江淮分水嶺地區水資源承載力系統結構模型評價

邢菊 周亮廣 金菊良 程啟鵬

摘要：江淮分水嶺地區是安徽省重要的糧油畜禽生產基地，但區域土壤不肥，易旱缺水?；诮捶炙畮X地區水資源現狀，從“水環境-社會經濟-生態環境”復合系統出發，依據水資源支撐力、水資源壓力、水資源承載調控力3個子系統在水資源承載過程中的相互作用，建立了區域水資源承載力系統結構模型，用于對江淮分水嶺地區水資源承載力進行評價分析。研究表明：在保障生態用水與生活用水前提下，當前該區域水資源承載力總體處于可載狀態，但時空差異明顯。時間尺度上，2005～2015年間，區域單位GDP綜合用水量大幅減少，水資源所承載的經濟總量呈現明顯的上升趨勢;區域降水量和水資源可利用量年際變化較大，可承載的人口規模波動趨勢明顯?？臻g尺度上，各市間水資源可承載的經濟總量與可承載的人口規模差異極大，可承載的經濟總量上合肥最大，淮南最小;可承載的人口規模上六安最大，淮南同樣為最小，合肥次之。水資源承載潛力上六安>巢湖>滁州>合肥>淮南;在各市的水資源承載狀態中，合肥在研究期內有 4 a處于超載狀態，超載范圍在9.87%～31.46%，超載率最高年份為2008年，淮南各年均處于超載狀態，平均超載率為59.79%，2010年超載率最高達70.18%，區域化水資源問題趨于嚴重。水資源可承載的人口規模與區域降水量大小顯著相關，用水效率的提高及產業結構的合理性調整可降低單位GDP綜合用水量，大大提高水資源承載能力。根據研究結果，建議各市應根據水資源承載力實際狀況，提高用水效率，合理調整產業結構，促進區域水資源與社會經濟協調發展。

關 鍵 詞：水資源承載力; 環境承載能力; 環境保護; 水資源保護; 系統結構模型; 水資源超載; 江淮分水嶺

1 研究背景

承載力這一概念在力學中是指物體在不發生任何破壞時的最大載荷，在經歷了資源承載能力[1]、環境承載能力研究的基礎上[2]，水資源承載力成為當今水資源科學中研究的重點。目前，由于研究條件不同、研究尺度不同以及所取的研究指標不同，使得對水資源的概念尚未界定清晰。當前有幾種比較主流的觀點，分別是“水資源的最大支撐能力論”、 “水資源最大支撐規模論”、“水資源最大開發容量論”以及“水資源支持持續發展能力論”。其中，早期認為水資源承載能力一般是指在一定技術經濟水平和社會條件下，水資源可最大供給工農業生產、人民生活和生態環境保護等方面的用水能力[3]，而后，基于國家的可持續發展觀， “水資源支持持續發展能力論”在國內最為流行，其代表朱一中[4]、王浩[5]等人認為，水資源承載力是指在一定歷史發展階段及一定技術水平條件下，以可持續發展為原則，以維護生態良性循環和可持續發展為前提，在水資源合理配置和高效利用下，當地水資源系統可支撐的社會經濟活動規模和具有一定生活水平的人口數量;段春青則提出了區域水資源承載力的概念，認為區域水資源是指區域在一定經濟社會和科學水平條件下，以生態、環境健康發展和社會經濟可持續發展協調為前提的區域水資源系統能夠支撐社會經濟可持續發展的合理規模[6]。根據可持續發展觀念，水資源承載力也可以理解為在人與自然友好相處情況下，水資源對于人類社會及其子孫后代所能承載的合理規模。

水資源承載力的研究階段主要分為：① 2000～2005年，為方法模型的發展階段;② 2005年至今，為技術和應用的拓展階段[7]。研究方法使用較多的主要有以下幾種：系統動力學法[8-9]、主成分分析法[10-12]、多目標模型分析法[13]以及綜合評價法等[14-15]。研究以區域背景為出發點，目的是計算水資源所承載人口、經濟的最大規?；蛩Y源對經濟社會可持續發展的支撐能力。本文在水資源承載力概念與研究方法的基礎上，基于物理學力學原理，建立了水資源承載力系統結構模型，并運用該模型對江淮分水嶺地區進行區域水資源承載力評價分析。該模型在選取指標時結合了各方法的優缺點，在避免系統動力方法所選參數眾多、不易控制執行的情況下，結合影響水資源承載力的主要因素，依據所選指標的可證實性原則和可操作性原則，采用一些相互獨立且具有明確物理（或社會）含義的指標[16]，結合水資源承載力隨空間、時間和條件變化而變化的動態性、地區性、相對極限性、模糊性等特性[4]，選取簡單直觀、可直接反映水資源承載力狀況的指標，在可持續發展原則的指導下，對其進行系統結構分析，計算可承載的經濟總量與人口規模，并進行地區狀態判別。

