基于分類效率識別的水資源承載能力三層次評價(jià)方法

游進(jìn)軍，蔡露瑤，林鵬飛，王彥兵，謝紀(jì)強(qiáng)

（1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.寧夏回族自治區(qū)水利調(diào)度中心，銀川 750010）

承載能力的概念有較長的歷史淵源和廣泛的研究范圍，資源環(huán)境承載力是探尋人與自然和諧共處的重要方向，逐步成為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要科學(xué)判據(jù)［1］，針對不同類型資源環(huán)境要素從內(nèi)涵、概念到評價(jià)方法均有不同的研究成果［2］。我國自1989年新疆軟課題組開展水資源承載能力研究［3］以來，開展了多類研究，在概念內(nèi)涵特點(diǎn)研究基礎(chǔ)上形成了規(guī)模論、容量論和能力論等承載能力的不同表述方式［4］，包含經(jīng)驗(yàn)公式法、指標(biāo)體系評價(jià)法和系統(tǒng)分析法等幾類主要評價(jià)方法，水資源主體從水量屬性為主擴(kuò)展到“量、質(zhì)、域、流”整體屬性［5］。黨的十八大以來，隨著《生態(tài)文明體制改革總體方案》等政策文件出臺，資源環(huán)境承載能力從研究逐步轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用，一方面是針對承載能力的監(jiān)測預(yù)警研究方法以及超載狀態(tài)的描述［6］，如金菊良等［7］針對水資源特點(diǎn)分析合理預(yù)警指標(biāo)選取和動態(tài)評價(jià)方法，龍秋波［8］等針對監(jiān)測預(yù)警開展風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)；另一方面是從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)提出具有操作性的評價(jià)方法，如丁晶等［9］提出以滿足供水保證率要求的水資源量作為主體反映水資源隨機(jī)性變化和供水保障目標(biāo)的實(shí)際特征，李云玲等［10］以水資源規(guī)劃管理的水量、水質(zhì)、水生態(tài)等控制指標(biāo)為依據(jù)提出“短板法”進(jìn)行綜合評價(jià)。

針對不同區(qū)域的自然特征和水問題癥結(jié)，水資源承載能力研究的側(cè)重點(diǎn)和方法也有所差異。西北干旱區(qū)水資源本底條件差、生態(tài)環(huán)境脆弱，經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的用水競爭問題對人類生存和發(fā)展有直接影響，是最早開展水資源承載能力研究的區(qū)域。20世紀(jì)90年代初許有鵬［11］選擇耕地率、水資源利用率、人均供水量、生態(tài)用水率等影響干旱區(qū)供需關(guān)系的評判因素并提出分級指標(biāo)，利用模糊綜合評判法構(gòu)建干旱區(qū)水資源承載能力綜合評價(jià)模型，以新疆和田流域?yàn)槔M(jìn)行了評價(jià)；1999年徐中民等［12］結(jié)合政策因素采用多目標(biāo)方法分析了黑河流域中游張掖地區(qū)規(guī)劃水平年的水資源承載狀況。此后，其他一些學(xué)者采用經(jīng)濟(jì)社會用水消耗水平［13］、主成分分析［14-16］、層次分析［17］、TOPSIS評價(jià)［18］、短板法［19］等不同方法，對西北地區(qū)水資源承載能力開展了研究。華北地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)社會規(guī)模擴(kuò)大、用水持續(xù)增長，導(dǎo)致區(qū)域用水競爭激烈、生態(tài)用水被擠占，水問題日漸突出，也是水資源承載能力研究的重點(diǎn)。2004年趙建世等［20］提出以水資源超載度作為水資源承載能力評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析了海河流域承載能力的演變趨勢；2007年王忠靜等［21］構(gòu)造水資源承載力雙指針模型分析了山西省大同市的水資源承載能力；多目標(biāo)分析［22］、熵權(quán)法［23］、集對分析［24-25］、短板法［10］等也在華北地區(qū)研究中得到應(yīng)用。由于水環(huán)境污染帶來的水質(zhì)性缺水問題突出、分水矛盾增加，水資源承載能力研究在南方豐水地區(qū)也得到重視，TOPSIS評 價(jià)［26］、主成分分析［27］、模糊綜合評價(jià)［28-30］、多目標(biāo)分析［31-32］、風(fēng)險(xiǎn)矩陣法［33］等方法得到應(yīng)用，針對系統(tǒng)協(xié)調(diào)性的綜合評價(jià)逐漸增多［34-35］。中國水利水電科學(xué)研究院在全國水資源綜合規(guī)劃專題研究中提出了水資源承載能力三層次評價(jià)方法，采用萬元GDP產(chǎn)業(yè)用水量和區(qū)域水資源可利用量計(jì)算可承載的經(jīng)濟(jì)規(guī)模和人口數(shù)量［36］，方法簡單實(shí)用，可依托水資源規(guī)劃數(shù)據(jù)針對不同區(qū)域進(jìn)行評價(jià)［37-39］。

