黃昌碩,耿雷華,顏 冰,卞錦宇,趙雨婷

(1.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210029；2.長江保護與綠色發(fā)展研究院,江蘇南京 210098；3.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司,河南鄭州 450003)

近年來,經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展和日益增加的取耗排水量,致使中國在水資源總量、水環(huán)境容量、水生態(tài)空間和水能資源等方面問題日漸突出,某些區(qū)域水資源開發(fā)利用程度超過了水資源承載能力,水資源安全保障的突出問題已從供給不足逐漸向承載過度轉變[1-3]。對水資源承載能力和承載狀況進行評價時,通常利用“卸荷”和“強載”相結合的方法,提高水資源與其他經(jīng)濟社會要素的適配性,進一步將水壓力負荷降低到合理范圍之內,從而實現(xiàn)國家的水資源安全保障[4-6]。

承載力是借用力學中的概念,指物體在受到外力情況下而不產(chǎn)生任何破壞時能夠承受的最大負荷[7]。Park等在20世紀20年代將承載力一詞引入到生態(tài)學范疇,研究糧食與人口承載極限的關系。至20世紀70年代,全球經(jīng)濟增長幅度加大、人口快速增長導致資源消耗、生態(tài)環(huán)境惡化、土地資源過度開發(fā)利用,相應地出現(xiàn)資源承載力、土地承載力等方面的研究。國外方面對于水資源承載力的研究較少,國外多選用水資源可持續(xù)利用、水資源的限制量等類似概念表示水資源承載力的內涵。國內方面水資源承載力概念最早于20世紀80年代末期由新疆水資源軟科學課題研究組提出雛形,20世紀90年代施雅風和曲耀光[8]明確提出水資源承載力概念。經(jīng)歷了30多年的研究,水資源承載力根據(jù)研究需求不同,概念也隨之改變,主要有3類觀點:一是水資源開發(fā)規(guī)模論,二是水資源支持持續(xù)發(fā)展能力論,三是水資源承載最大人口論[7]。目前,對水資源承載力的研究多偏向評價其等級或狀況,在評價過程中包含了指標權重的確定以及指標的預測等,但是對水資源承載力相關指標診斷或調控的單獨研究還較少[9]。

本文以水資源最大開發(fā)規(guī)模論為研究目標,開展水資源承載力在水量、水質、水域空間、水流四要素方面的研究,提出集水資源承載力診斷、預測與調控為一體的成套研究體系,并以水量要素為重點,在水資源短缺的黃河流域進行成套技術體系的應用。

1 水資源承載力診斷體系構建

1.1 水資源承載力機理簡析

水資源承載力的研究對象是水資源,水資源是水資源承載力的主體,人類及其生存的經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)或者更廣泛的生物群體及其生存環(huán)境是水資源承載力的客體[10-11]。水資源開發(fā)利用主要包括“量、質、域、流”4個方面,即取用和消耗水資源量、排放和受納污染物、占用水域空間和開發(fā)利用水能資源。水資源承載力受到經(jīng)濟社會系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的三重約束,如圖1所示。水資源系統(tǒng)直接支撐經(jīng)濟社會和涵養(yǎng)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng),其水循環(huán)過程的水資源產(chǎn)生、運移、耗散和排放都與水資源承載力有關;經(jīng)濟社會過程引起的水資源供需矛盾是對水資源產(chǎn)生的最直接壓力,人類通過對水資源的開發(fā)利用引起水量的變化,從而產(chǎn)生水量壓力；人類活動還通過污染物排放引起水資源質量變化,從而產(chǎn)生水質壓力；水量和水質的變化進而影響到水域空間格局的變化和水流更新的狀態(tài)[12-13]。

圖1 “經(jīng)濟社會-水資源-生態(tài)環(huán)境”對水資源承載力三重約束示意Fig.1 Schematic diagram of the threefold constraint (social economy,water resources,ecological environment) on the water resources carrying capacity

水資源承載力的水量、水質、水域空間、水流四維要素對水資源承載力影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(2) 水質要素。區(qū)域開發(fā)利用的水環(huán)境容量許可范圍最大值,即可排入水體的污染量閾值,與該地區(qū)特有的水循環(huán)狀態(tài)和水體自凈能力大小息息相關。水質保護目標有兩方面要求,一是水功能區(qū)劃,二是維護水生態(tài)系統(tǒng)安全性和生物多樣性。

