水資源承載力評(píng)價(jià)方法初探以及在“以水四定”中的運(yùn)用

宋 志, 樂(lè)琪浪, 陳緒鈺, 楊 楠, 黃天駒

(1. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心, 四川 成都 610081; 2. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局, 北京100037; 3. 中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院, 北京 100081; 4. 成都理工大學(xué), 四川 成都 610059)

1 引言

水資源承載規(guī)模是指某一地區(qū)的水資源最大可承載的農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市規(guī)模和人口的能力,是隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展而變化的綜合目標(biāo)[1-2]。 從資源環(huán)境承載能力上,一般由水、土兩種資源約束社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。 相關(guān)文獻(xiàn)資料顯示[3-4],我國(guó)城市農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)建設(shè)等承載規(guī)模80%以上多為水約束,尤其在寧夏、河北等地的缺水城市均由水條件直接控制規(guī)模。 隨著未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展,城市用水需求呈剛性增長(zhǎng),水資源面臨更加嚴(yán)峻的形勢(shì)。

在水資源趨緊和需水增長(zhǎng)的背景下,水成為發(fā)展的約束資源,亟待“以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)”,把水資源作為最大的剛性約束,推動(dòng)用水方式由粗放向節(jié)約集約轉(zhuǎn)變。 如何優(yōu)化水資源的國(guó)土空間布局,合理控制并科學(xué)規(guī)劃農(nóng)業(yè)、生活、工業(yè)、城鎮(zhèn)等發(fā)展,成為當(dāng)前高質(zhì)量發(fā)展背景下亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

我國(guó)水資源承載力開(kāi)始于上世紀(jì)80 年代的西北干旱區(qū)水資源研究,經(jīng)歷了理論探索、模型構(gòu)建等階段,發(fā)展到現(xiàn)今的應(yīng)用階段。 關(guān)于“水資源承載力”的定義,不同學(xué)者提出了不同的表述,但基本都強(qiáng)調(diào)了“支撐能力”的概念,具有代表性的定義有:最大可承載容納的農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市規(guī)模、人口的能力[5];水資源對(duì)該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大支撐能力[6-8];該地區(qū)人口增長(zhǎng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大容量[9-10];供水量能支撐人口、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的能力[11]等。 水資源承載規(guī)模的研究?jī)?nèi)容,分為人口規(guī)模[12]、GDP 總值規(guī)模[13]、第一、二、三 GDP 規(guī)模[14]、城市用地規(guī)模[15]或者多個(gè)指標(biāo)[16]。 可以看出,水資源承載力概念涵蓋了資源稟賦、社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展、人口支撐、生態(tài)環(huán)境保障等,不僅有自然屬性,還有經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化、傳統(tǒng)的影響。 指標(biāo)體系是水資源承載力研究的基礎(chǔ)性工作,也是承載結(jié)果科學(xué)性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外水資源指標(biāo)體系大致分為4 類,分別為水資源系統(tǒng)指標(biāo)、社會(huì)系統(tǒng)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)指標(biāo)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)指標(biāo)。 水資源指標(biāo)多為資源稟賦刻畫(huà),如單位面積水資源量[17]、水資源可開(kāi)發(fā)利用率[18]、水資源變差系數(shù)等。 社會(huì)指標(biāo)多為人口、生活方面的現(xiàn)狀,如人口密度、人口城鎮(zhèn)化率、生活用水定額等。 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)多為GDP 以及相關(guān)效率指標(biāo),如GDP 增長(zhǎng)率、工業(yè)用水重復(fù)利用率、灌溉覆蓋率。 生態(tài)環(huán)境指標(biāo)多為水污染、植被等。

綜上所述,關(guān)于水資源承載力研究?jī)?nèi)容相關(guān)成果較為成熟,但也存在內(nèi)涵宏觀、涉及面廣、定義模糊、耦合關(guān)系不足、量化指標(biāo)不夠精細(xì)等問(wèn)題。 水資源承載力指標(biāo)體系基本找出了與水有關(guān)的要素,但是普遍缺少水平衡的精確刻畫(huà),基本沒(méi)有考慮水消耗中的關(guān)鍵影響因素,使得指標(biāo)繁而雜,耦合結(jié)果往往缺乏真實(shí)性和有效性。 為此,本文試圖揭示水資源承載評(píng)價(jià)中的主控因子以及計(jì)算規(guī)則,建立基于“以水四定”的水資源承載能力評(píng)價(jià)方法,并以全國(guó)31 個(gè)省區(qū)市為例,評(píng)價(jià)水條件下“地、人、產(chǎn)、城”的承載狀態(tài),提出相關(guān)優(yōu)化和提升建議。

