基于外調(diào)水潛力的吉林省水資源承載力分析

佟劍杰，賀華翔，婁安宇

(1.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

伴隨經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展對(duì)水資源的強(qiáng)勁需求，水資源供需矛盾日趨嚴(yán)峻，水資源承載力作為區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用上限，是水資源管理中剛性約束的重要抓手，科學(xué)評(píng)估區(qū)域水資源承載力對(duì)貫徹落實(shí)水資源剛性約束的應(yīng)用實(shí)踐具有重要意義。隨著國(guó)家級(jí)工程建設(shè)推進(jìn)，外調(diào)水潛力將逐漸成為衡量區(qū)域水資源承載力的重要指標(biāo)。在以往研究中，水資源承載力指標(biāo)體系中的常用指標(biāo)主要包括城鎮(zhèn)化率、產(chǎn)水模數(shù)、供水模數(shù)、GDP增長(zhǎng)率、農(nóng)業(yè)用水比例、人均生活日用水量、地下水開(kāi)采系數(shù)、年徑流量，均涉及水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)等[1- 4]，并未考慮外調(diào)水潛力對(duì)指標(biāo)體系構(gòu)成的影響，因此有必要將外調(diào)水潛力納入?yún)^(qū)域水資源承載力分析當(dāng)中。

較為成熟的水資源承載力評(píng)價(jià)方法如運(yùn)用主成分分析法，分析了影響南京市水資源承載力的主要驅(qū)動(dòng)因子[5]。白露采用Logistic關(guān)聯(lián)模型構(gòu)建水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境各系統(tǒng)與承載力等級(jí)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用風(fēng)險(xiǎn)矩陣綜合確定各子系統(tǒng)的承載力[6]。金菊良分別采用基于投影尋蹤權(quán)重優(yōu)化、動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的半偏減法集對(duì)勢(shì)方法，基于集對(duì)分析和風(fēng)險(xiǎn)矩陣構(gòu)建了水資源承載力評(píng)價(jià)模型，并在安徽省和引黃灌區(qū)得到應(yīng)用[7- 9]；田培采用改進(jìn)熵權(quán)TOPSIS模型，通過(guò)對(duì)24項(xiàng)指標(biāo)的空間自相關(guān)分析和耦合協(xié)調(diào)性分析，評(píng)價(jià)長(zhǎng)江中游城市群的水資源承載能力[10]；李少朋采用改進(jìn)TOPSIS模型，對(duì)江蘇省水資源承載力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)[11]；鄭江麗引入系統(tǒng)演變過(guò)程序參量，構(gòu)建的基于系統(tǒng)協(xié)調(diào)性的承載力評(píng)估模型在廣州市得到應(yīng)用[12]；此外，還包括系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和綜合評(píng)價(jià)法等多種方法[13]。綜合評(píng)價(jià)法可以形象、直觀地對(duì)樣本進(jìn)行分類或評(píng)價(jià)，有效避免了各類評(píng)價(jià)因素權(quán)重確定的人為任意性，該方法目前應(yīng)用較為普遍。

本文采用綜合評(píng)價(jià)法，創(chuàng)新性地在水資源系統(tǒng)中增加了外調(diào)水潛力指標(biāo)，結(jié)合社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)中的指示性指標(biāo)，構(gòu)建了區(qū)域水資源承載力計(jì)算模型，對(duì)于本地水資源匱乏，依靠跨流域調(diào)水滿足水資源需求地區(qū)的水資源承載能力評(píng)價(jià)有較好的借鑒意義。

1 區(qū)域水資源承載力計(jì)算方法

充分考慮調(diào)水工程建成后，外調(diào)水供水潛力對(duì)區(qū)域水資源承載力的支撐性作用，在水資源系統(tǒng)中增加外調(diào)水潛力指標(biāo)，重新定義水資源復(fù)合系統(tǒng)承載壓力指數(shù)的內(nèi)涵。主要計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

