基于生態(tài)的大功引黃灌區(qū)水資源承載力分析

張修宇　杜雪芳　徐建新　張正欽

摘要：灌區(qū)水資源承載力受氣溫、降雨、蒸發(fā)、種植結構、經濟社會發(fā)展等多種因素影響。從生態(tài)灌區(qū)的概念入手，在全面剖析生態(tài)灌區(qū)“經濟社會一水資源一生態(tài)環(huán)境”復合系統(tǒng)的基礎上，構建基于生態(tài)的灌區(qū)水資源承載力計算模型（ PSO-COIM），并以河南省大功引黃灌區(qū)為例，采用系統(tǒng)分析法計算灌區(qū)水資源承載力，系統(tǒng)分析灌區(qū)水資源可承載狀況。不考慮外調水時，大功引黃灌區(qū)水資源承載力屬于超載或嚴重超載狀態(tài);考慮外調水時，灌區(qū)各縣的水資源承載力指數都有所增大，封丘、長垣為可承栽狀態(tài)，其他3縣為超載狀態(tài)。對于生態(tài)灌區(qū)建設，除了應提高引黃供水保證率外，還應加大對灌區(qū)雨洪資源的利用和中水回用，最大限度地利用洪澇水資源，實現灌區(qū)水資源的可持續(xù)利用。

關鍵詞：生態(tài)灌區(qū);水資源承載力;PSO-COIM模型;大功引黃灌區(qū)

中圖分類號：TV213.9

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.011

黃河下游引黃灌區(qū)涉及河南省和山東省的17個市86個縣（區(qū)），近年來黃河水資源總量不足而需求量不斷增加，致使引黃灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展受到嚴重影響，建設生態(tài)灌區(qū)勢在必行。生態(tài)灌區(qū)是以生態(tài)文明建設和經濟社會協(xié)調發(fā)展為基礎的復合生態(tài)系統(tǒng)[1-3]。建設生態(tài)灌區(qū)的目的是為了優(yōu)化農業(yè)生產結構、改善人居環(huán)境質量和修復脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，使灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)健康發(fā)展。目前，引黃灌區(qū)存在著水環(huán)境惡化、水資源緊缺、水污染嚴重等一系列問題。灌區(qū)水資源承載力降低意味著水資源可利用量減少，而生態(tài)灌區(qū)的建設可以恢復灌區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)并形成良性循環(huán)。

水資源承載力的概念最先由新疆水資源軟科學課題研究組于1989年提出[4]，之后國內外學者對其進行了大量研究，并取得了一系列成果。如Hoekstra等[5]提出用生態(tài)足跡模擬法計算水資源承載力：夏軍等[6]提出水資源承載力是水資源安全的基本度量和維持最大經濟社會規(guī)模的有限發(fā)展目標：王浩等[7]討論了水資源承載力的特性及主要影響因素，并定量給出了研究區(qū)域的水資源承載力規(guī)模：左其亭[8]從水系統(tǒng)分析的角度出發(fā)，提出了一種“基于模擬和優(yōu)化的控制目標反推模型”方法，通過控制目標反推出“最大經濟社會規(guī)?！?，即水資源承載力;高瑞忠等[9]應用模糊綜合評價法，分析影響水資源承載力的因素，并對研究區(qū)水資源承載力進行了評估和預測：筆者也曾針對氣候變化下流域水資源動態(tài)承載力開展研究[10]。然而，目前針對生態(tài)灌區(qū)的水資源承載力研究相對較少，在生態(tài)文明建設的進程中，如何建設好生態(tài)灌區(qū)顯得尤為重要。開展生態(tài)灌區(qū)水資源承載力研究對于優(yōu)化灌區(qū)水資源利用、促進灌區(qū)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 生態(tài)灌區(qū)水資源承載力理論與計算方法

