尹杰杰，崔遠(yuǎn)來，劉 博，劉方平，許亞群

(1. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.水利部淮河水利委員會，安徽 蚌埠 233000；3. 江西省灌溉試驗(yàn)中心站，南昌 330201)

20世紀(jì)90年代以來，隨著水資源短缺與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾的不斷加劇，水資源承載力的研究成為我國水資源科學(xué)研究的一個(gè)重點(diǎn)和熱點(diǎn)，具體的研究方法主要有以下幾種：①模糊綜合評價(jià)法；②主成分分析法；③多目標(biāo)分析法；④系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法[1]。水資源承載力的研究涉及水資源系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的方方面面，各個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間以及系統(tǒng)之間相互聯(lián)系、相互制約，是一個(gè)典型的復(fù)雜系統(tǒng)問題[2]，僅用簡單的指標(biāo)或數(shù)學(xué)模型來刻畫顯得過于單薄。多目標(biāo)分析法將水資源承載力的研究對象分為若干個(gè)子模塊，并分別對各個(gè)子模塊的發(fā)展變化和需水情況進(jìn)行單獨(dú)預(yù)測，然后以各個(gè)子模塊中的變量為紐帶建立多目標(biāo)函數(shù)，以維護(hù)生態(tài)、環(huán)境質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展原則為約束條件，將水資源在各個(gè)子模塊中進(jìn)行優(yōu)化配置和平衡分析，最終求得水資源承載力[3]。灌區(qū)一般以農(nóng)業(yè)灌溉供水為主，但大部分灌區(qū)同時(shí)具有工業(yè)、城鎮(zhèn)生活及生態(tài)環(huán)境供水的需求，因此，灌區(qū)水資源承載能力研究是一個(gè)典型的多目標(biāo)問題。本文以江西省贛撫平原灌區(qū)為例，采用多目標(biāo)模型進(jìn)行灌區(qū)水資源承載力研究。

贛撫平原灌區(qū)位于江西省中部偏北的贛江和撫河下游三角洲地帶，灌區(qū)總面積約2 000 km2，耕地面積13.3 萬hm2，設(shè)計(jì)灌溉面積8 萬hm2，是江西省糧食主要產(chǎn)區(qū)。除灌溉功能外，灌區(qū)還兼有防洪排澇、航運(yùn)、發(fā)電、養(yǎng)殖以及城市供水等多種功能。灌區(qū)供水分為東、西總干，均從撫河引水，年平均引水總量約26.03 億m3(未計(jì)張王廟水電站年均發(fā)電用水量10.80 億m3)；從2005年開始，江西省開始大力推進(jìn)全省的初始水權(quán)分配工作，《江西省人民政府關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)施意見》“贛府發(fā)[2012]29號”文件規(guī)定，撫河流域分配給贛撫平原灌區(qū)的地表水量為10.08 億m3，供水量大幅度減小，灌區(qū)內(nèi)不可避免的會出現(xiàn)水資源短缺的危機(jī)。在此背景下，研究灌區(qū)水資源對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的承載力以及水資源在各行業(yè)之間的優(yōu)化配置，對于合理地調(diào)整經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展規(guī)模，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式具有十分重要的意義。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 決策變量

灌區(qū)水資源承載力多目標(biāo)優(yōu)化模型中決策變量分為3類，經(jīng)濟(jì)方面有農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量、生活用水量、生態(tài)用水量；糧食方面有灌溉面積；人口方面有農(nóng)村人口、城鎮(zhèn)人口。

1.2 目標(biāo)函數(shù)

考慮到水資源承載力是一個(gè)多目標(biāo)、多效益、多矛盾的復(fù)雜系統(tǒng)，目標(biāo)的選取既要反映各因素之間的內(nèi)部聯(lián)系和依賴關(guān)系，又要數(shù)量適宜，避免模型規(guī)模過于龐大[1]。本文綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會、生態(tài)等各方面的因素，依照可持續(xù)發(fā)展的原則選取水資源綜合利用效益，人口數(shù)量，人均糧食產(chǎn)量，污水負(fù)荷量四個(gè)目標(biāo)。以上目標(biāo)之間錯(cuò)綜復(fù)雜，甚至相互矛盾，只能追求整體結(jié)果最優(yōu)，而不是單個(gè)目標(biāo)的最優(yōu)化。模型的目標(biāo)函數(shù)如下：

