寧夏水資源承載能力評價研究

云 龍，段超宇，李海霞

(1.寧夏回族自治區漢延渠管理處，寧夏 銀川 750001；2.銀川寧夏回族自治區水利科學研究院，寧夏 銀川 750021)

在我國西北干旱區，水資源的重要性不言而喻，資源型缺水是制約地區經濟與生態環境發展的主要原因。水資源承載能力定量化評價是對區域水資源承載能力基線與水資源開發利用上限的確定，對區域經濟社會發展和生態環境保護長遠戰略規劃具有重要意義[1-3]。以寧夏為例，在學習總結國內學者關于水資源承載力評價成果的基礎上[4-9]，以最嚴格水資源管理制度為背景，將用水總量控制紅線指標上限作為影響區域水資源承載能力的主要因素，運用偏最小二乘回歸法[10,11]對評價指標進行篩選，建立水資源承載力評價指標體系，對寧夏2015年水資源承載力進行定量化分區評價，擬在全面了解寧夏水資源承載能力現狀。

1 評價指標體系的建立

1.1 指標選取

水資源承載能力研究涉及社會、經濟、環境、生態、資源等在內的紛繁復雜大系統[12,13]，其核心內容是對評價指標體系及其評價標準的建立與確定[14]。在評價指標選取時，根據指標選取原則[15-17]，從水資源子系統、社會子系統及經濟子系統三個方面對常用指標進行初步篩選，得到符合寧夏實際情況的13個評價指標，具體情況見表1。需要特別說明的是，由于寧夏地處我國西北干旱區，水資源十分匱乏，區域水資源承載能力一般只針對水量進行評價，水質指標對區域水資源承載能力可以忽略不計，因此文中評價指標未涉及相關水質指標。

表1 寧夏水資源承載能力初選評價指標

1.2 評價指標體系的建立

1.2.1 數據標準化

本研究收集了寧夏回族自治區2000-2015年間各評價指標數據，采用非線性標準化方法對相關數據進行標準化處理。

假設有i個評價對象，j個評價指標，每個指標的原始數據為xij。非線性標準化的計算公式[18]為：

(1)

式中：yi為指標j的平均值；指標j標準差[19]。基礎數據進行標準化處理結果見表2。

表2 基礎數據標準化結果

1.2.2 相關性檢驗

應用數據處理系統SPSS軟件對表2的基礎數據標準化結果進行相關性檢驗，各變量因子的相關系數矩陣見表3。

表3 變量因子的相關系數矩陣

自變量xi的方差膨脹因子(VIF)j計算公式[20]為：

(2)

1.2.3 偏最小二乘法建模

(1)將因變量序列yi(i=1,2,…,6)、自變量(各影響因子)序列xij(i=1，2,…,6；j=1，2，…,12)、標準化后的序列因變量矩陣F0和自變量矩陣E0進行建模[22]。

E0=

(2)從E0中提取一個成分t1，其中：

(3)

則t1=E0ω1，實施E0和F0在t1上的回歸，得回歸系數向量：

(4)

(5)

計算得標準化數據的回歸方程為：

0.080x5+0.120x6+0.083x7+0.069x8+0.096x9+0.078x10-0.069x11-0.026x12+0.080x13

(3)按照標準化的逆過程還原為y與實際變量xi(i=1，2,…,12)的回歸方程為：y=66.456 2-0.082x1-0.404x2-0.189x3-0.197x4-0.063x5-0.004x6+0.002x7+0.017x8+0.002x9+0.021x10-0.011x11- 0.005x12+4.675x13。

表4 交叉有效性檢驗表

在建模當中，偏最小二乘回歸產生權重矩陣，通過不斷計算各變量所占權重進而使得響應與其相應的得分因子之間的協方差達到最大。根據計算，當提取t1、t2兩個主成分時，交叉有效性系數Q2小于復測系數，因此算法終止。