T=?1P1+ρ?2P2+…+?nPn

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，WCZ—區(qū)域承載力評(píng)價(jià)值；ZHI—區(qū)域水資源復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)指數(shù)；ZCI—區(qū)域水資源復(fù)合系統(tǒng)承載壓力指數(shù)；α、β—待定權(quán)重；PeI、PpI—同等權(quán)重；Vmin為國(guó)民經(jīng)濟(jì)最低用水量；Vmax—區(qū)域水資源最大可用水量，根據(jù)用水總量控制指標(biāo)確定；GDPmin、GDPmax—用水量Vmin、Vmax對(duì)應(yīng)的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值；Pc—當(dāng)前人口規(guī)模，Pmax為某一社會(huì)發(fā)展水平，人口承載規(guī)模的上限值；T—系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)函數(shù)；C—協(xié)調(diào)系數(shù)；n—系統(tǒng)個(gè)數(shù)；?—各系統(tǒng)權(quán)重；Pi—序參量對(duì)各系統(tǒng)的總有序度；ρk—第i系統(tǒng)第k項(xiàng)序參量的權(quán)重系數(shù)；Yik—第i個(gè)系統(tǒng)第k個(gè)序參量變量的有序度；ZCP—水資源系統(tǒng)壓力指數(shù)；ZCS—水資源系統(tǒng)承壓指數(shù)；N1、N2、N3、N4—水資源系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社會(huì)發(fā)展系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)；ωi—指標(biāo)因子權(quán)重，Xi—指標(biāo)評(píng)價(jià)值，兩者均采用熵權(quán)法確定[14]。綜合指標(biāo)度量標(biāo)準(zhǔn)如下所示：

(10)

2 案例分析

2.1 研究區(qū)概況

吉林省土地總面積為18.74萬(wàn)km2，處于北半球的中緯地帶，接近亞寒帶。全省形成了顯著的溫帶大陸性季風(fēng)氣候特點(diǎn)，四季分明，春季干燥風(fēng)大，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷漫長(zhǎng)。吉林省多年平均年降水量608.4mm，由東部山區(qū)向西部平原呈遞減趨勢(shì)。吉林省有五大水系，19條主要江河。根據(jù)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)最新成果，吉林省多年平均水資源總量為400.02億m3。其中，地表水資源量為342.95億m3，地下水資源量為124.50億m3，重復(fù)計(jì)算量為67.43億m3。

2019年全省常住人口2601.64萬(wàn)人，GDP 11707.37億元，工業(yè)增加值3596.15億元，耕地面積10545.05萬(wàn)畝，耕地實(shí)際灌溉面積2576.74萬(wàn)畝。2019年全省總供水量為115.21億m3，其中地表水供水量為74.82億m3，占總供水量的64.9%；地下水供水量為38.99億m3，占總供水量的33.8%；其他水源供水量為1.40億m3，占總供水量的1.2%。2019年全省用水量為115.21億m3，其中農(nóng)業(yè)用水量85.25億m3(農(nóng)田灌溉用水量80.90億m3)，工業(yè)用水量11.22億m3，生活用水量12.30億m3，生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水量6.46億m3。

吉林省包括長(zhǎng)春市、吉林市、四平市、遼源市、通化市、白山市、松原市、白城市、延邊朝鮮族自治州等9個(gè)市(州)，以及長(zhǎng)白山保護(hù)開(kāi)發(fā)區(qū)和梅河口市2個(gè)省直管行政區(qū)。

2.2 指標(biāo)篩選及數(shù)據(jù)來(lái)源

按照水資源承載力主要影響因素，結(jié)合水資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)環(huán)境各系統(tǒng)特征[15]及其在前述文獻(xiàn)中高頻出現(xiàn)的指標(biāo)，篩選確定了反映區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)13項(xiàng)，見(jiàn)表1。

考慮以往區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，以本地水資源為主要指標(biāo)體系，未考慮已建、在建調(diào)水工程實(shí)施對(duì)區(qū)域水資源承載力變化的影響。按照國(guó)家水網(wǎng)布局的完善與推進(jìn)，外調(diào)水源成為區(qū)域水資源配置格局的重要組成部分?；诖?，本文以現(xiàn)狀水資源稟賦及其開(kāi)發(fā)利用條件基礎(chǔ)，結(jié)合《松遼流域綜合規(guī)劃》《吉林省水中長(zhǎng)期供求規(guī)劃報(bào)告》提出的吉林省未來(lái)規(guī)劃發(fā)展水平，在已篩選的13項(xiàng)水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)基礎(chǔ)上，考慮增加外調(diào)水潛力指標(biāo)，形成13項(xiàng)指標(biāo)(方案1)與14項(xiàng)指標(biāo)(方案2)兩套對(duì)比方案，分析不考慮外調(diào)水潛力和考慮外調(diào)水潛力條件下，區(qū)域水資源承載力結(jié)果的差異性，并結(jié)合當(dāng)前的實(shí)際情況進(jìn)行合理性分析。

表1 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)表

表2數(shù)據(jù)來(lái)源自《吉林省第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告》《吉林統(tǒng)計(jì)年鑒2020》《2019年吉林省水資源公報(bào)》《吉林省中西部供水工程可行性研究報(bào)告》等各地市實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理考核自查報(bào)告，具體情況見(jiàn)表2。