1.1 生態(tài)灌區(qū)水資源承載力概念

生態(tài)灌區(qū)是一個具有社會性質的開放性生態(tài)系統(tǒng)，依賴于自然環(huán)境提供的光、熱、土壤資源以及人工選擇的作物和種植作物的比例，是一個半人工復合生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)灌區(qū)水資源承載力是指基于變化環(huán)境和人類活動的影響，在特定時期的不同時間段中，灌區(qū)水資源系統(tǒng)能夠維系生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)并支撐最大經濟社會發(fā)展規(guī)模的能力。水資源承載力是水資源安全的基本度量，是衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要指標。科學評估灌區(qū)水資源承載力可以更好地認識水資源系統(tǒng)在灌區(qū)經濟社會發(fā)展中的支撐作用，有助于了解人口、資源和生態(tài)環(huán)境的關系，促進灌區(qū)水資源的可持續(xù)發(fā)展和良性循環(huán)。

1.2 生態(tài)灌區(qū)水資源承載力內涵

生態(tài)灌區(qū)“經濟社會一水資源一生態(tài)環(huán)境”復合系統(tǒng)由農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、溝渠與河湖生態(tài)系統(tǒng)和林草生態(tài)系統(tǒng)組成，其中：農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)主要通過優(yōu)化灌區(qū)作物生產方式及生產結構，提升產品質量，同時進行氣候調節(jié)、土壤保持、水分與養(yǎng)分循環(huán)及貯存，使人民生活質量得到改善;溝渠與河湖生態(tài)系統(tǒng)主要由輸水、儲水、排水3部分組成，其作用是使灌區(qū)內外水系相通，水質得到凈化;林草生態(tài)系統(tǒng)主要由灌木、喬木、草地、動植物要素組成，主要承擔涵養(yǎng)水源、調節(jié)氣候、土壤保持的功能。該復合系統(tǒng)的一般組成結構及相互關系如圖1所示。在復合系統(tǒng)中，經濟社會、水資源、生態(tài)環(huán)境之間相互聯系、相互協(xié)調、密不可分，構成有機的整體。經濟社會發(fā)展中所需的生態(tài)環(huán)境資源由水資源系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)提供，水資源系統(tǒng)對經濟社會系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)起著支撐作用。經濟社會系統(tǒng)對水資源系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)具有雙重作用：一方面通過消耗資源、排放污染，使水資源和生態(tài)環(huán)境遭受破壞，降低其承載力：另一方面通過社會的快速發(fā)展，不斷產生許多治理環(huán)境污染的技術與措施，對水資源和生態(tài)環(huán)境進行一定程度的恢復補償，從而提高其承載力。這個復合生態(tài)系統(tǒng)中的所有生命元素都依水而生，對水資源的量變和質變非常敏感，因此水資源不僅是農業(yè)生產的重要資源，而且是生態(tài)環(huán)境的重要控制因素[11]。

1.3 生態(tài)灌區(qū)水資源承載力計算方法

目前常用的水資源承載力評價方法有經驗公式法、綜合評價法和系統(tǒng)分析法[12-15]。其中：經驗公式法是通過量綱原理推導總結得到的公式，一般來源于生產實踐，特點是計算簡單、便于推廣應用，但是對資源與經濟社會之間的聯系考慮較少：綜合評價法是利用單一指標或多指標反映區(qū)域水資源狀況或閾值的評價方法，基本思路是通過選定的指標和評價標準進行計算，然后根據計算值進行承載力綜合評價，缺點是指標選擇難以統(tǒng)一、評價標準難以確定;系統(tǒng)分析法綜合考慮水資源承載力的主體和客體，分析方法主要包含系統(tǒng)動力學法、優(yōu)化模型法和控制目標反推模型法，優(yōu)點是考慮了“經濟社會一水資源一生態(tài)環(huán)境”的復雜性和系統(tǒng)性，不足是計算方法復雜、過程繁瑣、難以推廣應用，水資源系統(tǒng)模擬和建模存在不足，納入統(tǒng)一模型比較困難。

針對不同的研究領域和具體的目標要求，每種評價方法都有其適用范圍，限于對水資源承載力的理解不同，不同的評價方法也存在相應的局限性。本文采用“基于預測一模擬一優(yōu)化的控制目標反推模型（PSO -COIM）”法[10]，綜合考慮經濟社會、生活、生產和生態(tài)的影響，通過構建模型計算灌區(qū)的水資源可承載力。

