周云哲，粟曉玲，周正弘

(西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

水是生命之源，生態(tài)之基，生產之要[1]。20世紀以來，人類社會經濟發(fā)展，需水量增加導致嚴重的水供需矛盾，許多地區(qū)水資源開發(fā)利用超過了水資源的承載能力，危及自然、社會經濟系統(tǒng)正常運轉，引發(fā)水資源短缺、水質惡化、水域生態(tài)退化、河道斷流等問題，嚴重地阻礙了社會經濟的可持續(xù)發(fā)展，因此，區(qū)域水資源承載狀況評價對地區(qū)社會經濟系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展具有重要意義。

黑河流域內有35條小支流，隨著用水不斷增加，部分支流逐步與干流失去地表水聯(lián)系，上游出山口多年平均徑流量為24.75億m3，，其中干流鶯落峽站為16.19億m3，梨園河梨園堡站2.37億m3，其他沿山支流6.58億m3。黑河流域中游地區(qū)用水量占總用水量的90%以上，農業(yè)是用水主體，大規(guī)模水土資源開發(fā)和經濟社會的快速發(fā)展，導致流域生態(tài)環(huán)境體系不斷惡化，水安全問題日益突出，黑河中游張掖、酒泉兩市和下游阿拉善盟水資源供需矛盾日益緊張，社會經濟發(fā)展用水嚴重擠占了生態(tài)環(huán)境用水，出現(xiàn)生態(tài)退化、水域面積萎縮，河流斷流等情況。水資源的過度開發(fā)利用導致用水負荷大于承載能力，荷載狀況呈超載狀態(tài)。黑河中游張掖和酒泉兩市的社會經濟發(fā)展用水導致下游阿拉善盟額濟納旗河段生態(tài)環(huán)境不斷惡化，產生的負面影響越來越大，特別是20世紀90年代下游尾閭湖居延海曾出現(xiàn)干涸見底的情況，引起社會各界高度關注。近十年來，黑河流域通過全流域綜合治理，以及“九七”分水方案的落實，雖然下游河段和居延?；謴土瞬糠炙?，但中下游地區(qū)水資源荷載狀況仍是用水負荷嚴重大于水資源承載能力，呈現(xiàn)嚴重超載狀態(tài)。水資源荷載嚴重失衡問題是制約中下游地區(qū)發(fā)展的重要因素之一，因此從負荷和承載能力兩方面開展黑河流域中下游水資源荷載狀況評價，事關該地區(qū)社會、經濟、環(huán)境生態(tài)的協(xié)調發(fā)展和人民生活水平的提高，研究內容可為區(qū)域水資源合理利用及生態(tài)環(huán)境建設提供依據(jù)。

國外對水資源承載力的研究通常與可持續(xù)發(fā)展理論相結合。Harris等[2]計算了農業(yè)水資源承載力；Rijsberman等[3]指出可持續(xù)發(fā)展過程中，承載力對保障水安全起到重要作用；Koop[4]依據(jù)27個國家45個直轄市的實測數(shù)據(jù)，從氣候變化、城市化進程、水環(huán)境污染方面構建水資源承載能力評價指標體系，并指出該指標體系具有國家之間的適用性。

