李娟芳，王文川，薛建民

(1.洛陽水文水資源勘測局，河南 洛陽 471000；2.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450046)

水資源不僅是重要的自然資源，也是重要的戰(zhàn)略經(jīng)濟資源[1- 2]。近年來，隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展以及人口數(shù)量的不斷增加，導(dǎo)致我們對水資源的需求量也不斷增長。2012年頒布的《世界水資源開發(fā)報告》指出，全球范圍內(nèi)的水資源需求量仍呈現(xiàn)增長的趨勢，但在很多區(qū)域由于氣候變化的影響，水資源供應(yīng)量有可能下降[3]。在全球氣候變化和高速經(jīng)濟發(fā)展的雙重作用下，水資源已成為社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的制約因素[4- 5]。

由于資源供需不平衡導(dǎo)致的資源短缺問題，已然引起國際組織高度關(guān)注，進而提出了可持續(xù)發(fā)展的概念[6]。在城市、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、土地和區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展中不斷提出“資源承載力”概念[7]。隨后，在20世紀60—70年代，隨著全球人口數(shù)量增加和經(jīng)濟發(fā)展，為了調(diào)和社會發(fā)展和資源短缺之間的矛盾，資源承載力問題已經(jīng)成為大家關(guān)注的焦點[8]。

本文以洛陽市為例，基于水質(zhì)、水量和水生態(tài)管理目標(biāo)，構(gòu)建了基于水質(zhì)-水量-水生態(tài)-社會-經(jīng)濟的水資源承載力評價指標(biāo)體系，明晰了可持續(xù)發(fā)展條件下水資源承載力的時空分布情況。

1 水資源承載力評價指標(biāo)體系的建立

水資源承載力評價主要分為以下3個部分：

(1)考慮社會經(jīng)濟發(fā)展和水質(zhì)、水量、水生態(tài)條件的時空分布特征，構(gòu)建洛陽市水資源承載力分析流程圖。

(2)構(gòu)建洛陽市水資源承載力表征的層次化結(jié)構(gòu)。

(3)建立洛陽市水資源承載力表征指標(biāo)體系，計算洛陽市不同區(qū)域水資源承載力時空分布規(guī)律。

1.1 分析流程圖

水資源承載力受人口、經(jīng)濟、生態(tài)等多方面因素的影響，因此在模型建立過程中要將各影響因素考慮進來。研究框架如圖1所示。

1.2 指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)所構(gòu)建的水資源承載力層次化結(jié)構(gòu)，本文將指標(biāo)體系劃分成3層結(jié)構(gòu)：①目標(biāo)層：表征為水資源承載力的最終目的指標(biāo)；②因子層：表征為描述生活水平和人力生活狀態(tài)的指標(biāo)；③指標(biāo)層：表征為具體的指標(biāo)[9]。

基于水質(zhì)-水量-水生態(tài)-社會-經(jīng)濟的洛陽市水資源承載力綜合評價指標(biāo)體系見表1。

1.3 綜合評價研究

水資源承載力評價要綜合考慮各影響因素之間的協(xié)調(diào)與制約關(guān)系。本文以人口-經(jīng)濟-生態(tài)系統(tǒng)耦合優(yōu)化方法作為水資源承載力研究方法，即以人口、經(jīng)濟、生態(tài)用水為約束條件，計算水資源可承載的最大人口數(shù)。

需水公式：

(1)

約束條件：

W需≤W供

(2)

(3)

(4)

2 實例研究

洛陽市位于河南省西部，黃河中游南岸。東和東南與鄭州市、平頂山市為鄰，西和西南與三門峽市接壤，北隔黃河與濟源市、焦作市相望，南靠伏牛山與南陽地區(qū)相連。全境東西長約254km，南北寬約234km，總面積15229km2，占河南省總面積9.1%。洛陽市現(xiàn)轄1市、8縣、6區(qū)、1洛陽新區(qū)、1個國家級高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、2個省級開發(fā)區(qū)、17個省級產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。城區(qū)位于伊洛河下游沖積平原西端，總面積731.5km2，其中主城區(qū)位于洛河北岸，面積48.7km2。