總體而言，已有的承載能力分析方法通常將水資源與經(jīng)濟(jì)社會作為整體，采用指標(biāo)評價(jià)方法開展研究，缺乏區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對用水效率的量化分析，影響評價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性。以現(xiàn)有的三層次評價(jià)方法為例，由于將農(nóng)業(yè)用水納入萬元GDP產(chǎn)業(yè)用水量計(jì)算，綜合用水效率隨承載水平變化而變化：一是效率變化缺乏依據(jù)，與實(shí)際的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和發(fā)展趨勢不一致；二是不符合“以水定域、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)”（簡稱“四水四定”）等新思路下的水量配置原則，導(dǎo)致承載能力評價(jià)結(jié)果出現(xiàn)偏差。為了客觀體現(xiàn)用水特征對綜合用水效率的影響，對現(xiàn)有的三層次評價(jià)方法進(jìn)行改進(jìn)，扣除農(nóng)業(yè)用水量計(jì)算綜合用水效率，更準(zhǔn)確反映產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化下的承載能力計(jì)算結(jié)果，并以農(nóng)業(yè)用水占比較高的寧夏回族自治區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證。通過方法改進(jìn)前后的承載結(jié)果與各項(xiàng)用水量對比，體現(xiàn)了改進(jìn)方法在反映真實(shí)用水結(jié)構(gòu)和效率上的優(yōu)勢，結(jié)合推導(dǎo)的承載人口直接計(jì)算公式表明：可承載人口數(shù)量由可以支撐二、三產(chǎn)業(yè)和生活的水量與二者的用水效率決定，揭示農(nóng)業(yè)用水量，人均GDP以及二、三產(chǎn)業(yè)用水效率等3項(xiàng)主要影響因素的作用機(jī)制。結(jié)合寧夏實(shí)際情況，通過情景分析得出不同發(fā)展模式下的承載力變化狀況，探究不同因素的影響，可為提高承載能力的決策調(diào)整方向提供量化依據(jù)。

1 計(jì)算方法

1.1 現(xiàn)有三層次評價(jià)法

水資源承載能力三層次評價(jià)方法基于承載主體、客體以及主客體耦合3個(gè)層次構(gòu)建，依托水資源量和經(jīng)濟(jì)水平評價(jià)可承載的經(jīng)濟(jì)規(guī)模和人口數(shù)量，具有概念清晰、便于操作的特點(diǎn)。

第一層次是承載主體分析，即可用于生產(chǎn)的水資源可利用量，由區(qū)域水資源可利用量扣除生活與生態(tài)需水量得到，其中生活需水量通過預(yù)估可承載人口數(shù)量計(jì)算；第二層次是承載客體分析，即水資源支撐的經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，采用經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和用水水平作為評價(jià)指標(biāo)，由人均GDP表征，根據(jù)不同承載水平分析綜合用水效率，即單位GDP產(chǎn)業(yè)用水量；第三層次是主客體的耦合，即水資源到用水戶的合理分配，由上述兩層分析得到的可用于生產(chǎn)的水資源可利用量和單位GDP產(chǎn)業(yè)用水量推算可承載的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，結(jié)合相應(yīng)承載水平的人均GDP標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算可承載人口。將計(jì)算所得的可承載人口與第一層次預(yù)估人口校核試算，直到二者大致相等，即得出可承載的人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)規(guī)模。

