基于“量-質(zhì)-域-流”的太原市水資源承載力評價

丁相毅，石小林，凌敏華，王淑麗，張燕燕,栗馮凱

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001；3.華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450046)

受到氣候變暖和人類活動強烈影響，水資源供需失衡、地下水超采、水污染、水生態(tài)損害等問題日益突出，水資源問題已成為制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境健康穩(wěn)定的重要因素[1]。2014年，習(xí)近平總書記提出“城市發(fā)展要堅持以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)的原則”，明確要把水資源作為最大的剛性約束；新時代治水方針中的“空間均衡”就是主要針對水資源承載而言的，要在空間上實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)面臨的水壓力與水資源系統(tǒng)本身的支撐力之間的平衡[2]。因此，進(jìn)行水資源承載力的研究對實現(xiàn)水資源與經(jīng)濟(jì)社會、生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

承載力原為一個物理量，其思想最早起源于古希臘亞里士多德時代，是指物體在不發(fā)生任何破壞時所能承受的最大荷載[3]。1921年P(guān)ark等[4]在有關(guān)的人類生態(tài)學(xué)研究中首次提出了生態(tài)承載力的概念，指某種生物在一定環(huán)境條件下可以存活的最大數(shù)量。至20世紀(jì)70年代，地球環(huán)境惡化、生態(tài)破壞和資源枯竭等問題日益嚴(yán)重，越來越多的學(xué)者將承載力用于資源、環(huán)境、人口、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域，主要研究各類資源或環(huán)境在面臨人類活動影響下的最大承受能力和發(fā)展極限，大量開展了土地承載力、環(huán)境承載力、資源承載力等方面的研究。目前，國外水資源承載力研究相對于國內(nèi)較少，國外的水資源承載力研究大多將其納入可持續(xù)發(fā)展理論中[5]，關(guān)于水資源承載力的概念多以“可利用水量”“水資源供需比”等進(jìn)行定義[6-10]。國內(nèi)關(guān)于水資源承載力的研究始于20世紀(jì)80年代：以中國科學(xué)院新疆課題組對新疆的水資源現(xiàn)狀和潛力評價研究為開端[11]；此后隨著國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，水資源承載力的研究成為資源環(huán)境的熱點研究領(lǐng)域之一，國內(nèi)學(xué)者們圍繞水資源承載力的概念、內(nèi)涵、表征指標(biāo)、評估方法等方面開展了大量研究，并提出了相關(guān)的諸多概念[12-16]、內(nèi)涵[17-18]和方法[16-19,21]?？偟膩碚f，水資源承載力研究范疇大多集中于水資源的水量、水質(zhì)2個維度，對水資源的水域、水流維度涉及較少，隨著生態(tài)文明理念的深入人心和水生態(tài)文明建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，水域、水流等要素對水資源承載力的重要性日益凸顯。

2018年3月，國務(wù)院正式批復(fù)同意太原市以資源型城市轉(zhuǎn)型升級為主題，建設(shè)國家可持續(xù)發(fā)展議程創(chuàng)新示范區(qū)，實施水資源節(jié)約和水環(huán)境重構(gòu)，探索制約可持續(xù)發(fā)展重大問題的系統(tǒng)解決方案。然而太原市是我國典型的資源型城市，人均水資源占有量低、地下水超采歷史欠賬嚴(yán)重、水污染與水生態(tài)破壞嚴(yán)重，水資源問題已成為制約其生態(tài)環(huán)境保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展的重要“瓶頸”。因此，在新時期國家和地方重大實踐需求下，擬以水資源多維承載要素解析為基礎(chǔ)，開展太原市水資源承載力評價研究，以期為太原市資源型城市轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐與決策支持。