(1)水資源承載的綜合效益最大目標(biāo)：

(1)

式中：i為不同用水部門，i=1、2、3、4分別表示農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)環(huán)境；n為用水部門總數(shù)，即n=4個(gè)；Xi為現(xiàn)狀年或規(guī)劃年第i部門的用水量，m3；Vi為現(xiàn)狀年或規(guī)劃年第i部門的單方耗水產(chǎn)值，元/ m3。

當(dāng)前對各行業(yè)用水價(jià)值的量化過于側(cè)重經(jīng)濟(jì)用水的價(jià)值，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)用水大幅擠占生態(tài)和生活用水，引起一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，只有合理的量化生態(tài)用水和生活用水的價(jià)值，尋找各行業(yè)之間用水的平衡，才能真正地實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的雙贏。因此，本文對贛撫平原灌區(qū)生活用水和生態(tài)環(huán)境用水的價(jià)值進(jìn)行量化，以期達(dá)到用水效益的綜合最優(yōu)。生活用水價(jià)值按照勞動(dòng)力恢復(fù)所需的各類生活資料的貢獻(xiàn)率計(jì)算[4]；贛撫平原灌區(qū)河湖濕地用水量占到生態(tài)環(huán)境用水總量的95%以上，河湖濕地服務(wù)功能價(jià)值包括調(diào)節(jié)氣溫、涵養(yǎng)水源、調(diào)蓄洪水、保護(hù)土壤、固定CO2、釋放O2、稀釋納污、生物棲息地等，根據(jù)灌區(qū)實(shí)際情況，參考以往生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)服務(wù)功能可能產(chǎn)生的效益研究資料得到灌區(qū)生態(tài)環(huán)境用水功能價(jià)值[5-7]，見表1。

表1 贛撫平原灌區(qū)生態(tài)環(huán)境用水功能價(jià)值

(2)水資源承載的糧食產(chǎn)量最大目標(biāo)：

f2(x)=maxαXArea

(2)

式中：α為現(xiàn)狀年或規(guī)劃年單位面積糧食產(chǎn)量，kg/hm2；XArea為現(xiàn)狀年或規(guī)劃年農(nóng)田有效灌溉面積，hm2。

(3)水資源承載的人口最多目標(biāo)：

f3(x)=max(Xpopn+Xpopc)

(3)

式中：Xpopn為城鎮(zhèn)人口；Xpopc為農(nóng)村人口。

(4)污水排放量COD最小目標(biāo)：

(4)

式中：βi為各部門用水COD產(chǎn)生系數(shù)， g/m3。

1.3 約束方程

(1)水量平衡約束。

XWY=X1+X2+X3+X4≤XWG

(5)

式中：XWY為各部門用水量之和；XWG為供水量。

(2)灌溉面積約束。

Xarea≤Aarea

(6)

式中：Aarea為農(nóng)田設(shè)計(jì)灌溉面積，hm2。

(3)部門供水量約束。各用水部門的供水量應(yīng)該控制在一個(gè)可接受的上下限范圍內(nèi)。

Ximin≤Xi≤Ximax

(7)

式中：Ximin、Ximax分別為第i個(gè)用水部門可接受的最大、最小供水量，數(shù)值選取綜合考慮灌區(qū)用水現(xiàn)狀并參考以往文獻(xiàn)中水資源配置配水規(guī)則矩陣[8]。

(4)人均糧食占用量約束。贛撫平原灌區(qū)作為大型灌區(qū)，首先應(yīng)該保證灌區(qū)糧食能夠滿足自給的要求。

α*XArea/(Xpopn+Xpopc)≥Ft0

(8)

式中：Ft0為研究區(qū)第t規(guī)劃水平年人均糧食占有量的最低要求[9,10]。

(5)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展約束。

(9)

