王鵬龍,宋曉諭,劉臣煒,王勤花,王 寶 (.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,甘肅 蘭州 70000;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 00049;.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京 20042)

水資源作為基礎(chǔ)性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源,尤其對(duì)缺水的內(nèi)陸河流域,是生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要控制要素。作為可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容,資源環(huán)境承載力研究逐步從單一要素向多要素研究發(fā)展,出現(xiàn)針對(duì)特定區(qū)域資源承載力、環(huán)境承載力和生態(tài)承載力等綜合承載力的研究[1-3]。資源環(huán)境承載力反映了區(qū)域資源環(huán)境基礎(chǔ)(承載體)對(duì)生活生產(chǎn)活動(dòng)(承載對(duì)象)的支撐能力[4]。針對(duì)水資源承載力研究,國(guó)外主要關(guān)注水安全等方面[3, 5-6],國(guó)內(nèi)則側(cè)重水資源承載力概念內(nèi)涵研究[3, 7-10]。已有研究普遍認(rèn)為,水資源承載力涵蓋水資源系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)[9],并從水量、水質(zhì)、水域、水流4個(gè)維度進(jìn)行了界定[10]。聯(lián)合國(guó)2030年可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)SDG6“清潔飲水與衛(wèi)生設(shè)施”從水資源、水環(huán)境、水生態(tài)及水管理維度對(duì)水資源評(píng)價(jià)的解析更有益于決策支持。

承載狀態(tài)評(píng)價(jià)和承載對(duì)象估算是水資源承載力研究的重要方面。承載狀態(tài)是區(qū)域水資源對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的支撐狀態(tài),承載狀態(tài)評(píng)價(jià)可用于水資源利用的監(jiān)測(cè)和預(yù)警[11]。承載對(duì)象估算是評(píng)估區(qū)域水資源能支撐的經(jīng)濟(jì)、人口等發(fā)展規(guī)模[12]。水資源承載力的評(píng)價(jià)方法包括經(jīng)驗(yàn)公式法、綜合評(píng)價(jià)法、系統(tǒng)分析法、定額用水等[7,9]。綜合評(píng)價(jià)法中有一類是基于水資源供需關(guān)系的綜合指數(shù),另一類是構(gòu)建反映區(qū)域水資源系統(tǒng)及其與經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)相互作用綜合情況的指標(biāo)體系,有利于分析水資源承載力的制約因素[11]。文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn),對(duì)于水資源承載力的研究仍存在一定局限性。首先,對(duì)水資源系統(tǒng)的水資源承載力[13]、水環(huán)境承載力[14]及水生態(tài)承載力[15]等單要素承載力評(píng)價(jià)較多,但對(duì)于特定區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)融合水資源-水生態(tài)-水環(huán)境的綜合承載力研究較少;其次,將承載狀態(tài)評(píng)價(jià)與承載力對(duì)象估算相結(jié)合的研究較少;此外,在尺度方面,鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),其與外界較為頻繁的物質(zhì)和能量交換難以通過(guò)尺度變化來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)[1],且由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的用水與經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù)較難獲取,基于定量的鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的研究仍然較少。

鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為最基礎(chǔ)的社會(huì)治理與生產(chǎn)發(fā)展的單元系統(tǒng)[16],是農(nóng)業(yè)及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主體,黑河流域農(nóng)業(yè)用水約占90%,水資源承載力是流域可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)問題,流域尺度本已嚴(yán)峻的承載力問題在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度更加突出。鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度國(guó)土空間規(guī)劃對(duì)水資源承載力的本底需求及鄉(xiāng)村治理從脫貧攻堅(jiān)向鄉(xiāng)村振興的轉(zhuǎn)變使得村鎮(zhèn)建設(shè)對(duì)水資源承載力形成新要求。目前,黑河中游甘州區(qū)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)等政策舉措深刻影響和改變著區(qū)域鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的水資源承載狀態(tài)。因此,開展現(xiàn)階段不同用水類型和不同發(fā)展類型的鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力評(píng)價(jià)及提升對(duì)策分析,可為研究區(qū)及同類型區(qū)域開展水資源承載力調(diào)控提供有益支撐。