1 研究區(qū)概況

太原市是以輸出能源、原材料、礦山機(jī)械產(chǎn)品為主要特征的全國重要能源重化工城市[22]，是山西省的政治、文化、經(jīng)濟(jì)和信息中心，地處山西省中部、晉中盆地北端，華北地區(qū)黃河流域中部，汾河中上游地帶。全市東、西、北三面環(huán)山，中、南部為河谷平原，地形地貌復(fù)雜多樣，境內(nèi)分布有山地、丘陵、平原、谷底和盆地等，其中山地4 528 km2，占總面積的64.79%，丘陵占12.90%；地形北高南低呈簸箕形，海拔最高點和最低點分別為2 670 m和760 m，平均海拔約800 m。受西伯利亞冷空氣和東南海洋濕熱氣團(tuán)的影響，全年光照充足、晝夜溫差大，氣候干燥，降雨少而集中，春季升溫迅速，夏季濕熱多雨，冬季寒冷干燥，干濕季節(jié)分明。2018年全市水資源總量61 539萬m3，其中，地下水資源量45 465萬m3，地表水資源量23 451萬m3，人均水資源量為139.2 m3，遠(yuǎn)低于國際上人均占有量500 m3的極度缺水警戒線，屬于典型的資源型缺水城市。

2 基于“量-質(zhì)-域-流”的區(qū)域水資源承載力評價指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 水資源多維承載要素解析

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和對水資源承載力認(rèn)識的逐步深入，水作為基礎(chǔ)性資源所承載的對象和對水要素利用的方式不斷得到豐富和發(fā)展，水資源要素的利用從早期的取用和消耗水資源量(量)為主，逐步拓展到污染物受納(質(zhì))、水域空間利用(域)、水能資源開發(fā)(流)[23]。因此水資源超載問題也相應(yīng)包括4個方面：水量被過度取用，即地表水和地下水利用超過了水資源的更新能力，一旦人類使用水量(包括跨流域調(diào)水)超出了可更新的水資源量，就會導(dǎo)致該區(qū)域水資源處于超載狀態(tài)，可能引發(fā)地面沉降、海水入侵、水生態(tài)退化等問題；超量排污，即入河污染物超過了水體自凈能力或水功能區(qū)劃水質(zhì)目標(biāo)要求(環(huán)境容量)，導(dǎo)致水體污染、水環(huán)境受損等問題；水域空間被過度開發(fā)和利用，即為滿足城鎮(zhèn)化和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等經(jīng)濟(jì)社會活動發(fā)展需求，過度開發(fā)和利用河湖濕地，導(dǎo)致自然水生態(tài)空間不足、水域生態(tài)系統(tǒng)退化等問題；水能資源被過度開發(fā)，即修建大量水電站，造成自然水文過程被過度擾動或自然流態(tài)被過度阻隔，引發(fā)河流斷流和水生態(tài)系統(tǒng)退化等問題。水量、水質(zhì)是影響區(qū)域水資源承載力大小的承載主體，既受人類活動影響同時也制約人類活動，屬于經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的指標(biāo)類別，而水域、水流是影響區(qū)域水資源承載力大小的主要約束因素，為低影響開發(fā)下生態(tài)健康恢復(fù)主體，屬于生態(tài)環(huán)境健康的指標(biāo)類別[24]。

2.2 水資源承載力評價指標(biāo)體系

水資源承載力評價指標(biāo)體系是基于對水資源承載力內(nèi)涵的客觀認(rèn)識，能從本質(zhì)上反映影響水資源承載力要素的各個具體因素[25]，但是影響水資源承載力要素的具體影響因子眾多，如何選擇少量的指標(biāo)，全面、清晰地表達(dá)水資源承載力尤為重要。本文指標(biāo)體系的構(gòu)建主要分為3個步驟(圖1)：評價指標(biāo)體系的初選;評價指標(biāo)體系的篩選;評價指標(biāo)體系的優(yōu)化。

圖1 區(qū)域水資源承載力評價指標(biāo)體系構(gòu)建流程

評價指標(biāo)體系的初選?；谒Y源多維承載要素基礎(chǔ)解析，初步構(gòu)建水資源承載力評價指標(biāo)體系。其中：水量維度可重點考慮水資源自然稟賦、水資源開發(fā)利用情況、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生活用水水平等；水質(zhì)維度可重點考慮水功能區(qū)納污能力、河湖水質(zhì)現(xiàn)狀、河湖污染物排放情況以及廢污水處理水平等；水域維度可重點考慮水域空間開發(fā)利用現(xiàn)狀以及生物多樣性等；水流維度可重點考慮水系的連通性和水體流動性等。