國內關于水資源承載力的研究可以分為三類。第一類：從水資源承載客體出發(fā)，分析一定時空范圍內水資源系統(tǒng)所能承載的人口和經濟總量。王浩等[5]針對內陸干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱的特點，探討了水資源承載力的主要研究內容、特性和影響因素，分析計算了西北重點地區(qū)水資源的承載規(guī)模。謝高地等[6]在定義水資源承載能力的基礎上，估算了我國水資源人口承載力、水資源對居民生活、工業(yè)和農業(yè)的承載力、水資源環(huán)境承載力及水資源超載率。王建華等[7]從水資源、社會經濟、水生態(tài)、水環(huán)境綜合角度，基于“量、質、域、流”四大方面構建水資源承載力評價指標體系，以承載人口數(shù)量為水資源承載力度量標準，對天津市2015年水資源承載狀況進行評價。第二類：從水資源承載主體和客體出發(fā)，在研究區(qū)域中設置不同的經濟社會用水情景與發(fā)展方案，通過仿真模擬等手段分析水資源系統(tǒng)的承載能力能否滿足用水負荷。何仁偉等[8]建立貴州省畢節(jié)市水資源承載力系統(tǒng)動力學模型，進行動態(tài)模擬和調試，對五種用水調控方案進行評價并做出對比分析。第三類：在構建水資源承載力評價指標體系基礎上，對現(xiàn)狀年進行綜合評價。金菊良等[9]建立了基于熵和改進的模糊層次分析法的水資源可持續(xù)利用綜合評價模型，以計算綜合評分的方式評價漢中盆地水資源可持續(xù)利用和承載狀況。袁偉[10]和周亮廣等[11]建立水資源承載能力的評價指標體系，采用主成分分析法獲得水資源承載能力的主要驅動因子，計算水資源承載能力綜合評分。宰松梅等[12]基于支持向量機理論，以水資源承載力指數(shù)的形式反映1995-2008年新鄉(xiāng)市水資源承載狀況。

目前關于水資源承載力的研究未能形成一個標準的理論體系，但是總體來看，水資源承載力的研究越來越趨向于具體化、多維化。鑒于以往研究大多是基于水資源子系統(tǒng)、經濟社會子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)進行水資源承載力評價，很少從水資源系統(tǒng)荷載均衡的角度進行分析，以往的綜合評價僅僅給出評價地區(qū)的分數(shù)序列，并沒有從水資源承載負荷和承載能力分析地區(qū)荷載均衡狀況，沒有對地區(qū)水資源荷載均衡狀況進行詳細的診斷，造成評價結果不完善。針對這一問題，本文從水資源系統(tǒng)結構的負荷需求和承載能力角度出發(fā)，構建“量-質-域-流”四個維度的水資源荷載均衡評價指標體系，采用指標規(guī)范化的正態(tài)云模型，對黑河流域張掖市、酒泉市、阿拉善盟2015年水資源荷載狀況進行評價。

1 “量-質-域-流”四維水資源荷載均衡評價指標體系構建

1.1 水資源荷載系統(tǒng)

水資源荷載系統(tǒng)由承載主體與負荷客體組成。水資源承載主體主要由區(qū)域水資源的自然稟賦條件、入境水量、自產水資源的可供水量組成。水資源負荷客體主要由社會經濟系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)組成，是水資源的消耗過程。

1.2 水資源荷載系統(tǒng)表征指標

將評價指標分為負荷指標和承載能力指標兩類。負荷指標包括對地區(qū)水資源荷載系統(tǒng)有增大負荷和削弱承載能力作用的指標；承載能力指標包括對地區(qū)水資源荷載系統(tǒng)有卸載負荷和增強承載能力作用的指標。考慮水資源、社會經濟發(fā)展、水生態(tài)、水環(huán)境等方面，從水量、水質、水域、水流四個維度構建水資源承載狀況評價指標體系。以數(shù)據(jù)可獲得性、代表性、科學性和整體性為指標選取原則。

水量維度上考慮地區(qū)水資源自然稟賦條件和社會經濟發(fā)展用水水平，選取人均水資源量、產水模數(shù)、干旱指數(shù)、灌溉水利用系數(shù)、萬元工業(yè)增加值用水量、人均日生活用水量、缺水率和地表水損耗系數(shù)8個指標。萬元工業(yè)增加值用水量、人均日生活用水量反映地區(qū)社會經濟系統(tǒng)的用水水平，缺水率反映了地區(qū)水資源供需矛盾程度，地表水損耗系數(shù)表示地區(qū)供水過程中的損耗程度，上述4個指標定為負荷指標；人均水資源量、產水模數(shù)及干旱指數(shù)表征地區(qū)的水資源自然稟賦情況，灌溉水利用系數(shù)表征灌溉水有效利用程度，以上4個指標定為承載能力指標。