3 評(píng)價(jià)方法

3.1 定義

“以水四定”分別指以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)”,是與城市、用地、人口、經(jīng)濟(jì)密切相關(guān)。 結(jié)合水資源承載能力的功能指向,本文定義“城”為建設(shè)用地,計(jì)算水資源承載的城市發(fā)展的用地規(guī)模,“地”為耕地,計(jì)算水資源承載的耕地規(guī)模,“人”為城市人口,計(jì)算水資源承載的合理人口規(guī)模,“產(chǎn)”為工業(yè)增加值,計(jì)算水資源承載的工業(yè)增加值規(guī)模,見(jiàn)表1。 通過(guò)“以水四定”承載對(duì)象的定義,基本滿足高質(zhì)量發(fā)展背景下農(nóng)業(yè)、生活、工業(yè)、城鎮(zhèn)等合理控制與科學(xué)規(guī)劃。

表1 “以水四定”類型表Table 1 Four factors related to the development of a region should be determined by water resources

3.2 以水定地

水資源可承載的耕地規(guī)模包括可承載的灌溉耕地面積和單純以天然降水為水源的耕地面積(雨養(yǎng)耕地面積),可用式(1)表示。

式中:S地為水資源可承載的耕地面積;S灌溉為可承載的灌溉耕地面積;S雨養(yǎng)為雨養(yǎng)耕地面積。

可承載灌溉耕地灌溉可用水量和農(nóng)田綜合灌溉定額的比值,見(jiàn)式(2)。 灌溉用水量可根據(jù)紅線用水量和現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)確定。 農(nóng)田灌溉定額根據(jù)各市縣實(shí)際農(nóng)業(yè)播種面積大于80%的主要農(nóng)作物、各農(nóng)作物的灌溉定額進(jìn)行加權(quán)確定。 在此基礎(chǔ)上,疊加復(fù)種指數(shù)、農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)等確定農(nóng)田灌綜合灌溉定額。

式中:W農(nóng)業(yè)用水為農(nóng)業(yè)用水量;F復(fù)種指數(shù)為復(fù)種指數(shù),可為播種面積除以耕地面積;B主要農(nóng)作物占比為主要農(nóng)作物播種面積占比;D主要農(nóng)作物灌溉定額為農(nóng)作物的灌溉定額,可參考各省用水定額標(biāo)準(zhǔn)。

雨養(yǎng)耕地面積:根據(jù)實(shí)際情況,在資料充足、小尺度區(qū)域利用彭曼公式、SCS 模型計(jì)算;在資料難以獲取、大尺度區(qū)域考慮降雨量分布、旱地類型綜合確定。

“以水定地” 涉及的主要資料為用水定額(行業(yè)用水定額、灌溉用水定額)、水資源公報(bào)、農(nóng)業(yè)公報(bào)、水利普查公報(bào)、水利統(tǒng)計(jì)年鑒等。 在“以水定地”中,主要農(nóng)作物的灌溉定額為區(qū)間值,從而得到水資源承載耕地的低值與高值2 種情景。

3.3 以水定人

水資源承載的人口規(guī)?？捎蒙钣盟颗c居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)的比值,見(jiàn)式(4)。 生活用水量可根據(jù)紅線用水量與現(xiàn)狀生活用水結(jié)構(gòu)確定。 居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)《室內(nèi)給水設(shè)計(jì)規(guī)范》中的居民生活用水定額,分為三區(qū),特大、大、中小城市,低、高區(qū)間用水值。

式中:N水資源承載人口規(guī)模為水資源可承載的人口規(guī)模;W生活用水為生活用水量;S居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)為居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)。

“以水定人”涉及的主要資料為居民生活用水定額、水資源公報(bào)、水利普查公報(bào)、水利統(tǒng)計(jì)年鑒等。 在“以水定人”中,居民生活用水量分為低、高值,從而得到水資源承載人口規(guī)模的低值與高值2種情景,分別代表粗放浪費(fèi)下與節(jié)約用水條件下的人口規(guī)模。