根據標準化回歸方程，對影響寧夏水資源承載能力的13個關鍵因子進行貢獻率排序，得到結果為x6>x9>x7>x13>x5>x10>x4>x8>x11>x1>x2>x3>x12。通過分析，考慮到寧夏水資源實際情況，以自治區最嚴格水資源管理中用水總量控制紅線指標作為制約區域水資源承載能力的主要因素，根據計算得到貢獻率由高到低的順序選取用水總量作為水資源承載能力的約束性指標，選取人均用水量、萬元GDP用水量、萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量、農田灌溉畝均用水量、人均生活用水量和人均灌溉面積作為水資源承載能力的預期性指標，構建所得寧夏水資源承載能力評價指標體系見表5。

表5 寧夏水資源承載能力評價指標體系

2 寧夏水資源承載能力評價

2.1 水資源承載狀況評價

以2015年作為現狀年，將《國務院辦公廳關于印發實行最嚴格水資源管理制度考核辦法的通知》(國辦發〔2013〕2號)分配給寧夏的用水總量指標作為約束水資源承載能力的硬性指標，將全區用水總量指標逐級分解到各市縣，通過評價各市縣現狀和未來經濟社會發展對水資源的需求與用水總量指標的關系判定區域的水資源承載能力狀況。

通過計算可知，2015年全區用水總量紅線指標比現狀年實際用水量多2.34 億m3，地下水控制指標比2015年可開采量多1.34 億m3，總體處于臨界超載狀態。各市縣中，銀川市用水總量紅線指標比現狀年實際用水量多1.47 億m3，地下水控制指標比2015年可開采量多0.12 億m3，總體處于臨界超載狀態，其中：賀蘭縣處于臨界超載狀態，永寧縣處于不超載狀態，主城區和靈武市處于超載狀態。石嘴山市用水總量紅線指標比現狀年實際用水量少0.21 億m3，地下水控制指標比2015年可開采量多0.33 億m3，總體處于超載狀態，其中：大武口區、惠農區、平羅縣均處于超載狀態。吳忠市用水總量紅線指標比現狀年實際用水量少0.13 億m3，地下水控制指標比2015年可開采量多0.41 億m3，總體處于超載狀態，其中：利通區、鹽池縣、同心縣和紅寺堡均處于超載狀態，青銅峽市處于臨界超載狀態。中衛市用水總量紅線指標比現狀年實際用水量多0.94 億m3，地下水控制指標比2015年可開采量多0.43 億m3，總體處于臨界超載狀態，其中：沙坡頭區、中寧縣、海原縣均處于臨界超載狀態。固原市用水總量紅線指標比現狀年實際用水量多0.41 億m3，地下水控制指標比2015年可開采量少0.22 億m3，總體處于超載狀態，其中：除隆德縣不超載外，原州區、涇源縣、彭陽縣、西吉縣處于超載狀態。由于固原市總體位于山丘區，而且地下水用水量均為生活用水，可認為地下水利用并未超載。寧東用水總量紅線指標比現狀年實際用水量多0.46 億m3，不超載。農墾用水總量紅線指標比現狀年實際用水量多0.17 億m3，臨界超載。其他用水總量紅線指標比現狀年實際用水量少0.76 億m3，超載。寧夏水資源總量評價結果如表6所示。