1.2 現(xiàn)有評價(jià)方法的不足

考慮目前水資源管理面臨的新形勢，現(xiàn)有的水資源承載能力三層次評價(jià)方法存在一些不足：由于農(nóng)業(yè)用水量大但行業(yè)增加值較低，單位GDP產(chǎn)業(yè)用水量難以反映產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化對綜合用水效率的影響；農(nóng)業(yè)用水量主要與灌溉方式、種植結(jié)構(gòu)和灌溉定額相關(guān)，與增加值關(guān)系較弱，綜合用水效率不能反映實(shí)際的農(nóng)業(yè)效率變化，存在擠占或放大農(nóng)業(yè)用水的可能，且其效應(yīng)難以評估；考慮“以水定地”原則及糧食安全等相關(guān)政策，農(nóng)業(yè)用水應(yīng)有基本保障，同時(shí)農(nóng)業(yè)節(jié)水后的流轉(zhuǎn)水量可以支撐其他用戶需求，綜合用水效率不能反映這種動態(tài)關(guān)系，與實(shí)際決策需求不符。此外，可承載人口的試算對計(jì)算精度存在一定影響?；谝陨显颍瑖L試對現(xiàn)有方法作改進(jìn)，突出農(nóng)業(yè)用水保障需求，客觀反映產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整帶來的用水效率變化，同時(shí)建立承載能力結(jié)果直接計(jì)算公式，避免試算過程從而提高結(jié)果準(zhǔn)確性。

1.3 改進(jìn)思路和計(jì)算流程

根據(jù)上述分析，改進(jìn)方法的基本思路是扣除農(nóng)業(yè)用水量不參與單位GDP產(chǎn)業(yè)用水量計(jì)算，相應(yīng)對三層次評價(jià)法進(jìn)行調(diào)整，技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technology roadmap

第一層次是對于承載主體計(jì)算，改進(jìn)方法增加扣除農(nóng)業(yè)用水量得出可保證二、三產(chǎn)業(yè)的可利用水資源量。第二層次根據(jù)承載水平確定非農(nóng)產(chǎn)業(yè)綜合用水效率。第三層次是在前兩層次確定二、三產(chǎn)業(yè)可利用水資源量和用水效率的前提下，分析以人口數(shù)量表征的承載能力結(jié)果，通過人均GDP水平計(jì)算可承載的經(jīng)濟(jì)規(guī)模。與現(xiàn)有方法相比，最主要的區(qū)別是以二、三產(chǎn)業(yè)的綜合用水效率計(jì)算最終的可承載人口和經(jīng)濟(jì)規(guī)模。

1.3.1 第一層次的計(jì)算

生活需水優(yōu)先級高，需要優(yōu)先保障。根據(jù)不同承載水平的人口和用水標(biāo)準(zhǔn)得出生活用水量，計(jì)算公式為

式中：Wdo為生活用水量，億m3；Pfo為可承載人口數(shù)量，萬人；Edo為生活用水定額，L／（人·d）。其中Pfo為中間過程變量，可承載人口數(shù)量最終根據(jù)公式推導(dǎo)直接給出。

農(nóng)業(yè)用水量采用指標(biāo)定額法計(jì)算，定額參考分類作物灌溉定額標(biāo)準(zhǔn)和區(qū)域種植結(jié)構(gòu)特征，灌溉面積參考地區(qū)農(nóng)業(yè)規(guī)劃發(fā)展，計(jì)算公式為

式中：Wat為農(nóng)業(yè)用水量，億m3；A為灌溉面積，hm2；Ear為綜合灌溉定額，m3／hm2。

可利用水資源量扣減生活需水和農(nóng)業(yè)用水后即為可用于二、三產(chǎn)業(yè)的水資源量，計(jì)算公式為

式中：Ws＆t為可用于二、三產(chǎn)業(yè)的水資源量，億m3；Wv為區(qū)域水資源可利用量，億m3。

1.3.2 第二層次的計(jì)算

承載水平反映經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平，一般以人均GDP為標(biāo)準(zhǔn)。以扣除農(nóng)業(yè)后的單位增加值產(chǎn)業(yè)用水量作為二、三產(chǎn)業(yè)的綜合效率，計(jì)算公式為

式中：Cu為給定承載水平下不含農(nóng)業(yè)的單位增加值產(chǎn)業(yè)用水量，即非農(nóng)產(chǎn)業(yè)用水效率，m3／萬元；AV，i為農(nóng)業(yè)以外不同行業(yè)的增加值，包括第二和第三產(chǎn)業(yè)，億元；Ei為各行業(yè)的用水定額，m3／萬元。

