石羊河流域水環境承載力分析研究

劉曉峰 許 靜

(甘肅省水利廳 蘭州 730030)

石羊河由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河和西大河等8條支流匯集而成,是甘肅省乃至全國水資源最為緊缺的地區之一。全流域水資源總量為17.05億m3,人均水資源量757m3、耕地畝均水資源量271m3,均低于全省均值,屬于典型的資源型缺水地區[1]。近年來,由于城市化進程的加快和經濟的迅猛發展,流域生態資源的過度開發,亂砍濫伐,水土流失不斷加重,減少了水環境對外來干擾的緩沖調節作用和凈化能力。目前,石羊河的大部分河段已經受到不同程度的污染,而且污染程度呈逐年上升趨勢,水資源的不合理開發利用問題越發凸顯,嚴重威脅著該區的社會發展與生態安全。調查研究表明,石羊河流域水資源開發利用程度最高,目前流域內水資源引用率高達157%,遠遠超出了水資源的承載力[2]。在這些不利因素的影響下,石羊河流域地區如何采取有效措施來維持、提高流域水資源承載狀況是一個急需考慮的問題。同時,流域整體的水環境承載能力制約著區域社會經濟發展,關系到可持續發展的工農業生產布局,要保證各類取水和調水工程的順利開展,也必須對區域社會、經濟、人口發展、以及排污處理等各個方面提出新的要求。所以,及時地對石羊河流域的水環境承載力進行科學研究,篩選提出工業、農業污染防治技術集成模式,提出石羊河水環境污染防治對策,對于促進流域水資源有效開發和利用、經濟可持續發展有著很重要的現實指導意義。

1 水環境承載能力述評

水環境承載能力研究就是從資源、環境、人口、發展之間的關系入手,從本質上反映環境與人類活動間的辯證關系,建立社會、環境與經濟間的聯系紐帶,研究不同時期,不同策略下水環境承載能力的動態變化,為人口、資源與環境協調發展提供科學依據[3、4、5]。

水環境承載力的研究主要集中在我國,國外的專門研究成果較少,大多被納入可持續發展理論中。我國從90年代開始水環境承載力的研究施雅風等在1992年對烏魯木齊河流域水資源進行了量化分析研究[6];1993年許有鵬在新疆和田河流域將模糊綜合評判法用于水環境承載力的研究,為西北干旱區水環境承載力研究提供了經驗和模式[7];1995年賈振邦等用多目標分析的方法對本溪市水環境承載能力進行了研究[8];1997年阮本青從人口和經濟方面對水資源的承載能力進行了綜合分析研究[9];1999年傅湘采用主成分分析法對區域水環境承載力進行了綜合評價[10];1999年阮本青以區域經濟可持續發展、水資源持續利用為準則,以水資源綜合利用效益最大為目標,建立了區域水資源適度承載力計算模型[11];2000年陳冰利用系統動力學方法,對柴達木盆地的水環境承載力進行了深入研究[12];徐中民、賈嶸、曲耀光等分別對張掖地區、關中地區和黑河流域的水環境承載力進行了研究[3～5]。

目前水環境承載力的研究方法[16～23]主要分為三大類。一、評價區域水環境承載能力的綜合指標法、模糊綜合評價法、主成分分析法。二、研究區域某種狀態下水環境承載狀況的系統動力學法、多目標分析法。三、尋求區域水環境最大承載能力的背景分析法、簡單定額估算法、動態模擬遞推法等。

2 石羊河流域水環境承載力分析

水環境承載能力評價結果在一定程度上可以反映一個區域或流域的水資源的開發利用、水環境污染、生態環境保護等方面的情況,以及水資源的量和質等方面對經濟社會發展的支撐程度。從評價的概念出發,在分析水環境承載能力評價的主體與客體的基礎上,設計一套適合于區域水環境承載能力評價的指標體系,探討水環境承載能力的基于指標體系的集對分析方法,為水環境承載能力的評價做一些探討性研究[24]。

2.1 評價指標體系構建

根據建立區域水環境可持續利用評價指標體系的原則、程序,以理論分析法為基礎,從水環境承載力的概念出發,結合頻度統計法,依據石羊河流域特有的水資源、環境、社會經濟狀況和實際資料的來源情況,選擇恰當的指標,建立石羊河流域水環境可持續評價指標體系 (表1)。

