基于雙要素法的城市水資源承載能力評(píng)價(jià)

吳 旭

（1.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省邯鄲水文水資源勘測(cè)局，河北 邯鄲 056001）

1 概況

邯鄲市地處河北省南部，西依太行，北望京津，位于晉冀魯豫四省區(qū)域中心和環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)腹心，其主城區(qū)是四省重要的交通樞紐和人口超百萬(wàn)的大城市，總面積395.1km2，以100m等高線為界，分為東西兩部分，東部為平原，西部為山區(qū)丘陵，人口114.3萬(wàn)人，人均占有水資源量40.7m3，僅為河北省平均值的13.3%，水資源短缺和水環(huán)境污染是長(zhǎng)期困擾邯鄲市區(qū)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。本文運(yùn)用計(jì)算模型，通過(guò)對(duì)邯鄲市主城區(qū)現(xiàn)狀年和規(guī)劃年水資源承載能力的分析評(píng)價(jià)，摸清水資源對(duì)主城區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的承載狀況和承載余量，為主城區(qū)的可持續(xù)發(fā)展和總體規(guī)劃提供技術(shù)參考。

2 水資源承載能力定義及計(jì)算模型

2.1 水資源承載能力的定義

有關(guān)水資源承載能力的定義，不少學(xué)者都提出了自己的觀點(diǎn)，其大致可歸納為水資源開發(fā)利用的最大能力和水資源的最大支撐規(guī)模兩種類型［1-4］。本文采用趙建世等［5-6］對(duì)水資源承載能力的定義：一個(gè)流域或區(qū)域的水資源承載能力，是指在可以預(yù)見(jiàn)的時(shí)期內(nèi)，利用當(dāng)?shù)厮Y源及其他資源、智力、技術(shù)等條件，在保證人們物質(zhì)生活水平和維持水循環(huán)系統(tǒng)自身功能條件下，所能持續(xù)供養(yǎng)的人口數(shù)量。

2.2 雙要素水資源承載能力計(jì)算模型

作為大自然系統(tǒng)的重要組成部分，水同人類、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等有著錯(cuò)綜復(fù)雜、無(wú)法割舍的聯(lián)系，他們之間相互影響、相互作用共同推動(dòng)著人與自然界的發(fā)展演化。因此，水資源承載能力必然會(huì)受到水資源基礎(chǔ)條件及利用程度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、科學(xué)技術(shù)水平、人口及其生活水平、生態(tài)環(huán)境狀況、其他類自然資源、流（區(qū)）域外部及其他水源等諸多因素的影響?；趯?duì)上述影響因子、技術(shù)手段及基礎(chǔ)資料的考慮，水資源承載能力研究方法主要有：系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法、多目標(biāo)決策法、基于模擬和優(yōu)化的控制目標(biāo)反推模型、投影尋蹤評(píng)價(jià)法、物元分析法、密切值法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、常規(guī)趨勢(shì)方法、簡(jiǎn)單定額估算法、背景分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)、綜合指標(biāo)法、主成分分析方法、雙要素水資源承載能力模型等［7-8］。結(jié)合所采用的水資源承載能力定義，同時(shí)考慮到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的易獲取度，模型簡(jiǎn)單易操作，并對(duì)水資源利用開發(fā)程度、生產(chǎn)力水平和受水資源條件的制約因素考慮較全面。本文采用雙要素水資源承載能力計(jì)算模型，從人均全員耗水量和人均全員污水排放量?jī)煞矫婢C合分析，反映一個(gè)區(qū)域的水資源開發(fā)利用水平和受水資源稟賦的制約因素。

雙要素水資源承載力計(jì)算模型如式（1）：

式中 Cw（t），C1，C2分別為水資源承載力、水量承載能力、水質(zhì)承載能力；Wn，Wc分別為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可利用水資源量、河流自凈能力；qp（t）為人均全員耗水量；sp（t）為人均全員污水排放量。