不同承載水平下各行業(yè)的增加值根據(jù)其發(fā)展趨勢預(yù)測或參考相關(guān)規(guī)劃給定。

1.3.3 第三層次的計(jì)算

根據(jù)上述計(jì)算得出二、三產(chǎn)業(yè)可利用水資源量和綜合用水效率，疊加農(nóng)業(yè)增加值計(jì)算可承載的GDP，具體公式為

式中：Et為可承載的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，即GDP，億元AV，agr為對應(yīng)承載水平下的農(nóng)業(yè)增加值，億元。

可承載的人口數(shù)量通過可承載經(jīng)濟(jì)規(guī)模和人均GDP得到，計(jì)算公式為

式中：P為可承載人口數(shù)量，萬人；Vp為人均GDP，萬元。

按照現(xiàn)有的三層次評價(jià)方法，可承載的人口數(shù)量需要通過試算校核得出。本次通過分析水量、效率、經(jīng)濟(jì)規(guī)模（GDP）和生活水平（人均GDP）之間的關(guān)系，推導(dǎo)可承載人口的直接計(jì)算公式，避免試算校核，推導(dǎo)過程如下：

可利用水資源量扣除農(nóng)業(yè)用水之后即為用于第二、三產(chǎn)業(yè)和生活的用水之和：

考慮農(nóng)業(yè)增加值占比較低，二、三產(chǎn)業(yè)用水近似采用非農(nóng)產(chǎn)業(yè)用水效率與GDP的乘積計(jì)算，即：

生活用水量為可承載人口數(shù)量與生活用水定額的乘積，計(jì)算公式同式（1）。

將式（8）、式（1）代入式（7），則：

根據(jù)可承載人口數(shù)量P與人均GDP計(jì)算得出可承載GDP，計(jì)算公式為

計(jì)算式（10）中，分子（Wv－War）是二、三產(chǎn)業(yè)和生活的可利用水量，分母是非農(nóng)產(chǎn)業(yè)用水效率和人均生活用水效率之和，即非農(nóng)用水量與非農(nóng)用水效率的商為可承載的人口數(shù)量。該計(jì)算公式表明，在農(nóng)業(yè)需要單獨(dú)保障的條件下，區(qū)域可承載的人口數(shù)量由可以支撐二、三產(chǎn)業(yè)和生活的水量與二者的用水效率決定，構(gòu)成了扣除農(nóng)業(yè)用水需求的承載能力主體和客體，其思路與現(xiàn)有的水資源承載能力三層次評價(jià)方法一致。

2 實(shí)例研究

2.1 研究區(qū)概況

寧夏回族自治區(qū)位于黃河流域上游，總面積6.64萬km2，下轄銀川、石嘴山等5個(gè)地級市，地勢南高北低。寧夏全區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，多年平均降水289 mm，多年平均水面蒸發(fā)量1 218 mm，水資源匱乏，生態(tài)環(huán)境脆弱敏感。降水南多北少、蒸發(fā)北高南低，平原區(qū)主要集中在北部沿黃河地帶，也是主要用水區(qū)。寧夏人均當(dāng)?shù)厮Y源量不足全國的1／10，量少質(zhì)差，開發(fā)利用難度大，90%的用水引自黃河干流，是依黃河而存、唯黃河而興的區(qū)域。全區(qū)綜合用水效率不高，取水總量已接近紅線，資源約束日趨緊張，已有研究表明［19］全區(qū)5個(gè)地級市中4個(gè)處于水資源超載狀態(tài)。因此，水資源承載能力分析對引導(dǎo)區(qū)域合理的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展布局十分重要。

2020年，寧夏全區(qū)常住人口為720.27萬人（第七次全國人口普查），地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）為3 920.55億元（《寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒2021》），其中第一產(chǎn)業(yè)增加值為338.01億元。根據(jù)2001—2020年各行業(yè)用水量（圖2數(shù)據(jù)源自《寧夏水資源公報(bào)》），由圖2可以看出：農(nóng)業(yè)是寧夏取水大戶，但用水量和占比均呈下降趨勢，用水量由2001年的78.23億m3減少到58.64億m3，用水占比由93%下降為83.5%，仍高于全國平均水平。