水質維度上考慮河湖主要污染物濃度和污水處理水平，選取河道化學需氧量(COD)濃度、氨氮濃度、優(yōu)良水質河長比例、污水處理達標率4個指標。COD濃度和氨氮濃度指標反映了社會經濟系統(tǒng)的排污狀況，定為負荷指標；優(yōu)良河長比例和污水處理達標率均反映了污水處理系統(tǒng)運行狀態(tài)，對水資源承載系統(tǒng)有增強承載能力的作用，定為承載能力指標。

水域維度上考慮地區(qū)水資源利用程度、森林植被覆蓋程度和地下水開采狀況，選取水資源開發(fā)利用率、森林覆蓋率和地下水開采系數(shù)3個指標。水資源開發(fā)利用率體現(xiàn)地區(qū)水資源開發(fā)利用程度，國際上通常認為對一條河流的開發(fā)利用不能超過其水資源量的40%，否則就會擠占生態(tài)流量，使河道環(huán)境自凈能力銳減，因此將其定為負荷指標；森林覆蓋率的提高對水土保持和荒漠化防治有積極的作用，可提升地區(qū)水資源承載能力，因此定為承載能力指標；地下水開采率是地下水開采量與地下水可開采量的比值，反映地下水的開采程度，定為負荷指標。

水流維度上考慮地區(qū)河湖連通性和生態(tài)環(huán)境方面的供需平衡，選取生態(tài)環(huán)境缺水率、生態(tài)環(huán)境補水比例、河網(wǎng)密度3個指標。生態(tài)環(huán)境缺水率表征地區(qū)生態(tài)用水與生態(tài)需水之間的矛盾，體現(xiàn)了地區(qū)生態(tài)需水的不滿足程度，為負荷指標；生態(tài)環(huán)境補水比例反映地區(qū)對生態(tài)文明建設的重視程度，其值增加對水資源承載能力有提升作用，定為承載指標；河網(wǎng)密度表征地區(qū)水系連通發(fā)達程度，水系連通越發(fā)達，抵抗水旱災害的能力越強，水體自凈能力越強，定為承載能力指標。“量-質-域-流”四維水資源配置方案評價體系見表1。

2 評價方法

采用熵權法賦權，以正態(tài)云模型為主體，通過規(guī)范變換函數(shù)對指標等級閾值進行變換[13]，利用規(guī)范變換后的評價標準對水資源配置方案的承載狀況進行評價，評價流程見圖1。

表1 “量-質-域-流”四維水資源承載狀況評價指標體系

注:Ⅰ～Ⅴ等級順序為從優(yōu)至差，“#”表示負荷指標，“*”表示承載能力指標。

Note: The Ⅰ～Ⅴ orders of rank is from good to bad. “#” is load index, “*” is carrying capacity index.

2.1 確定評價指標權重

熵權法作為一種客觀確定權重的方法，有效地反映指標數(shù)據(jù)隱含信息，具有權重客觀性和可操作性，廣泛應用于土地利用評價[14]、水質評價[15]、電力系統(tǒng)評價[16]等研究。熵權法原理與計算方法參見文獻[13]。

2.2 基于規(guī)范變換的正態(tài)云模型評價

云模型是李德毅院士于20世紀90年代提出一種基于模糊數(shù)學和概率論的不確定分析方法[17]。云模型兼顧隨機性和模糊性，實現(xiàn)了由定量指標向定性評價的轉換，克服傳統(tǒng)評價方法在考慮模糊性和隨機性方面的不足。正態(tài)云模型是云模型的一類，在土地利用評價[18]、大壩安全評價[19]、電能質量評價[20]、生態(tài)風險綜合評價[21]、地震災害風險綜合評價[22]等領域廣泛應用。

圖1 評價過程流程圖Fig.1 Flow chart of evaluation process

在正態(tài)云模型評價過程中，由于評價指標體系中各指標的量綱不同，數(shù)量級差異較大，每個指標對應的正態(tài)云模型超熵值He差別很大，不能規(guī)范統(tǒng)一地體現(xiàn)不確定性。針對這一問題，本文引入李祚泳等[23]提出的指標規(guī)范值，適當設定水資源承載狀況評價體系中各指標“參照值”和規(guī)范變換函數(shù)，使規(guī)范變換后的等級標準特征與變換前的等級標準特征基本一致。采用規(guī)范后的評價指標體系進行正態(tài)云模型評價，可以統(tǒng)一超熵值He，使評價過程更加一致、規(guī)范[13]。經過反復試算，各指標具體的規(guī)范函數(shù)確定如下：