1.3.1 模型構建

PSO-COIM模型表達式[10]為

1.3.2 模型求解步驟

基于生態(tài)的水資源承載力量化模型是一個復雜的非線性優(yōu)化模型，直接求解很困難，可以通過兩種途徑來求解：一種是用數值迭代法逐步求解近似最優(yōu)解：另一種是使用計算機模擬技術，分方案搜索，找到近似最優(yōu)解。采用數值迭代法求解的步驟如下。

（1）按照承載力量化模型的參數條件，對已知參數賦值。對于現狀水平年，采用實際數據;對于規(guī)劃水平年，則采用現有的規(guī)劃數據或對歷史資料計算分析后預測的數據。

2 實例分析

2.1 灌區(qū)概況

大功引黃灌區(qū)位于河南省黃河以北的豫北平原，分屬于黃河流域和海河流域，包括新鄉(xiāng)市的封丘、長垣，安陽市的滑縣、內黃及鶴壁市的?？h，總面積2 442km，設計灌溉面積18.9萬hm。降水年際變化較大，年內分配不均，多年平均降水量610 mm，汛期降水量占全年的60%左右，其中：7月降水量占全年降水量的30%，1月降水量僅占全年降水量的0.7%。

2.2 計算結果

選取河南省水資源公報及相關各縣（區(qū)）水資源數據資料，以2015年作為現狀年。首先對大功灌區(qū)各行政區(qū)域水資源供需狀況進行分析，灌區(qū)需水包括工業(yè)需水、農業(yè)需水、林牧漁業(yè)需水、城鎮(zhèn)生活需水、農村生活需水、生態(tài)環(huán)境需水6個方面，供水分有外調水（引黃水）和無外調水2種情況。不考慮外調水時，水資源供需情況見表2：考慮外調水時，水資源供需情況見表3。

由表2、表3可以看出，5個縣的農業(yè)需水占比最大，林牧漁業(yè)需水和生態(tài)環(huán)境需水較少，地下水的供水量遠大于地表水的。根據上述水資源承載力計算方法，對大功灌區(qū)水資源承載力進行計算，結果見圖2。

大功引黃灌區(qū)不考慮外調水時，封丘、長垣的水資源承載力指數分別為0.74、0.63，屬于超載;滑縣、內黃、?？h的水資源承載力指數分別為0.50、0.46、0.42，屬于嚴重超載?？紤]外調水（引黃水）后各縣的水資源承載力指數都有所增大，其中：封丘、長垣水資源承載力指數分別為1.08、1.11，達到可承載等級;滑縣、內黃、?？h分別為0.64、0.56、0.47，仍處于超載狀態(tài)。各行政區(qū)為滿足工業(yè)、農業(yè)、生活、生產和生態(tài)需水，存在超采淺層地下水的情況，部分地區(qū)甚至對深層地下水進行開采，導致地下水漏斗不斷擴大。根據2015年河南省水資源公報，截至2015年底，河南省平原區(qū)淺層地下水漏斗區(qū)總面積為8 480 km，其中安陽一鶴壁一濮陽漏斗區(qū)面積為7 300 km，漏斗中心水位埋深為43.07 m，與本文對研究區(qū)現狀年水資源承載力分析結果是吻合的。

3 結語

本文基于生態(tài)灌區(qū)內涵，以大功引黃灌區(qū)為例，采用PSO-COIM法對灌區(qū)水資源承載力進行分析。鑒于研究內容涉及水文、生態(tài)、經濟等多個學科和問題的復雜性，本文采用了簡化方法求解模型，即采用數值迭代法逐步求解近似最優(yōu)解來確定水資源的承載力。今后應繼續(xù)加強模型求解方面的研究工作，以提高計算結果的準確性，使研究結論更加符合實際：也可以考慮采用多種水資源承載力計算方法進行對比，從而得出更為合理的結果。對于生態(tài)灌區(qū)建設，除了應提高供水保證率外，還應加大對灌區(qū)雨洪資源的利用和中水回用，最大限度地實現生態(tài)灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展目標。

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【責任編輯張華興】