1 研究區(qū)概況

張掖市甘州區(qū)位于河西走廊中部,屬典型的溫帶大陸性氣候區(qū),年降水量少,蒸發(fā)量大,中部綠洲盆地是黑河流域典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。流域有限的水資源既要滿足上中游工農(nóng)業(yè)的用水需求,又要考慮下游生態(tài)恢復(fù)與維持。甘州區(qū)用水以黑河干流分水為主,中游甘州、臨澤和高臺(tái)可利用的多年平均分水量?jī)H6.3億m3,而甘州區(qū)2015—2019年平均用水量高達(dá)7.5億m3,即便考慮地下水及農(nóng)業(yè)灌溉用水回流量,其供需形勢(shì)依然十分嚴(yán)峻。甘州區(qū)是全國(guó)最大的縣級(jí)玉米種子和重要商品蔬菜生產(chǎn)基地,全區(qū)轄18個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),分布在黑河、泉水和沿山灌區(qū)3個(gè)類型的八大灌區(qū)。結(jié)合取用水方式及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等差異,每個(gè)灌區(qū)選取1個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)為研究對(duì)象,共選取花寨鄉(xiāng)、安陽(yáng)鄉(xiāng)、大滿鎮(zhèn)、甘浚鎮(zhèn)、梁家墩鎮(zhèn)、龍渠鄉(xiāng)、沙井鎮(zhèn)和烏江鎮(zhèn)8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(圖1)。

圖1 黑河流域張掖市甘州區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)位置Fig.1 Location of townships in Ganzhou of Zhangye,Heihe River Basin

在國(guó)家和省級(jí)主體功能定位中,甘州區(qū)是國(guó)家級(jí)農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū),全域?qū)偈〖?jí)重點(diǎn)開發(fā)區(qū),沿山區(qū)屬祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū),同時(shí)也是黑河中下游防風(fēng)固沙和祁連山水源涵養(yǎng)重要區(qū)。按照主體功能定位,結(jié)合產(chǎn)業(yè)布局等發(fā)展實(shí)際,將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)分為農(nóng)產(chǎn)品供給型、產(chǎn)業(yè)集聚型和生態(tài)型3個(gè)類型(表1)。

表1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)情況描述Table 1 Description of townships

2 研究方法

2.1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

水資源承載力評(píng)價(jià)包含對(duì)水資源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)價(jià)及基于供需關(guān)系的承載對(duì)象規(guī)模評(píng)估,反映了對(duì)水資源支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的現(xiàn)狀及未來(lái)規(guī)模能力的研判,有益于結(jié)合未來(lái)發(fā)展與現(xiàn)狀運(yùn)行情況對(duì)水資源管理提供決策參考。鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為自然資源、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)要素于一體的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[1],現(xiàn)階段其水資源承載力是在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略下,保障鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)對(duì)水資源的可持續(xù)利用基礎(chǔ)上,水資源系統(tǒng)(承載體)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)(承載對(duì)象)的支撐狀態(tài)與規(guī)模。因此,以水資源供需關(guān)系為核心,重點(diǎn)從水資源、水環(huán)境、水生態(tài)和水管理4個(gè)維度對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力進(jìn)行解析與表征(圖2)。

圖2 鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力內(nèi)涵解析Fig.2 Connotation analysis of WRCC in townships

前期研究表明,黑河中游水資源系統(tǒng)面臨資源性缺水、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對(duì)水資源依賴程度高、耕地灌溉面積擴(kuò)大、水權(quán)制度固化與交易規(guī)模有限、生活生產(chǎn)排污對(duì)水質(zhì)存在潛在影響等關(guān)鍵問題?；趯?duì)黑河中游鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力的基本內(nèi)涵、主要維度及水資源系統(tǒng)關(guān)鍵問題等方面的分析,以多類型數(shù)據(jù)為支撐,綜合不同利益相關(guān)者的專家意見,以鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力為目標(biāo)層,構(gòu)建了包括水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水管理的4個(gè)系統(tǒng)層20個(gè)指標(biāo)的承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,綜合衡量水資源承載力狀況(表2)。

表2 鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 2 Evaluation index system of WRCC for townships

