任曉燕，紀(jì)永福，張恒嘉，殷 強(qiáng)，梁 超，王 永

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省治沙研究所，甘肅 民勤 733300)

1 概述

水資源在地區(qū)乃至國家可持續(xù)發(fā)展中具有至關(guān)重要的作用，它不僅是一項(xiàng)戰(zhàn)略性資源，更是人類生存環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要調(diào)控因素。近年來，隨著全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國水污染、浪費(fèi)、過度開發(fā)等問題日益嚴(yán)重，水資源供求矛盾逐年激化，已嚴(yán)重危及到社會(huì)發(fā)展和人民生活。因此，水資源承載力研究對(duì)實(shí)現(xiàn)人水和諧，突破水資源限制社會(huì)發(fā)展的瓶頸具有現(xiàn)實(shí)意義[1]。

“承載力”一詞源于力學(xué)[1]，是描述地基強(qiáng)度對(duì)建筑物重量的承受能力，具有可量化性；后來Park和Burgess最先提出生態(tài)承載力概念，具體是指在保證生態(tài)環(huán)境良好發(fā)展和合理開發(fā)利用資源前提下，某區(qū)域在一定時(shí)間某個(gè)特定生態(tài)系統(tǒng)能承載的人口、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)總量的能力[2]。20世紀(jì)90年代，美國著名經(jīng)濟(jì)學(xué)家Kenneth Arrow聯(lián)合生態(tài)學(xué)專家在Science上共同發(fā)表了“經(jīng)濟(jì)增長、承載力和環(huán)境”一文[3]，由此承載力相關(guān)研究備受學(xué)術(shù)界的關(guān)注。此后，隨著該領(lǐng)域研究的不斷深入，城市承載力、經(jīng)濟(jì)承載力、耕地承載力、水生態(tài)承載力等概念被相繼提出，且各領(lǐng)域都有特定的定義和表達(dá)方式。

國外對(duì)于水資源承載力的研究較少，最早是美國URS公司[4]將其概念定義為“在不對(duì)自然和人工資源造成破壞的前提下，該地區(qū)所能承載的最大發(fā)展水平”。Falkenmark[5]通過簡單的計(jì)算求得了一些國家使用水資源的限度，為后續(xù)水資源承載力研究提供了有力支撐。我國關(guān)于水資源承載力的概念和理論的首次研究是在西部干旱區(qū)生產(chǎn)用水激增、生態(tài)用水被無序侵占和環(huán)境惡化等背景下，由新疆水資源軟科學(xué)課題組[6]提出的，為國內(nèi)相關(guān)研究提供了理論基礎(chǔ)。

目前，國內(nèi)關(guān)于水資源承載力研究多從水資源系統(tǒng)和現(xiàn)實(shí)層面出發(fā)，以社會(huì)經(jīng)濟(jì)等作為承載指標(biāo)進(jìn)行研究[7]。許有鵬[8]以新疆和田河為例，采用模糊綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算得出，該研究區(qū)水資源開發(fā)利用潛力較小，已接近開發(fā)容量。曹麗娟等[9]運(yùn)用主成分分析法和系統(tǒng)聚類法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)了甘肅省各地市水資源承載力，認(rèn)為其地區(qū)差異顯著且呈下降趨勢(shì)。左其亭[10]通過TOPSIS模型評(píng)價(jià)了黃河流域九省水資源承載力，表明甘肅省水資源承載力長期處于超載狀態(tài)。許楊[11]構(gòu)建DPSIR-改進(jìn)TOPSIS模型，研究了淮安市水資源承載力，提出該模型較適用于該地區(qū)，為淮安市水資源深入研究提供了新思路。由此看出，水資源承載力的研究思路越來越具有獨(dú)特性，評(píng)價(jià)方法也更加多樣化。

武威市是河西走廊的重要節(jié)點(diǎn)，其社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)于西部大開發(fā)成果和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。近年來，研究區(qū)各生產(chǎn)系統(tǒng)和人口變化對(duì)水資源的需求明顯增加，水資源的質(zhì)、量等問題日益突出，運(yùn)用合理的方法評(píng)價(jià)武威市水資源承載力對(duì)該地區(qū)水資源合理高效利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展意義重大。本文對(duì)內(nèi)陸干旱區(qū)武威市水資源承載力常年變化進(jìn)行分析和綜合評(píng)價(jià)，以期能為武威市生態(tài)環(huán)境的改善和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展提供參考依據(jù)。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

