漳河水庫流域水土資源承載能力分析

易柏生, 田 淼, 陳崇德

(1.湖北省漳河工程管理局,湖北 荊門 448156; 2.湖北瑞洪工程管理有限公司,湖北 荊門 448156)

1 概述

漳河水庫位于湖北省襄陽、荊門、宜昌三市交界處,集水面積2 212 km2,水庫水面面積105.2 km2,水庫總庫容21.13億m3,其中興利庫容9.24億m3,設(shè)計(jì)灌溉面積17.2萬hm2,是以灌溉為主,兼有防洪、城鎮(zhèn)供水、發(fā)電、水產(chǎn)、航運(yùn)、旅游、改善環(huán)境等綜合效益的大型水利工程。漳河水庫自建成和運(yùn)行近60年來,累計(jì)向周邊提供工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鎮(zhèn)生活用水260多億立方米,為地方經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。近年來,隨著流域人口的不斷增長,城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快,社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,改革開放水平的不斷提高,人民生活水平的不斷改善,以及水庫周邊地區(qū)工礦企業(yè)、水產(chǎn)牲畜養(yǎng)殖業(yè)和水利風(fēng)景旅游業(yè)的蓬勃興起,漳河水庫生態(tài)環(huán)境受到一定的影響。因此,研究流域水土資源承載力,對漳河水庫的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

2 漳河水庫流域水土資源承載力

2.1 水資源承載能力

2.1.1 水資源負(fù)載指數(shù)

(1)

式中:C為水資源負(fù)載指數(shù);δ為降水系數(shù);P為人口(萬人);G為GDP(億元);W為年水資源總量(億m3)。

δ是與降水有關(guān)的系數(shù),取值見式(2)。式(2)中M為降水量(mm)。

(2)

(2) 計(jì)算參數(shù)。按流域三市政府有關(guān)部門提供的統(tǒng)計(jì)資料及要求進(jìn)行整理、分析,其計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 漳河水庫流域水資源承載力計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of water resources carryingcapacity in Zhanghe Reservoir Basin

(3) 評價(jià)指標(biāo)。水資源負(fù)載指數(shù)高低反映了流域各市水資源開發(fā)利用程度,不同地區(qū)水資源開發(fā)利用潛力劃分為6級,分級結(jié)果及其物理意義見表2[1]。

表2 水資源負(fù)載指數(shù)分級表Table 2 Classification of water resource load index

(4) 計(jì)算結(jié)果。根據(jù)公式(1)-(2)計(jì)算漳河水庫流域水資源負(fù)載指數(shù),其結(jié)果見表3。

表3 漳河水庫流域水資源負(fù)載指數(shù)Table 3 Water resource load index of Zhanghe Reservoir Basin

(5) 開發(fā)利用現(xiàn)狀。從表1-表3可以看出:①流域內(nèi)宜昌市人口密度最大,為150人/km2,襄陽市次之,為136人/km2,荊門市最小,為124人/km2,與全國人口平均密度142.7人/km2相比,除荊門市低于13%外,其余基本在平均數(shù)左右。②人均徑流量荊門市最多,為4 444 m3/人,宜昌市次之,為3 930 m3/人,襄陽市最少,為3 737 m3/人,均高于全國人均水資源量2 300 m3/人較多。③各市水資源開發(fā)利用程度一般,發(fā)展?jié)摿Σ淮蟆?/p>

2.1.2 水資源承載指數(shù)

(1) 水資源承載力計(jì)算。計(jì)算公式:

WCC=W/WPC

(3)

式中:WCC為水資源承載力(人);W為水資源可利用量(m3);WPC為人均綜合用水量(m3/人)。

漳河水庫流域水資源承載力分析計(jì)算結(jié)果見表4。評價(jià)數(shù)據(jù)均采用本區(qū)域自產(chǎn)水量為計(jì)算基數(shù),不考慮客水(上游入境水量)情況;可利用水量中扣除了多年平均流入漳河水庫的水量;人均綜合用水量為各市相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)數(shù)量。

表4 流域各市水資源承載力Table 4 Water resources carrying capacity of every city in the basin

(2) 水資源承載指數(shù)計(jì)算。計(jì)算公式:

WCCI=(WP×P)/W

(4)

水資源承載指數(shù)是區(qū)域人口規(guī)模(或人口密度)與水資源承載力(或承載密度)之比,反映區(qū)域水資源與人口的關(guān)系。水資源承載指數(shù)及相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算公式如下:

WCCI=Pa/WCC

(5)

Rp=(Pa-WCC)/WCC×100%=(WCCI-1)×100%

(6)

Rw=(WCC-Pa)/WCC×100%=(1-WCCI)×100%

(7)