2.2 評(píng)價(jià)思路

以控制性指標(biāo)和綜合指數(shù)來(lái)表征鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力狀態(tài),以表征供水量(可利用水資源)與用水量關(guān)系的水壓力指數(shù)為控制性指標(biāo),用水量反映了水資源系統(tǒng)的壓力,供水量(可利用水量)反映了水資源系統(tǒng)的支持力。該指標(biāo)超過(guò)一定閾值(R>1)則判定水資源承載力狀態(tài)為超載(表3),即該區(qū)域水資源承載力存在短板,水資源利用存在突出矛盾。

當(dāng)控制性指標(biāo)不超載時(shí),以綜合指數(shù)來(lái)反映鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力的綜合狀態(tài)。結(jié)合水資源系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的交互情況,將綜合指數(shù)劃分為強(qiáng)可承載、可承載、弱可承載、極弱可承載4個(gè)相對(duì)狀態(tài)等級(jí)(表3),便于開展對(duì)比研究。

表3 鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力綜合指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Evaluation criterion of comprehensive index of WRCC for townships

水資源承載力綜合指數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)化后的各指標(biāo)值加權(quán)后求和獲得,具體公式為

(1)

式(1)中,CWRC為綜合指數(shù);Xi*為標(biāo)準(zhǔn)化后的各指標(biāo)值;Wi為各指標(biāo)對(duì)應(yīng)目標(biāo)層的組合權(quán)重,通過(guò)層次分析法測(cè)算。

2.3 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

以極值標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行預(yù)處理,依據(jù)各指標(biāo)對(duì)于鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力評(píng)價(jià)總體目標(biāo)的作用,將指標(biāo)分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo),正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化方法分別為

(2)

(3)

式(2)～(3)中,Xi為現(xiàn)狀年的指標(biāo)原始數(shù)據(jù);X1*、X2*分別為標(biāo)準(zhǔn)化的正向、負(fù)向指標(biāo)數(shù)據(jù);maxXi和minXi分別為指標(biāo)的極大值和極小值。極值主要參考全區(qū)18個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的指標(biāo)值,同時(shí)亦考慮有關(guān)政策目標(biāo)。

2.4 層次分析法

利用層次分析法(AHP)開展指標(biāo)權(quán)重計(jì)算的關(guān)鍵在于對(duì)各指標(biāo)重要性的判斷,并將定性判斷定量化。基于水資源管理部門專家和該領(lǐng)域研究學(xué)者等對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的打分,將各指標(biāo)的平均得分作為各指標(biāo)重要性的量化依據(jù),圍繞指標(biāo)體系系統(tǒng)層目標(biāo)開展兩兩指標(biāo)的重要性比較,以此構(gòu)建判斷矩陣,具體方法參見文獻(xiàn)[16]。

3 鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果分析

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

基于AHP和專家打分法得到系統(tǒng)層和指標(biāo)層的權(quán)重(表4)。在系統(tǒng)層,水資源(B1)和水管理系統(tǒng)(B4)對(duì)全區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力最為重要,權(quán)重均為0.29,水環(huán)境(B2)和水生態(tài)系統(tǒng)(B3)權(quán)重相對(duì)較小。從指標(biāo)權(quán)重看,涉水生態(tài)系統(tǒng)面積比例(C14)和林草面積比例(C15)的權(quán)重較大,說(shuō)明其對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力的重要性較高。整體上,各系統(tǒng)層內(nèi)的指標(biāo)重要性相差不大,權(quán)重較均衡,說(shuō)明現(xiàn)階段各指標(biāo)均對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)比較重要。

表4 鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Table 4 Weight of evaluation indicators of WRCC for townships

各指標(biāo)含義見表2。

3.2 控制性指標(biāo)評(píng)價(jià)