式中：μ1(σ1)、μ2(σ2) 分別表示水資源利用與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)度，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境改善的協(xié)調(diào)度；μ、μ*分別表示流域協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)與其可接受值。贛撫平原灌區(qū)協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)可接受值取為0.8[11]。

σ1為所有用水部門供水量之和與需水量之和的比，即：

σ1=XWG/XWX

(11)

σ2為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境改善程度的比值，計(jì)算公式為：

(12)

μ2(σ2)=exp[-4(σ2-σ*2)2]

(13)

式中：XWX為按常規(guī)趨勢法預(yù)測的灌區(qū)需水量，m3；σ*1為區(qū)域水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最佳比值，本文取為1.0；σ*2為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境改善程度的最佳比值，本文取為1.0；E0、E分別為基準(zhǔn)年、規(guī)劃年的經(jīng)濟(jì)學(xué)指標(biāo)(本文選人均GDP)；f0、f分別為基準(zhǔn)年、規(guī)劃年的重要污染物排放量(本文選COD)[12]。

(6)非負(fù)約束。

X(i)≥0

(14)

1.4 模型求解

本文采取尋找距理想點(diǎn)最近的可行解的方法對目標(biāo)決策模型進(jìn)行求解。這樣原多目標(biāo)規(guī)劃問題就可以轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)規(guī)劃問題，見式(15)。

(15)

式中：f*i(x)分別為單目標(biāo)規(guī)劃maxf1(x)，maxf2(x)，maxf3(x)，minf4(x)得到的各個(gè)目標(biāo)的理想值；λi為第i目標(biāo)的權(quán)重，它是政策、法規(guī)和人們偏好等行為因素的反應(yīng)[13]。本文根據(jù)贛撫平原灌區(qū)的實(shí)際情況，對農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)比重分別取為0.3，0.2，0.3，0.2。

2 結(jié)果及分析

2.1 情景擬定

現(xiàn)狀年贛撫平原灌區(qū)的農(nóng)業(yè)用水量為9.74 億m3，占總用水量的70%以上，因此加大農(nóng)業(yè)節(jié)水力度，進(jìn)行農(nóng)業(yè)用水優(yōu)化配置，是提高水資源承載力的主要措施。贛撫平原灌區(qū)水資源承載力計(jì)算設(shè)置2種方案。

方案一：以國家發(fā)展戰(zhàn)略為依據(jù)，結(jié)合贛撫平原灌區(qū)的發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃，預(yù)測灌區(qū)規(guī)劃年的社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，根據(jù)這些指標(biāo)進(jìn)行用水總量控制下水資源承載力的計(jì)算。

方案二：以方案一為基礎(chǔ)，同時(shí)進(jìn)行農(nóng)業(yè)用水優(yōu)化配置，求得農(nóng)業(yè)用水優(yōu)化配置方案下水資源的承載力。在農(nóng)業(yè)用水優(yōu)化配置方案中，由于灌區(qū)油菜、豆類、蔬果等旱作物的種植比例較小，灌溉定額也較小，優(yōu)化配置效果不明顯。因此，只考慮灌區(qū)早、中、晚稻用水的優(yōu)化配置。經(jīng)過優(yōu)化配置后，現(xiàn)狀年當(dāng)達(dá)到水稻豐產(chǎn)產(chǎn)值的99%時(shí)，農(nóng)業(yè)綜合凈灌溉定額為320.51 m3/畝，僅為現(xiàn)狀灌溉用水定額的78.7%。

2.2 多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

將前面的多目標(biāo)模型用matlab軟件編程求解，得到2種方案下不同水平年綜合目標(biāo)及相應(yīng)決策變量優(yōu)化結(jié)果見表2。

表2 贛撫平原灌區(qū)水資源承載力決策變量優(yōu)化結(jié)果

2.3 結(jié)果分析

(1)相對承載指數(shù)比較。為了能清晰、簡明的反映贛撫平原灌區(qū)水資源對人口、社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的主要承載能力，本文選取效益承載指數(shù)、人口承載指數(shù)、灌溉面積承載指數(shù)、生態(tài)環(huán)境承載指數(shù)以及綜合承載指數(shù)作為具體指標(biāo)[14,15]，其計(jì)算公式為：