圖2 2001—2020年各行業(yè)用水量Fig.2 Water consumption by industry from 2001 to 2020

寧夏是西北地區(qū)重要的商品糧基地，有“塞上江南”的美譽(yù)，確保糧食生產(chǎn)也是寧夏服務(wù)于黃河生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展的責(zé)任。由于寧夏降水少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對灌溉的依賴程度高，農(nóng)業(yè)用水保障十分重要?？紤]農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在寧夏的重要地位，結(jié)合“四水四定”原則，采用改進(jìn)方法分析評價(jià)水資源承載能力，為區(qū)域發(fā)展布局決策提供更有效的參考。

2.2 水資源承載能力的計(jì)算

2.2.1 水資源可利用量

根據(jù)第三次水資源調(diào)查評價(jià)成果，寧夏全區(qū)1956—2016年多年平均當(dāng)?shù)氐乇硭Y源量為9.056億m3，不重復(fù)地下水資源量為3.059億m3，當(dāng)?shù)厮Y源總量為12.115億m3。由于寧夏自身水資源條件薄弱，主要水源為黃河干流引水。根據(jù)最嚴(yán)格水資源管理要求（國辦發(fā)〔2013〕2號），按取水口徑分配給寧夏的總量控制指標(biāo)為73.27億m3，將其作為承載能力計(jì)算中的水資源可利用量。

2.2.2 水資源承載水平

根據(jù)水資源承載水平分級標(biāo)準(zhǔn)和寧夏現(xiàn)狀經(jīng)濟(jì)水平，以全面小康（人均1萬美元）、基本現(xiàn)代化（人均2萬美元）作為承載水平［40］，對應(yīng)的人均GDP標(biāo)準(zhǔn)分別是68 974元、137 948元（均為2020年可比價(jià)）。由于改進(jìn)方法中農(nóng)業(yè)增加值不再與計(jì)算關(guān)聯(lián)，分析各承載水平下的二、三產(chǎn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。寧夏的第二產(chǎn)業(yè)中工業(yè)占比大且重型化明顯［41］，正處于傳統(tǒng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級期，因此未來工業(yè)增加值還將增加，但比重隨著三產(chǎn)上升而下降，第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，占比逐年增加［42］。兩個(gè)承載水平下的二、三產(chǎn)結(jié)構(gòu)見表1。

表1 二、三產(chǎn)結(jié)構(gòu)預(yù)測［42］Tab.1 Forecast of secondary and tertiary industrial structure%

2.2.3 用水效率

參考《寧夏回族自治區(qū)水安全保障“十四五”規(guī)劃》等規(guī)劃成果，得到寧夏各承載水平的用水定額指標(biāo)，見表2。其中，產(chǎn)業(yè)用水定額隨著技術(shù)進(jìn)步而下降，居民生活用水定額隨著生活水平提高而上升。

表2 用水效率預(yù)測Tab.2 Forecast of water use efficiency

2.2.4 水資源承載結(jié)果

根據(jù)二、三產(chǎn)業(yè)用水效率、產(chǎn)業(yè)比例，可得到不含農(nóng)業(yè)的萬元產(chǎn)業(yè)增加值用水量Cu，其中，全面小康水平為14.2 m3／萬元，基本現(xiàn)代化水平為8.7 m3／萬元。寧夏的農(nóng)業(yè)用水包括耕地灌溉（水田、水澆地）、園地灌溉（釀酒葡萄、枸杞、其他園地）、人工草地灌溉和冬灌，結(jié)合現(xiàn)狀不同灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)、種植結(jié)構(gòu)和灌溉規(guī)模，計(jì)算出全區(qū)農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀用水量為61.43億m3?？鄢F(xiàn)狀農(nóng)業(yè)用水后得到可用于二、三產(chǎn)業(yè)和生活的可利用水量（Wv－War）為11.84億m3?；谏鲜鰞?nèi)容得到可承載人口計(jì)算公式（10）中的所需數(shù)據(jù)，計(jì)算得出全面小康水平可承載人口數(shù)量為903.7萬人，基本現(xiàn)代化水平為681.5萬人。按照現(xiàn)有的三層次評價(jià)法得出全面小康水平、基本現(xiàn)代化水平可承載人口分別為763.5萬人、771.5萬人。兩種方法結(jié)果對比見表3。

