李朋飛，胡晉飛，姚頑強

(西安科技大學 測繪科學與技術學院，陜西 西安 710054)

0 引言

水資源是人類賴以生存且不可替代的自然資源，是保障社會經濟發(fā)展的經濟性資源，亦是維系國家穩(wěn)定的戰(zhàn)略性資源[1-2]。我國水資源嚴重匱乏，加之近年來社會經濟飛速發(fā)展，區(qū)域耗水量持續(xù)增加，水體污染加劇導致水資源生態(tài)承載力下降，水資源供需矛盾日益突出[3-4]。明確區(qū)域水資源生態(tài)承載力，細化完善水資源供需分配，統(tǒng)籌考慮水資源優(yōu)化配置，是實現區(qū)域水資源科學管理的基本前提，也是黃河流域高質量可持續(xù)發(fā)展的根本保證[5]。針對此，許多學者對資源與環(huán)境承載力的概念進行擴展和完善后，提出了水生態(tài)承載力的概念，使承載力研究更加注重生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、完整性以及協(xié)調性，為從水生態(tài)的角度解決流域可持續(xù)發(fā)展問題提供了有效手段[6]。

水生態(tài)承載力有機結合了水資源承載力、水環(huán)境承載力以及生態(tài)承載力，綜合體現了水體的資源屬性和環(huán)境價值，同時也從水生態(tài)角度測度了自然生態(tài)系統(tǒng)對人類社會經濟的承載能力[7-9]。隨著黃河流域高質量發(fā)展的提出，對區(qū)域水資源承載力及其優(yōu)化配置提出了更高的要求，水生態(tài)承載力研究隨之成為重點與熱點問題[10]。水生態(tài)承載力涉及到水生態(tài)、水資源、社會、經濟、環(huán)境等許多因素，各個因素之間又存在著復雜的關系，是一個不斷發(fā)展的多層次復雜巨系統(tǒng)[11]。為深入理解區(qū)域水生態(tài)承載力，相關研究方法已從過去的單一指標、靜態(tài)分析逐漸向系統(tǒng)多目標、動態(tài)綜合分析方向發(fā)展。目前，常用的水生態(tài)承載力研究方法有：多目標優(yōu)化模型法、主成分分析法、系統(tǒng)動力學法、背景分析法、模糊綜合評判法、常規(guī)趨勢法、BP神經網絡分析法、投影尋蹤模型法等[12-13]。眾多方法中，多目標優(yōu)化模型法能夠充分考慮水資源與人口、社會和經濟因素間的動態(tài)聯(lián)系，追求在環(huán)境影響最小的情況下產生的經濟效益最大，符合區(qū)域可持續(xù)發(fā)展原則，因此在評估區(qū)域水生態(tài)承載力的多目標群決策問題上較為適用[14-15]。

黃河流域沙化區(qū)屬于干旱半干旱地區(qū)，年降水量少且年內分配不均，區(qū)域地表水資源稟賦嚴重不足，水資源供需矛盾十分突出，成為制約該地區(qū)經濟發(fā)展和社會穩(wěn)定的重要因素，因而亟待解決該區(qū)域水生態(tài)承載力與水資源承載負荷或負荷期望值之間的矛盾。鑒于此，以黃河流域沙化區(qū)典型區(qū)域右玉縣為研究區(qū)，基于區(qū)域生態(tài)需水的定量計算，結合構建的多目標優(yōu)化模型，評估區(qū)域水生態(tài)承載力，并給出水資源能夠承載的最大經濟規(guī)模和社會規(guī)模；綜合研究區(qū)社會經濟發(fā)展目標，并提出水資源優(yōu)化配置方案。