式中:WCCI為水資源承載指數(shù);WP為人均綜合用水量(m3/人);P為人口(人);W為可利用水資源量(m3);Pa為現(xiàn)實(shí)人口數(shù)量(人);Rp為水資源超載率;Rw為水資源盈余率。

按各市人口統(tǒng)計(jì)值,考慮自產(chǎn)水水資源量,依據(jù)公式(4)-(7)分析計(jì)算漳河水庫流域水資源承載指數(shù),計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 漳河水庫流域水資源承載指數(shù)Table 5 Water resources carrying index of Zhanghe Reservoir Basin

從表5可以看出,現(xiàn)狀下流域水資源盈余率較大,可以承載更多的人口數(shù)量。

2.2 土地資源承載能力

(1) 漳河水庫流域內(nèi)土地資源現(xiàn)狀。漳河水庫流域耕地面積1.86萬hm2,其中水田0.77萬hm2,旱田1.09萬hm2,坡地(>25°)占旱田面積的26%左右;林地535.1 km2,灌木林584.3 km2。草地25.8 km2,難利用地334.6 km2,水域141.2 km2,其他404.6 km2。流域水土流失量為783 t/km2·a,大于全國平均水平(520 t/km2·a),與流域1968—1985年平均值104.3 t/ km2·a相比,上升了660%?？?cè)丝?9.86萬人,農(nóng)業(yè)人口24.09萬人。流域各市現(xiàn)狀情況下糧食、耕地、人口數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表6。

表6 流域各市現(xiàn)狀情況下糧食、耕地、人口數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 6 Statistics of grain,arable land and population under the currentsituation of various cities in the basin

(2) 耕地面積預(yù)測。流域內(nèi)山高、林密、坡陡,部分地區(qū)石漠化較嚴(yán)重,歷史上的開墾利用基本上將流域耕地潛力開發(fā)完畢,可重新大幅度開墾利用新耕地的基本條件不存在。目前隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,基本建設(shè)用地不斷增加[2],流域內(nèi)耕地面積呈下降的趨勢。預(yù)測在未來一段時間內(nèi),耕地面積保持現(xiàn)狀[3]。

(3) 人口增長預(yù)測。按指數(shù)增長法進(jìn)行預(yù)測,預(yù)測公式為:

P=P0(1+a)t

(8)

式中:a為人口年均增長率(%),采用流域各市“十三五”規(guī)劃中的數(shù)據(jù);t為時間(年);P0為人口基數(shù)(萬人);P為預(yù)測人口數(shù)(萬人)。

按公式(8)計(jì)算,漳河水庫流域各區(qū)域不同水平年人口數(shù)見表7。

表7 漳河水庫流域各區(qū)域人口預(yù)測Table 7 Population prediction in various regions of theZhanghe Reservoir Basin

(4) 糧食產(chǎn)量預(yù)測。采用光、熱、水氣候生產(chǎn)潛力估算模型對流域土地生產(chǎn)潛力預(yù)測,公式為:

Y=YRKTKP

(9)

YR=666.7×10 000×F×E×Q×ε/[500C(1-τ)]

(10)

(11)

KP=ETa/ETm

(12)

式中:Y為全年氣候生產(chǎn)潛力;YR為光合生產(chǎn)潛力;KT為溫度訂正項(xiàng);KP為水份訂正項(xiàng);F為光能利用率,取5%;E為經(jīng)濟(jì)系數(shù),取各主要作物的平均值0.4;Q為全年太陽輻射值(kcal/cm2);ε為生理輻射訂正值,取0.44;C為能量轉(zhuǎn)換為有機(jī)質(zhì)的系數(shù),取4.25 kcal/g;τ為作物的灰分及水分含量,平均含量為15%;T為年平均溫度;Td為年白天的平均溫度;KP為水分訂正項(xiàng);ETa為實(shí)際蒸發(fā)量(mm);ETm為最大可能蒸發(fā)量(mm);其余為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

考慮到漳河水庫流域內(nèi)自然條件比較均一的特點(diǎn),將整個流域作為一個整體進(jìn)行估算,不再分區(qū)域[4]。同時采用土壤肥力訂正的方法,對光、熱、水氣候生產(chǎn)潛力估算模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。公式為:

Yg=ηYeCf

(13)

式中:Yg為自然狀態(tài)下作物的實(shí)際生產(chǎn)力;η為作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量系數(shù),取0.6;Ye為光、熱、水氣候生產(chǎn)潛力;Cf為土壤肥力訂正系數(shù)。

將流域有關(guān)實(shí)際數(shù)據(jù)和選取的有關(guān)參數(shù)代入公式(9)-(13)進(jìn)行分析計(jì)算,預(yù)測漳河水庫流域糧食產(chǎn)量約為7 164～8 266.5 kg/hm2。2020年取7 350 kg/hm2,2025年取7 800 kg/hm2。

