來規(guī)劃水平年水資源承載力情況；牛叔文等[24]基于系統(tǒng)動力學(xué)模型，對甘肅省沿黃地區(qū)的水資源承載力進(jìn)行了分析，指出其水資源承載力狀況不均，要合理分配水資源，發(fā)展節(jié)水技術(shù)；欒芳芳[25]調(diào)查了新疆現(xiàn)狀水平年水資源利用狀況，利用生態(tài)足跡法和供需平衡法對新疆各地州未來水平年的水資源承載力進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示新疆南疆、北疆、東疆均無承載優(yōu)勢，水資源承載力狀況堪憂。

2.3 流域水資源承載力研究

流域水資源承載力研究涉及的范圍最大，多以干旱半干旱區(qū)內(nèi)陸河流域為主要研究對象，也有將流域水資源承載力與城市化結(jié)合起來加以研究的。

曲耀光等[26]較早地對黑河流域的水資源承載力進(jìn)行了常規(guī)趨勢預(yù)測，根據(jù)干旱區(qū)水資源不同利用階段的特點和不同地區(qū)特殊的社會經(jīng)濟(jì)需水要求，要對水資源進(jìn)行合理調(diào)配；李吉玫等[27]運用模糊評價模型對新疆伊犁河流域現(xiàn)狀和不同水平年的水資源承載力進(jìn)行了評價，結(jié)果顯示伊犁河流域水資源開發(fā)潛力巨大，但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水資源承載力逐漸減弱；姜鋒等[28]則選取了《國家人口發(fā)展功能區(qū)工作技術(shù)導(dǎo)則》中的水資源承載力評價模型，對陜北延河流域水土資源承載力進(jìn)行了研究，其中流域內(nèi)各縣的水資源承載力均為超載；韋潤芳[29]建立了模糊評價模型，對開都-孔雀河流域水資源承載力進(jìn)行了系統(tǒng)研究，指出流域總體水資源承載力堪憂，地區(qū)差異明顯，承載力總體呈下降狀態(tài)，開發(fā)潛力不大；王長建等[30]基于改進(jìn)的相對資源承載力模型，計算了2000-2011年塔里木河流域的相對資源人口承載力和相對資源經(jīng)濟(jì)承載力，并探討了塔里木河流域42個縣市相對資源承載力的演變規(guī)律及空間差異，其中涉及水資源承載力的部分結(jié)果顯示，塔里木河流域水資源是限制當(dāng)?shù)匕l(fā)展的主要因素，今后發(fā)展要以水土資源合理配置和科學(xué)利用為主線。

綜上這些研究進(jìn)展，水資源承載力研究使得人們對面臨的區(qū)域水資源生態(tài)環(huán)境問題引起了足夠的重視。在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的背景下，開展不同尺度的水資源承載力的研究就顯得尤其重要和急迫。

3 西北干旱半干旱區(qū)水資源承載力的研究方法

水資源承載力的研究方法眾多，從定性研究逐漸發(fā)展到引入數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量化的研究,選用的技術(shù)手段也多種多樣。目前，應(yīng)用到西北干旱半干旱區(qū)水資源承載力的研究方法主要有常規(guī)趨勢法、模糊評價法、主成分分析法、生態(tài)足跡法、多目標(biāo)分析法、系統(tǒng)動力學(xué)方法等等，各方法的優(yōu)缺點和適用性對比見表1，各方法的概況分析如下。

3.1 常規(guī)趨勢法

該法主要是對研究區(qū)不同水平年社會經(jīng)濟(jì)各部門發(fā)展趨勢、需水標(biāo)準(zhǔn)以及需水量進(jìn)行預(yù)測，分析計算水資源所能承載的人口、工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及生態(tài)環(huán)境等。這種方法計算簡便，內(nèi)容直觀。新疆軟科學(xué)課題組[9]最先采用常規(guī)趨勢法對新疆自治區(qū)水資源承載力進(jìn)行了研究，施雅風(fēng)[10]也采用這種方法對烏魯木齊河流域進(jìn)行了水資源承載力的研究。但是常規(guī)趨勢法選取的指標(biāo)中多涉及社會因素，并且只是分析單因子的發(fā)展趨勢，而實際上各因素之間相互影響，錯綜復(fù)雜，計算結(jié)果難以準(zhǔn)確反應(yīng)研究區(qū)水資源承載力的實際狀況。