1 研究區(qū)概況與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

右玉縣地處黃土高原東北端，隸屬于山西省朔州市，見圖1。由于多年來過度放牧和無限度的墾荒，致使植被破壞，巖石裸露，沙化現象比較嚴重，屬于典型沙化區(qū)。全縣地形南高北低，四周環(huán)山，東西寬45.7 km，南北長67.7 km，總面積1 967 km2[16]。區(qū)域氣候具有半干旱氣候特征，年均氣溫 4 ℃，一月零下11 ℃至零下15 ℃，7月19 ℃至20 ℃，降水多集中在6、7、8這3個月，多年平均降水量420.15 mm[17]。區(qū)域內最大的河流為蒼頭河，屬于黃河水系，發(fā)源于平魯縣郭家窯等地，最后經內蒙古而匯入黃河，在境內流長75 km。由于區(qū)域內水資源過度開發(fā)利用，區(qū)域沙漠化及其它人為因素和自然因素，導致右玉縣的生態(tài)環(huán)境出現明顯惡化。土地荒漠化、風蝕沙化等為研究區(qū)最主要的生態(tài)環(huán)境問題，水資源短缺則是引起該沙化區(qū)生態(tài)環(huán)境問題的首要因素。

圖1 研究區(qū)概況圖(a)朔州市所在黃土高原位置；(b)玉縣地形圖及其水系

1.2 數據來源

研究區(qū)水資源及社會經濟狀況通過右玉縣水利局提供的數據資料，并查閱《朔州市水資源公報》與《右玉統(tǒng)計年鑒》獲得，主要包括水資源總量、供水量、需水量、人口、經濟狀況等。

2 研究方法

2.1 生態(tài)需水量計算

植被生態(tài)需水包括維持陸地林木植被、草場植被等不同類型植被生存所需的最小水資源量。在研究生態(tài)需水時僅考慮其蒸散的部分，而忽略其自身生物量生產所需水，也就是說植被生態(tài)需水量等于其實際蒸散量[18-19]。基于研究區(qū)植被類型及面積，計算不同類型植被的生態(tài)需水定額，然后將某一類型植被的生態(tài)需水定額與其面積相乘得到該類型植被的生態(tài)需水，區(qū)域不同類型植被的生態(tài)需水之和即為研究區(qū)植被總的生態(tài)需水量。計算公式為

Wet=∑Wa=∑Sa×ETa

(1)

式中：Sa為植被類型a的面積；ETa為植被類型a的生態(tài)需水定額。

植被生態(tài)需水定額ETa由式(2)計算[18，20]

ETa=kc×ks×ET0

(2)

式中：kc為植被系數；ks為土壤水分系數，采用Saxton計算研究區(qū)不同質地類型各種狀態(tài)下的土壤水分，根據Jensen公式計算土壤水分系數[21]；ET0為FAO 56 Penman-Monteith模型計算出的植被蒸散量[22-24]，其模型為

(3)

式中：ET0為參考作物蒸散量，mm/day；Rn為凈輻射，MJ/(m2·day)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·day)；T為2 m處日平均氣溫，℃；u2表示2 m處風速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；es-ea為飽和水氣壓差，kPa；Δ為水汽壓曲線斜率，kPa/℃；γ為濕度計算常數，kPa/℃。太陽凈輻射Rn中的經驗系數取值為：a=0.2，b=0.79，c=0.56，d=0.25，e=0.1，f=0.9。計算所需的風速、日照時數、相對濕度、氣溫、氣壓、地表溫度等常規(guī)氣象觀測數據的日資料可由該地區(qū)氣象站獲得。

研究區(qū)地處北方溫帶半干旱氣候區(qū)，植被生長季與非生長季的生態(tài)需水存在明顯不同，由于植被在生長季生長較為旺盛，生態(tài)需水量較多，而在非生長季，由于植被枯萎凋落，生態(tài)需水量較少，幾乎可忽略，因此選取其生長季(4月～10月)來計算其生態(tài)需水[25]。

2.2 多目標優(yōu)化模型

根據得出的植被生態(tài)需水量，運用構建的多目標優(yōu)化模型，綜合考慮水生態(tài)、水資源、水環(huán)境和經濟社會發(fā)展等各個因素，通過水資源所能承載的最大人口數量和經濟規(guī)模來描述水生態(tài)承載力。

研究區(qū)水資源作為水生態(tài)承載力的承載體，其承載對象是該沙化區(qū)與水相關聯(lián)的自然環(huán)境和社會系統(tǒng)。水生態(tài)承載力主要由以下3個因素決定：研究區(qū)水資源的賦存狀況、開發(fā)利用研究區(qū)水資源的能力和研究區(qū)的用水結構以及用水水平[9]。為了對研究區(qū)水生態(tài)承載力進行更加直觀地判斷，用水生態(tài)可承載的人口數量作為綜合指標來反應水生態(tài)承載力，這樣不僅能直觀反映水生態(tài)承載力，而且便于對同一研究區(qū)不同時期不同階段或者不同研究區(qū)之間的水生態(tài)承載力進行分析對比。根據上述分析可建立研究區(qū)水生態(tài)承載力計算模型。