水壓力指數(shù)揭示了各鄉(xiāng)鎮(zhèn)現(xiàn)狀年用水需求與政策規(guī)定下的用水總量控制目標(biāo)(初始水權(quán)量)的供需關(guān)系(圖3)。在用水總量控制目標(biāo)下,8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中,烏江鎮(zhèn)、安陽(yáng)鄉(xiāng)和沙井鎮(zhèn)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水壓力指數(shù)大于1,以用水量表征的水資源系統(tǒng)壓力大于以供水量表征的水資源系統(tǒng)支持力,水資源承載力處于超載狀態(tài)。其余5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)均處于不超載狀態(tài),各鄉(xiāng)鎮(zhèn)可用水量在最嚴(yán)格水資源管理政策下可支撐未來(lái)一定規(guī)模的人口和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展。

圖3 2019年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力分布Fig.3 The results of WRCC distribution of townships in 2019

不同灌區(qū)的水資源條件及鄉(xiāng)鎮(zhèn)取用水方式不盡相同。沿山和泉水灌區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)水壓力指數(shù)普遍較高,水資源系統(tǒng)面臨較大壓力,黑河灌區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)水壓力指數(shù)普遍不大,水資源系統(tǒng)仍有一定支持力。具體看,沿山灌區(qū)的安陽(yáng)鄉(xiāng)水壓力指數(shù)處于超載狀態(tài),而花寨鄉(xiāng)不超載。安陽(yáng)灌區(qū)與民樂縣酥油口灌區(qū)共用酥油口水庫(kù)蓄水,初始水權(quán)量(1 726萬(wàn)m3)小于其多年平均分水量(3 194萬(wàn)m3),屬用水控制目標(biāo)較小導(dǎo)致的政策性缺水。花寨鄉(xiāng)從大野口水庫(kù)取水,可利用水資源量(1 231萬(wàn)m3)與初始水權(quán)量(1 114萬(wàn)m3)相當(dāng)。雖然沿山灌區(qū)地下水允許開采量較大,考慮到沿山地下水開采難度大,在地表水受山區(qū)水庫(kù)蓄水和沿山徑流限制下,如何高效開發(fā)利用沿山地下水是沿山灌區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力提升的重點(diǎn);泉水灌區(qū)的烏江鎮(zhèn)以地表水(河水、泉水等)利用為主,水資源相對(duì)豐富可能導(dǎo)致用水量遠(yuǎn)超初始水權(quán)量,問卷調(diào)研亦反映此情況影響了農(nóng)戶節(jié)水意識(shí)的提升,不利于節(jié)水措施推廣;黑河灌區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)以黑河干流地表和地下水利用為主,現(xiàn)狀年水資源壓力普遍不大,但未來(lái)人口和經(jīng)濟(jì)規(guī)模的增長(zhǎng)存在潛在水資源壓力。

不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)類型比較而言,農(nóng)產(chǎn)品供給型鄉(xiāng)鎮(zhèn)(包括烏江鎮(zhèn)和沙井鎮(zhèn),大滿鎮(zhèn)除外)的水壓力指數(shù)比較大,產(chǎn)業(yè)聚集型鄉(xiāng)鎮(zhèn)(梁家墩鎮(zhèn))接近臨界超載狀態(tài),而生態(tài)型鄉(xiāng)鎮(zhèn)(包括花寨鄉(xiāng)、甘浚鎮(zhèn)和龍渠鄉(xiāng),安陽(yáng)鄉(xiāng)除外)的水壓力指數(shù)較小。對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品供給型鄉(xiāng)鎮(zhèn)而言,烏江鎮(zhèn)和沙井鎮(zhèn)已超載,其灌溉面積大,初始水權(quán)量已難以滿足現(xiàn)狀年用水需求。大滿鎮(zhèn)亦是農(nóng)業(yè)種植大鎮(zhèn),其初始水權(quán)量仍有一定空間。對(duì)于產(chǎn)業(yè)聚集型鄉(xiāng)鎮(zhèn)而言,梁家墩鎮(zhèn)的二、三產(chǎn)業(yè)收入占比超過(guò)70%,間接實(shí)現(xiàn)了初始水權(quán)從農(nóng)業(yè)向二、三產(chǎn)業(yè)的流轉(zhuǎn),未來(lái)可擴(kuò)大耗水相對(duì)較少的非農(nóng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模,進(jìn)一步提升承載力。生態(tài)型鄉(xiāng)鎮(zhèn)位于沿山地區(qū),除農(nóng)業(yè)生產(chǎn)外,承擔(dān)有祁連山和黑河防風(fēng)固沙等生態(tài)環(huán)保功能,除花寨鄉(xiāng)外,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水壓力均較小。生態(tài)型鄉(xiāng)鎮(zhèn)可利用生態(tài)資源發(fā)展生態(tài)旅游和生態(tài)種植,提升水資源承載力。