(1)對于正向指標C1、C17、C18采用變換函數(shù)：

(1)

(2)對于正向指標C2、C4、C15采用變換函數(shù)：

(2)

(3)對于正向指標C11、C12采用變換函數(shù)：

(3)

(4)對于逆向指標C3、C6、C7、C16采用變換函數(shù)：

(4)

(5)對于逆向指標C5、C7、C8、C9、C10、C13采用變換函數(shù)：

(5)

(6)對于逆向指標C8采用變換函數(shù)：

(6)

(7)對于逆向指標C14采用變換函數(shù)：

(7)

式中，變換函數(shù)中ci0是對指標ci設定的“參照值”，xik是通過變換函數(shù)得到評價體系中第i個指標第k個(k=1，2，3，4，5)等級標準閾值的規(guī)范變換值。

規(guī)范后的評價指標體系見表2。

基于規(guī)范變換的正態(tài)云模型確定各負荷指標評分fi和各承載能力指標評分Pj以及綜合評分的方法過程參見文獻[13]。

2.3 計算負荷評分和承載能力評分

為了直觀描述水資源配置方案的“量-質-域-流”四維水資源荷載均衡狀況，根據(jù)得到的各指標評分計算“量-質-域-流”四個維度上的負荷評分F和承載能力評分P：

(8)

(9)

式中，wi為各負荷指標權重；fi為各負荷指標評分；wj為各承載能力指標權重；pj為各承載能力指標評分；m為負荷指標個數(shù)；n為承載能力指標個數(shù)。

表2 規(guī)范變換后的評價指標體系

將地區(qū)承載能力評分與負荷評分構成坐標系，坐標系中分出高負荷-高承載能力區(qū)、高負荷-低承載能力區(qū)、低負荷-低承載能力區(qū)、低負荷-高承載能力區(qū)四個象限，見圖2。

圖2 承載能力評分與負荷評分二維坐標圖Fig.2 The two-dimensional coordinates of loadingscore and carrying capacity score

將“量-質-域-流”四維水資源負荷評分與承載能力評分繪制在圖中，對2015年黑河流域中下游兩市一盟在四個維度上的荷載狀況進行診斷分析。

3 黑河流域中下游水資源荷載狀況評價

3.1 研究區(qū)概況

黑河是我國第二大內陸河，發(fā)源于青海祁連山，流經青海、甘肅、內蒙古三省區(qū)，流域屬于典型大陸性氣候，干旱少雨，流域面積14.29萬km2。鶯落峽斷面為黑河上、中游分界點，上游主要為產水區(qū)，鶯落峽斷面至正義峽斷面為黑河中游，行政區(qū)主要有張掖市和酒泉市。張掖市是古絲綢之路要地，農牧業(yè)發(fā)達，是甘肅省糧食基地，戰(zhàn)略地位十分重要。酒泉市擁有全國重要的石油化工基地與航天基地，也是甘肅省重要的灌溉農業(yè)區(qū)。正義峽斷面以下為黑河下游，行政區(qū)為阿拉善盟，地處亞洲大陸腹地，干旱少雨，風大沙多，沙漠戈壁橫貫全境，地表水資源短缺且分布不均，主要集中于額濟納旗，占全盟的87%。

建國以來黑河流域中游地區(qū)大規(guī)模水土資源開發(fā)和經濟社會的高速發(fā)展增大了用水負荷，導致下游阿拉善盟入境水量大幅減少，出現(xiàn)河湖干涸、林草面積萎縮、地下水位下降等生態(tài)問題?！熬牌摺狈炙桨笇嵤┖笙掠蔚貐^(qū)生態(tài)有所好轉，但水資源短缺依然是制約流域發(fā)展的“瓶頸”。