3.4 以水定產(chǎn)

工業(yè)增加值是工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中新增加的價(jià)值,是國(guó)民經(jīng)濟(jì)核算的一項(xiàng)基礎(chǔ)指標(biāo)。 水資源承載的工業(yè)增加值可為工業(yè)用水量與工業(yè)增加值綜合用水定額的比值,見(jiàn)式(5)。 生活用水量可根據(jù)紅線用水量與現(xiàn)狀工業(yè)用水結(jié)構(gòu)確定。 工業(yè)增加值綜合用水定額為八大耗水行業(yè)(火電、化工、造紙、冶金、紡織、建材、食品、機(jī)械)和其他工業(yè)的經(jīng)濟(jì)總量占比與各工業(yè)萬(wàn)元增加值用水量的乘積的加權(quán)和,見(jiàn)式6。

式中,N水資源承載工業(yè)增加值為水資源承載的工業(yè)增加值;W工業(yè)用水為工業(yè)用水量;S工業(yè)增加值綜合用水定額為萬(wàn)元工業(yè)增加值綜合用水定額。

式中,B各工業(yè)經(jīng)濟(jì)總量占比為各工業(yè)經(jīng)濟(jì)總量占比;D各工業(yè)萬(wàn)元增加值用水量為八大耗水與其他工業(yè)萬(wàn)元增加值用水量。

“以水定產(chǎn)”涉及的主要資料為統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源公報(bào)、節(jié)水公報(bào)、中國(guó)工業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒等。

3.5 以水定城

水資源承載城鎮(zhèn)建設(shè)用地可概略分為水資源承載生活用地和水資源承載工業(yè)用地,見(jiàn)式(7)。水資源承載的生活用地可為前述水資源承載人口規(guī)模與人均城鄉(xiāng)用地(現(xiàn)狀、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn))的乘積,見(jiàn)式(8)。 水資源承載工業(yè)用地可為前述水資源承載工業(yè)增加值與工業(yè)用地產(chǎn)出強(qiáng)度的比值,見(jiàn)式(9)。

式中,D城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模為水資源承載城鎮(zhèn)建設(shè)用地;D水資源承載生活用地為 水 資 源 承 載 的 生 活 用 地;D水資源承載工業(yè)用地為水資源承載的工業(yè)用地。

式中,N水資源承載人口規(guī)模為水資源承載的人口規(guī)模,即“以水定人”的人口規(guī)模;R人均城鄉(xiāng)用地為人均城鄉(xiāng)用地,分為現(xiàn)狀與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

式中,N水資源承載工業(yè)增加值為水資源承載工業(yè)增加值,即“以水定產(chǎn)”的工業(yè)增加值;R工業(yè)用地產(chǎn)出強(qiáng)度為工業(yè)用地產(chǎn)出強(qiáng)度。

“以水定城”涉及的主要資料為統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源公報(bào)等。 在“以水定城”中,人口規(guī)模分為出人口的低、高值。 人均城鄉(xiāng)用地規(guī)模是根據(jù)人均國(guó)際用地標(biāo)準(zhǔn)、人均用地現(xiàn)狀得出,從而分為人均城鄉(xiāng)用地的低、高值。 各情景表示如下:

情景1:用水定額高值(人少) ×人均國(guó)際用地標(biāo)準(zhǔn)(地少),稱為水費(fèi)地節(jié)。

情景2:用水定額低值(人多) ×人均國(guó)際用地標(biāo)準(zhǔn)(地少),稱為水節(jié)地節(jié)。

情景3:用水定額高值(人少) ×人均用地現(xiàn)狀(地多),稱為水費(fèi)地費(fèi)。

情景4:用水定額低值(人多) ×人均用地現(xiàn)狀(地多),稱為水節(jié)地費(fèi)。

其中,人均國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際普遍公認(rèn)的節(jié)約用地面積,為125m2/人,而中國(guó)的現(xiàn)狀用地標(biāo)準(zhǔn)為264 m2/人,是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的2.11 倍,目前處于粗放利用,但有較大節(jié)約空間。