江淮分水嶺地區是我國秦嶺淮河一線的延伸區，由于地理位置特殊，在氣候方面該區域受到南北氣候過渡的影響，盡管降水量可達900～1 000 mm，但旱澇災害頻發，水資源問題突出。本文通過研究2006～2015這10a間江淮分水嶺地區的區域水資源、社會經濟、生態環境的相互作用關系，對該區域水資源承載力的時空變化情況進行評價分析，分析結果可為區域水資源合理開發利用提供參考。

2 研究區概況

江淮分水嶺廣義上是指長江與淮河兩大水系之間的丘陵地區，屬我國亞熱帶與暖溫帶的過渡區，四季分明， 降水適中，水土光熱資源比較豐富，農業生產條件總體較為優越[17]，是安徽省重要的糧油產區。但是該區域降水時空分布很不均勻，南多北少，且年際、年內變化很大，基本集中于6～8月，因此旱澇災害頻繁發生。全區范圍內丘陵眾多，崗沖交錯，地形破碎，土壤板結，通氣、透氣性差，下滲難，地表水極易流失，難以攔截天然降水，持水性差[18]。此外，加上區域經濟活動用水是以農業生產為主，且生產基礎薄弱，用水方式粗放，缺少系統的水資源調配工程，因而導致水資源浪費嚴重，經常存在水資源短缺問題;由于供需矛盾，極易受旱澇災害的影響，尤其是旱情比較突出，有“十年九旱”之說，農作物受災減產損失嚴重[19-20]。

總體來看，區域水資源承載力不容樂觀，主要存在水資源時空分配不均、水資源短缺、地下水開發困難、農業灌溉水平低、產業用水效率不高，水環境惡化等問題。江淮分水嶺作為皖江城市帶重要區域，是促進中部地區崛起戰略的重點開發區域，在承接產業轉移中必然要重視到該區域水資問題，因此，需結合水資源承載力基本現狀，解決問題，走可持續發展道路。本文主要以江淮分水嶺地區的合肥（含巢湖）、滁州、六安和淮南市為研究區域來探討水資源承載力問題。

3 數據來源和研究方法

3.1 數據來源

本文研究數據主要來源于《安徽省水資源公報》和《安徽省統計年鑒》。參照2006～2015年水資源公報中各行政分區的水資源總量表、供水量表和用水量表，選取了合肥市、淮南市、滁州市、六安市和巢湖市5個行政區的年降水量、水資源總量、地表水資源供水量、地下水資源供水量、供水總量、農田灌溉用水量、林牧漁畜用水量、工業用水量、城鎮公共用水量、居民生活用水量以及生態環境用水量指標;同時，在《安徽省統計年鑒》中選取了各市對應年份的人口數量以及第一、二、三產業的生產總值及人均生產總值。

3.2 水資源承載力評價指標體系的選取

在前人研究的基礎上，從“水環境—社會經濟—生態環境”這一復合系統出發，遵循指標選取的目的性、整體性、動態性、層次性等基本原則，主要從水資源支撐力、水資源壓力、水資源承載調控力這三大子系統出發[21]，對江淮分水嶺水資源承載力的系統結構進行分析研究。該系統在研究水資源承載主體、水資源承載客體及水資源配置條件下的主客體耦合3個層次評價指標體系的基礎上[22]，結合物理學的力學原理，構建了基于水資源支撐力、水資源壓力、水資源承載調控力的評價指標體系。選取指標時，根據水資源條件、水資源狀況、社會經濟發展水平、生態環境狀況以及資源的開發利用管理等因素，從長系列、多因素、多單元構成的大數據基礎數據集中提取了與水資源承載能力顯著相關的因子，最終構建了水資源承載力評價指標體系（見表1）。

3.3 評價方法

基于上述水資源承載力評價指標體系，對水資源支撐力、水資源壓力和水資源承載調控力等影響因素構建的水資源承載力系統結構模型進行了分析。在該系統模型的構建過程中，主要參考了金菊良[21]、袁鷹[22]以及姜大川[23]等學者們的研究成果，構建的模型主要包括水資源支撐力層面的水資源可利用量的計算;水資源壓力層面的單位GDP綜合用水量的確定;針對水資源調控力層面，在保障生活和生態良性健康發展的情況下，水資源可承載的經濟總量和人口規模的計算和檢驗;最后對區域水資源承載狀態進行判別等4個方面的內容。圖1為水資源承載力系統結構模型示意。

4 結果與分析

4.1 研究區水資源承載力時間變化分析

根據2006～2015年《安徽省水資源公報》和《安徽省統計年鑒》統計的水資源量、各用水量以及降水量等數據指標，結合公式（1）來計算研究區域的合肥（含巢湖）、滁州、六安和淮南市的水資源可利用量。運用系統結構模型，借助于公式（1）～（6），對江淮分水嶺地區2006～2015年的水資源承載力進行綜合計算評價。評價結果如表2所示。