評價指標(biāo)體系的篩選。在查閱國內(nèi)外有關(guān)水資源承載力評價指標(biāo)體系構(gòu)建文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，采用綜合頻度的統(tǒng)計方法并遵循科學(xué)性與目的性相結(jié)合、完備性與獨立性相結(jié)合、代表性與可操作性相結(jié)合、系統(tǒng)性與層次性相結(jié)合等指標(biāo)選取原則，篩選出常用的評價指標(biāo)，提高評價指標(biāo)的代表性，構(gòu)建應(yīng)用比較成熟的水資源承載力評價指標(biāo)體系。

評價指標(biāo)體系的優(yōu)化。根據(jù)評價區(qū)域的水資源狀況、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況、用水結(jié)構(gòu)和關(guān)系、氣象環(huán)境等實際特征并進(jìn)一步考慮和分析評價指標(biāo)之間的重疊性和獨立性，優(yōu)化區(qū)域水資源承載力評價指標(biāo)體系。太原市降水量少且人均水資源占有量低，引入水在太原市經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水和生態(tài)環(huán)境保護(hù)用水等方面起著至關(guān)重要的作用，因此將“引入水占用水比”和“河流生態(tài)補水比例”分別新增入太原市水量維度和水流維度評價指標(biāo)中；太原市水污染嚴(yán)重，2021年4月生態(tài)環(huán)境部通報了太原市清徐縣水污染嚴(yán)重問題，通報指出穩(wěn)定消除劣Ⅴ類水質(zhì)的目標(biāo)還未達(dá)到，因此將“劣Ⅴ類水質(zhì)占比”新增入太原市水質(zhì)維度評價指標(biāo)中；太原市水土流失嚴(yán)重，山西省地處黃土高原東部的黃河中游，是全國水土流失最為嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境最為脆弱的省份之一，而太原市作為山西省的經(jīng)濟(jì)、政治、文化發(fā)展的中心，城市化進(jìn)程不斷加快，采礦、修路、垃圾排放等進(jìn)一步加劇了太原市水土流失，因此將“水土流失治理率”新增入太原市水域維度評價指標(biāo)中。

基于上述步驟，構(gòu)建基于“量-質(zhì)-域-流”的太原市水資源承載力評價指標(biāo)體系，見表1。

表1 基于“量-質(zhì)-域-流”的太原市水資源承載力評價指標(biāo)體系

表1 (續(xù))

3 基于SIM-P法的水資源承載力評估模型構(gòu)建

水資源承載力評價計算引用左其亭教授[26]提出的“單指標(biāo)量化-多指標(biāo)綜合-多準(zhǔn)則集成”量化方法(SMI-P法)，該方法廣泛應(yīng)用于水資源承載力評價計算且得到了科學(xué)的評價結(jié)果[27-30]。

3.1 單指標(biāo)量化

由于水資源承載力評價指標(biāo)的量綱不完全相同，為方便計算和對比分析，通過分段線性隸屬函數(shù)μk(x)=fk(x)(五節(jié)點隸屬函數(shù)描述法)，將各指標(biāo)值統(tǒng)一映射到[0,1]上，得到各評價指標(biāo)水資源承載力指數(shù)[31]。正向指標(biāo)和逆向指標(biāo)的水資源承載力指數(shù)計算表達(dá)式分別為

(1)

(2)

式中：μk為第k個指標(biāo)的水資源承載力指數(shù)，k=1，2，…，n，n為評價指標(biāo)個數(shù)；ak、bk、ck、dk、ek分別為指標(biāo)k的特征節(jié)點值，分別表示指標(biāo)的最差值、較差值、及格值、較優(yōu)值和最優(yōu)值；xk表示第k個指標(biāo)的實際值。