3.2 數(shù)據(jù)來源

本文選取2015年黑河流域中下游張掖市、酒泉市和阿拉善盟作為評價區(qū)域，數(shù)據(jù)主要來源于以下方面：(1)公開數(shù)據(jù)為2015年甘肅省水資源公報、兩市一盟2015年統(tǒng)計年鑒、環(huán)境狀況公報及國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報。(2)走訪調查：走訪黃河水利委員會，獲得2015年黑河流域數(shù)據(jù)報表等資料。

3.3 評價結果

基于規(guī)范變換后的評價指標體系，超熵He統(tǒng)一取值為0.005，計算過程由MATLAB軟件編寫模型運行程序，2015年張掖市、酒泉市、阿拉善盟三地市各指標數(shù)據(jù)、權重及指標評價分數(shù)結果見表3。

3.4 評價結果分析

從表3的綜合評分可以看出，張掖市、酒泉市和阿拉善盟2015年水資源荷載狀況評分分別為3.697、3.657、3.901，均為Ⅳ級，處于高負荷-低承載能力區(qū)間，阿拉善盟水資源荷載狀況劣于張掖和酒泉兩市。

從表3準則層指標評分可以看出，水量維度上，張掖、酒泉和阿拉善盟評分均處于Ⅳ級。從表4承載能力評分看，張掖市和酒泉市的水量承載能力優(yōu)于阿拉善盟，主要原因是自然氣候和水資源稟賦條件較好。三地市氣候干旱，干旱指數(shù)常年在10以上，其中阿拉善盟干旱指數(shù)常年在18以上，降水量少，蒸發(fā)量大，地均水資源量極少。從負荷評分(表4)看，張掖市的水量負荷壓力高于酒泉市和阿拉善盟。張掖市缺水率高于酒泉市和阿拉善盟，水量負荷壓力來自農業(yè)灌溉用水、工業(yè)用水和城鄉(xiāng)居民用水，并且為保障黑河下游生態(tài)系統(tǒng)健康需要嚴格遵循分水方案，控制正義峽下泄水量以達到分水要求。地均水資源較少、灌溉水利用系數(shù)較低、缺水率較高是三地市水量維度上的問題所在。三地市水量維度荷載均衡狀況為高負荷-低承載能力(圖3)。

水質維度上，張掖、酒泉和阿拉善盟評分均處于Ⅱ級(表3)。從承載能力評分(表4)看，三地市污水處理能力正常，各監(jiān)測斷面水質狀況均達到Ⅰ級或Ⅱ級標準。從負荷評分(表4)看，阿拉善盟水質負荷高于張掖市和酒泉市，主要是因為阿拉善盟處于下游，來水量少，河流自凈能力低于上中游。三地市水質維度荷載均衡狀況均為低負荷-高承載能力(圖3)。

分別計算張掖市、酒泉市和阿拉善盟的負荷評分與承載能力評分，結果見表4。

表3 2015年張掖市、酒泉市、阿拉善盟指標數(shù)據(jù)、權重及評價分數(shù)

根據(jù)表4結果，將張掖市、酒泉市、阿拉善盟在“量-質-域-流”四維水資源負荷評分與承載能力評分繪制在二維圖中，對三地市2015年水資源在四個維度上的荷載狀況進行診斷分析，如圖3。

表4“量-質-域-流”四維負荷評分與承載能力評分結果

Table4Theevaluationscoresofloadingscoreandcarryingcapacityscorebasedonthefour
dimensionalindexessystem,quantity-quality-watershed-flow

地區(qū)Prefecture負荷評分 Load score量Quantity質Quality域Watershed流Flow總負荷Total loading承載能力評分 Carrying capacity score量Quantity質Quality域Watershed流Flow總承載能力Total carryingcapacity張掖 Zhangye3.503(Ⅳ)1.988(Ⅱ)4.661(Ⅴ)4.656(Ⅴ)3.684(Ⅳ)3.819(Ⅳ)1.927(Ⅱ)4.574(Ⅴ)4.916(Ⅴ)3.710(Ⅳ)酒泉 Jiuquan3.398(Ⅲ)1.684(Ⅱ)4.063(Ⅳ)5.000(Ⅴ)3.464(Ⅲ)3.891(Ⅳ)1.952(Ⅱ)5.000(Ⅴ)4.553(Ⅴ)3.839(Ⅳ)阿拉善盟 Alxa3.272(Ⅲ)2.253(Ⅱ)5.000(Ⅴ)5.000(Ⅴ)3.791(Ⅳ)4.201(Ⅳ)1.809(Ⅱ)5.000(Ⅴ)4.851(Ⅴ)4.001(Ⅳ)