表3 承載能力計(jì)算結(jié)果對比Tab.3 The bearing capacity calculation results of improved and existing methods

從表3可以看出，隨著用水效率提升，可承載經(jīng)濟(jì)規(guī)模增大，但相應(yīng)生活水平提高，可承載人口能否增加取決于用水效率提升和人均GDP提高的增速對比。在全面小康水平下，改進(jìn)方法的萬元產(chǎn)業(yè)增加值用水量為118.1 m3，小于現(xiàn)有方法的139.0 m3，承載人口903.7萬人高于現(xiàn)有方法的763.5萬人。基本現(xiàn)代化水平下改進(jìn)方法可承載人口數(shù)量比現(xiàn)有方法少90.0萬人。

2.2.5 行業(yè)用水量對比與結(jié)果差異原因分析

上述結(jié)果表明，兩種方法計(jì)算得出的可承載GDP均隨承載水平提升而增加，但可承載人口趨勢變化不同，改進(jìn)方法計(jì)算所得可承載人口數(shù)量減少，而現(xiàn)有方法的可承載人口數(shù)量基本不變。其原因在于改進(jìn)方法計(jì)算中設(shè)定了農(nóng)業(yè)用水不變化，二、三產(chǎn)業(yè)不能擠占農(nóng)業(yè)用水，而現(xiàn)有方法隨著綜合效率提升，農(nóng)業(yè)用水減少并轉(zhuǎn)移到其他產(chǎn)值更高的行業(yè)。根據(jù)兩種方法計(jì)算出的可承載人口數(shù)量反算各行業(yè)用水量，見表4。

表4 兩種方法計(jì)算出的可承載人口數(shù)量反算的各行業(yè)用水量Tab.4 Water consumption by industry in both methods 單位：億m3

現(xiàn)有方法中農(nóng)業(yè)用水量隨效率與農(nóng)業(yè)增加值提高而變化，全面小康水平下農(nóng)業(yè)用水量為63.21億m3，高于現(xiàn)狀實(shí)際農(nóng)業(yè)用水量61.43億m3。而改進(jìn)方法農(nóng)業(yè)用水與現(xiàn)狀相同，將扣除現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)用水后的可利用水量作為二、三產(chǎn)業(yè)用水，因此綜合用水效率更高，可承載的GDP與人口數(shù)量均高于現(xiàn)有方法得出的結(jié)果。在基本現(xiàn)代化水平下，現(xiàn)有方法分配給農(nóng)業(yè)的水量為59.91億m3，小于現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)用水量，意味著農(nóng)業(yè)用水轉(zhuǎn)移到了效率更高的二、三產(chǎn)業(yè)，因此可承載的GDP和人口數(shù)量提高。而改進(jìn)方法仍維持現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)用水，二、三產(chǎn)業(yè)用水效率的提升不足以支撐人均GDP的增長，因此可承載人口數(shù)量下降。綜上所述：現(xiàn)有方法中農(nóng)業(yè)用水效率隨著整體經(jīng)濟(jì)水平變化，缺少結(jié)合機(jī)理規(guī)律或?qū)嶋H決策條件的支撐，存在農(nóng)業(yè)用水是否可有效保障的問題；而改進(jìn)方法可分析保障農(nóng)業(yè)用水條件下的水資源承載狀況，揭示水資源管控的邊界條件對綜合用水效率和承載狀況的影響。

3 討 論

根據(jù)可承載人口計(jì)算公式（10），可利用水資源量Wv一般為確定值，生活用水定額Edo也相對較穩(wěn)定，主要影響因素就是農(nóng)業(yè)用水量War、人均GDPVp，以及二、三產(chǎn)業(yè)用水效率Cu，本文嘗試通過調(diào)整此3項(xiàng)因素探究其對于水資源承載能力的影響。

3.1 調(diào)整農(nóng)業(yè)用水

寧夏實(shí)例分析表明，在農(nóng)業(yè)用水固定的條件下，可承載人口會隨著承載水平的提高而減少。實(shí)際上，在農(nóng)業(yè)規(guī)?；蛏a(chǎn)目標(biāo)保持不變的條件下，隨著用水效率提升農(nóng)業(yè)用水會逐步減少并轉(zhuǎn)移到效率更高的二、三產(chǎn)業(yè)，可以提高承載能力。因此，通過分析調(diào)整農(nóng)業(yè)用水后的承載能力變化，可為調(diào)控決策提供支持。