表1 水資源承載力綜合評價指標(biāo)體系及其權(quán)重

2.1 水資源現(xiàn)狀評價

(1)降水量時空分布

洛陽市多年平均降水量670.6mm，且年降水量總體呈下降趨勢。全年降水量主要集中在6—9月份，占多年平均降水量64%左右，該區(qū)月降水量分布情況與地處暖溫帶季風(fēng)氣候相符。由于洛陽市降水年際變化幅度大、年內(nèi)分布不均，該區(qū)出現(xiàn)洪澇、干旱災(zāi)害的可能性大[10]。從降水空間上看，洛陽市降水量大體呈現(xiàn)出西多東少、南多北少的分布規(guī)律。由北向南逐漸遞增，變化幅度在500～900mm之間，位于南部的陶灣站、孫店站降水量超過750mm，位于平原區(qū)東北部的孟津站、九龍角站降水量少且年下降趨勢明顯[11]。

(2)水資源量時空分布

該區(qū)多年平均水資源量為28.17億m3，且年降水量總體上呈下降趨勢。2009—2013年洛陽市年均地表水資源量為25.09億m3，年均地下水資源量為13.82億m3，且地表水資源量與降水量變化趨勢大體一致，也呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。水資源量和降水量的時空分布一致，總體上南部多、北部少。

2.2 水資源供需現(xiàn)狀評價

(1)供水量現(xiàn)狀評價

供水量是指各種水源工程為用戶提供的包括輸水損失在內(nèi)的供水量。按來水種類分為地表水源、地下水源和其他水源(如污水處理再利用量和集雨工程供水量等)。2009—2013年，洛陽市總供水量和地表水供水量均呈現(xiàn)增加趨勢，總供水量為15.0782億m3，比2009年增加了1.057億m3，增加7.54%。但地下水供水量呈現(xiàn)下降趨勢，從側(cè)面反映淺層地下水污染嚴重。地下水具有給水量穩(wěn)定、污染少的優(yōu)點，但有一個總體平衡問題，不能盲目和過度開發(fā)，否則容易形成地下空洞、地層下陷等問題。

(2)用水量現(xiàn)狀評價

2009—2013年，洛陽市總用水量、城鎮(zhèn)公共用水量均呈現(xiàn)增加趨勢，農(nóng)田灌溉用水量、農(nóng)牧漁業(yè)用水量呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢，工業(yè)用水量、居民生活用水量呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，生態(tài)環(huán)境用水量基本保持不變。

從以上分析知，目前該區(qū)可供水量和需水量尚可保持平衡，隨著經(jīng)濟發(fā)展和需水量的增加，水資源將成為制約洛陽市國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一。

2.3 水資源利用現(xiàn)狀評價

通過調(diào)查和收集洛陽市社會經(jīng)濟發(fā)展和需水量資料，對其主要用水指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果見表2。從表2可知，2009—2013年，市人均用水量呈現(xiàn)增加趨勢，萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量呈現(xiàn)下降趨勢，說明該區(qū)大力開展節(jié)水工藝，提高水資源的重復(fù)利用率。2013農(nóng)田實際灌溉畝均用水量達到271m3，一方面由于2013年降水量偏少，另一方面由于該區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水力度不夠大，要推廣噴灌、滴灌等灌溉技術(shù)來提高水的有效利用率。

表2 2009—2013年主要用水指標(biāo)變化

2.4 水環(huán)境現(xiàn)狀評價

2009—2013年，洛陽市污水排放量見表3。從表3可知，該區(qū)各類污水排放量都呈增加趨勢，其中城鎮(zhèn)居民生活用水排放量、建筑業(yè)污水排放量、第三產(chǎn)業(yè)污水排放量呈逐年增加趨勢。從目前來看，必須采取相應(yīng)措施改善水生態(tài)。通過改進污水處理廠污水處理工藝，嚴格把控排放標(biāo)準(zhǔn)，提高中水回用率，對水污染嚴重的縣扣除生態(tài)補償。

2.5 水資源承載力計算

以2013年數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)年，對水資源承載力進行評價，沒有監(jiān)測或無法獲得的數(shù)據(jù)，通過資料分析或采用相近年份監(jiān)測數(shù)據(jù)得到。

表3 2009—2013年污水排放量變化單位：億m3/a

2.5.1 人口發(fā)展預(yù)測

根據(jù)《洛陽市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二五規(guī)劃綱要》獲得人口數(shù)據(jù)，利用人口增長率法，以2013年人口為基準(zhǔn)，對市各行政區(qū)2020、2030年城鎮(zhèn)、農(nóng)村及總?cè)丝谶M行預(yù)測。預(yù)測結(jié)果見表4。

表4 2013—2030年人口發(fā)展預(yù)測變化單位：萬人

2.5.2 國民經(jīng)濟需水預(yù)測

國民經(jīng)濟需水包括生活和生產(chǎn)需水兩大類，其中生活需水包括城鎮(zhèn)生活需水和農(nóng)村生活需水，生產(chǎn)需水分為農(nóng)業(yè)需水和工業(yè)需水等。