3.2 模糊評價法

許有鵬[11]最先采用模糊評價法對新疆和田流域水資源承載力狀況進(jìn)行了研究，張曉鵬[31]也采用這種方法對陜西省榆林市進(jìn)行了水資源承載力的研究。該法是選取對研究區(qū)內(nèi)水資源承載力造成影響的因素，然后在進(jìn)行單因素分析的基礎(chǔ)上，對每個因素賦以權(quán)重，通過綜合評判矩陣對其水資源承載力進(jìn)行多因素綜合評判。這種方法能比較全面地反映出研究區(qū)水資源承載力狀況。但是模糊評價法在評價因素的選取上需要取舍和有針對性，需要選擇影響較大的因素，存在主觀性。此外，在評判矩陣計算過程中，對于各因素權(quán)重的賦予上也存在主觀性，所以評價結(jié)果也必然會與實際情況之間有偏差。

3.3 主成分分析法

該法是一種把多個指標(biāo)按類別劃分為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計方法，在保證指標(biāo)變量信息丟失最小的前提下，對影響水資源承載力的高維變量進(jìn)行降維處理，以少數(shù)幾個綜合指標(biāo)代替多個指標(biāo)。傅湘[32]采用主成分分析法，利用陜西漢中平壩區(qū)水資源承載力數(shù)據(jù)，進(jìn)行了區(qū)域水資源承載力的綜合分析和研究。王濤[20]也利用這種方法分別對烏魯木齊市進(jìn)行了水資源承載力的研究。但是這種方法需要對幾個綜合指標(biāo)賦予權(quán)重，在權(quán)重賦予的大小上，仍存在準(zhǔn)確性與否的問題；此外，降維處理過程中，也難以避免出現(xiàn)信息量的損失。

3.4 生態(tài)足跡法

該法是構(gòu)建研究區(qū)水資源二級賬戶，然后引進(jìn)生態(tài)生產(chǎn)性土地來定量分析水資源的承載力狀況，利用生態(tài)赤字和生態(tài)盈余來衡量和評價水資源可持續(xù)利用情況。這種方法適用性較廣，能彌補其他方法在計算水資源承載力時難以考慮水資源生態(tài)功能的不足，同時可以實現(xiàn)水資源承載力的動態(tài)變化趨勢研究。但生態(tài)足跡法在計算水資源承載力時，是轉(zhuǎn)化成水資源的生物生產(chǎn)能力來間接地計算和衡量，所以計算結(jié)果與實際情況存在偏差。張軍[33]采用生態(tài)足跡法對疏勒河流域進(jìn)行了水資源承載力和生態(tài)赤字的研究，馬豪[34]也采用這種方法對新疆自治區(qū)水資源承載力以及用水效率進(jìn)行了分析和研究。

3.5 多目標(biāo)分析法

該法主要是選取影響水資源承載力的經(jīng)濟(jì)、社會、人口、生態(tài)環(huán)境等約束條件，依據(jù)可持續(xù)發(fā)展原則對多目標(biāo)進(jìn)行整體最優(yōu)化。這種方法可以將水資源系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)結(jié)合起來形成一個整體，然后再進(jìn)行分析，更具有整體性。徐中民[35]采用多目標(biāo)分析法，建立了黑河流域中游水資源承載力分析模型，對其水資源承載力進(jìn)行了評價。但是這種方法也有一個不足，就是在影響因子的權(quán)重賦予上仍存在主觀性和片面性。

3.6 系統(tǒng)動力學(xué)法

該法主要是以反饋控制理論為基礎(chǔ)，以計算機(jī)仿真技術(shù)為手段，定量研究高階次、非線性、多重反饋、復(fù)雜時變系統(tǒng)的系統(tǒng)分析技術(shù)。王建華[36]采用系統(tǒng)動力學(xué)方法，基于SD模型，分析和預(yù)測了烏魯木齊1993-2020年水資源承載力狀況。李同升[37]、朱鋒[38]等也采用這種方法分別對渭河流域關(guān)中段和甘肅酒泉肅州區(qū)進(jìn)行了水資源承載力的研究。這種方法能夠較好地把握系統(tǒng)各要素之間的響應(yīng)關(guān)系，但是它也存在一個問題，就是在系統(tǒng)的參數(shù)變量選取上不好把控，計算結(jié)果仍然會有偏差。