(3) 水域空間要素。區(qū)域的水體水面、灘涂和濱岸等空間開發(fā)利用的許可范圍最大值,是水生態(tài)系統(tǒng)健康維護的基本因子。水資源承載力在水域空間維度主要表現(xiàn)在為河湖濕地提供適宜的空間,對水域空間的占用和其影響控制在規(guī)定范圍內,即為水生生物和候鳥等預留生存棲息空間,也為區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)維護和河湖水質凈化提供必需的物理基礎[14]。

(4) 水流要素。區(qū)域河湖水體水流過程被擾動的許可范圍最大值,即水流阻隔程度或者流速與流態(tài)允許變化的閾值,這通常與水力/水能資源的開發(fā)程度和開發(fā)方式關系密切。具體包括兩方面的內涵,一是水系縱向、橫向和垂向連通性的閾值,二是水體流速與流態(tài)指標的閾值[7]。

1.2 水資源承載力診斷體系

水資源承載力可分為水資源承載能力和水資源承載負荷。其中,水資源承載能力可表示為水資源對經(jīng)濟社會、生態(tài)環(huán)境發(fā)展的支撐力,水資源承載負荷可表示為經(jīng)濟社會、生態(tài)環(huán)境發(fā)展對水資源利用的壓力[15-16]。因此,以能力和負荷作為主要因素進行分析,并用表征指標表示。根據(jù)《全國水資源承載能力監(jiān)測預警機制技術大綱》中的水資源承載力評價方式,采用實物量能力與負荷表征指標兩兩比值進行評價,即通過對照各實物量指標度量標準的評價方法直接判斷其承載狀況[17]。

涉及水資源承載力的影響因素非常復雜,研究從量、質、域、流及自然稟賦、經(jīng)濟社會、生態(tài)環(huán)境等多個角度加以分析[18],共分析得出影響因素100多個。關鍵驅動指標診斷就是從這些影響因素中篩選出對水量、水質、水域空間、水流等方面的水資源承載狀況具有重要驅動作用的指標。本次采用了相關性分析、主成分分析、熵權法分析以及DEMATEL(Decision-making Trial and Evaluation Laboratory)分析,在全國層面共篩選出24個關鍵驅動指標,其中有3個指標重復(水資源總量、降水量、河道平均流速),見表1。對于區(qū)域或者流域層面,可能與全國的24個關鍵驅動指標不一樣,如對可利用水量,可能有外調水量等,其他要素也有類似的不同驅動指標。

表1 水資源承載力關鍵驅動指標

2 水資源承載力預測

對水資源承載力驅動指標開展不同發(fā)展情景下的預測研究,分析未來多重影響因素作用下的水資源承載力變化。通過分析水資源承載力診斷指標擬選擇非線性時間序列分析方法,在分析這些模型適用性的基礎上,結合采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、支持向量機、集對分析、系統(tǒng)動力學模型等智能建模方法,構建水資源承載力診斷指標預測模型,建立能力與負荷的表征指標與診斷指標的關系,進而通過診斷指標預測實現(xiàn)區(qū)域水資源承載力的動態(tài)預測[19-20],具體技術方案如圖2。

2.1 水資源承載力預測過程

采用水資源承載力物理成因分析與數(shù)據(jù)挖掘相結合的方法開展研究。數(shù)據(jù)挖掘是近20年來新興發(fā)展起來的先進技術,包含智能計算等多種類型的先進算法,可滿足大數(shù)據(jù)、多容量的區(qū)域水資源承載力數(shù)據(jù)分析計算要求。本文擬通過對比不同預測方法從而改進完善模型求解算法,利用趨勢分析等方法對診斷指標現(xiàn)狀系列數(shù)據(jù)進行預測從而得到診斷指標規(guī)劃水平年預測值,再通過BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡等方法構建診斷指標與表征指標的關系,基于診斷指標預測值得到表征指標預測值。

某防護結構墻體混凝土配合比優(yōu)化及溫度控制………………………………………… 曾鳴，仲新波，揭英強（6-3）

2.2 建立水資源承載力表征指標與診斷指標關系

對于水資源承載力的水量、水質、水域空間、水流四要素的各表征指標Y與其診斷指標集X={x1,x2,…,xn}之間的關系均可以通過轉換函數(shù)f刻畫,即:

Y=f(X)=f(d1x1,d2x2,…,dnxn)

(1)

式中:di為第i個診斷指標的驅動指數(shù)。

圖2 基于數(shù)據(jù)挖掘技術的區(qū)域水資源承載力狀態(tài)預測技術方案Fig.2Technical scheme for predicting regional water resources carrying capacity status based on data mining technology

3 水資源承載力調控

3.1 調控目標

針對中國面臨的復雜水資源問題,結合“十三五”重點研發(fā)計劃項目“國家水資源承載力評價與戰(zhàn)略配置”中水資源承載力發(fā)展目標,到2035年各地的水資源承載力要消除嚴重超載區(qū)；到2050年,各地水資源承載力消除一般超載區(qū)。本次水資源承載力的調控按照該總體目標進行。

具體對每個地區(qū),要根據(jù)各地的水資源綜合規(guī)劃、水污染防治行動計劃、主體功能區(qū)規(guī)劃、生態(tài)控制紅線、國土空間開發(fā)規(guī)劃等明確的各時間節(jié)點目標,按照總體目標設置一系列具體調控目標,具體調控目標可以比總目標更高。

3.2 調控方法

水資源承載力的調控涉及眾多方面,特別是在多因素、多水平的調控方案中,其造成的影響更為復雜。針對上述情況,可采用正交試驗方法進行調控研究。正交試驗以造好的正交表為依據(jù)來安排試驗方案,以較少的試驗次數(shù)、較短的試驗周期、較低的試驗和生產(chǎn)成本來迅速找到最優(yōu)方案。

3.3 調控方案

依據(jù)當?shù)厮Y源承載能力現(xiàn)狀診斷及未來預測結論,針對該地區(qū)水量、水質、水域空間、水流四要素能力表征指標的驅動因子,圍繞調控目標提出調控方案。

根據(jù)驅動指標的具體情況,有的能調控,有的不能調控,如可利用的水量中降水量、水資源總量2個驅動指標人為不能調控,而大中型水庫蓄水量及非常規(guī)水利用量指標通過人的行為可以調控,針對可調控的指標,對各規(guī)劃水平年(2030年、2035年和2050年)可調控的指標分別設置不同的情景,通過正交試驗產(chǎn)生多組調控方案,分析驅動指標實現(xiàn)難易程度和代價,優(yōu)選出(推薦)調控方案,實現(xiàn)調控目標。

3.4 調控措施

水資源作為重要的基礎資源,已逐漸成為地區(qū)國民經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸,為保證水資源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展,有必要從開源和節(jié)流2個途徑提出一系列調控措施,用于解決各地目前和將來可能面臨的水資源短缺、水環(huán)境污染、水域面積萎縮、水體流動性受阻等水資源挑戰(zhàn)。利用本文構建的水資源承載力診斷指標體系、水資源承載力預測模型和承載力調控方法等,針對優(yōu)選調控方案中的調控指標從能力與負荷兩方面提出具體的調控措施。

4 黃河流域水量要素承載力預測與調控

4.1 黃河流域水量要素承載力診斷

黃河流域降水較少,本地水資源短缺,屬于資源性缺水流域,缺水形勢嚴峻,供需矛盾突出,因此,本文以水量要素為重點進行黃河流域水量要素承載力診斷與調控案例研究。將黃河流域分為上游、中游、下游3個研究分區(qū),通過現(xiàn)狀評價可知,2017年黃河流域上游、中游、下游水量均處于超載狀態(tài)。

遵循科學性原則、代表性原則及可操作性原則，通過單因素線性分析、Pearson相關性分析、灰色關聯(lián)度法進行關鍵驅動指標識別可知,在能力方面,地表水資源量指標對區(qū)域可利用水量影響較大；在負荷方面,農(nóng)業(yè)用水量指標及其二級驅動指標對區(qū)域用水量的影響較大。具體見表2。

表2 黃河流域水資源承載力水量要素關鍵驅動指標

4.2 黃河流域水量要素承載力預測

運用系統(tǒng)動力學模擬仿真模型,進行黃河流域水量要素承載狀況的模擬與預測。模型確立初始時間為2004年,結束時間為2050年,時間步長為1 a。規(guī)劃水平年為2030年、2035年和2050年。通過對模型進行歷史性檢驗,確定了模型的有效性。模型流圖見圖3。