表2 吉林省水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.3 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

本文以行政區(qū)為單元，在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行的區(qū)域水資源承載力綜合評(píng)價(jià)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。按照式(10)提出的綜合指標(biāo)度量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了各行政區(qū)承載力等級(jí)評(píng)價(jià)如圖1所示。

表3 吉林省不同分區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果

圖1 不同方案下各區(qū)域承載能力評(píng)估情況對(duì)比

根據(jù)水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，可得到如下結(jié)論：

(1)區(qū)域承載力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果越小，說(shuō)明區(qū)域承載等級(jí)越高，只有長(zhǎng)春市和四平市瀕臨超載，其他市處于適宜等級(jí)，該結(jié)論與《中國(guó)水資源承載力綜合評(píng)價(jià)研究》中吉林省水資源承載力的評(píng)價(jià)結(jié)果基本相符。

(2)兩個(gè)方案對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，考慮外調(diào)水潛力指標(biāo)(方案2)后，除四平市之外其他市(區(qū)、州)的區(qū)域承載能力有明顯提升，其中梅河口市提高1個(gè)等級(jí)，其他市(區(qū)、州)仍處于同一等級(jí)，說(shuō)明各市(區(qū)、州)的外調(diào)水工程布局(由外調(diào)水潛力表征)與區(qū)域發(fā)展承載狀態(tài)、協(xié)調(diào)狀態(tài)較為相符。

(3)長(zhǎng)春市作為吉林省省會(huì)城市、未來(lái)省內(nèi)的發(fā)展核心，區(qū)域水資源承載力處于瀕臨超載狀態(tài)，幾乎沒(méi)有本地水資源開(kāi)發(fā)利用潛力，主要依靠外調(diào)水工程支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

(4)四平市區(qū)域承載力評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，究其原因是受用水總量控制指標(biāo)和地下水開(kāi)采率限制雙重影響，未來(lái)2.04億m3的外調(diào)水潛力對(duì)支撐131.9萬(wàn)人和GDP達(dá)到1250.7億元的發(fā)展規(guī)模，仍然處于緊平衡的狀態(tài)(瀕臨超載)，應(yīng)綜合考慮四平市區(qū)域水資源限制要素、合理定人、定產(chǎn)、定地，真正發(fā)揮水資源最大剛性約束管控作用。

3 結(jié)論與建議

3.1 主要結(jié)論

本文采用綜合評(píng)價(jià)法，從水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)4大系統(tǒng)遴選了13項(xiàng)基本指標(biāo)，結(jié)合外調(diào)水潛力指標(biāo)，構(gòu)建了2套指標(biāo)體系，對(duì)比分析考慮外調(diào)后各區(qū)域水資源承載力的變化情況，有效識(shí)別重點(diǎn)區(qū)域的承載力變化情況：①有外調(diào)水支援情況下長(zhǎng)春市、四平市仍然處于緊平衡狀態(tài)；②區(qū)域水資源利用協(xié)調(diào)水平較高，但水資源量(含外調(diào)水量)短缺仍是制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。

與以往水資源承載力評(píng)價(jià)相比，本文將外調(diào)水潛力作為水資源系統(tǒng)重要指標(biāo)之一，是基于國(guó)家水網(wǎng)建設(shè)為背景下的適應(yīng)性考慮，呼應(yīng)了“水資源合理配置的重要水源指標(biāo)應(yīng)當(dāng)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的重要因素之一”這一觀點(diǎn)，豐富了的水資源承載力指標(biāo)體系，對(duì)于外調(diào)水影響區(qū)域供水格局具有重要指示作用。

3.2 建議

隨著吉林省社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，以及國(guó)家大水網(wǎng)建設(shè)布局推進(jìn)，區(qū)域水資源承載力會(huì)因外調(diào)水供給發(fā)生轉(zhuǎn)變，有必要針對(duì)新時(shí)期吉林省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，立足于國(guó)家對(duì)吉林省的戰(zhàn)略部署，重新核算吉林省水資源承載力，為指導(dǎo)吉林省水資源可持續(xù)利用、落實(shí)水資源最大剛性約束發(fā)揮積極作用。特別要針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域發(fā)展特征，如長(zhǎng)春市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展用水需求較為強(qiáng)勁、四平市水資源極度匱乏、導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)布局處于劣勢(shì)等，優(yōu)化外調(diào)水布局、落實(shí)水資源最大剛性約束制度，探索出一條水資源承載力與社會(huì)經(jīng)濟(jì)相協(xié)調(diào)的發(fā)展之路。