3.2 多指標(biāo)綜合與多準(zhǔn)則集成

多指標(biāo)綜合。根據(jù)各準(zhǔn)則層評價指標(biāo)的水資源承載力指數(shù)，綜合得到各準(zhǔn)則層水資源承載力指數(shù)Et，即各維度層水資源承載力指數(shù)，計算公式為

(3)

多準(zhǔn)則集成。根據(jù)準(zhǔn)則層水資源承載力指數(shù)，按照權(quán)重加權(quán)平均計算，集成得到目標(biāo)層的水資源力承載指數(shù)，計算公式為

(4)

3.3 權(quán)重確定

科學(xué)合理地確定評價指標(biāo)權(quán)重對于水資源承載力評價結(jié)果具有至關(guān)重要的作用。統(tǒng)籌考慮主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法的優(yōu)勢，采用主客組合賦權(quán)法綜合確定評價指標(biāo)權(quán)重。其中，主觀賦權(quán)法采用層次分析法，客觀賦權(quán)法采用熵權(quán)法。由于篇幅限制，層次分析法和熵權(quán)法計算步驟和組合權(quán)重計算公式可參考文獻(xiàn)[25]。

3.4 評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

水資源承載力等級劃分是確定水資源承載力評價結(jié)果的重要步驟，根據(jù)SMI-P評價方法可知，水資源承載力評價結(jié)果均為0～1，且由五節(jié)點隸屬函數(shù)描述方法可知，0、0.3、0.6、0.8、1.0是其評價結(jié)果中的重要節(jié)點，結(jié)合以上參數(shù)的特征，參考國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者[26,32,34-35]對水資源承載力評價等級的劃分情況，根據(jù)水資源承載力指數(shù)，對水資源承載力等級進(jìn)行了劃分，見表2。

表2 水資源承載力等級劃分

4 太原市水資源承載力評價

4.1 數(shù)據(jù)來源

太原市水資源承載力評價基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的主要來源包括：《太原統(tǒng)計年鑒》《中國水利統(tǒng)計年鑒》《中華人民共和國水文年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》《中國城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》等統(tǒng)計資料；《太原市水資源公報》《太原市環(huán)境狀況公報》《山西省水資源公報》《太原市地表水環(huán)境監(jiān)測年報》等公報資料；《太原市土地利用總體規(guī)劃》《太原市生物多樣性和濕地保護(hù)規(guī)劃》《太原市生物多樣性調(diào)查報告》《太原市濕地資源調(diào)查報告》，以及全國一次和二次濕地調(diào)查成果等規(guī)劃調(diào)查資料和太原市高清衛(wèi)星影像、太原市大水網(wǎng)工程圖等。

4.2 太原市水資源承載力評價指標(biāo)特征節(jié)點值確定

水資源承載力評價指標(biāo)特征節(jié)點值(評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值)確定是水資源承載力評價中的重要內(nèi)容。參考國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)研究成果[20,35-37]、國家以及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、水利相關(guān)規(guī)劃等，結(jié)合太原市自身的水資源狀況、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況、氣象環(huán)境等實際特征，綜合確定太原市水資源承載力評價指標(biāo)特征節(jié)點值，見表3。

表3 太原市水資源承載力評價指標(biāo)特征節(jié)點值

4.3 評價結(jié)果與分析

利用太原市水資源承載力評價指標(biāo)特征節(jié)點值(表3)，將2009—2018年太原市評價指標(biāo)數(shù)據(jù)代入基于SMI-P法的水資源承載力評估模型，計算得到2009—2018年太原市水資源承載力指數(shù)，并依據(jù)第2.4節(jié)水資源承載力等級劃分結(jié)果(表2)確定太原市水資源承載力狀態(tài)。2009—2018年太原市水資源承載力評價結(jié)果見表4，2009—2018年太原市水資源承載力變化趨勢見圖2。