(16)

式中：CCP為按社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢預(yù)測的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值、人口、灌溉面積、生態(tài)環(huán)境用水量；CCS為按多目標(biāo)優(yōu)化模型計(jì)算的水資源可承載的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值、人口、灌溉面積、生態(tài)環(huán)境用水量。綜合承載指數(shù)為4個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的加權(quán)平均數(shù)[15]，結(jié)果見表3。

表3 贛撫平原灌區(qū)水資源相對承載指數(shù)

① 2013年，方案一和方案二綜合承載指數(shù)均大于1，表明在現(xiàn)狀開發(fā)利用水平下，當(dāng)?shù)厝丝?、社會?jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的發(fā)展規(guī)模未達(dá)到水資源可支撐的最大容量，還有很大的提升空間。2020年、2030年，綜合承載指數(shù)均小于1，表明該區(qū)存在著水資源短缺的危機(jī)，當(dāng)?shù)厮Y源不足以支撐經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。

②方案一中，水資源相對承載指數(shù)隨著不同規(guī)劃年的變化趨勢是先有大幅下降，然后在遠(yuǎn)期規(guī)劃年有小幅上升。原因是現(xiàn)狀年撫河供水充沛，灌區(qū)從撫河引水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)狀發(fā)展水平下的需水量，該地水資源對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展有充分的保障；而規(guī)劃年實(shí)行取水總量控制，撫河供水量分配指標(biāo)驟減，灌區(qū)需水量大于供水量，根據(jù)以供定需原則，需要壓縮各用水戶的供水量，水資源對各用水戶的承載規(guī)模必將減小。2030年各指數(shù)均略高于2020年，主要原因?yàn)?030年農(nóng)業(yè)用水大幅度減少，彌補(bǔ)了生活用水和工業(yè)用水穩(wěn)定上升帶來的增量，缺水情形有所緩解。

方案二中，水資源承載力綜合承載指數(shù)隨著不同規(guī)劃年的變化趨勢是先有大幅下降，然后在遠(yuǎn)期規(guī)劃年基本保持不變。原因是農(nóng)業(yè)用水優(yōu)化配置情形下，2020年和2030年，缺水率分別為11.3%和10.8%，缺水程度差別非常小，其對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展規(guī)模的限制程度基本相當(dāng)。

③方案二中各指數(shù)均高于方案一中對應(yīng)的數(shù)值，2013年、2020年和2030年水資源承載力綜合承載指數(shù)分別提高了9.3%、8.3%和5.0%，增長幅度較大，表明農(nóng)業(yè)用水優(yōu)化配置對于提高水資源承載力效果顯著。

④規(guī)劃年和基準(zhǔn)年相比，效益承載指數(shù)驟減。分析原因?yàn)?，灌區(qū)內(nèi)基準(zhǔn)年用水量不足供水量的50%，在滿足模型約束條件后，水資源向效益產(chǎn)值最高的工業(yè)生產(chǎn)傾斜。

(2)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)比較。根據(jù)式(9)～式(13)可以得到，兩種方案下近期規(guī)劃年和遠(yuǎn)期規(guī)劃年區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)，見表4。

表4 不同方案下贛撫平原灌區(qū)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)

從表4可以看出，方案一中，兩個(gè)規(guī)劃年灌區(qū)水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)度均較差，而經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)度均達(dá)到了1，整個(gè)區(qū)域水資源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的協(xié)調(diào)度一般。原因是規(guī)劃年灌區(qū)供水量分配指標(biāo)減少，限制了水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)度的提高。方案二中，3個(gè)參數(shù)數(shù)值均達(dá)到了0.99以上，區(qū)域水資源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的協(xié)調(diào)度很好，但區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)的提高是建立在提高農(nóng)業(yè)用水效率及控制污染物排放的基礎(chǔ)上，因此要保持經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的和諧發(fā)展，一定要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水效率提高及污染物控制的目標(biāo)。