經(jīng)濟(jì)社會(huì)可利用水資源量Wn計(jì)算，如式（2）：

式中 W，Wo，Wb分別為區(qū)域（或流域）水資源總量、生態(tài)環(huán)境需水量、外流域調(diào)水量。

生態(tài)環(huán)境需水量Wo計(jì)算，如式（3）：

式中 α為生態(tài)環(huán)境需水系數(shù)，可參照表1選取。

表1 生態(tài)環(huán)境需水系數(shù)

人均全員耗水量如式（4）：

式中 Wet（t）為t時(shí)刻區(qū)域（或流域）的總耗水量；P（t）為t時(shí)刻的人口數(shù)量。

河流自凈能力Wc計(jì)算如式（5），徑污比 β 如式（6）：

式中 Ws為地表徑流總量；β 為徑污比；Q為徑流量；q為污水流量。

鑒于通常情況下河流具有自凈能力的徑污比最低限為20，故式（5）最終可用式（7）表示，人均全員污水排放量，可用式（8）計(jì)算：

式中 Wec（t）為t時(shí)刻區(qū)域（或流域）排污河道的COD總量；P（t）為t時(shí)刻的人口數(shù)量。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立

為更直觀地描述一個(gè)區(qū)域（或流域）的水資源承載狀態(tài)和承載潛力，依據(jù)雙要素水資源承載力計(jì)算模型，建立兩個(gè)水資源承載能力評(píng)價(jià)指標(biāo)：水資源寬松度Rw和水資源超載度Pw。其中，水資源寬松度Rw為t時(shí)刻的水資源承載能力與實(shí)際（或規(guī)劃）人口數(shù)量的比值；水資源超載度Pw為t時(shí)刻的實(shí)際（或規(guī)劃）人口數(shù)量與水資源承載能力的比值。兩者為互為倒數(shù)關(guān)系，即水資源寬松度Rw和水資源超載度Pw計(jì)算如式（9）和式（10）：

由式（9）和式（10）可看出，當(dāng)Rw＞1時(shí)，為不超載狀態(tài)，值越大，承載余量越大；當(dāng)Rw＜1時(shí)，為超載狀態(tài)，值越小則超載程度越嚴(yán)重。當(dāng)Pw＜1時(shí)，為不超載狀態(tài)，值越小，承載余量越大；當(dāng)Pw＞1時(shí)，為超載狀態(tài)，值越大，承載程度越嚴(yán)重。

3 主城區(qū)承載能力分析

邯鄲市主城區(qū)位于河北省南部，以100m等高線為界，分為東西兩部分，東部為平原，西部為山區(qū)丘陵，總面積395.1km2，人口114.3萬(wàn)人，降水總量1.9862億m3，水資源總量0.4662億m3，其中地表水資源量0.3200億m3，地下水資源量0.3951億m3；人均占有水資源量40.7m3，約占河北省平均值的13.3%；經(jīng)濟(jì)可利用水資源量2.8893億m3；干旱指數(shù)2.27；河流自凈能力0.1081億m3。運(yùn)用雙要素水資源承載能力計(jì)算模型，根據(jù)主城區(qū)水資源狀況及供用水情況，對(duì)現(xiàn)狀和未來(lái)?xiàng)l件下的水資源承載能力進(jìn)行分析計(jì)算。邯鄲市主城區(qū)現(xiàn)狀年和未來(lái)水平年水資源承載能力如表2。

表2 現(xiàn)狀和規(guī)劃水平年水資源承載能力

從表2看出，水資源承載能力是受水資源數(shù)量和質(zhì)量綜合影響的指標(biāo)。模型計(jì)算的邯鄲市主城區(qū)水資源承載力與可利用水資源量、污水處理率成正相關(guān)關(guān)系。邯鄲市主城區(qū)主要河道為滏陽(yáng)河及其支流，其承擔(dān)著工業(yè)用水水源和城市排污的功能。邯鄲市主城區(qū)水資源承載能力與滏陽(yáng)河的自凈能力關(guān)系密切，而目前，邯鄲市大部分水源來(lái)自區(qū)域外調(diào)水，自產(chǎn)水量較少，若單純依靠增加區(qū)域外調(diào)水量來(lái)提高河流自凈能力以滿足水資源承載能力要求還不太現(xiàn)實(shí)。因此，提高污水處理率、節(jié)約使用水資源是提升主城區(qū)水資源承載能力的關(guān)鍵性、決定性因素。