表4 2009—2018年太原市水資源承載力評價結(jié)果

圖2 太原市水資源承載力變化趨勢

4.3.1水量維度承載力評價

從表4可以看出，2009—2015年太原市水量維度承載狀態(tài)為超載，2016—2018年為臨界超載。這說明太原市水量維度承載力整體狀況有所改善，但是用水形勢仍然較為緊張。太原市水量維度臨界超載的主要原因分析如下：太原市是全國重要的重能源化工城市，大規(guī)模的能源開發(fā)和機(jī)械化工生產(chǎn)導(dǎo)致需水量急劇增長和水體污染嚴(yán)重，由于地表水資源短缺，只能長期超采地下水，造成地下水水位下降、泉水?dāng)嗔?、地面沉降等一系列環(huán)境和地質(zhì)問題；為緩解太原市缺水形勢，2003年10月引黃一期工程正式向太原供水，與此同時太原市政府啟動城區(qū)關(guān)井壓采，近年來日供水量穩(wěn)定在26萬m3左右，引入水占總用水量的比例提升至15.4%，地下水開采系數(shù)降至0.63，有力保障了太原市生活、生產(chǎn)用水需求，對支撐太原市經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)生態(tài)環(huán)境起到了十分重要的作用；此外，太原市大力推進(jìn)節(jié)水型農(nóng)業(yè)建設(shè)，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提升至0.56，提升了農(nóng)業(yè)節(jié)水水平。

從圖2可以看出，太原市水量維度承載力指數(shù)總體上呈波動上升趨勢，其中2009—2015年波動較為劇烈，2011年急劇上升，2015年下降幅度較大，2016—2018年呈緩慢上升的狀態(tài)。分析影響太原市水量維度承載力的因素，總結(jié)造成該現(xiàn)象的主要原因如下：2011年太原市降水量達(dá)到634 mm，比太原市多年平均降水量498.05 mm(1956—2018年)多27.3%，水資源數(shù)量增加，水量維度承載力增大；2015年太原市降水偏少，只有452.7 mm，比太原市多年平均降水量低10%，水資源數(shù)量減少且該年萬元工業(yè)增加值用水量38.24 m3/萬元，高于太原市歷年萬元工業(yè)增加值用水量，用水負(fù)荷增大，從而導(dǎo)致水量維度承載力降低。

4.3.2水質(zhì)維度承載力評價

2009—2018年，太原市水質(zhì)維度承載力指數(shù)在2009年最小，僅為0.121 1，2018年最大，為0.444 0，太原市水質(zhì)維度承載狀態(tài)由嚴(yán)重超載變?yōu)槌d。這說明太原市水質(zhì)承載狀況整體上有所好轉(zhuǎn)，但是水質(zhì)維度承載力指數(shù)仍然較低，且目前水質(zhì)維度仍處于超載狀態(tài)，太原市水污染治理工作未來仍需加大力度。太原市水質(zhì)維度超載的主要原因分析如下：2018年，汾河太原段水質(zhì)為重度污染，主要超標(biāo)污染物為氨氮、總磷和五日生化需氧量，國家和山西省考核的9個地表水例行監(jiān)測斷面中，市區(qū)汾河祥云橋下游河段的小店橋、溫南社、韓武村(國家考核斷面)3個斷面及清徐縣白石南河出境美錦橋斷面常年為劣Ⅴ類水質(zhì)，與國家和山西省的要求相比，還有很大差距，汾河水污染治理面臨的形勢異常嚴(yán)峻；太原市水污染歷史欠賬嚴(yán)重，太原市水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率常年處于73%左右，劣Ⅴ類水質(zhì)占比常年處于44%左右，距離完成消除劣Ⅴ類斷面約束性指標(biāo)的任務(wù)還很艱巨；此外，水污染治理重點工程進(jìn)度緩慢，不能如期發(fā)揮治污作用，嚴(yán)重影響汾河水質(zhì)改善進(jìn)度，特別是城鎮(zhèn)生活污水處理能力不足、管網(wǎng)不健全、雨污不分流等問題突出。