表1 水資源承載力各種研究方法的優(yōu)缺點和適用性對比Tab.1 The relative merits and application condition of several approaches to study water resources carrying capacity

盡管目前水資源承載力研究方法眾多，但每一種方法都存在各自的弊端，如何總結(jié)和找到一種能最大程度上符合實際承載力，同時又計算簡便，易于操作的客觀、統(tǒng)一的方法，還有待進(jìn)一步研究。目前，國內(nèi)諸多學(xué)者正在對水資源承載力的評價指標(biāo)、方法及其應(yīng)用進(jìn)行研究，以期建立統(tǒng)一的水資源承載力計算方法和評價體系以便推廣應(yīng)用。

4 西北干旱半干旱區(qū)水資源承載力研究展望

4.1 相關(guān)概念、理論和評價方法的研究將會持續(xù)進(jìn)行

任何一個學(xué)科的發(fā)展和研究的推進(jìn)都需要理論的支撐，而水資源承載力的概念、理論以及學(xué)科背景還不統(tǒng)一。一方面，學(xué)科的交叉以及概念的不明確能夠促使研究方向的拓寬，但另一方面學(xué)科背景和基礎(chǔ)的缺乏，使得水資源承載力的研究難以深入推進(jìn)。此外，水資源承載力的評價方法眾多，如何使得評價結(jié)果更接近實際，針對評價方法改進(jìn)和創(chuàng)新研究也會持續(xù)進(jìn)行。所以，水資源承載力的相關(guān)概念、理論和評價方法還會是學(xué)者們繼續(xù)探討和研究的基礎(chǔ)性問題。

4.2 研究將會更多地涉及生態(tài)環(huán)境

水資源承載力的研究通常考慮較多的是人口、工業(yè)和農(nóng)業(yè)需水，往往是結(jié)合城市化來研究，而水資源與社會經(jīng)濟(jì)、人口、生態(tài)環(huán)境共同構(gòu)成一個系統(tǒng)問題，生態(tài)環(huán)境和水資源之間的相互作用關(guān)系復(fù)雜，對于生態(tài)需水和水資源承載力不足導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境問題研究不夠深入。生態(tài)環(huán)境對人類和其他生物生存都異常重要，而我國西北干旱半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境的特殊性明顯，所以生態(tài)環(huán)境和水資源承載力之間的響應(yīng)關(guān)系會是未來水資源承載力研究的一大方向[39]。

4.3 研究方法趨向多元化和多技術(shù)結(jié)合

隨著科技的飛速發(fā)展，水資源承載力的研究方法也趨向多元化，獲取的基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)也會更加精確。數(shù)理統(tǒng)計方法和數(shù)學(xué)模型的動態(tài)仿真模擬，能夠很好地將時間序列加入到研究之中，使其結(jié)果更接近實際。水資源承載力的研究是一個系統(tǒng)問題，條件錯綜復(fù)雜，針對不同條件選用不同方法進(jìn)行結(jié)合和對比，能夠擇優(yōu)取舍，使計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。同時，GIS技術(shù)具有強大的空間分析和數(shù)據(jù)處理能力，會為水資源承載力的研究提供更寬闊的思路。

5 結(jié) 語

我國西北干旱半干旱區(qū)特殊的自然地理條件以及西部大開發(fā)背景下的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，使得水資源承載力不足問題異常突出。只有統(tǒng)籌好水資源-生態(tài)環(huán)境-社會經(jīng)濟(jì)-人口這一系統(tǒng)問題，科學(xué)合理地配置和利用水資源，提高水資源承載能力，才能實現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展，才能實現(xiàn)人地關(guān)系的和諧。因此，對西北干旱半干旱地區(qū)開展水資源承載力研究具有相當(dāng)深遠(yuǎn)的科學(xué)和現(xiàn)實意義。

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