“以水四定”評(píng)價(jià)體系涉及的評(píng)價(jià)因子見(jiàn)圖1。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果

基于水資源承載規(guī)模的評(píng)價(jià)方法體系,在充分收集相關(guān)公報(bào)、年鑒等資料基礎(chǔ)上,對(duì)全國(guó)31 個(gè)省開(kāi)展了“以水四定”,初步評(píng)價(jià)結(jié)果如下:

從“以水定地”上,全國(guó)水資源承載耕地為19.52 ～22.89 億畝,對(duì)比耕地現(xiàn)狀,在粗放浪費(fèi)情景下(水資源承載耕地低值),全國(guó)耕地處于超載狀態(tài),超載面積為2.56 億畝,在節(jié)約用水情景下(水資源承載耕地高值),全國(guó)耕地處于盈余狀態(tài),盈余面積達(dá)3.37 億畝。 河南、內(nèi)蒙古等16 個(gè)省市在水資源承載最大耕地規(guī)模下,仍處于超載狀態(tài),呈中部“塌陷”,建議針對(duì)以上區(qū)域優(yōu)化農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)、提高有效灌溉系數(shù)、實(shí)施調(diào)水工程等方式提升水資源承載耕地能力。

圖1 以水四定主要評(píng)價(jià)因子Fig. 1 Main factors in the evaluating process of water resources in a region

圖2 水資源承載耕地評(píng)價(jià)結(jié)果圖Fig. 2 The evaluating diagram of China showing water resources' carrying capacity for cultivation

從“以水定人”上,全國(guó)水資源承載人口規(guī)模為9.83 ～15.90 億人,對(duì)比現(xiàn)狀人口,在粗放浪費(fèi)情景下(水資源承載人口低值),全國(guó)人口規(guī)模處于超載狀態(tài),超載3.99 億人,在節(jié)約用水情景下(水資源承載人口高值),全國(guó)人口規(guī)模處于盈余狀態(tài),盈余2.08 億人。 安徽、山東古等12 個(gè)省市在當(dāng)前節(jié)約用水情景下,仍處于超載狀態(tài),呈環(huán)狀“倒塌”,建議針對(duì)以上區(qū)域優(yōu)化生活用水結(jié)構(gòu),實(shí)施節(jié)約用水措施,提高生活用水總量等方式提升水資源承載人口規(guī)模能力。

圖3 水資源承載人口評(píng)價(jià)結(jié)果圖Fig. 3 The evaluating diagram of China showing water resources' carrying capacity for population

從“以水定產(chǎn)”上,全國(guó)水資源承載工業(yè)增加值為22.27 萬(wàn)億元,對(duì)比現(xiàn)狀工業(yè)增加值,處于超載狀態(tài),超載9.75 萬(wàn)億元。 水資源承載工業(yè)增加值超載區(qū)呈區(qū)域性“淪陷”,江蘇、山東等23 個(gè)省市處于超載,建議針對(duì)超載區(qū)優(yōu)化八大耗水產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),提高工業(yè)用水重復(fù)使用率等方式提升水資源承載工業(yè)增加值能力。

圖4 水資源承載工業(yè)增加值評(píng)價(jià)結(jié)果圖Fig. 4 The evaluating diagram of China showing water resources' carrying capacity for industrial values added

從“以水定城”上,全國(guó)水資源承載城鎮(zhèn)建設(shè)用地為2.00 ～6.45 億畝,對(duì)比現(xiàn)狀城鎮(zhèn)建設(shè)用地,在情景1(水資源承載城鎮(zhèn)建設(shè)用地最低值),全國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)用地處于超載狀態(tài),超載面積為2.80 億畝,在情景4(水資源承載城鎮(zhèn)建設(shè)用地最高值),全國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)用地處于盈余狀態(tài),盈余面積達(dá)1.65 億畝。 江蘇、山東、天津、重慶4 個(gè)省市在水資源承載最大城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模下,仍處于超載狀態(tài),呈沿海少點(diǎn)“虧空”的分布特征,建議對(duì)該區(qū)域優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)、實(shí)施最節(jié)約的用水方式,提高用水效率,增加供水總量等方式提升水資源承載城鎮(zhèn)建設(shè)用地能力。