按照寧夏適水發(fā)展的總體思路，嚴(yán)格控制高耗水農(nóng)業(yè)和能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模是實(shí)現(xiàn)區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展的必由之路［43］。根據(jù)“四水四定”要求，將寧夏全區(qū)水稻種植面積從現(xiàn)狀的6.07萬hm2壓縮至1.33萬hm2，定額采用《寧夏回族自治區(qū)有關(guān)行業(yè)用水定額（修訂）》（寧政辦規(guī)發(fā)〔2020〕20號），水稻常規(guī)灌溉定額為15 750 m3／hm2，灌溉水利用系數(shù)取0.55，計(jì)算得出未來寧夏農(nóng)業(yè)用水量將減少13.6億m3。因此，將農(nóng)業(yè)用水由61.43億m3均勻減少至47.83億m3，各承載水平下的人口數(shù)量與GDP變化見圖3。可見，可承載人口數(shù)量和GDP隨農(nóng)業(yè)用水量減少均呈直線上升趨勢。對于基本現(xiàn)代化水平，若農(nóng)業(yè)用水量由61.43億m3減少至47.83億m3（減少22.1%），區(qū)域可承載人口數(shù)量由681.5萬人增加至1 488.9萬人（增加118%），GDP由9 322.9億元增長至19 769.5億元（增長112%），人口增幅高于GDP增幅。

圖3 農(nóng)業(yè)用水量與可承載人口、GDP變化關(guān)系Fig.3 Charts of the relationship between agricultural water use，bearable population and GDP

根據(jù)公式（10）和（11），其中的Wc、Vp、Cu、Edo在各承載水平下均為定值，因此可承載人口與GDP和（Wv－War）呈正比關(guān)系，減少農(nóng)業(yè)用水量War意味著生活和二、三產(chǎn)業(yè)可利用水量提高，帶來可承載人口和GDP的線性上升。

3.2 調(diào)整人均GDP

為了探求人均GDP變化對區(qū)域可承載GDP、人口數(shù)量的影響，將人均GDP設(shè)置±50%的波動范圍，全面小康和基本現(xiàn)代化變化范圍分別是3.3萬元～9.9萬元、6.9萬元～20.7萬元，各承載水平的可承載人口數(shù)量與GDP隨人均GDP增減變化見圖4。由圖4可知，區(qū)域可承載人口隨人均GDP升高呈下降趨勢，可承載GDP呈上升趨勢。對于基本現(xiàn)代化水平，區(qū)域可承載人口數(shù)量由1 024.5萬人減少到510.6萬人，可承載GDP由6 880.3億元增加到10 666.9億元。

圖4 人均GDP與可承載人口、GDP變化關(guān)系Fig.4 Charts of the relationship between per capita GDP and bearable population and GDP

根據(jù)公式（10），在Wv、War、Cu、Edo保持不變條件下，可承載人口P與人均GDP水平Vp呈反比關(guān)系，生活水平提高導(dǎo)致可承載的人口數(shù)量減少。公式（12）表明Vp增大帶來可承載GDP增加，即在農(nóng)業(yè)用水量不變的情況下，人均GDP水平提高使得可承載人口數(shù)量減少，但用于生產(chǎn)的水量相應(yīng)增加，因此可承載GDP略有增長。

3.3 調(diào)整二、三產(chǎn)業(yè)用水效率

根據(jù)公式（10）、（11），二、三產(chǎn)業(yè)用水效率與承載規(guī)模呈反比關(guān)系，用水效率提高（數(shù)值降低），可承載人口數(shù)量與GDP增加。將二、三產(chǎn)業(yè)用水效率設(shè)置±50%的波動范圍，可承載人口數(shù)量與GDP隨用水效率增減變化見圖5。對于基本現(xiàn)代化水平，當(dāng)二、三產(chǎn)業(yè)用水效率從13.1 m3／萬元提高到4.4 m3／萬元時(shí)，區(qū)域可承載人口數(shù)量由510.6萬人增加到1 024.5萬人，可承載GDP由7 111.2億元增長到13 760.6億元。

圖5 二、三產(chǎn)業(yè)用水效率與可承載人口數(shù)量、GDP變化關(guān)系Fig.5 Charts of the relationship between water use efficiency and bearable population and GDP