3.3 水資源承載力綜合指數(shù)評(píng)價(jià)

從綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(表5)可知,安陽(yáng)鄉(xiāng)、烏江鎮(zhèn)和沙井鎮(zhèn)由于水壓力指數(shù)控制性指標(biāo)超載而處于超載狀態(tài),且沙井鎮(zhèn)綜合指數(shù)得分也較低,說(shuō)明沙井鎮(zhèn)在相關(guān)關(guān)鍵領(lǐng)域存在短板,是水資源承載力提升的著力點(diǎn)。沿山灌區(qū)的花寨鄉(xiāng)綜合指數(shù)最大,為0.70,屬于可承載狀態(tài)?；ㄕl(xiāng)可利用水資源較少,坡地較多,灌溉面積不大,且以種植耗水量較少的谷類作物為主,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水較少。以金花寨小米為代表的鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)產(chǎn)品加工亦有利于水資源利用效率的提升。黑河灌區(qū)的大滿鎮(zhèn)、甘浚鎮(zhèn)、梁家墩鎮(zhèn)和龍渠鄉(xiāng)屬于弱可承載狀態(tài),水資源系統(tǒng)對(duì)未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的支持力較弱,關(guān)鍵指標(biāo)領(lǐng)域表現(xiàn)不佳。龍渠鄉(xiāng)綜合指數(shù)最小(0.39),需對(duì)標(biāo)具體領(lǐng)域?qū)嵤┽槍?duì)性的承載力提升舉措。

表5 2019年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Evaluation results of WRCC of towns in 2019

4 鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力提升對(duì)策分析

雖然承載對(duì)象有一定彈性,但特定的時(shí)空尺度和發(fā)展水平下的資源環(huán)境(承載體)承載力仍存在一定閾值[13]。結(jié)合鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力關(guān)鍵指標(biāo)因素和水資源管理實(shí)際,重點(diǎn)從初始水權(quán)分配(管理)、灌溉技術(shù)進(jìn)步(技術(shù))以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整(產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu))角度開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力提升對(duì)策分析。

4.1 基于初始水權(quán)分配的承載力提升分析

4.1.1分析思路

初始水權(quán)是甘州區(qū)水資源管理的重要實(shí)踐措施,不同水權(quán)分配模式?jīng)Q定了鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水資源供給量,對(duì)水資源承載力具有重要影響[17]。筆者在前期研究中建立了鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源初始水權(quán)分配思路,分析了人口、面積、產(chǎn)值、混合分配模式以及基于AHP法的綜合指標(biāo)分配模式對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)初始水權(quán)分配的可行性。基于前期研究[18],分析不同分配模式對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力的影響,為優(yōu)化水權(quán)分配提升承載力提供支撐。AHP綜合模式見文獻(xiàn)[18],人口、面積、產(chǎn)值、混合分配模式的鄉(xiāng)鎮(zhèn)初始水權(quán)計(jì)算公式分別為

(4)

(5)

(6)

(7)

式(4)～(7)中,RW1,i、RW2,i、RW3,i、RW4,i分別為人口、面積、產(chǎn)值、混合分配模式下的鄉(xiāng)鎮(zhèn)初始水權(quán);RW為縣區(qū)初始水權(quán);Pi為各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口數(shù),萬(wàn)人;Ai為各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地面積,hm2;PGA,i為各鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)總收入,萬(wàn)元;W1、W2、W3分別為3種模式的權(quán)重,依據(jù)專家打分意見確定,將人口數(shù)量、耕地面積和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)總收入的平均得分占三者平均分之和的比例作為各自權(quán)重。經(jīng)過(guò)計(jì)算,W1、W2、W3分別為0.37、0.36、0.27。