3.1 現(xiàn)狀年水資源承載能力分析

現(xiàn)狀水平年2014年邯鄲市城區(qū)實(shí)際人口114.3萬(wàn)人，污水排放總量0.9251億m3，實(shí)際進(jìn)入污水管網(wǎng)處理水量0.8233億m3，污水處理率達(dá)89%。依據(jù)雙要素水資源承載能力模型，按經(jīng)濟(jì)可利用水資源量計(jì)算可承載人口355.8萬(wàn)人，按人均全員污水量計(jì)算可承載人口121.4萬(wàn)人，兩者取最小值的現(xiàn)狀年邯鄲市水資源承載能力121.4萬(wàn)，水資源超載度0.94，水資源寬松度1.06，實(shí)際人口未超載。

由此可見(jiàn)，邯鄲市主城區(qū)在現(xiàn)狀年的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，通過(guò)區(qū)域調(diào)水、節(jié)水等措施，在水量上能夠滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，承載人口數(shù)量大于現(xiàn)狀年的人口數(shù)量，但考慮到接納污水的管網(wǎng)還未能全部覆蓋及河流納污的情況，邯鄲市主城區(qū)水資源的承載能力偏弱，污水處理質(zhì)量仍有待提高，仍然需要從提高污水處理能力方面來(lái)提高水資源承載能力。

3.2 規(guī)劃水平年水資源承載能力分析

按照社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展水平及人口發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)，邯鄲市主城區(qū)2020年人口127.7萬(wàn)人，2030年達(dá)146.5萬(wàn)人。規(guī)劃水平年2020年和2030年的污水處理率分別為94%和95%。依據(jù)雙要素水資源承載能力模型，計(jì)算得出2020年可承載人口128.8萬(wàn)，2030年可承載人口159.0萬(wàn)，水資源超載度分別為0.99和0.92，水資源寬松度分別為1.01和1.09，邯鄲市主城區(qū)均處于不超載狀態(tài)。

由此可見(jiàn)，近期規(guī)劃水平年2020年在全面實(shí)施南水北調(diào)工程后，岳城水庫(kù)及羊角鋪水源地調(diào)水量相對(duì)減少，有效改善了區(qū)域供水條件，污水處理量有所增加，承載的人口數(shù)量大于預(yù)測(cè)的人口數(shù)量。遠(yuǎn)期規(guī)劃水平年2030年，南水北調(diào)工程全面投入使用，供水條件相對(duì)穩(wěn)定，南污水處理廠和人民東污水處理廠相繼建成，污水處理效率大大提高，能夠滿足2030年人口增長(zhǎng)的需要。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）依據(jù)雙要素水資源承載能力模型分析計(jì)算，邯鄲市主城區(qū)現(xiàn)狀年水資源承載能力121.4萬(wàn)人，實(shí)際人口114.3萬(wàn)人，水資源超載度0.94，水資源寬松度1.06，實(shí)際人口未超載；預(yù)測(cè)規(guī)劃年2020年人口127.7萬(wàn)人，2030年146.5萬(wàn)人，2020年和2030年水資源承載能力分別為128.8萬(wàn)人和159.0萬(wàn)人，水資源超載度分別為0.99和0.92，水資源寬松度分別為1.01和1.09，人口仍未超載。

（2）針對(duì)如何提高邯鄲市主城區(qū)水資源承載能力提出以下對(duì)策［9］：做好污水處理廠建設(shè)規(guī)劃和水資源保護(hù)規(guī)劃；增建污水處理廠，提高污水處理能力；增設(shè)市政污水管網(wǎng)，減少直接排入河道的污水量；提高污水回用率；加大區(qū)域外調(diào)水，提高水資源可利用量；通過(guò)節(jié)約用水，改善用水條件，提升水資源利用效率。