張修宇　杜雪芳　徐建新　張正欽

摘要：灌區(qū)水資源承載力受氣溫、降雨、蒸發(fā)、種植結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等多種因素影響。從生態(tài)灌區(qū)的概念入手，在全面剖析生態(tài)灌區(qū)“經(jīng)濟(jì)社會(huì)一水資源一生態(tài)環(huán)境”復(fù)合系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于生態(tài)的灌區(qū)水資源承載力計(jì)算模型（ PSO-COIM），并以河南省大功引黃灌區(qū)為例，采用系統(tǒng)分析法計(jì)算灌區(qū)水資源承載力，系統(tǒng)分析灌區(qū)水資源可承載狀況。不考慮外調(diào)水時(shí)，大功引黃灌區(qū)水資源承載力屬于超載或嚴(yán)重超載狀態(tài);考慮外調(diào)水時(shí)，灌區(qū)各縣的水資源承載力指數(shù)都有所增大，封丘、長(zhǎng)垣為可承栽狀態(tài)，其他3縣為超載狀態(tài)。對(duì)于生態(tài)灌區(qū)建設(shè)，除了應(yīng)提高引黃供水保證率外，還應(yīng)加大對(duì)灌區(qū)雨洪資源的利用和中水回用，最大限度地利用洪澇水資源，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源的可持續(xù)利用。

關(guān)鍵詞：生態(tài)灌區(qū);水資源承載力;PSO-COIM模型;大功引黃灌區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV213.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.011

黃河下游引黃灌區(qū)涉及河南省和山東省的17個(gè)市86個(gè)縣（區(qū)），近年來(lái)黃河水資源總量不足而需求量不斷增加，致使引黃灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重影響，建設(shè)生態(tài)灌區(qū)勢(shì)在必行。生態(tài)灌區(qū)是以生態(tài)文明建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展為基礎(chǔ)的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[1-3]。建設(shè)生態(tài)灌區(qū)的目的是為了優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、改善人居環(huán)境質(zhì)量和修復(fù)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，使灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)健康發(fā)展。目前，引黃灌區(qū)存在著水環(huán)境惡化、水資源緊缺、水污染嚴(yán)重等一系列問(wèn)題。灌區(qū)水資源承載力降低意味著水資源可利用量減少，而生態(tài)灌區(qū)的建設(shè)可以恢復(fù)灌區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)并形成良性循環(huán)。

水資源承載力的概念最先由新疆水資源軟科學(xué)課題研究組于1989年提出[4]，之后國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究，并取得了一系列成果。如Hoekstra等[5]提出用生態(tài)足跡模擬法計(jì)算水資源承載力：夏軍等[6]提出水資源承載力是水資源安全的基本度量和維持最大經(jīng)濟(jì)社會(huì)規(guī)模的有限發(fā)展目標(biāo)：王浩等[7]討論了水資源承載力的特性及主要影響因素，并定量給出了研究區(qū)域的水資源承載力規(guī)模：左其亭[8]從水系統(tǒng)分析的角度出發(fā)，提出了一種“基于模擬和優(yōu)化的控制目標(biāo)反推模型”方法，通過(guò)控制目標(biāo)反推出“最大經(jīng)濟(jì)社會(huì)規(guī)模”，即水資源承載力;高瑞忠等[9]應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法，分析影響水資源承載力的因素，并對(duì)研究區(qū)水資源承載力進(jìn)行了評(píng)估和預(yù)測(cè)：筆者也曾針對(duì)氣候變化下流域水資源動(dòng)態(tài)承載力開(kāi)展研究[10]。然而，目前針對(duì)生態(tài)灌區(qū)的水資源承載力研究相對(duì)較少，在生態(tài)文明建設(shè)的進(jìn)程中，如何建設(shè)好生態(tài)灌區(qū)顯得尤為重要。開(kāi)展生態(tài)灌區(qū)水資源承載力研究對(duì)于優(yōu)化灌區(qū)水資源利用、促進(jìn)灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 生態(tài)灌區(qū)水資源承載力理論與計(jì)算方法

1.1 生態(tài)灌區(qū)水資源承載力概念

生態(tài)灌區(qū)是一個(gè)具有社會(huì)性質(zhì)的開(kāi)放性生態(tài)系統(tǒng)，依賴(lài)于自然環(huán)境提供的光、熱、土壤資源以及人工選擇的作物和種植作物的比例，是一個(gè)半人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)灌區(qū)水資源承載力是指基于變化環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)的影響，在特定時(shí)期的不同時(shí)間段中，灌區(qū)水資源系統(tǒng)能夠維系生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)并支撐最大經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模的能力。水資源承載力是水資源安全的基本度量，是衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)?？茖W(xué)評(píng)估灌區(qū)水資源承載力可以更好地認(rèn)識(shí)水資源系統(tǒng)在灌區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的支撐作用，有助于了解人口、資源和生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，促進(jìn)灌區(qū)水資源的可持續(xù)發(fā)展和良性循環(huán)。

