北方八省市水資源承載力研究

溫利華，劉紅耀，姚海嬌，張廣錄

（1．邯鄲學院 地理與旅游系，河北 邯鄲056005；2．邢臺市農業科學研究院，河北 邯鄲054005；3．中國科學院 遺傳與發育生物學研究所 農業資源研究中心，石家莊050021）

中國是水資源短缺的國家，加之旱澇災害頻繁、水資源地區分布不均、水土資源布局不匹配，水的供需矛盾已日趨尖銳，水資源短缺和水環境惡化已成為制約中國社會經濟可持續發展的重要因素［1－2］。伴隨可持續發展理論的提出，人們在對社會可持續發展與水環境相互關系有了深刻認識的基礎上提出了水資源承載力的概念，它是水資源支撐的社會、經濟、生態環境可持續發展的閾值［3－4］。施雅風等對水資源承載力做了科學定義，認為水資源承載力是某一地區的水資源，在一定社會和科學技術發展階段，在不破壞社會和生態系統時，最大可承載的農業、工業、城市規模和人口水平，是一個隨社會經濟和科學技術水平發展變化的綜合目標，它往往是水資源緊缺和貧水地區制約社會發展的瓶頸因素，對一個國家或地區的綜合發展有至關重要的影響［5－7］。國外研究通常將水資源承載力納入可持續發展理論；國內相關研究起步較晚，研究領域主要集中在城市水資源承載力和流域水資源承載力兩個方面，多側重個案研究，而對北方資源性缺水地區缺乏整體、系統的研究，省域間的比較研究相對薄弱甚至尚未開展［8－10］。目前常用的水資源承載力評價方法往往借助數學統計模型，主要有趨勢法、系統動力學方法、主成分分析法、熵權法、神經網絡法等［11－12］。

我國北方省份多為資源性缺水地區，水資源總量少，經常出現連續枯水年導致水資源匱乏和水資源量衰減，不能適應經濟發展的需要，如京津華北地區、西北地區、遼河流域、遼東半島、膠東半島地區。自上世紀70年代末的農村經濟體制改革以來，京津冀及周邊地區逐漸發展成為我國經濟較發達地區和重要的工業基地和高新技術產業基地，在國家經濟發展中占據重要戰略地位，但水資源強度開發與水資源短缺制約了北方諸多城市的可持續發展，水資源、水環境和生態問題尤其突出，主要表現為河道斷流干涸、濕地萎縮、河口生態惡化、地下水嚴重超采、水土流失加劇、水污染加劇、生物多樣性減少等，如何解決經濟社會發展與水資源供需的矛盾，加強我國北方省域內可利用水資源的管理，實現水資源與社會、經濟和生態環境的協調發展，是當前迫切需要解決的重要課題之一［13－15］。模糊綜合評判方法可以在對影響水資源承載能力的各個因素進行單因素評價基礎上，通過綜合評判矩陣對其承載能力作出多因素綜合評價，從而可以較全面地分析研究區水資源承載能力的狀況。鑒于此，本文應用模糊評判模型，以京、津、冀、晉、豫、魯、蒙、遼8省（自治區、直轄市）為研究對象，綜合評價北方諸省市水資源的承載力和開發利用狀況，為水資源的優化利用和社會、經濟、生態可持續發展提供依據。

1 數據來源和研究方法

1．1 數據來源

本文所使用的統計數據包括水資源數據、人口數據和社會經濟數據。其中水資源數據包括水資源利用率、缺水率、灌溉率、降水量、人均占有水資源量、生態用水率6個指標，根據數據的可獲取性，采用2009年為水平年進行研究，數據均來源于2009年各省市區水資源公報。人口和社會經濟數據均來源于《中國統計年鑒》。

1．2 研究方法

1．2．1 模糊綜合評判模型 給定評判因素集合U＝｛u1，u2，…，um｝和評語集合Z＝｛z1，z2，…，zn｝。然后進行單因素評判，確定各評判因素ui（i＝1，2，…，m）對評價等級zj（j＝1，2，…，n）的隸屬度rij。則m個評判因素的評判決策矩陣為：

R為U到Z上的一個模糊關系。給各評判因素分配權數A＝｛a1，a2，…，am｝（0≤ai≤1，∑m ai＝1），則i＝1應用模糊變換可得到綜合評判結果：

1．2．2 評判因素的選取、分級和評分 根據我國北方水資源現狀及利用特點，全面分析其影響因素，并參考全國水資源供需分析中的指標體系［15］，選取評價指標。各指標含義如下：