(1)生活需水采用定額法預(yù)測，制定合理的人均日用水量，結(jié)合人口總數(shù)進行需水預(yù)測。市各規(guī)劃水平年生活用水定額見表5。

表5 各規(guī)劃水平年生活用水定額單位：L/人·d

生活需水量計算公式如下：

(5)

(2)灌溉用水是農(nóng)業(yè)需水的主體。農(nóng)業(yè)灌溉需水量是指灌溉水由水源經(jīng)各級渠道輸送到田間，包括渠系輸水損失和田間灌水損失在內(nèi)的毛灌溉需水量。灌溉需水預(yù)測采用直接估算法。計算公式如下：

(6)

式中，IG—全灌區(qū)總毛灌溉用水量，m3；Ai—第i種作物種植面積，畝；ηg—灌溉水利用效率；INi—第i種作物凈灌溉定額，m3/畝。

(3)工業(yè)需水預(yù)測依據(jù)各預(yù)測水平年工業(yè)產(chǎn)值和工業(yè)單位需水定額計算，并用需水總量增長趨勢進行校核。計算公式如下：

(7)

2.5.3 生態(tài)需水預(yù)測

生態(tài)環(huán)境需水是指為維持生態(tài)和進行生態(tài)建設(shè)所需要的最小需水量，生態(tài)環(huán)境需水主要是河道外用水。河道外生態(tài)需水包括綠地生態(tài)需水和道路澆灑需水。

綠地生態(tài)需水計算公式如下：

Ip=Apimpi

(8)

式中，Api—i類植被面積；mpi—相應(yīng)保證率的植被需水定額；p—植被需水保證率。

道路澆灑需水計算公式如下：

Id=Admdn

(9)

式中，Ad—道路澆灑面積；md—需水定額；n—每年澆灑次數(shù)。

2.5.4 各區(qū)域總需水量預(yù)測

對以上需水預(yù)測結(jié)果進行匯總，得出保證率為P=50%情況下總需水量預(yù)測結(jié)果，見表6。

表6 保證率P=50%情況下總需水量預(yù)測單位：億m3

2.6 水資源承載力評價結(jié)果與分析

根據(jù)預(yù)定的承載力指標(biāo)和水資源承載力預(yù)測模型，對各區(qū)縣2020和2030水平年的承載力水平進行預(yù)測和評價，結(jié)果見表7和表8。

表7 2020年水資源承載力水平

由表7、表8可以看出，2020水平年全區(qū)可承載人口規(guī)模為946.95萬人，預(yù)測人口為708.9萬人；2030水平年全區(qū)可承載人口為1052.31萬人，預(yù)測人口為736.6萬人，且各子區(qū)均可承載。綜合全區(qū)承載人口規(guī)模和社會經(jīng)濟規(guī)?？芍?dāng)?shù)厮Y源可以滿足人口增長和經(jīng)濟發(fā)展的需求。

表8 2030年水資源承載力水平

另外，從2009—2013年水資源供需現(xiàn)狀得知，洛陽市總用水量呈上升趨勢。然而，在全區(qū)水資源可滿足經(jīng)濟及人口需求的前提下，2030水平年人口承載力無論是從全區(qū)還是各子區(qū)均優(yōu)于2020水平年。說明該區(qū)以可持續(xù)發(fā)展為向?qū)?，不斷?yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和水資源配置，使該區(qū)社會經(jīng)濟和生態(tài)協(xié)調(diào)狀況越來越好。

3 結(jié)論

本文在水資源承載力分析與指標(biāo)體系研究相結(jié)合的基礎(chǔ)上，以水質(zhì)-水量-水生態(tài)-社會-經(jīng)濟指標(biāo)，構(gòu)建了洛陽市水資源承載力評價指標(biāo)體系和模型，定量分析了洛陽市2020及2030水平年水資源承載力。在2020水平年，水資源承載力更強，全市以及各個區(qū)縣均滿足承載力需求，總?cè)丝诔休d力比預(yù)測人口的數(shù)值多238.05萬人；在2030水平年，人口承載力比預(yù)測人口數(shù)值多315.71萬人。結(jié)果表明，引入“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念，強力推動重點企業(yè)、行業(yè)、區(qū)域的節(jié)能降耗和環(huán)境整治，市生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護取得明顯成效。雖然市水資源承載力不斷提高，各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)性能不斷增強，但還需要進一步改善農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、合理開發(fā)地下水資源、提高回水利用效率等，為區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展提供強有力支撐。