從圖2可以看出，太原市水質(zhì)維度承載力指數(shù)總體呈上升趨勢，2009—2011年、2011—2013年水質(zhì)維度承載力指數(shù)增速較大，2013—2018年水質(zhì)維度承載力指數(shù)增速變緩。分析影響太原市水質(zhì)維度承載力的因素，總結(jié)造成該現(xiàn)象的主要原因如下：2011年水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率由2009年的50%提高到62.5%，2013年水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率由2011年的62.5%提高到75%，水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率短期內(nèi)得到較大幅度提高，快速提升了太原市水質(zhì)維度的承載能力；2013—2018年水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為70%～75%，劣Ⅴ類水質(zhì)占比也始終保持在44%，污水處理率逐年提高，人均氨氮和COD排放量逐年減少，2013—2018年太原市水質(zhì)維度承載能力緩慢提升。

4.3.3水域維度承載力評價

2009—2018年，太原市水域維度承載力指數(shù)在2009年最小，僅為0.219 2，2018年最大，為0.374 6，太原市水域維度承載狀態(tài)由嚴(yán)重超載變?yōu)槌d，說明太原市水域承載狀況整體上有所好轉(zhuǎn)，但水域維度承載力指數(shù)仍然較低，且目前水域維度仍處于超載狀態(tài)，太原市水域空間被不合理侵占、河湖濕地退化以及水土流失等現(xiàn)象仍然嚴(yán)重，水生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作未來仍需持續(xù)加大力度。太原市水域維度超載的主要原因分析如下：2018年太原市水資源開發(fā)利用率(不含引入水量)為127.11%，地表水資源開發(fā)利用率為177.79%，水資源利用效率只有57.50%，太原市水資源被過度開發(fā)利用，經(jīng)濟(jì)生活用水大量擠占城市環(huán)境用水；河道防洪堤防工程大面積壓縮河道寬度，汾河寬度由歷史上的2～3 km壓縮至250～300 m，將歷史上的水域、濕地變?yōu)榱继?，河道兩岸的灘涂地被大量開發(fā)、利用，導(dǎo)致兩側(cè)的水域濕地面積不足，水生態(tài)嚴(yán)重破壞[39]；水土流失依然較為嚴(yán)重，雖然目前太原市綜合治理水土流失面積已超過30萬hm2，水土流失治理率達(dá)到65%，但雨季行洪時，各邊山溝道的洪水依然嚴(yán)重渾濁，邊山支河數(shù)座緩洪池塘壩嚴(yán)重淤積，說明太原市水土流失現(xiàn)象依然較為嚴(yán)重，而且礦產(chǎn)資源不合理開發(fā)與棄渣亂堆亂放加劇了水土流失。

從圖2可以看出，2009—2018年太原市水域維度承載力指數(shù)總體上呈上升趨勢，2018年增幅較大。2018年太原市水域維度承載力變化較大的主要原因是水土流失治理力度加大，水土流失治理率由2017年的55%提高到了65%。

4.3.4水流維度承載力評價

2009—2018年,太原市水流維度承載力指數(shù)在2010年最小，僅為0.286 5,2018年最大，為0.507 0，太原市水流維度承載狀態(tài)由超載變?yōu)榕R界超載。盡管太原市水流維度承載狀況有所改善，但是只有2018年水流維度承載力指數(shù)大于0.5，說明太原市河流生態(tài)狀況仍然十分脆弱，仍需加大力度持續(xù)推進(jìn)河流生態(tài)保護(hù)、治理和補水等工作。太原市水流維度臨界超載的主要原因分析如下：太原市降水量減少，導(dǎo)致河道產(chǎn)流減少，相關(guān)研究結(jié)果顯示太原市年降水量呈下降趨勢，氣溫總體呈上升趨勢，干旱化趨勢明顯[40]；汾河生態(tài)補水機(jī)制不夠完善，致使位于太原市上游的汾河水質(zhì)考核斷面時常處于斷流或低流量狀態(tài)，而且汾河流域水庫、閘壩等擋水建筑物影響導(dǎo)致每年只有60%河道面積只在汛期短期過流，過流時間一般不超過20 d；地下水水位下降致使泉水出流量減少，其中，太原市玄泉寺泉及蘭村泉群于1988年斷流，晉祠泉于1994年斷流，進(jìn)一步加劇了降雨產(chǎn)流的衰減形勢；2008年太原市實施汾河清水復(fù)流、調(diào)引客水進(jìn)行生態(tài)補水，補水措施一直持續(xù)到2018年萬家寨引黃供水向汾河補水1億m3后，水生態(tài)效益才逐漸顯現(xiàn)，基本實現(xiàn)了汾河全年不斷流。