（1）水資源利用率（u1）：現狀75%頻率的供水量／水資源總量（%）；

（2）缺水率（u2）：現狀75%頻率的缺水量／供水量（%）；

（3）耕地灌溉率（u3）：灌溉面積／耕地面積（%）；

（4）降水量（u4）：研究水平年內平均降水量（mm）；

（5）人均占有水資源量（u5）：區域水資源總量／總人口（m3／人）；

（6）生態用水率（u6）：生態用水量／總水量（%）。

按照這6個評價因素對水資源承載力的影響程度，并借鑒其他水資源評價標準［16］，將其劃分為3個等級，每個因素各等級數量指標見表1。其中z1級表示水資源承載能力較差；z3級表示水資源承載能力較強；z2級情況介于以上兩級之間。為了更好地反映各級水資源承載能力情況，對評判等級進行0～1區間的評分α1＝0．05，α2＝0．5，α3＝0．95，以便反映各等級因素對承載能力的影響程度，其值越高，水資源開發容量的潛力就越大。

表1 綜合評價指標的分級值

1．2．3 評價因素隸屬度計算公式 參照相關文獻［16－17］，根據各評價因素的實際數值，按照各因素的分級指標分析推求評判矩陣R隸屬函數rij的值。采用模糊處理消除不同等級之間數值相差不大而等級相差一級的跳躍現象，使其各級間平滑過渡。對評價因素u1，u2，u3各評價級隸屬函數計算公式為：

對于評價因素u4，u5，u6各評作級隸屬函數計算公式為：

表2 各評價指標對應的評價等級臨界值

2 水資源承載能力綜合評價

2．1 評價過程

將北方各省市2009年各評判因素的指標值（表3）和ki的值（表2）代入隸屬度函數，計算出各分區及整個研究區每個評判因素對各個等級的隸屬度rij，從而求出綜合評價矩陣R的值（表4）。

表3 水資源承載力評價因素指標統計

表4 水資源承載力綜合評價矩陣R

2．2 評價結果及分析

由表5可以看出，2009年該研究區對z1，z2，z3和的隸屬度分別為0．225，0．383，0．392，z2，z3隸屬度高于z1，綜合評分值為0．575，表明我國北方水資源開發已有一定規模，水資源承載力開發仍有一定潛力。8個評價子區中，北京、天津、河北三省市水資源承載較為脆弱，綜合評分值分別為0．250，0．255，0．221，對z1的隸屬度在0．7以上，對z3的隸屬度在0．2以下，這說明三省市水資源開發利用已有相當的規模，進一步開發利用的潛力已相當小，特別是河北對z3的隸屬度僅為0．088，說明河北水資源開發程度已接近飽和，承載力相當脆弱，京津冀模糊評價數據表明：北京、天津憑借政治地位和經濟上的優勢，工農業生產用水及人民生活用水需求逐年增加，南水北調中線工程向北京的供水主要來自河北，而同樣缺水的河北只能通過引黃河水獲得有限的水資源，剩下的辦法只有大量開采地下水，地下水位持續下降，將使河北水資源面臨嚴峻考驗。

山西、內蒙古、遼寧、山東、河南五省區綜合評分值在0．5～0．7之間，對z1的隸屬度在0．1～0．3之間，對z2、z3的隸屬度在0．3～0．5之間，明顯高于對z1的隸屬度，可見這五省市的水資源承載能力相對較強，水資源的開發利用尚有較大的空間。

探討各評價指標對z1、z2和z3的隸屬度之間的關系有助于根據水資源在利用和管理中存在的問題提出相應的對策，各評價指標中京津冀三省市中u1（水資源利用率）對z1的隸屬度達0．895，u2（缺水率）對z1的隸屬度高達0．953，u5（人均占有水資源量）對z1的隸屬度高達0．850，可見城市擴展和人口的急劇增加，制約了京津冀都市圈水資源可持續利用和生態環境的可持續發展，三省市水資源供需平衡仍維持在較低水平。

另外考慮生態用水u6對z3的隸屬度，北京、天津分別高達0．926和0．762，可見經濟發達地區生態環境保護意識增強，通過行政手段實現生態用水補給的成效明顯；灌溉率u3對z1的隸屬度數據顯示，除山西、內蒙古、遼寧濱海地區以外，其余省份均在0．6左右，可見北方農業灌溉用水量占有較大比重，應適度修正以追求糧食高產為目的的高耗水或低用水效率的農作模式，在保證灌溉面積不變的情況下，實行節水灌溉技術，逐步減少農業用水量。