2.2 評價方法的選取

由于水環境承載能力評價涉及到區域人口、經濟社會發展、環境、生態等多個方面、內容復雜,目前國內外尚無統一和成熟的方法。近幾年來,我國研究者通過對水環境承載能力的一系列研究,獲得了一定成果,其中水環境承載力的量化研究方法多種,主要包括向量模法、多目標決策分析方法、系統動力仿真模型法、模糊綜合評價法等。集對分析是可以考慮事物之間的確定性和不確定性進行綜合評價的一種方法[25],包容了隨機、模糊、灰色等常見不確定的思想,因此采用集對分析法測算石羊河流域的水環境承載力。

2.3 石羊河流域水環境承載能力分析

2.3.1 石羊河流域基本概況

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部,祁連山北麓, 東經 101°41′～ 104°16′, 北緯 36°29′～ 39°27′,東南與白銀、蘭州兩市相連,西南緊靠青海省,西北與張掖地區毗鄰,東北與內蒙古自治區接壤,流域面積4.16×104km2,流域行政區劃包括武威市的涼州區、古浪縣、民勤縣全部及天祝縣部分、金昌市的永昌縣及金川區全部以及張掖市肅南裕固族自治縣部分共3市7縣,全流域2003年總人口226.89萬人 (含古浪引黃灌區9.83萬人),農業人口174.57萬人 (含引黃灌區9.63萬人),非農業人口52.32萬人;城鎮人口73.39萬人 (含引黃灌區0.35萬人),農村人口153.5萬人,城市化率32.35%;耕地面積556.75萬畝,農田灌溉面積449.98萬畝,基本生態林地灌溉面積26.46萬畝,農業人口人均農田灌溉面積2.58畝;大小牲畜332.38萬 (頭)只;國內生產總值 (GDP)138.45億元,其中第一、第二和第三產業分別為32.87億元、64.57億元和41.01億元,人均國內生產總值6102元,財政收入10.12億元;工業總產值152.76億元,農業總產值51.4億元;糧食總產量113.23萬t,人均糧食產量499kg;農民人均純收入2476元[26]。

石羊河流域多年平均徑流量15.75×108m3,河流補給來源于山區大氣降水和高山冰雪融水,產流面積1.1×104km2。河水自南向北流出山后,基本上全部被水庫攔蓄和引入渠道灌溉,引水渠和山水灌區在強透水的洪積扇帶,地表水大量滲漏轉化為地下水,至中游山前沖積扇邊緣又出露成泉,各河的泉水及上游部分下泄洪水匯流成石羊河,穿過下游民勤地區匯集于民勤北部海拔1020m的青土湖。自1958年修建紅崖山水庫以后,石羊河進入民勤的地表水完全由水庫控制,水量全部引入灌區用于農田灌溉。石羊河八條主要支流出山后,由于農田引灌和滲漏,河流經常處于干涸狀態,只有較大的洪水或汛期各上游山谷水庫泄水,才能流到中、下游。

2.3.2 基于集對分析的石羊河流域水環境承載能力評價

依據水環境承載能力評價方法,首先將實測矩陣標準化,采用基于模糊一致矩陣的改進熵值法計算評價指標的權重 (表1)。根據計算得到的權重,采用集對分析 (SPA)評價法計算各指標層的聯系度,計算所得的聯系度向量在下一個高層次中應用,依次類推,直到計算出區域的聯系度[27]。

經過計算水資源子系統聯系度為0.597,社會經濟子系統聯系度為0.288,生態環境聯系度為0.539,區域水環境承載力聯系度為0.460(圖1)。

表1 石羊河流域水環境承載力實測指標矩陣

圖1 水環境承載能力示意圖

2.3.2 基于復雜系統的石羊河流域水環境承載能力評價

(1)承載主體評價指標

影響水資源主體的因素主要是水資源稟賦,最突出的反映在其主體承載狀態性質的表征指標-水質和水量上。以這些因素為基礎,從氣候條件、地表地下水資源狀況、水質狀況等方面建立了水資源主體的評價指標對承載狀態進行描述[28](表2)。

表2 水環境承載主體評價指標

承載主體的表述指標,選用影響水環境承載能力的最基本驅動力因素水資源稟賦和水資源可利用量,概括為兩類七項指標,第一類水資源稟賦由降水量、干旱指數、徑流深度三項指標組成;第二類水資源可利用量采用水資源總量、水資源可利用量、地表水可利用量和地下水可開采量四項指標表述。