從圖2可以看出，2009—2018年太原市水流維度承載力指數(shù)總體上呈波動上升趨勢，2018年太原市水流維度承載力指數(shù)增幅較大，從2017年的0.375 1上升到0.507 0。分析影響太原市水流維度承載力的因素，主要原因如下：2018年太原市河流不斷流率與河流生態(tài)補水比例均增加，河流不斷流率從2017年的75.62%提高到83.01%，從較差值水平上升到及格值；河流生態(tài)補水比例從2017年的1.93%提高到2.02%，從及格值水平上升到較優(yōu)值。2009—2017年太原市水流維度承載力指數(shù)大部分為0.34～0.37，主要原因是太原市地下水超采歷史欠賬嚴(yán)重，地下水回升緩慢，地表水補水初期大部分滲漏地下，直到2018年生態(tài)補水的生態(tài)效益才開始顯現(xiàn)，太原市汾河段基本實現(xiàn)全年不斷流。

4.3.5水資源承載力綜合評價

2009—2018年，太原市水資源綜合承載力指數(shù)2009年最小，僅為0.251 1，2018年最大，為0.478 9，太原市水資源綜合承載狀態(tài)皆為超載。從圖2可以看出，太原市水資源承載力指數(shù)呈上升趨勢，其中2011年水資源綜合承載力指數(shù)上升幅度較大，主要原因是2011年太原市降水量偏豐，水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率增大，導(dǎo)致太原市水資源綜合承載力指數(shù)上升。

從1998年開始，山西省實施了4次汾河太原段綜合治理美化工程，4次工程同時都兼顧了污水治理和綠化美化工程的建設(shè)，但每一次綜合治理工程建設(shè)的主要任務(wù)又有所不同：汾河太原段綜合治理美化工程一期主要集中在蓄水工程建設(shè)，二期主要集中在防洪排澇工程建設(shè)，三期主要集中在水土保持工程建設(shè)，四期主要集中在汾河生態(tài)補水工程建設(shè)。經(jīng)過4次綜合治理，汾河太原段的生態(tài)環(huán)境有了極大的改善，太原市水資源承載力逐年提升，其中水量和水流維度承載狀態(tài)已經(jīng)達(dá)到了臨界超載。盡管如此，太原市水資源綜合承載力仍然處于超載狀態(tài)，尤其是水質(zhì)和水域維度承載力仍然處于超載狀態(tài)，說明太原市生態(tài)環(huán)境問題仍未得到根本性好轉(zhuǎn)，太原市資源約束緊張、生態(tài)功能退化、環(huán)境承載力低等發(fā)展不協(xié)調(diào)、不可持續(xù)問題仍比較突出，未來太原市生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作應(yīng)主要集中在污水治理、濕地修復(fù)、水土流失治理等方面。