1.2 生態(tài)灌區(qū)水資源承載力內(nèi)涵

生態(tài)灌區(qū)“經(jīng)濟(jì)社會(huì)一水資源一生態(tài)環(huán)境”復(fù)合系統(tǒng)由農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、溝渠與河湖生態(tài)系統(tǒng)和林草生態(tài)系統(tǒng)組成，其中：農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)主要通過(guò)優(yōu)化灌區(qū)作物生產(chǎn)方式及生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，提升產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)進(jìn)行氣候調(diào)節(jié)、土壤保持、水分與養(yǎng)分循環(huán)及貯存，使人民生活質(zhì)量得到改善;溝渠與河湖生態(tài)系統(tǒng)主要由輸水、儲(chǔ)水、排水3部分組成，其作用是使灌區(qū)內(nèi)外水系相通，水質(zhì)得到凈化;林草生態(tài)系統(tǒng)主要由灌木、喬木、草地、動(dòng)植物要素組成，主要承擔(dān)涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、土壤保持的功能。該復(fù)合系統(tǒng)的一般組成結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系如圖1所示。在復(fù)合系統(tǒng)中，經(jīng)濟(jì)社會(huì)、水資源、生態(tài)環(huán)境之間相互聯(lián)系、相互協(xié)調(diào)、密不可分，構(gòu)成有機(jī)的整體。經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中所需的生態(tài)環(huán)境資源由水資源系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)提供，水資源系統(tǒng)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)起著支撐作用。經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)對(duì)水資源系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)具有雙重作用：一方面通過(guò)消耗資源、排放污染，使水資源和生態(tài)環(huán)境遭受破壞，降低其承載力：另一方面通過(guò)社會(huì)的快速發(fā)展，不斷產(chǎn)生許多治理環(huán)境污染的技術(shù)與措施，對(duì)水資源和生態(tài)環(huán)境進(jìn)行一定程度的恢復(fù)補(bǔ)償，從而提高其承載力。這個(gè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中的所有生命元素都依水而生，對(duì)水資源的量變和質(zhì)變非常敏感，因此水資源不僅是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要資源，而且是生態(tài)環(huán)境的重要控制因素[11]。

1.3 生態(tài)灌區(qū)水資源承載力計(jì)算方法

目前常用的水資源承載力評(píng)價(jià)方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、綜合評(píng)價(jià)法和系統(tǒng)分析法[12-15]。其中：經(jīng)驗(yàn)公式法是通過(guò)量綱原理推導(dǎo)總結(jié)得到的公式，一般來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐，特點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單、便于推廣應(yīng)用，但是對(duì)資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)之間的聯(lián)系考慮較少：綜合評(píng)價(jià)法是利用單一指標(biāo)或多指標(biāo)反映區(qū)域水資源狀況或閾值的評(píng)價(jià)方法，基本思路是通過(guò)選定的指標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，然后根據(jù)計(jì)算值進(jìn)行承載力綜合評(píng)價(jià)，缺點(diǎn)是指標(biāo)選擇難以統(tǒng)一、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難以確定;系統(tǒng)分析法綜合考慮水資源承載力的主體和客體，分析方法主要包含系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法、優(yōu)化模型法和控制目標(biāo)反推模型法，優(yōu)點(diǎn)是考慮了“經(jīng)濟(jì)社會(huì)一水資源一生態(tài)環(huán)境”的復(fù)雜性和系統(tǒng)性，不足是計(jì)算方法復(fù)雜、過(guò)程繁瑣、難以推廣應(yīng)用，水資源系統(tǒng)模擬和建模存在不足，納入統(tǒng)一模型比較困難。

針對(duì)不同的研究領(lǐng)域和具體的目標(biāo)要求，每種評(píng)價(jià)方法都有其適用范圍，限于對(duì)水資源承載力的理解不同，不同的評(píng)價(jià)方法也存在相應(yīng)的局限性。本文采用“基于預(yù)測(cè)一模擬一優(yōu)化的控制目標(biāo)反推模型（PSO -COIM）”法[10]，綜合考慮經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生活、生產(chǎn)和生態(tài)的影響，通過(guò)構(gòu)建模型計(jì)算灌區(qū)的水資源可承載力。

1.3.1 模型構(gòu)建

PSO-COIM模型表達(dá)式[10]為

1.3.2 模型求解步驟

基于生態(tài)的水資源承載力量化模型是一個(gè)復(fù)雜的非線性?xún)?yōu)化模型，直接求解很困難，可以通過(guò)兩種途徑來(lái)求解：一種是用數(shù)值迭代法逐步求解近似最優(yōu)解：另一種是使用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，分方案搜索，找到近似最優(yōu)解。采用數(shù)值迭代法求解的步驟如下。