表5 研究區水資源承載力綜合評價結果

3 結論及建議

應用模糊評價模型對北方八省市水資源承載力進行了分析評價，結果表明：總體來看，八省市水資源開發利用已有一定規模，但仍有一定潛力，但8個評價分區水資源承載狀況差異很大。京津冀水資源開發程度已接近于飽和，承載力相當脆弱，進一步開發利用的潛力已相當小，其它各省區水資源開發仍有一定潛力。通過對各評價指標與評價等級的關系矩陣分析，結合各省實際情況對北方水資源管理提出以下對策：

（1）北方水資源供需狀況相對平衡，但隨著經濟和社會的發展，水資源短缺問題會日益凸顯，京津冀都市圈水資源短缺形勢已相當嚴峻，今后要在充分利用自產水資源的前提下，全面實行高科技、現代化的節水技術，加強社會大眾的節水意識，將水資源保護和管理提升到戰略高度；加大跨流域調水工程的實施力度，防治長時間持續超采地下水給北方生態農業造成的嚴重負面影響。

（2）對遼寧省、山東省、河南省而言，分析各指標對z1、z2和z3的隸屬度，可以發現近年來影響這些省份水資源承載力變化的主要因素是人口壓力和農業灌溉用水的增加，人口與環境的矛盾仍然突出，應繼續堅持計劃生育促進人口長期均衡發展；大力發展農業節水，加強灌區節水改造和田間高效節水灌溉，提高農業節水水平；合理調整經濟布局和產業結構，大力發展低耗水產業，完善農業、工業、生活用水體系，從而提高水資源承載力。

（3）山西和內蒙古屬于資源型極度缺水地區，改善氣候條件及提高生態環境質量是該區域實現水資源可持續利用的根本，應進一步保持水土涵養水源，提高地區植被覆蓋率，建立適應半干旱氣候變化、應對農業資源性缺水的替代型農業生產新體系，加速發展以提高水資源利用效率、利用效益為中心和區域經濟同步發展的節水高效型農業生產模式。

［1］ 湯奇成，張捷斌．西北干旱地區水資源與生態環境保護［J］．地理科學進展，2001，20（3）：227－233．

［2］ 張利平，夏軍，胡志芳．中國水資源狀況與水資源安全問題分析［J］．長江流域資源與環境，2009，18（2）：116－120．

［3］ 秦偉，朱清科，吳宗凱．吳起縣2015年水資源承載力評價［J］．干旱區研究，2007，24（1）：70－76．

［4］ 張軍，周冬梅，張仁陟．黑河流域2004—2010年水足跡和水資源承載力動態特征分析［J］．中國沙漠，2012，32（6）：1779－1785．

［5］ 張青峰，王力，邵明安，等．長武縣水資源承載力分析計算與評價［J］．水土保持研究，2009，16（6）：88－91．

［6］ 施雅風，曲耀光．烏魯木齊河流域水資源承載力及其合理利用［M］．北京：科學出版社，1992．

［7］ 劉佳駿，董鎖成，李澤紅．中國水資源承載力綜合評價研究［J］．自然資源學報，2011，26（2）：258－269．

［8］ Falkenmark M，Lundqvist J．Towards water security：Political determination and human adaptation crucial［J］．Natural resources forum，1998，21（3）：37－51．

［9］ 王江，李靖，魏紅義，等，基于TOPSIS法的區域水資源承載力預測評價：以陜西省關中地區為例［J］．水土保持研究，2008，15（3）：161－163．

［10］ 謝高地，周海林，甄霖，等．中國水資源對發展的承載能力研究［J］．資源科學，2005，27（4）：2－7．

［11］ 李麗娜，石培基，董翰蓉，等．干旱區石羊河流域水資源研究進展［J］．水土保持研究，2012，19（2）：280－284．

［12］ 呂萍，劉東，趙菲菲．基于熵權的建三江分局水資源承載力模糊物元評價模型［J］．水土保持研究，2011，18（2）：246－250．

［13］ 溫利華，王永芹，張廣錄，等．海河流域土地利用變化研究［J］．東北農業大學學報，2012，43（5）：136－141．

［14］ 丁相毅，賈仰文，王浩，等．氣候變化對海河流域水資源的影響及其對策［J］．自然資源學報，2010，9（4）：78－87．

［15］ 黃永基，馬滇真．區域水資源供需分析方法［M］．南京：河海大學出版社，1990：65－70．

［16］ 蘇永紅，馮起，劉蔚．應用模糊綜合評判方法評價石羊河流域水資源承載力［J］．干旱區研究，2009，26（2）：169－175．

［17］ 孟麗紅，陳亞寧，李衛紅．新疆塔里木河流域水資源承載力評價研究［J］．中國沙漠，2008，28（1）：185－190．