(2)承載客體評價指標

承載客體的評價體系分為目標層、決策層、指標層三層[29],每層所包含的具體指標見表3。

表3 水資源承載客體評價指標體系

(3)計算方法與結果

①水資源可利用量確定。石羊河流域水資源總量為16.6億m3,其中地表水資源量15.6億m3,占水資源總量的93.9%,不重復地下水資源補給量為0.99億m3,多年平均可利用率為63.3%。2000年河道外生態需水量為1.89億m3,多年平均水資源可利用量10.3億m3,用于河道外社會經濟發展的水資源可利用量為8.8億m3,此外,石羊河流域各水平年還有少量外調水量。

②區域不同發展情景下各年份的確定。石羊河流域的人均GDP現狀規模還是比較低的,2003年國內生產總值(GDP)138.45億元,其中第一、第二和第三產業分別為 32.87億元、64.57億元和41.01億元,人均國內生產總值6102元,預測全流域經濟增長速度在2010年以前保持在9%,國內生產總值達到253億元;2010年至2020年經濟增長速度保持在7%左右,以此增長速度估計,得出石羊河流域達到溫飽、總體小康、全面小康的年份分別是1996年、2006年和2027年,預計實現全面小康后GDP將為溫飽情景下的9倍,不同發展情景下產業增加值見表4。

表4 不同發展水平下各產業增值量(單位:億元)

③推算單位GDP綜合耗水量。根據不同承載水平下的用水效率水平計算各產業不同承載水平下的總GDP,各產業用水凈定額、水利用系數和耗水量,計算得到不同承載水平下的萬元產值耗水量。經計算,溫飽(1996年)、總體小康(2006年)、全面小康(2027年)下萬元GDP的耗水量分別為3281m3、1698m3、161m3,相應產業下的萬元GDP耗水量見表5。

表5 不同發展水平下萬元GDP耗水量(萬m3)

④確定可承載的經濟總量和人口數量。通過水資源可分配系數,計算出用于生產的水資源可利用量,確定出各承載水平下的水資源可承載的總GDP值,根據各水平年下萬元GDP耗水量和人均GDP,可推算溫飽、總體小康、全面小康的承載人口數量分別為81.5萬、121.0萬、205.9萬,相應發展水平下承載的GDP分別為25.2億元、85.0億元、519.9億元(圖2)。

2 不同承載水平下的石羊河流域承載能力統計圖

3 結論

首先,水資源承載力的高低依賴于多種資源系統的支撐,單純的討論水資源有效性,忽略社會、經濟、環境系統的影響,會嚴重影響結果,并具有局限性。本研究綜合考慮社會-經濟-環境復合系統與水資源系統的相互關系,結果表明水資源子系統對水環境承載力支撐能力最大,其次為生態環境子系統,由于該區水資源利用系數以及耗水系數較大,農業灌溉用水比例高,導致該區水環境承載能力較低。其次,產業結構強烈影響著區域水環境承載力。隨著社會發展水平的不斷提高,區域經濟結構發生調整,工業與第三產業GDP增量在整個GDP增量中所占的比重逐漸增加,水利用效率與萬元GDP產值提高,直接導致承載水平的升高。第三,研究結果表明水環境可承載的GDP水平低于相應經濟發展水平下的預測水平,承載壓力隨著社會經濟發展水平的提高有所緩解,但仍然超過負荷量。溫飽、總體小康、全面小康下的過載率分別為214%、85%、37%,承載壓力不容忽視。第四,環境承載力受到區域生態環境水平的制約。環境子系統支持區域水資源系統,生態脆弱性影響著水資源利用效率,生態脆弱程度越高,水資源利用效率越低。

人口、社會、經濟、環境協調發展是可持續發展的主題。如何評價水環境承載力目前尚無統一的方法,本研究結合集對分析和復雜系統分析兩種方法,定量評價了石羊河流域的承載水平,并對未來發展趨勢做出預測。由于水環境承載力本身具有動態性,加之評價體系紛繁多樣,因此采取不同的研究方法不同所得到的評價結果也會差別較大。如何客觀、準確的評價區域水環境承載力,發展完善、合理的評價體系和標準是今后研究的主要任務。

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