4.1.2水權(quán)分配對(duì)現(xiàn)狀年承載力的影響

不同分配模式通過(guò)影響人均可利用水資源量(C1)和水壓力指數(shù)(C8)進(jìn)而影響水資源承載力。各模式下的鄉(xiāng)鎮(zhèn)現(xiàn)狀年水壓力指數(shù)見表6。產(chǎn)值模式下7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)水壓力指數(shù)超載,而耕地模式下僅有1個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(甘浚鎮(zhèn))超載,人口-耕地-產(chǎn)值混合模式和AHP綜合模式有2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(甘浚鎮(zhèn)和沙井鎮(zhèn))超載。與現(xiàn)狀政策水權(quán)下的水壓力指數(shù)相比,產(chǎn)值模式暫不適宜各鄉(xiāng)鎮(zhèn)初始水權(quán)分配,耕地模式更符合鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水現(xiàn)狀,能緩解鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水壓力狀況。其次,混合模式和AHP綜合模式亦好于政策水權(quán)模式,并有利于促進(jìn)水資源整體利用效率的提升。

表6 不同初始水權(quán)分配模型下的水壓力指數(shù) Table 6 Water stress index under different initial water weight allocation models

各分配模式下綜合指數(shù)變化見表7。對(duì)于不同灌區(qū)和類型的鄉(xiāng)鎮(zhèn),除產(chǎn)值模式外,各分配模式基本能不同程度提升水資源綜合承載力,提升程度約為0.01%～1.87%,其中人口-產(chǎn)值-耕地混合模式和AHP綜合模式最為有效。5種模式均不能有效提升大滿鎮(zhèn)、甘浚鎮(zhèn)和龍渠鄉(xiāng)這3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水資源綜合承載力,可能需要不同模式的組合或?qū)Ω髂Ｊ竭M(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

表7 不同初始水權(quán)分配模型下的水資源承載力綜合指數(shù)Table 7 Comprehensive index of WRCC under different models

4.2 基于灌溉技術(shù)進(jìn)步的承載力提升分析

4.2.1分析思路

位于內(nèi)陸河流域的甘州區(qū)開展高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)有利于提高農(nóng)業(yè)灌溉水利用效率,從而提升水資源承載力。2019—2025年,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)劃開展高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè),面積為5.24 hm2。由于建設(shè)進(jìn)度不同,假設(shè)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)在建設(shè)666.67 hm2高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田情景下,模擬水資源承載力的變化情況。假設(shè)經(jīng)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田改造后,農(nóng)田綜合凈灌溉定額變化不大,假定其保持不變,節(jié)水主要體現(xiàn)在灌溉水有效利用系數(shù)提高等技術(shù)進(jìn)步方面。用下式計(jì)算節(jié)水量:

(8)

(9)

式(8)～(9)中,W高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田為高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田單位面積灌溉用水量(毛灌溉定額),m3·hm-2;W現(xiàn)狀年為現(xiàn)狀年單位面積灌溉用水量(毛灌溉定額) ,m3·hm-2;ρ現(xiàn)狀年為現(xiàn)狀年綜合灌溉水有效利用系數(shù);ρ高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田為高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田綜合灌溉水有效利用系數(shù);ΔW為單位面積農(nóng)田節(jié)水量,m3。沿山灌區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的管灌改造使綜合灌溉水有效利用系數(shù)從0.56提升至0.85,而黑河和泉水灌區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的滴灌改造將其從0.61提升到0.90。

4.2.2高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)對(duì)水資源承載力的影響

高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)將直接影響高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田面積占比(C18),還將間接引起水壓力指數(shù)(C8)和萬(wàn)元經(jīng)濟(jì)總收入用水量(C4)的變化。假設(shè)灌溉用水雖然減少,但灌溉效率提升,農(nóng)業(yè)產(chǎn)出不變。對(duì)由于高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)引起的各指標(biāo)變化進(jìn)行量化分析,得出其對(duì)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力的影響(表8)。整體上,高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)能有效緩解水壓力情況,并對(duì)綜合承載力有提升作用。高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)使水壓力指數(shù)降低約0.98%～27.55%,使綜合指數(shù)提升約1.91%～8.72%。