3 結(jié) 論

(1)將水資源系統(tǒng)與社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)作為一個(gè)綜合體構(gòu)建灌區(qū)水資源承載力多目標(biāo)優(yōu)化模型，同時(shí)考慮用水總量控制的指標(biāo)要求，計(jì)算出常規(guī)發(fā)展和農(nóng)業(yè)用水優(yōu)化配置兩種情景下水資源可支撐的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模，并運(yùn)用水資源承載指數(shù)和區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)，有效描述了贛撫平原灌區(qū)水資源承載狀態(tài)和承載潛力。

(2)現(xiàn)狀供水條件下，贛撫平原灌區(qū)供水量遠(yuǎn)大于用水量，當(dāng)?shù)厝丝凇⑸鐣?jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的發(fā)展規(guī)模未達(dá)到水資源可支撐的最大容量，水資源承載能力沒有得到充分發(fā)揮。用水總量指標(biāo)控制條件下，供水量小于用水量，水資源短缺將成為制約該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的瓶頸。

(3)實(shí)施農(nóng)業(yè)用水優(yōu)化配置后，水資源承載指數(shù)顯著提高，區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)得到明顯改善，即農(nóng)業(yè)用水優(yōu)化配置是提高水資源承載力的有效手段。

(4)贛撫平原灌區(qū)在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水優(yōu)化配置及污染物排放量控制的條件下，水資源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的協(xié)調(diào)度達(dá)到0.99以上，真正實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的雙贏。

□

[1] 鄭 奕, 魏文壽, 崔彩霞. 新疆焉耆盆地水資源承載力研究[J]. 中國人口:資源與環(huán)境, 2010,20(11):60-65.

[2] 何俊仕,賈福元,趙宏興,等. 遼河流域水資源承載能力研究[M]. 北京:中國水利水電出版社, 2013:1-129.

[3] 張永勇, 夏 軍, 王中根. 區(qū)域水資源承載力理論與方法探討[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2007,26(2):126-132.

[4] 呂翠美, 凌敏華. 水資源生活貢獻(xiàn)率及價(jià)值的能值分析[J]. 節(jié)水灌溉, 2010,(4):40-43.

[5] Costanza，D'Arge，Groot. The value of the world's ecosystem services and natural capital[J]. Nature (London) (United Kingdom)，1997，387(6630)：253-260.

[6] 崔麗娟. 鄱陽湖濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評估研究[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2004,23(4):47-51.

[7] 陳興茹, 劉樹坤. 論經(jīng)濟(jì)合理的生態(tài)用水量及其計(jì)算模型(Ⅱ)----應(yīng)用[J]. 水利水電科技進(jìn)展, 2006,26(6):1-5.

[8] 劉德地, 陳曉宏, 劉丙軍. 面向可持續(xù)發(fā)展的佛山市水資源優(yōu)化配置[J]. 水資源保護(hù), 2008,24(6):23-27.

[9] 張利國. 我國區(qū)域糧食安全演變:1949-2008[J]. 經(jīng)濟(jì)地理, 2011,31(5):833-838.

[10] 賀一梅, 楊子生. 基于糧食安全的區(qū)域人均糧食需求量分析[J]. 全國商情:經(jīng)濟(jì)理論研究, 2008,(7):6-8.

[11] 楊永生, 溫天福, 劉聚濤. 基于用水總量控制的水資源承載能力分析研究----以贛江袁河流域?yàn)槔齕J]. 長江流域資源與環(huán)境, 2012,21(3):276-282.

[12] 張偉東. 面向可持續(xù)發(fā)展的區(qū)域水資源優(yōu)化配置理論及應(yīng)用研究[D]. 武漢：武漢大學(xué), 2004.

[13] 朱一中, 夏 軍, 王綱勝. 張掖地區(qū)水資源承載力多目標(biāo)情景決策[J]. 地理研究, 2005,24(5):732-740.

[14] 張 欣, 范明元, 陳華偉,等. 黃河三角洲水資源承載力多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算[J]. 人民黃河, 2013,(12):47-49.

[15] 孫富行. 水資源承載力分析與應(yīng)用[D]. 南京：河海大學(xué), 2006.