5 討論與結(jié)論

5.1 討 論

查閱國內(nèi)外關(guān)于太原市水資源承載力評價的相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，共有3篇文獻(xiàn)與本研究較為接近，分別是：2021年程芳芳[41]利用主成分分析法對2009—2018年太原市水資源承載力變化趨勢進(jìn)行了研究，得出太原市水資源承載力整體呈現(xiàn)波動下降的趨勢；2018年李茜茜等[42]利用主成分分析法對2007—2014年太原市水資源承載力變化趨勢進(jìn)行了研究，得出太原市水資源承載力整體呈現(xiàn)波動上升的趨勢；2015年尤龍鳳[43]利用平均污染指數(shù)法對2004—2013年太原市水質(zhì)變化趨勢進(jìn)行了研究，得出太原市水質(zhì)污染程度呈下降趨勢，但水質(zhì)污染仍然嚴(yán)重。從前述3篇文獻(xiàn)的結(jié)論可以看出，尤龍鳳的研究與本文研究結(jié)論相同，而程芳芳與李茜茜等的研究結(jié)論則完全相反，筆者認(rèn)為其原因可能有3點：其一，主成分分析法適用條件要求指標(biāo)之間有較強的相關(guān)性(一般假設(shè)為線性關(guān)系)和嚴(yán)格的合理性，如果指標(biāo)之間的關(guān)系并非為線性關(guān)系或者指標(biāo)構(gòu)建沒有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)，那么就有可能導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差；其二，針對評價問題，提取的主成分必須能夠給出符合實際的背景和意義解釋，否則提取的主成分空有信息量而沒有實際含義，這樣的主成分是沒有意義的；其三，主成分分析法采用的權(quán)重計算方法為客觀賦權(quán)法，其缺點是賦權(quán)機(jī)制完全依賴評價指標(biāo)的信息量數(shù)據(jù)，無法體現(xiàn)專家意見，導(dǎo)致賦權(quán)結(jié)果有時與實際情況相差較大。綜合以上3點原因，導(dǎo)致程芳芳和李茜茜等作者對于太原市水資源承載力評價結(jié)果出現(xiàn)相反的結(jié)論。與這2篇文章不同，本研究中太原市水資源承載力評價指標(biāo)的構(gòu)建是以水資源多維承載要素解析等理論分析為基礎(chǔ)進(jìn)行的，指標(biāo)初選有強有力的理論作為支撐，最終的評價指標(biāo)體系在經(jīng)過篩選的同時也進(jìn)行了優(yōu)化，整個評價指標(biāo)體系構(gòu)建過程擁有強有力的理論支撐和嚴(yán)密的邏輯；本研究中權(quán)重的計算方法采用的是主客組合賦權(quán)法，指標(biāo)權(quán)重的確定更加科學(xué)合理；此外，本研究不僅對太原市水資源承載力變化趨勢進(jìn)行了研究，而且首次對太原市水資源承載狀態(tài)進(jìn)行了較為全面的評價和分析。實際上，從1998年開始，山西省先后實施了4次汾河太原段綜合治理美化工程，在2003年太原市更是實現(xiàn)了引黃供水，這些措施使得太原市水資源狀況得到了明顯改善，水資源承載力整體呈上升趨勢，本文的評價結(jié)果與實際情況也是相符的。

5.2 結(jié) 論

以太原市為研究區(qū)域，基于“量-質(zhì)-域-流”4個維度構(gòu)建水資源承載力評價指標(biāo)體系，采用基于SMI-P的水資源承載力評價模型，評價太原市水資源承載力，分析影響太原市各維度水資源承載力指數(shù)變化以及臨界超載/超載的原因，明確目前太原市水資源存在的問題及其未來水生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的方向。評價結(jié)果表明：2009—2018年太原市水資源綜合承載力處于超載狀態(tài)；從水資源量、質(zhì)、域、流4個維度來看，各維度承載力指數(shù)均呈上升趨勢，其中，水量維度承載狀態(tài)由超載變?yōu)榕R界超載，水質(zhì)維度承載狀態(tài)由嚴(yán)重超載變?yōu)槌d，水域維度承載狀態(tài)由嚴(yán)重超載變?yōu)槌d，水流維度承載狀態(tài)由超載變?yōu)榕R界超載；盡管太原市水資源問題在不斷改善，但太原市水污染治理、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)、緩解用水矛盾和提高用水效率等任務(wù)仍十分艱巨，水生態(tài)環(huán)境問題也仍未得到根本性好轉(zhuǎn)，太原市資源約束緊張、生態(tài)功能退化、環(huán)境承載力低等發(fā)展不協(xié)調(diào)、不可持續(xù)問題仍比較突出；未來太原市水生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作應(yīng)主要集中在污水治理、濕地修復(fù)、水土流失治理等方面，即主要提高太原市水質(zhì)和水域維度承載力。