表8 高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)對(duì)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力的影響Table 8 Influence of high-standard farmland construction on WRCC

4.3 基于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的承載力提升分析

4.3.1分析思路

由于不同產(chǎn)業(yè)用水效率的差異,區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)用水量將決定水資源對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的承載規(guī)模。針對(duì)表征產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的工業(yè)與農(nóng)業(yè)收入之比(C5),假設(shè)將農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水量轉(zhuǎn)移到工業(yè)領(lǐng)域,分析在現(xiàn)狀年工業(yè)發(fā)展水平下所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益及對(duì)水資源承載力的影響。據(jù)此,將高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的節(jié)水量用于工業(yè)領(lǐng)域,以增加工業(yè)收入,假設(shè)農(nóng)業(yè)收入保持不變,總用水量保持不變,水壓力指數(shù)不變。

4.3.2產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)水資源承載力的影響

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整將引起工業(yè)收入及總收入的增加,從而引起工業(yè)收入與農(nóng)業(yè)收入之比(C5)和萬(wàn)元總收入用水量(C4)的變化。經(jīng)分析,在現(xiàn)狀年發(fā)展水平下,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整將使8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的工業(yè)收入總量達(dá)到現(xiàn)狀年的6.31倍,經(jīng)濟(jì)總收入增加到現(xiàn)狀年的1.32倍。從綜合指數(shù)(表9)看,安陽(yáng)鄉(xiāng)、沙井鎮(zhèn)和烏江鎮(zhèn)因控制性指標(biāo)超載而處于超載狀態(tài),各鄉(xiāng)鎮(zhèn)綜合承載力均有0.11%～3.06%的提升幅度。黑河灌區(qū)龍渠鄉(xiāng)綜合指數(shù)提升程度最大(3.06%),梁家墩鎮(zhèn)的提升程度最小(0.11%)。沿山灌區(qū)花寨鄉(xiāng)的綜合指數(shù)提升1.94%。

表9 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)水資源承載力綜合指數(shù)的影響Table 9 Influence of industrial structure adjustment on comprehensive index of WRCC

5 討論與結(jié)論

5.1 討論

構(gòu)建指標(biāo)體系的目的在于判斷鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水資源承載力狀態(tài),強(qiáng)調(diào)對(duì)水資源承載力的描述與判斷標(biāo)準(zhǔn),因此指標(biāo)遴選需考慮其科學(xué)性、代表性、可獲取性等[19]。從水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水管理4個(gè)維度解析水資源承載力評(píng)價(jià)框架,結(jié)合甘州區(qū)水資源現(xiàn)狀及其利用特征,構(gòu)建的指標(biāo)體系具有一定的共性指導(dǎo)和實(shí)踐意義。但不同區(qū)域水資源系統(tǒng)的關(guān)鍵問題不同,如相比水質(zhì),內(nèi)陸河流域主要是水量問題,因而指標(biāo)體系未涉及COD、氨氮濃度等直接反映水質(zhì)的指標(biāo)。該指標(biāo)體系提供了一個(gè)開放和可擴(kuò)展的水資源承載力評(píng)價(jià)框架,不同區(qū)域可以添加本地化指標(biāo),以更好地揭示關(guān)鍵問題。

基于可利用水量和需水量的供需關(guān)系是水資源承載力的核心。該研究以水壓力指數(shù)為控制性指標(biāo)來(lái)反映供需關(guān)系的重要性,以用水總量控制目標(biāo)作為全區(qū)和各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的可利用水量,分析了現(xiàn)狀年的供需關(guān)系。供需平衡依賴一定的時(shí)空尺度[20-21],同時(shí)受氣候因素和人類活動(dòng)的影響,供水量更多受氣候變化影響,而政策等人類活動(dòng)在需水側(cè)影響更為明顯[22]。甘州區(qū)用水總量控制目標(biāo)受黑河出山徑流量和中下游分水政策影響,氣候變化對(duì)流域的供水量[23]以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)未來(lái)農(nóng)業(yè)需水量[24]均會(huì)產(chǎn)生影響。因此,未來(lái)水壓力以及水資源綜合承載力的研究需重點(diǎn)考慮氣候變化及人為因素對(duì)水資源供需的影響。