從公式（10）和（11）可以看出，在Wv、War、Vp、Edo保持不變條件下，Cu與可承載人口P和GDP呈反比關(guān)系，用水效率提升可提高水資源承載能力。

上述討論表明，在區(qū)域水資源約束確定的情況下，農(nóng)業(yè)用水控制目標(biāo)，二、三產(chǎn)業(yè)用水效率和生活水平是影響水資源承載能力的主要因素，改進(jìn)方法計(jì)算公式可以直接分析不同因素變化對承載結(jié)果的影響作用。幾種因素中，農(nóng)業(yè)用水對于區(qū)域水資源承載能力影響最為顯著。上述因素自身也存在相互影響關(guān)系，且同步變化。因此，需要綜合評價(jià)區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間、生活水平提升需求、用水效率提升空間等多類因素，提出水資源承載能力提升的有效途徑。

4 結(jié) 論

通過改進(jìn)現(xiàn)有的水資源承載能力三層次評價(jià)方法并進(jìn)行驗(yàn)證研究，結(jié)果表明：改進(jìn)方法可以解決萬元GDP產(chǎn)業(yè)用水量受農(nóng)業(yè)影響大導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確的問題，更準(zhǔn)確反映農(nóng)業(yè)保障目標(biāo)下的水資源承載能力結(jié)果，適應(yīng)“四水四定”要求下的水資源承載能力分析評價(jià)；通過推導(dǎo)得出可承載人口數(shù)的直接計(jì)算公式，避免試算校核提高計(jì)算效率與準(zhǔn)確性，同時(shí)通過公式可以量化反映不同影響因素對承載能力結(jié)果的作用機(jī)制，適應(yīng)不同情景分析需求；寧夏實(shí)例驗(yàn)證表明，以現(xiàn)狀合理農(nóng)業(yè)用水作為農(nóng)業(yè)保障目標(biāo)，現(xiàn)有方法在全面小康和基本現(xiàn)代化兩個(gè)承載水平下比改進(jìn)方法可承載人口數(shù)量分別偏低140.2萬人和偏高90.0萬人。進(jìn)一步分析表明：現(xiàn)有方法農(nóng)業(yè)用水分配量由綜合用水效率確定，在兩個(gè)承載水平下農(nóng)業(yè)用水量分別為63.21億m3和59.91億m3，與現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)用水量61.43億m3存在差異，隨著承載水平提升農(nóng)業(yè)用水被轉(zhuǎn)移到了效率更高的二、三產(chǎn)業(yè)，不能體現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水的合理保障，改進(jìn)方法給出明確的農(nóng)業(yè)保障目標(biāo)下的承載結(jié)果，更能反映實(shí)際決策需求；通過情景分析反映農(nóng)業(yè)用水量，人均GDP，二、三產(chǎn)業(yè)用水效率3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)變化對可承載人口數(shù)量與GDP的影響，結(jié)果顯示農(nóng)業(yè)用水量影響最大。

考慮主體、客體和主客體關(guān)系三層次涉及因素多，未來還需深化研究，進(jìn)一步識別各層次影響因素及其關(guān)系，使方法更科學(xué)合理并便于應(yīng)用。一是承載主體方面，隨著非常規(guī)水利用提升、外調(diào)水增加，可利用水源增加，有必要進(jìn)一步探討其提高承載能力的作用機(jī)制和效果，包括結(jié)合水文隨機(jī)性和供水條件影響下的可利用水量識別分析；二是承載客體方面，應(yīng)進(jìn)一步精準(zhǔn)分析綜合用水效率，目前用水效率只進(jìn)行了二、三產(chǎn)業(yè)的劃分，還較為粗略，可借助大數(shù)據(jù)分析等手段挖掘細(xì)分的行業(yè)用水效率，更真實(shí)反映產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對綜合用水效率的影響；三是在主客體關(guān)系上，可進(jìn)一步研究承載水平的表達(dá)方式，避免單一的人均GDP作為衡量依據(jù)對承載水平反映不夠全面。此外，本研究選擇了農(nóng)業(yè)用水占比大的寧夏作為典型研究區(qū)域，針對其他類型的地區(qū)應(yīng)評價(jià)方法適應(yīng)性，分析改進(jìn)辦法。