(4)

上述模型可等價為

(5)

(6)

式中：Wst為研究區(qū)水資源可供水量；Wet為生態(tài)環(huán)境用水量；Rtj為研究區(qū)t時期對j方面的人均需求的理想值；UWtj為研究區(qū)t時期的水生態(tài)功效矩陣。

3 結果與討論

3.1 區(qū)域生態(tài)需水變化特征

土地類型的劃分是生態(tài)需水計算的首要條件，根據計算得到的右玉縣參考蒸散量，基于2010年的土地利用類型計算出該地區(qū)生長季內幾種主要土地利用類型的生態(tài)需水量。右玉縣主要土地類型的面積見表1。

表1 研究區(qū)主要土地類型的面積

由右玉縣2010年土地利用類型圖可以得出，研究區(qū)主要土地類型包括耕地、林地、草地3種類型。研究區(qū)植被類型主要分為耕地、林地、草地3種類型。耕地主要為山地旱地、丘陵旱地和平原旱地；林地可分為有林地、灌林地、疏林地和其他林地；草地植被類型分為高覆蓋度草地、中覆蓋度草地和低覆蓋度草地。丘陵旱地在該區(qū)域所占的面積最大，大約占該地區(qū)土地面積的38%。

3.1.1 不同地類生態(tài)需水年內變化特征

由圖2可知，生長季的各個月內，主要植被類型的生態(tài)需水及植被間的生態(tài)需水都存在顯著的差異性。從2011年的4月份開始到6月，研究區(qū)植被的生態(tài)需水呈現出上升的趨勢，6月份植被的生態(tài)需水達到最大，之后又逐漸減小，植被的生態(tài)需水主要集中在6、7、8這3個月，其次是5月和9月，而4月和10月的生態(tài)需水則相對較少，該變化趨勢與研究區(qū)降水的變化一致。3種植被類型中，草本植被的蒸散作用較弱，所以草地的生態(tài)需水最??；森林水分的主要輸出項就是蒸散作用，因此林地的蒸散作用較強，其生態(tài)需水在3種植被中相對較高；由于作物在成熟期之前耕地生態(tài)需水驟增，而成熟收獲之后耕地生態(tài)需水又會急劇下降，所以旱地植被在生長季的生態(tài)需水波動最大。

圖2 不同類型植被生長季的生態(tài)需水

3.1.2 不同地類生態(tài)需水年際變化特征

該地區(qū)生長季內3種主要土地利用類型生態(tài)需水量的年際變化如圖3所示，右玉縣生長季內旱地的生態(tài)需水量各年波動較小，僅在2007、2008、2011、2012年生態(tài)需水量偏低，最低值約為3億m3，在旱地耕種面積變化不大的情況下，其生態(tài)需水量的變化受到該地區(qū)參考蒸散量的控制；林地生態(tài)需水量的低值出現在2007，2008和2011年，最低值約為2億m3；草地最低值約為8千萬m3。

圖3 生態(tài)需水的年際變化

由圖4可知，3種土地利用類型中，生長季內旱地的年均生態(tài)需水量最大，接近4億m3；草地的生態(tài)需水量最小，約為1億m3；季內旱地的年均生態(tài)需水量最大，接近4億m3；草地的生態(tài)需水量最小，約為1億m3；林地生態(tài)需水量居中。出現此種生態(tài)需水量的分布格局是與這幾種土地利用類型的面積大小有關，但由于旱地總面積9.3億m2，遠遠高于林地的5億m2，因此導致最終總的生態(tài)耗水量旱地最多，林地次之。

圖4 研究區(qū)多年平均生態(tài)需水

3.2 區(qū)域水生態(tài)承載力及水資源優(yōu)化配置

3.2.1 水資源優(yōu)化配置

右玉縣多年平均水資源總量WSt為9 802萬

m3，其中地表水資源量7 027萬m3，地下水資源量6 267萬m3，二者重復計算量3 492萬m3，多年平均降水量為420.15 mm。2011年總人口112 782人，人均GDP為31 872.55元。研究區(qū)現狀社會經濟狀況及用水量見表2。