圖3 黃河流域水資源承載力水量要素系統(tǒng)動力學流圖Fig.3System dynamics flow chart of water resources carrying capacity in Yellow River basin

考慮未來黃河流域水資源條件將發(fā)生較大變化,設定了南水北調西線等調水工程運行前、運行后2種不同情景。通過仿真實驗得到不同情景下2030年、2035年及2050年各分區(qū)水資源承載力水量要素承載狀況。根據(jù)預測結果可知,西線等調水工程運行前各規(guī)劃水平年黃河流域、上游區(qū)、中游區(qū)、下游區(qū)均處于超載或嚴重超載狀態(tài)；西線等調水工程運行后中游區(qū)2030年和2035年處于臨界狀態(tài),2050年處于超載狀態(tài),其余各分區(qū)和黃河流域各規(guī)劃水平年均處于超載狀態(tài),具體見表3。

表3 南水北調西線等調水工程運行前后水量要素承載狀況表

4.3 黃河流域水量要素承載力調控

根據(jù)上述預測結果,統(tǒng)籌考慮調控方案的可操作性、經(jīng)濟代價等原則,針對南水北調西線等調水工程運行前與運行后2種情景,通過正交試驗方法進行能力和負荷兩方面的調控研究,以全流域調控為例進行調控,最終使全流域在規(guī)劃水平年消除超載狀態(tài),即水量要素承載狀態(tài)值不超過1。

通過對系統(tǒng)動力學模型中的指標進行敏感性分析,結合4.1節(jié)診斷部分影響水資源承載力水量要素的驅動因子的選擇,最終在能力提升方面增加非常規(guī)水利用和入海水量2個指標進行調控,在負荷削減方面調控畝均灌溉用水量、灌溉面積、萬元工業(yè)增加值用水量、工業(yè)增加值4個指標,每個指標分3個水平進行正交試驗,得到多種調控方案。運行仿真模型,得到各調控方案下的承載狀況。針對黃河流域各規(guī)劃水平年推薦最優(yōu)調控方案,使水資源承載狀況在南水北調西線等調水工程運行前、運行后均達到不超載狀態(tài)。具體推薦方案見表4。

表4 黃河流域水資源承載水量要素調控方案

針對以上調控方案,提出適度退減農(nóng)田灌溉面積、降低畝均灌溉用水量、降低萬元工業(yè)增加值用水量、調整產(chǎn)業(yè)結構、加大非常規(guī)水利用、跨流域調水工程的建設和適時削減部分入海水量等是黃河流域水量要素不超載的主要調控措施。

5 結 論

(1) 圍繞水資源承載能力“量、質、域、流”四要素,采用了主成分法、熵權法以及DEMATEL法等從能力與負荷兩方面,構建了水資源承載力診斷體系,在全國層面篩選得到24個關鍵驅動指標。

(2) 利用趨勢分析等方法構建水資源承載力診斷指標預測模型,通過BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡等方法建立水資源承載力表征指標與診斷指標的關系,從而得到各規(guī)劃水平年水資源承載狀態(tài)。針對超載地區(qū),設定區(qū)域水資源承載力調控目標,采用正交試驗方法優(yōu)選調控方案,針對最優(yōu)方案中的調控指標提出具體調控措施,建立了區(qū)域水資源承載力動態(tài)預測與調控體系。

(3) 以黃河流域水量要素為例進行水資源承載力研究,通過單因素線性分析、Pearson相關性分析、灰色關聯(lián)度法進行了關鍵驅動指標識別；采用系統(tǒng)動力學模型進行各規(guī)劃水平水資源承載狀態(tài)預測,得到各研究區(qū)南水北調西線調水工程運行前都處于超載或嚴重超載狀態(tài),運行后都處于超載或臨界狀態(tài)；根據(jù)調控目標采用正交試驗方法優(yōu)選出南水北調西線工程運行前、運行后各規(guī)劃水平年的推薦調控方案,針對推薦方案提出適度退減農(nóng)田灌溉面積等調控措施,實現(xiàn)了黃河流域水資源承載力水量要素不超載的目標。