武威市處于中國西北干旱區(qū)，地處甘肅省中部，下轄三縣一區(qū)，地形呈西高東低，有山區(qū)、平原和荒漠3種地貌單元。區(qū)域面積共33238km2，境內(nèi)海拔在1020～4874m之間，降水量113～410mm，蒸發(fā)量1548～2645mm，常年日照時(shí)數(shù)在2200～3030h，無霜期85～165d，屬于典型溫帶大陸性干旱氣候。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年末城鎮(zhèn)化率為47.01%，低于全國城鎮(zhèn)化率63.89%，地區(qū)GDP為526.41億元，一直保持穩(wěn)步向前發(fā)展。武威市地表水資源主要來源于石羊河流域，人均水資源占有量不足600m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人均1000m3的國際水資源緊缺標(biāo)準(zhǔn)，是極度缺水區(qū)之一[12]。

2.2 研究方法

2.2.1研究方法

目前水資源承載力的研究方法很多，干旱區(qū)常用的有常規(guī)趨勢(shì)法、模糊評(píng)價(jià)法、主成分分析法、生態(tài)足跡法、多目標(biāo)分析法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法等[13]，研究理論和方法眾多，但各有優(yōu)勢(shì)和不足，如常規(guī)趨勢(shì)法的優(yōu)點(diǎn)是能夠直觀反映單因素的變化趨勢(shì)，計(jì)算簡單，不足之處是不能體現(xiàn)各個(gè)因子間的聯(lián)系和相互作用，因此需根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況和資料的可獲取性選取適宜的研究方法。本文采用主成分分析法及SPSS 26.0軟件，對(duì)武威市2010—2020年水資源承載力進(jìn)行分析[14]。

2.2.2數(shù)據(jù)來源

本文所選原始數(shù)據(jù)均來源于《甘肅省水資源公報(bào)》(2010—2020年)、《甘肅省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2010—2020年)和武威市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)(2010—2020年)。

3 結(jié)果與分析

3.1 指標(biāo)選取

水資源承載力是以社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展為研究理念和前提的，是一個(gè)需從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、人口、水資源等多方面進(jìn)行分析的綜合概念，因此指標(biāo)選取應(yīng)遵循客觀性、代表性及可行性原則[15]，首先要能綜合反映各系統(tǒng)對(duì)水資源承載力的影響，其次需充分考慮資料的來源和可獲得性。本文根據(jù)以上原則及地區(qū)特點(diǎn)，選取以下13個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

表1 武威市水資源承載力指標(biāo)體系

3.2 主成分分析

3.2.1數(shù)據(jù)處理

分析得到水資源承載力驅(qū)動(dòng)因子相關(guān)性矩陣見表2。由表2可知13個(gè)因子間存在相關(guān)關(guān)系，X1與X4、X5、X13呈正相關(guān)，與X3、X8呈負(fù)相關(guān)，因此可進(jìn)行主成分分析[16- 18]。

表2 驅(qū)動(dòng)因子相關(guān)系數(shù)矩陣

3.2.2主成分選擇及評(píng)價(jià)

主成分特征值及方差貢獻(xiàn)率見表3。由表3可知，前3個(gè)主成分F1、F2、F3的特征值分別為6.003、4.181、1.165，均大于1，且前3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到87.304%，符合累計(jì)貢獻(xiàn)率不小于85%的要求，說明前3個(gè)主成分變量能夠較全面地反映武威市水資源承載力狀況。因此，本研究選取前3個(gè)主成分分析并計(jì)算各因子在主成分上的荷載，見表4，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行水資源承載力評(píng)價(jià)研究。

表3 主成分特征值及貢獻(xiàn)率

表4 成分載荷矩陣

由表3—4可知，第一主成分F1比重為46.179%，與X2、X4、X13存在正相關(guān)關(guān)系，與X6、X9存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明第一主成分與經(jīng)濟(jì)發(fā)展及水資源利用情況相關(guān)，并且是影響武威市水資源承載力的首要因素。2010—2020年，武威市年均降水量為262.9mm，而年均蒸發(fā)量高達(dá)1996.6mm，年均水資源量為12.11億m3，水資源極為短缺。社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面，隨當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展，2020年武威市地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)到526.41億元，較2010年228.77億元增加130.1%，城市人口比重由27.56%增加到47.01%，但同時(shí)也加重了水資源壓力。水資源利用方面，武威市總供水量在研究年限內(nèi)基本保持穩(wěn)定，水資源總量小幅增加，減輕了該地區(qū)水資源壓力。此外，武威市屬于典型資源型缺水區(qū)，且存在嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)現(xiàn)象，近年來通過節(jié)水技術(shù)措施取得了一定成效，萬元GDP用水量從2010年的772.45m3/萬元縮減到2020年的327.53m3/萬元，有效灌溉面積從285.06萬畝增加到323.96萬畝，萬元GDP用水量顯著減少，水資源利用率明顯提升。但農(nóng)業(yè)用水仍占比很大，數(shù)據(jù)顯示，2020年武威市總用水量為17.24億m3，其中農(nóng)業(yè)用水量為13.66億m3，占比高達(dá)79.2%，同時(shí)農(nóng)業(yè)用水效益處于全市各行業(yè)平均用水效益之下，由此可見，該地區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率極低，還需大幅提升。