表2 研究區(qū)社會經濟及用水量

利用給出的公式對右玉縣2011年的水生態(tài)承載力進行分析，用水對象分為生活用水、農業(yè)用水、工業(yè)用水和生態(tài)環(huán)境用水。生活水平考慮現狀平均狀況。右玉縣2011年用水功效系數和人均需求見表3。

表3 用水功效系數和人均需求

為保障區(qū)域社會系統(tǒng)的穩(wěn)定與公平，在水資源優(yōu)化配置過程中，工農業(yè)用水不能擠占同期生態(tài)用水和居民生活用水。據此，綜合考慮社會各個方面均衡發(fā)展狀況下的用水需求，確保生活、工業(yè)、農業(yè)和生態(tài)環(huán)境目標互不側重的前提下，將右玉縣2011年總可供水量、水功效系數和人均需求代入多目標模型即可計算出右玉縣水資源可承載的最大的人口數及相應的經濟規(guī)模。水資源優(yōu)化配置方案見表4。

表4 水資源配置方案

由表4可以得出，以2011年為現狀年，保障社會各方面均衡發(fā)展用水需求的目標下，區(qū)域人口數量超過了水生態(tài)所能支撐的最大人口數，人口超標率達52.91%，水生態(tài)承載力遠遠不足，社會經濟的工農業(yè)產值發(fā)展規(guī)模也遠超過了水生態(tài)承載力。在右玉縣水資源條件和人口數量條件下，水生態(tài)承載力基本處于超標狀態(tài)，不能完全支持本地區(qū)可持續(xù)發(fā)展。為了保障全縣經濟社會健康快速發(fā)展，需從外界補給水量，方可解決水資源供需矛盾。

3.2.2 水資源管理與調控對策

1)逐步強化水資源剛性約束。由于研究區(qū)水資源承載力當前處于超標狀態(tài)，因此，在今后水資源利用規(guī)劃編制、政策制定及生產力布局中需堅持節(jié)水優(yōu)先。同時，對該區(qū)域實行水資源消耗總量和強度雙重控制，暫停水資源超載區(qū)域新增取水許可，嚴格限制水資源嚴重短缺區(qū)域城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)模與高耗水項目建設。

2)扎實推進水資源優(yōu)化配置?；诒狙芯坑嬎愕膮^(qū)域水資源承載力與水資源配置方案，進一步細化完善縣域內水資源分配。統(tǒng)籌當地水與外調水，在充分考慮節(jié)水的前提下，留足生態(tài)用水，合理分配生活、生產用水。建立健全縣域內河流流量監(jiān)測預警機制，明確管控要求，逐步實現重點區(qū)域供需平衡。

3)穩(wěn)固提升農業(yè)節(jié)水力度。鑒于右玉縣農業(yè)用水量占比較高，因此需嚴格農業(yè)用水總量控制，深挖農業(yè)節(jié)水潛力，加快節(jié)水技術裝備推廣應用實現農業(yè)用水方式由粗放低效向節(jié)約集約的根本轉變。同時，建立農業(yè)用水精準補貼和節(jié)水獎勵機制，推進灌溉體系現代化改造，穩(wěn)步提升灌溉水利用效率。

4 結論

生長季內，3種地類生態(tài)需水量都表現出先升高后降低的特征，且均于6月出現峰值。3種地類中，林地的單位面積生態(tài)需水量最高，林地次之，而草地的生態(tài)需水量最低。水生態(tài)承載力計算結果表明，在優(yōu)先滿足植被生態(tài)需水的前提下，右玉縣人口數量已經遠超水資源所能支撐的最大人口數，工農業(yè)發(fā)展規(guī)模也超過了地區(qū)水生態(tài)承載力，水生態(tài)承載力處于超標狀態(tài)。為遏制沙化區(qū)生態(tài)環(huán)境進一步退化，改善黃河流域生態(tài)環(huán)境，助推黃河流域高質量發(fā)展，在充分節(jié)水和水資源優(yōu)化配置的基礎上，需抓緊實施外界調水方可解決供需矛盾。