(5) 耕地人口承載容量預(yù)測。根據(jù)上述預(yù)測結(jié)果,對漳河水庫流域耕地人口承載容量進(jìn)行分析。糧食產(chǎn)量2020年為7 350 kg/hm2,2025年為7 950 kg/hm2。人均糧食消費(fèi)按聯(lián)合國糧農(nóng)組織標(biāo)準(zhǔn)[5],發(fā)達(dá)國家人均糧食消費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為600～1 000 kg/a,中等發(fā)達(dá)國家為400～600 kg/a,貧困國家低于400 kg/a,取中等發(fā)達(dá)國家水平,2020年人均消費(fèi)為500 kg,2025年人均消費(fèi)為550 kg。漳河水庫流域耕地人口承載容量見表8。從表8可以看出,流域的土地資源已經(jīng)超過了可承載能力[6]。

表8 漳河水庫流域土地資源人口承載容量Table 8 The population bearing capacity of land resourcesin the Zhanghe Reservoir Basin

2.3 環(huán)境影響

(1) 水土流失加劇。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),20世紀(jì)50年代末漳河水庫初步設(shè)計(jì)時流域森林面積占65%,具有比較完整的森林生態(tài)系統(tǒng),是湖北省重要的林區(qū)之一。但目前森林面積已經(jīng)不到40%,受人類經(jīng)濟(jì)活動的影響,流域多年平均含沙量、侵蝕模數(shù)的變化趨勢也在增加。

(2) 污染持續(xù)增加。生活污水未經(jīng)處理直接排入水體,生活垃圾收集處理系統(tǒng)覆蓋率極低;農(nóng)業(yè)種植、畜禽養(yǎng)殖與水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)等經(jīng)營粗放,污染嚴(yán)重;煤礦廢水、廢渣污染嚴(yán)重,至今治理進(jìn)展不大;隨著庫區(qū)工農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,而環(huán)境保護(hù)工作卻進(jìn)展緩慢,導(dǎo)致污染物排放有繼續(xù)升高的趨勢。

(3) 保護(hù)工程建設(shè)滯后。主要表現(xiàn)在生態(tài)監(jiān)測能力較弱,缺少相應(yīng)的設(shè)施和儀器。預(yù)警能力、污染事故應(yīng)急執(zhí)法能力不足等。

(4) 環(huán)境監(jiān)管合力不夠。流域涉及點(diǎn)多、線長、面廣,跨界環(huán)境違法行為監(jiān)管難度大;同時生態(tài)環(huán)境保護(hù)涉及部門較多,導(dǎo)致查處違法行為的程序多、手續(xù)多、辦理周期長、時效較差,且不同部門法規(guī)、量責(zé)和處理也不同,造成執(zhí)法資源的分散和內(nèi)耗[7]。

(5) 管理體制亟待理順。環(huán)境保護(hù)實(shí)行地方人民政府負(fù)責(zé)制,不同區(qū)域的環(huán)境違法行為只能通過案件移送處理,行政跨界導(dǎo)致水環(huán)境保護(hù)統(tǒng)一執(zhí)法的困難較多,執(zhí)法效能不高。

2.4 漳河水庫流域水土資源承載力分析

(1) 采用層次分析方法。建立目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層等3個層次。目標(biāo)層A為漳河水庫流域水土資源承載能力分析。準(zhǔn)則層B1為水資源承載能力,B2為土地資源承載能力,B3為環(huán)境影響。指標(biāo)層Cij(i,j=1,2,,n)根據(jù)上面的主要分析指標(biāo)確定,其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 漳河水庫流域水土資源承載能力評價(jià)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of evaluation system for carrying capacity of water andsoil resources in Zhanghe Reservoir Basin

(2) 擬定指標(biāo)分值。實(shí)際賦分采用等間距分級的方法確定。承載能力滿足要求時Ki=1.0,承載能力基本滿足要求時Ki=0.85,承載能力處于臨界狀態(tài)時Ki=0.7,承載能力不能滿足要求時Ki=0.55。

(3) 計(jì)算公式。① 建立矩陣:

(14)

(15)

(16)

(17)

⑤ 權(quán)重一致性檢驗(yàn):CR=CI/RI。

(18)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(19)

式中:aij為判斷矩陣中系數(shù)(i,j=1,2,,n);CR為判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率;n為判斷矩陣的階數(shù);CI為判斷矩陣的一般一致性指標(biāo);RI為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo),RI系數(shù)可查用相關(guān)表。

根據(jù)公式(14)-(19)計(jì)算目標(biāo)層和準(zhǔn)則層的組合權(quán)重,即A-B矩陣(見表9)。計(jì)算結(jié)果為:λmax=3,CI=0.013,CR=0.003<0.1。