第二主成分F2與X1、X10、X11有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，主要體現(xiàn)人口變化和生活用水及生態(tài)環(huán)境用水狀況，反映了人類活動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)鍵作用。近11年，研究區(qū)隨人口的變化，總供水量基本保持不變，生活用水量由2010年的0.48億m3增加到2020年的0.58億m3，大體呈緩慢增加趨勢(shì)，且因當(dāng)?shù)厝嗣駥?duì)生態(tài)保護(hù)愈加重視，生態(tài)用水量也同步增加，而水資源需求日益增長勢(shì)必對(duì)水資源承載能力造成壓力。

第三主成分F3與X3、X11存在正相關(guān)關(guān)系。11年間，武威市固定資產(chǎn)投資呈先增后減的態(tài)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)增長給企業(yè)帶來用水壓力，從而促使企業(yè)提高用水效率，對(duì)水資源高效利用具有重要意義。綜上所述，影響武威市水資源承載力因子可概括為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、水資源有效利用情況和水資源自然條件3個(gè)方面。

3.3 水資源承載力分析

根據(jù)特征值(表3)和成分荷載矩陣(表4)，令y1代表F1的得分，可將y1、y2、y3表示為以下線性關(guān)系：

y1=0.210x1+0.388x2+0.056x3+0.362x4+
0.230x5-0.391x6-0.325x7-0.175x8-0.374x9-
0.136x10-0.057x11+0.148x12+0.381x13

(1)

y2=0.331x1+0.068x2-0.388x3+0.209x4+
0.129x5+0.052x6+0.230x7-0.371x8+0.177x9+
0.429x10+0.423x11-0.277x12+0.106x13

(2)

y3=-0.247x1+0.220x2+0.425x3+0.143x4-
0.499x5-0.145x6+0.260x7-0.040x8-0.001x9+
0.253x10+0.409x11+0.333x12+0.091x13

(3)

將量綱統(tǒng)一后的原始數(shù)據(jù)帶入(1)(2)(3)式，計(jì)算得到主成分得分，再將3個(gè)主成分貢獻(xiàn)率(分別為0.46179、0.32163、0.08962)作為權(quán)重，得到水資源承載力綜合得分Y的數(shù)學(xué)函數(shù)如下:

Y=0.46179×y1+0.32163×y2+0.08962×y3

(4)

由綜合評(píng)價(jià)函數(shù)可得武威市水資源承載力得分情況見表5，y1、y2、y3為主成分得分，Y代表主成分綜合得分，Y的大小說明了該地區(qū)的水資源承載力所在的相應(yīng)位置，正值代表該年研究區(qū)的水資源承載力在平均水資源承載力之上，負(fù)值則相反，Y分值越大，水資源承載力越小，開發(fā)利用空間越小，反之越大[9]。

表5 2010—2020年武威市水資源承載力綜合得分

由表5可以看出，第一主成分得分逐年增大，2020年有下降趨勢(shì)，總體變化與綜合得分變化趨勢(shì)一致，且第一主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)46.179%，可見經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況對(duì)水資源承載力起到關(guān)鍵作用，同時(shí)水資源自然稟賦和開發(fā)利用情況也有一定的影響。第二、三主成分變化波動(dòng)較大，對(duì)整體得分影響較小。武威市水資源承載力在研究年限內(nèi)呈逐年遞減趨勢(shì)，水資源開發(fā)利用潛力日益減小?？傮w來說，武威市近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，農(nóng)業(yè)用水有小幅減少，用水效率不高，水資源供需不平衡等因素導(dǎo)致水資源承載負(fù)荷逐漸加大。水資源需求雖未減少，但武威市政府配合實(shí)施《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》，采取高效節(jié)水用水措施，開源節(jié)流，這些舉措均促進(jìn)武威市生態(tài)環(huán)境向好發(fā)展。

4 結(jié)論

(1)2010—2020年武威市水資源承載力逐年下降，得分從2010年的-1.8上升至2020年的2.19，開發(fā)利用潛力不容樂觀。

(2)武威市水資源承載力主要影響因子總結(jié)為：經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、水資源有效利用程度、生活生態(tài)用水情況，其中經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源利用情況是影響承載力的主導(dǎo)因素。

(3)基于11年間的數(shù)據(jù)對(duì)武威市水資源承載力分析可得，該地區(qū)水資源供求矛盾突出，用水結(jié)構(gòu)不合理，發(fā)展節(jié)水型經(jīng)濟(jì)和建設(shè)節(jié)水型社會(huì)必須合理控制農(nóng)業(yè)用水和優(yōu)化水資源配置。