圖5 水資源承載城鎮(zhèn)建設(shè)用地評(píng)價(jià)結(jié)果圖Fig. 5 The evaluating diagram of China showing water resources' carrying capacity for urban construction projects

5 主要結(jié)論

本文對(duì)水資源承載能力評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了初步探索,提出了“以水定地”、“以水定人”、“以水定產(chǎn)”、“以水定城”的主控因素和計(jì)算規(guī)則,在此基礎(chǔ)上,以全國(guó)31 個(gè)省區(qū)市為例,評(píng)價(jià)水資源承載能力與狀態(tài),提出了相關(guān)的優(yōu)化和提升建議,主要的結(jié)論如下:

(1)要素定義。 本文將“以水四定”中的“地、人、產(chǎn)、城”功能指向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人口生活、工業(yè)發(fā)展、城鎮(zhèn)建設(shè),分別定義為耕地面積、人口規(guī)模、工業(yè)增加值總量、城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積,使得定量化的指標(biāo)與農(nóng)業(yè)、生活、工業(yè)、城鎮(zhèn)相對(duì)應(yīng),能有效開(kāi)展水資源的合理控制與科學(xué)規(guī)劃。

(2)主控因素。 “以水定地”的主控因素分別為農(nóng)業(yè)用水總量、復(fù)種指數(shù)、灌溉綜合定額、雨養(yǎng)面積等;“以水定人”主控因素分別為生活用水總量、居民生活用水定額等;“以水定產(chǎn)”的主控因素分別為工業(yè)用水總量、工作增加值綜合用水定額等;“以水定城”的主控因素分別為水資源承載人口規(guī)模、人均城鄉(xiāng)用地面積、水資源承載工業(yè)增加值、工業(yè)用地產(chǎn)出強(qiáng)度等。

(3)綜合定額。 為提高評(píng)價(jià)結(jié)果的精準(zhǔn)與科學(xué)性,本文創(chuàng)新提出了綜合定額的概念。 如在“以水定地”中提出了灌溉綜合定額,將種植結(jié)構(gòu)大于80%的主要農(nóng)作物與相應(yīng)的農(nóng)作物灌溉定額進(jìn)行加權(quán)和計(jì)算,使得評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確度大為提高。 在“以水定產(chǎn)”中提出了工業(yè)增加值綜合用水定額,將八大耗水與其他工業(yè)的經(jīng)濟(jì)總量占比與相應(yīng)的萬(wàn)元增加值用水量進(jìn)行加權(quán)和計(jì)算,揭示了工業(yè)用水中的主控因素。

(4)結(jié)果與建議。 通過(guò)全國(guó)31 個(gè)省區(qū)市的評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)顯示,在粗放用水情景下,全國(guó)耕地、人口、城鎮(zhèn)用地等總體處于超載,而在節(jié)約用水情況下,全國(guó)耕地盈余3.37 億畝,人口規(guī)模盈余2.08 億人,城鎮(zhèn)建設(shè)用地盈余1.65 億畝。 在水資源承載最大規(guī)模下,仍有超載區(qū),耕地超載呈中部“塌陷”,人口超載呈環(huán)狀“倒塌”,工業(yè)超載呈區(qū)域性“淪陷”,城鎮(zhèn)用地超載呈沿海少點(diǎn)“虧空”,需要從水資源總量、結(jié)構(gòu)、效率等方面提升承載規(guī)模。

(5)與已有研究相比,本文試圖清晰界定“人”、“地”、“產(chǎn)”、“城”的內(nèi)涵與定量化表達(dá)方式,力求揭示各要素間的內(nèi)在聯(lián)系與計(jì)算規(guī)則,力爭(zhēng)科學(xué)評(píng)價(jià)“以水四定”并將規(guī)模、空間等指標(biāo)分解或落地,從而有效服務(wù)國(guó)土空間規(guī)劃與用途管制等,具有一定的創(chuàng)新與特色。 同時(shí)由于水資源承載力評(píng)價(jià)存在關(guān)聯(lián)要素多且復(fù)雜,核心評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)獲取困難等問(wèn)題,有待更深入挖掘內(nèi)在關(guān)聯(lián),開(kāi)展實(shí)地驗(yàn)證并優(yōu)化等工作,以期“以水四定”的評(píng)價(jià)方法科學(xué)合理并能為實(shí)際所用。