根據(jù)公式(14)-(19)計(jì)算準(zhǔn)則層和指標(biāo)層組合權(quán)重,即B-C矩陣,建立B1-C1i、B2-C2i、B3-C3i矩陣。結(jié)果為:CRB1-C1i、CRB2-C2i-CRB3-C3i以及總CRBi-Cji等,各CR值均<0.1。所有的判斷矩陣成功。

表9 判斷矩陣A-BTable 9 Judgment matrix A-B

2.5 評價(jià)分析

(1) 評價(jià)模型。計(jì)算公式為:G=∑WiKi。

(20)

(2) 評價(jià)指標(biāo)。水土資源承載力的取值范圍在0～1之間,指標(biāo)越大越好。依據(jù)相關(guān)文件規(guī)定和流域?qū)嶋H情況,將評價(jià)指標(biāo)分為4級,不同級別的指標(biāo)見表10。

表10 體系評價(jià)指標(biāo)Table 10 System evaluation index

(3) 評價(jià)與分析。按式(20)計(jì)算:總體評價(jià)指數(shù)G=0.67。下層次評價(jià)中,G1=0.73,G2=0.69,G3=0.65。

綜上所述,漳河水庫流域水資源利用程度中等,可承載潛力不大;土地資源利用程度較高,可承載能力較小;環(huán)境影響較大,加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)與治理已刻不容緩。總體評價(jià)為:漳河水庫流域水土資源承載力與環(huán)境保護(hù)現(xiàn)狀不容樂觀,尤其是部分地區(qū)土地資源承載力已經(jīng)超過了可承載能力,以及環(huán)境保護(hù)工作重視不夠?qū)?yán)重影響流域經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展,有關(guān)部門應(yīng)引起高度的重視,盡快制訂一切可行措施,并堅(jiān)定不移地實(shí)施。

3 對水土資源利用的建議

(1) 退耕還林,涵養(yǎng)水土。流域內(nèi)坡度>25°的耕地面積為0.28萬hm2;水土流失量呈逐年遞增的趨勢,是全國平均水土流失量的1.5倍。流域內(nèi)水資源較豐富,可以依據(jù)流域的特點(diǎn),退耕還林,改造灌木林及難以利用的土地,逐步恢復(fù)流域森林面積達(dá)60%以上,既可以增加林業(yè)收入,又保證了水土流失量大幅度減少。

(2) 精準(zhǔn)扶貧,易地搬遷,改善流域貧困區(qū)面貌。流域地貌格局以山地丘陵為主,土壤大多為由發(fā)育在砂質(zhì)巖母上的黃棕土壤組成,因而受地理?xiàng)l件的限制,土壤肥力很難超過60%以上的高水平,糧食產(chǎn)量的大幅度增產(chǎn)近期難以實(shí)現(xiàn);流域內(nèi)人口文化水平總體不高,農(nóng)業(yè)耕種技術(shù)落后,限制了其經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展;水庫周邊人口較多,生產(chǎn)力較低,生態(tài)破壞較嚴(yán)重。建議當(dāng)?shù)卣y(tǒng)一規(guī)劃,采取扶貧搬遷的辦法,對居住在邊遠(yuǎn)山區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)等地的貧困戶實(shí)施移民搬遷。

(3) 大力發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)。利用山區(qū)的自然優(yōu)勢,發(fā)展生態(tài)、觀光農(nóng)業(yè)以及農(nóng)家樂休閑區(qū),提倡有機(jī)肥料種植,減少化肥、農(nóng)藥的使用量,努力為城市居民提供綠色產(chǎn)品和自然、和諧、美麗的山區(qū)田園風(fēng)光。

(4) 大力發(fā)展旅游業(yè)。流域風(fēng)景優(yōu)美,文化深厚,歷史遺址較多,又有漳河水庫國家級水利風(fēng)景區(qū)的品牌等優(yōu)勢和資源,大力發(fā)展旅游業(yè),改變傳統(tǒng)的以農(nóng)業(yè)為主的生存方式,努力提高流域的人平收入。

(5) 工業(yè)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)軌提速。有計(jì)劃地逐步關(guān)閉礦山工業(yè),尤其是煤礦的開采,堅(jiān)決杜絕較大污染企業(yè)的落戶和建設(shè);探索一條科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源能耗低、環(huán)境污染少、人力資源得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化路子[8]。

4 結(jié)語

漳河水庫流域水土環(huán)境資源容量分析結(jié)果表明,流域內(nèi)水資源開發(fā)利用程度中等,可承載潛力不大,流域土地資源承載力已超過允許容量,且面臨著越來越嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境遭受破壞的問題。需要按照水庫流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)實(shí)施規(guī)劃與“讓江河湖泊休養(yǎng)生息”的戰(zhàn)略部署,繼續(xù)探索流域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)方式,建立漳河水庫生態(tài)環(huán)境保護(hù)長效機(jī)制,確保漳河水庫水資源的可持續(xù)利用。