從水權(quán)分配、灌溉技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)結(jié)調(diào)整3個(gè)方面開展水資源承載力提升對(duì)策的量化研究,筆者認(rèn)為水權(quán)分配對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)可利用水資源具有政策決定意義,有必要開展動(dòng)態(tài)的水權(quán)分配制度探索。該研究考慮了高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的灌溉技術(shù)進(jìn)步的節(jié)水作用,以往的渠道引水與大田漫灌雖較耗水,但對(duì)于渠道兩側(cè)天然和人工植被的生態(tài)用水保障及地下水補(bǔ)給均具有重要意義。高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田改造后生態(tài)用水及地下水補(bǔ)給的減少可能會(huì)對(duì)地表生態(tài)環(huán)境造成不良影響,加劇土地沙化以及農(nóng)田防護(hù)林退化。該研究依據(jù)現(xiàn)狀年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平(工業(yè)用水效率)開展承載對(duì)象規(guī)模估算,未考慮三產(chǎn)用水及未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平,下一步有必要開展類似共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)路徑(SSPs)等不同發(fā)展情境下的水資源承載力研究。

5.2 結(jié)論

以黑河中游甘州區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)為對(duì)象,建立了一套內(nèi)陸河流域鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。利用多類型數(shù)據(jù),以控制性指標(biāo)和綜合指數(shù)相結(jié)合,開展了2019年鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源承載力綜合評(píng)價(jià),并分析了初始水權(quán)分配、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等政策情景對(duì)水資源承載力的影響,得到以下主要結(jié)論:

(1)在用水總量控制目標(biāo)下,烏江鎮(zhèn)、安陽(yáng)鄉(xiāng)和沙井鎮(zhèn)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水壓力指數(shù)處于超載狀態(tài)。從灌區(qū)看,沿山和泉水灌區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)水壓力指數(shù)普遍較大,水資源系統(tǒng)面臨較大壓力,黑河灌區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)水壓力指數(shù)普遍不大,水資源系統(tǒng)仍有一定支持。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)類型看,農(nóng)產(chǎn)品供給型鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水壓力指數(shù)較大,產(chǎn)業(yè)聚集型鄉(xiāng)鎮(zhèn)接近臨界超載,生態(tài)型鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水壓力指數(shù)較小。

(2)從綜合指數(shù)看,烏江鎮(zhèn)、安陽(yáng)鄉(xiāng)和沙井鎮(zhèn)由于控制性指標(biāo)超載而處于超載狀態(tài),沿山灌區(qū)花寨鄉(xiāng)由于灌溉規(guī)模小、作物類型耗水少且農(nóng)產(chǎn)品加工對(duì)水資源利用效率的提升而使得承載力最大,屬可承載狀態(tài)。此外,黑河灌區(qū)大滿鎮(zhèn)、甘浚鎮(zhèn)、梁家墩鎮(zhèn)和龍渠鄉(xiāng)以糧食和蔬菜種植為主,處于弱可承載狀態(tài)。不同灌區(qū)和不同類型的鄉(xiāng)鎮(zhèn)可對(duì)標(biāo)關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)嵤┯嗅槍?duì)性的提升舉措。

(3)從現(xiàn)狀年看,產(chǎn)值模式暫不適宜各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水權(quán)分配,耕地模式更符合用水現(xiàn)狀,其次是人口-耕地-產(chǎn)值混合模式和AHP綜合模式。從綜合承載力看,除產(chǎn)值模式外的各模式能不同程度(0.01%～1.87%)地提升綜合承載力,其中混合模式和AHP綜合模式最為有效。高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)能有效緩解水壓力狀況,使各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水壓力指數(shù)降低約0.98%～27.55%,使綜合指數(shù)提升約1.91%～8.72%。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整將使8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的工業(yè)收入總量達(dá)到現(xiàn)狀年的6.31倍,經(jīng)濟(jì)總收入增加到1.32倍,除烏江鎮(zhèn)、安陽(yáng)鄉(xiāng)和沙井鎮(zhèn)因控制性指標(biāo)超載外,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)綜合承載力均有0.11%～3.06%的提升。