（1）按照承載力量化模型的參數(shù)條件，對(duì)已知參數(shù)賦值。對(duì)于現(xiàn)狀水平年，采用實(shí)際數(shù)據(jù);對(duì)于規(guī)劃水平年，則采用現(xiàn)有的規(guī)劃數(shù)據(jù)或?qū)v史資料計(jì)算分析后預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)。

2 實(shí)例分析

2.1 灌區(qū)概況

大功引黃灌區(qū)位于河南省黃河以北的豫北平原，分屬于黃河流域和海河流域，包括新鄉(xiāng)市的封丘、長(zhǎng)垣，安陽(yáng)市的滑縣、內(nèi)黃及鶴壁市的?？h，總面積2 442km，設(shè)計(jì)灌溉面積18.9萬(wàn)hm。降水年際變化較大，年內(nèi)分配不均，多年平均降水量610 mm，汛期降水量占全年的60%左右，其中：7月降水量占全年降水量的30%，1月降水量?jī)H占全年降水量的0.7%。

2.2 計(jì)算結(jié)果

選取河南省水資源公報(bào)及相關(guān)各縣（區(qū)）水資源數(shù)據(jù)資料，以2015年作為現(xiàn)狀年。首先對(duì)大功灌區(qū)各行政區(qū)域水資源供需狀況進(jìn)行分析，灌區(qū)需水包括工業(yè)需水、農(nóng)業(yè)需水、林牧漁業(yè)需水、城鎮(zhèn)生活需水、農(nóng)村生活需水、生態(tài)環(huán)境需水6個(gè)方面，供水分有外調(diào)水（引黃水）和無(wú)外調(diào)水2種情況。不考慮外調(diào)水時(shí)，水資源供需情況見(jiàn)表2：考慮外調(diào)水時(shí)，水資源供需情況見(jiàn)表3。

由表2、表3可以看出，5個(gè)縣的農(nóng)業(yè)需水占比最大，林牧漁業(yè)需水和生態(tài)環(huán)境需水較少，地下水的供水量遠(yuǎn)大于地表水的。根據(jù)上述水資源承載力計(jì)算方法，對(duì)大功灌區(qū)水資源承載力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖2。

大功引黃灌區(qū)不考慮外調(diào)水時(shí)，封丘、長(zhǎng)垣的水資源承載力指數(shù)分別為0.74、0.63，屬于超載;滑縣、內(nèi)黃、?？h的水資源承載力指數(shù)分別為0.50、0.46、0.42，屬于嚴(yán)重超載?？紤]外調(diào)水（引黃水）后各縣的水資源承載力指數(shù)都有所增大，其中：封丘、長(zhǎng)垣水資源承載力指數(shù)分別為1.08、1.11，達(dá)到可承載等級(jí);滑縣、內(nèi)黃、浚縣分別為0.64、0.56、0.47，仍處于超載狀態(tài)。各行政區(qū)為滿(mǎn)足工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、生產(chǎn)和生態(tài)需水，存在超采淺層地下水的情況，部分地區(qū)甚至對(duì)深層地下水進(jìn)行開(kāi)采，導(dǎo)致地下水漏斗不斷擴(kuò)大。根據(jù)2015年河南省水資源公報(bào)，截至2015年底，河南省平原區(qū)淺層地下水漏斗區(qū)總面積為8 480 km，其中安陽(yáng)一鶴壁一濮陽(yáng)漏斗區(qū)面積為7 300 km，漏斗中心水位埋深為43.07 m，與本文對(duì)研究區(qū)現(xiàn)狀年水資源承載力分析結(jié)果是吻合的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于生態(tài)灌區(qū)內(nèi)涵，以大功引黃灌區(qū)為例，采用PSO-COIM法對(duì)灌區(qū)水資源承載力進(jìn)行分析。鑒于研究?jī)?nèi)容涉及水文、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)等多個(gè)學(xué)科和問(wèn)題的復(fù)雜性，本文采用了簡(jiǎn)化方法求解模型，即采用數(shù)值迭代法逐步求解近似最優(yōu)解來(lái)確定水資源的承載力。今后應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)模型求解方面的研究工作，以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，使研究結(jié)論更加符合實(shí)際：也可以考慮采用多種水資源承載力計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比，從而得出更為合理的結(jié)果。對(duì)于生態(tài)灌區(qū)建設(shè)，除了應(yīng)提高供水保證率外，還應(yīng)加大對(duì)灌區(qū)雨洪資源的利用和中水回用，最大限度地實(shí)現(xiàn)生態(tài)灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

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