表62015年全區水資源總體承載狀況億m3

地市縣(市)用水總量實際紅線指標差值承載狀況地下水實際控制指標差值承載狀況承載能力銀川市主城區5.065.00-0.06超載1.391.12-0.27超載超載永寧縣4.275.311.04不超載0.200.430.23不超載不超載賀蘭縣5.015.550.54臨界超載0.240.350.11不超載臨界超載靈武市3.553.49-0.06超載0.190.230.05不超載超載合計17.8819.351.47臨界超載2.012.130.12臨界超載臨界超載石嘴山市大武口區1.041.100.06臨界超載0.440.43-0.01超載超載平羅縣7.176.80-0.37超載0.200.590.39不超載超載惠農區2.592.700.11臨界超載0.470.43-0.04超載超載合計10.8110.60-0.21超載1.121.450.33不超載超載吳忠市利通區5.035.02-0.01超載0.280.410.13不超載超載青銅峽市6.657.120.47臨界超載0.200.480.28不超載臨界超載鹽池縣0.830.80-0.03超載0.190.200.01臨界超載超載同心縣2.411.96-0.45超載0.050.050.00超載超載紅寺堡2.102.00-0.10超載0.030.02-0.01超載超載合計17.0316.90-0.13超載0.751.160.41不超載超載中衛市沙坡頭區5.606.100.50臨界超載0.230.470.25不超載臨界超載中寧縣5.575.900.33臨界超載0.170.310.14不超載臨界超載海原縣1.101.210.11臨界超載0.250.290.04不超載臨界超載合計12.2713.210.94臨界超載0.641.070.43不超載臨界超載固原市原州區0.550.850.30不超載0.270.18-0.09超載超載西吉縣0.410.40-0.01超載0.180.14-0.04超載超載隆德縣0.140.190.05不超載0.010.020.01不超載不超載涇源縣0.060.090.03不超載0.010-0.01超載超載彭陽縣0.240.290.05不超載0.140.05-0.09超載超載合計1.411.820.41不超載0.610.39-0.22超載超載獨立單元寧東1.381.840.46不超載00.020.02不超載不超載農墾7.087.250.17臨界超載00.250.25不超載臨界超載其他2.792.03-0.76超載000不超載超載全區合計70.6673.002.34臨界超載5.146.471.34不超載臨界超載

2.2 水資源強度評價

根據水資源承載能力評價指標體系建立結果，首先選擇各市縣的一產GDP、灌溉面積、每公頃用水量將農業用水效率轉換成萬元GDP用水量(一產)；其次選擇自治區發布的公共用水定額和三產的GDP將三產用水效率轉換成萬元GDP用水量(三產)；最后選擇三次產業的結構比例，分析計算承載能力的萬元GDP用水量指標，綜合考慮滿足生活、生態用水的基本需求與產業用水分配，得到產業用水分配系數與現狀年承載水平。全區水資源強度指標如表7所示。

經統計，2015年寧夏全區人均國內生產總值為4.34萬元、人均用水量為1 058 m3，若全區用水總量達到紅線控制指標73.00 億m3時，通過計算可實現承載國內生產總值為3 171.01 億元，承載人口為715.23 萬人。這個結果相比2015年實際情況，全區將多承載國內生產總值270.40 億元、人口47.36 萬人，具體包括：銀川市可多承載國內生產總值107.23 億元、人口17.93 萬人；石嘴山市可多承載國內生產總值25.77億元、人口3.60萬人；吳忠市少承載國內生產總值1.80億元、人口5.68萬人；中衛市可多承載國內生產總值32.40億元、人口10.75萬人；固原市可多承載國內生產總值43.90 億元、人口20.76 萬人。2015年全區水資源承載能力評價結果如表8。

表7 2015年全區水資源強度指標

3 結 論

本文結合寧夏實際情況，選取1個約束性指標(用水總量)和6個預期性指標(包括人均用水量、萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量、農田灌溉畝均用水量、人均生活用水量、人均灌溉面積)建立能夠全面反映寧夏經濟社會水資源承載能力評價指標體系。根據評價指標計算結果可知：2015年，寧夏全區用水量為70.66 億m3，小于用水總量控制紅線指標，但水資源承載能力總體已處于臨界承載狀態。未來，由于用水總量紅線指標增長有限，水資源嚴重短缺的態勢將依然加劇，因此建議寧夏應轉變發展方式作為緩解水資源承載能力的首要措施，嚴格控制灌溉面積增長、優化全區農業種植結構，深度開展農業和工業節水，最大限度利用好地下水資源和非常規水源，將水資源承載能力調控到合理范圍，以期實現經濟社會可持續發展。

表8 2015年全區水資源承載能力評價結果