圖3 “量-質-域-流”四維負荷評分與承載能力評分二維分布Fig.3 The two-dimensional coordinates of loading score and carrying capacity score based onthe four dimensional indexes system, quantity-quality-watershed-flow

水域維度上，張掖和阿拉善盟評分均處于Ⅴ級，酒泉評分處于Ⅳ級(表3)。從承載能力評分(表4)看，三地市森林覆蓋率較低，均處于Ⅴ級。從負荷評分看(表4)，三地市水資源開發(fā)利用率較高，超出了國際上普遍認為的40%上限。張掖和阿拉善盟的水資源開發(fā)利用率高于酒泉市，阿拉善盟的水資源開發(fā)利用率高達96%，嚴重地擠占了生態(tài)水域，危及生態(tài)系統(tǒng)。三地市普遍存在地下水超采問題，存在私自開鑿取水井的現(xiàn)象。三地市水資源系統(tǒng)水域荷載均衡狀況為高負荷-低承載能力(圖3)。

水流維度上，張掖、酒泉和阿拉善盟評分均處于Ⅴ級(表3)。從承載能力評分(表4)看，三地市生態(tài)補水不足，河網(wǎng)密度低，河湖連通性差，部分興建的水利工程阻斷了河道徑流的連續(xù)性，造成水利工程斷面以下徑流減少，河道生態(tài)環(huán)境惡化。從負荷評分(表4)看，三地市生態(tài)缺水量大，生態(tài)用水被大量擠占。河網(wǎng)連通性差，生態(tài)環(huán)境補水無法滿足生態(tài)需水，這樣的水流狀態(tài)是不健康的，無法抵御水旱災害，嚴重時會威脅到地區(qū)社會經濟的發(fā)展。三地市水資源系統(tǒng)水流荷載均衡狀況均為高負荷-低承載能力(圖3)。

4 結 論

在總結水資源承載力的研究發(fā)展基礎上，本文討論了水資源承載系統(tǒng)的結構組成和表征指標，借鑒了工程力學的荷載概念，從水資源承載系統(tǒng)的負荷與承載能力角度出發(fā)，構建“量-質-域-流”四維水資源荷載狀況評價指標體系。利用指標規(guī)范化的正態(tài)云模型對2015年黑河流域張掖市、酒泉市和阿拉善盟三地市水資源荷載狀況進行評價，并對三地市水資源負荷和承載能力分別做出診斷分析。

評價結果表明，張掖市、酒泉市和阿拉善盟2015年水資源荷載狀況均為Ⅳ級，處于高負荷-低承載能力區(qū)間，阿拉善盟水資源荷載狀況劣于張掖和酒泉兩市。水量方面，由于水資源量短缺，三地用水量大，水資源供需矛盾突出，處于高負荷-低承載能力區(qū)間；水質方面，由于三地污染負荷低，水體

自凈能力不高，因此處于高負荷-低承載能力區(qū)間，但下游的阿拉善盟的水質評分劣于張掖、酒泉兩市，主要是由于下游河道水量較少，來自上游的污染物累加導致下游水質較差；水域和水流方面，三地均處于高負荷-低承載能力區(qū)間，主要是由于水資源開發(fā)利用率過高、農業(yè)用水擠占生態(tài)用水等原因。需要采取調控手段在水量、水域、水流等方面進行“增強承載”和“卸荷”，例如實施節(jié)水農業(yè)措施,提高污水處理水平，提高河、湖、濕地保留力度、荒漠化防治等。

目前關于水資源承載系統(tǒng)評價的指標選取和方法尚未形成統(tǒng)一標準，水資源荷載系統(tǒng)不均衡的問題在不同流域有不同的特征，需要進一步完善評價指標體系，探索更加符合水資源荷載系統(tǒng)特點的評價模型。