（1） 總體來看，研究區的水資源承載力每年均處于可載狀態。水資源可承載的經濟總量10 a的平均值為10 801.42億元，研究區的實際生產總值均值為5 628.58億元，可承載的平均人口規模為3 876.90萬人，研究區實際人口規模均值為2 053.72萬人，在平均狀態下水資源承載力具有91.90%的盈余空間。目前，總體來說仍具有較大的潛力空間。

（2） 2006～2015年，水資源所承載的經濟總量呈現出明顯的上升趨勢，由5 155.56億元上升到了22 480.20億元，增幅較大，主要貢獻是單位GDP綜合用水量不斷減少，其10 a間降幅為73.25%。

單位GDP綜合用水量由農業用水定額、工業用水定額、城鎮公共用水定額以及三次產業比例決定。10 a間，農業、工業和城鎮公共用水定額分別下降了46.91%，81.80%和22.97%，工業用水定額降幅最大。農業用水定額最高，其用水量占總用水量的70%左右，而城鎮公共用水定額最低，僅占2%左右，降低農業比重或增加第三產業比重對水資源承載力的大小具有重要的調節作用。

江淮分水嶺地區三次產業由2006年的15∶44∶41調整到2015年的9∶51∶40，產業耗水率下降了近10個百分點?？梢?，產業比例的調整及用水效率的提高對可承載的經濟總量增加具有極大的推力作用。

（3） 2006～2015年，區域降水量和水資源可利用總量的年際變化較大，年份降水量最多約為616.29億m3，導致可承載的人口規模波動趨勢明顯。

2010年降水量最多，達到了616.29億m3，因此，當年的水資源總量也最為豐富，扣除生態環境用水量后，水資源可利用總量為279.03億m3，在一定居民用水條件下，可供生產使用的水量為269.11億m3;根據當年一定的生產消費水平條件，水資源可承載的經濟總量為13 119.99億元，可承載的人口規模為5 271.77萬人，處于研究期間可承載人口規模的最高水平。

降水量最少的年份為2013年，僅為414.55億m3，可供生產使用的水量為126.69億m3，當年可承載的經濟總量為10 057.71億m3，可承載的人口規模為2 592.07萬人，處于最低水平;所承載的人口規模盡管與最高值相差一倍，但是與實際人口相比，仍具有一定的盈余空間，均處于可載的狀態。

研究區生態環境用水年均0.02億m3左右，占比極小，居民生活用水占總用水量的7%左右，所以在優先保證居民生活用水充足和生態環境良好發展情況下，剩余約93%的水量可用于生產，則說明可供生產使用的水量與年降水量呈現為顯著的正相關關系（見圖2）。雖然，區域提高對降水的利用率是提高水資源承載力的有效途徑。

（4） 由圖2及表2可以看出，近幾年，江淮分水嶺地區的降水量年均波動幅度較大，區域水資源可利用量不穩定。在保障區域環境生態需水量與生活用水量的前提下，可供生產利用的水資源量越多、單位GDP綜合用水量越少，則水資源承載力值就越高，水資源的承載潛力空間也就越大。也就是說，水資源承載力與降水量的大小成正比，與單位GDP綜合用水量成反比。降水量的變化率越大，水資源承載力波動就越大;單位GDP綜合用水量的不斷降低對水資源承載力值的增加貢獻很大。因此，區域應提高用水效率，降低單位GDP用水量。

4.2 研究區水資源承載力的空間差異分析

根據水資源系統結構模型，運用公式（1）～（6），可以得出江淮分水嶺主要研究區（合肥、巢湖、滁州、六安、淮南）各個時間段的水資源承載力狀態。江淮分水嶺各市區10 a的平均水資源承載力結果如表3所示，各市每年水資源承載力狀態如圖3所示，5 a的水資源承載力區域對比如圖4 所示。

（1） 由表3和圖3可知，巢湖、滁州、合肥和六安的水資源承載力近10 a來處于可載狀態，而淮南則處于超載狀態。水資源承載力由大到小依次為：六安、巢湖、合肥、滁州、淮南。其中，淮南市的水資源情形最為嚴峻，2006～2015年，平均超載率為59.79%，年均可承載的經濟總量僅為250.44億元，可承載的人口為97.82萬人，遠低于實際的經濟總量和人口規模;淮南市每一年的水資源承載力均處于超載狀態，見圖3（e），2010年超載率最高，達到了70.18%，可供生產使用的水資源量所能承載的經濟總量和人口規模均低于每年的實際經濟總量和人口規模。合肥市水資源情形也不容樂觀，水資源盈余率僅為16.11%，在2006～2015的10 a間，合肥市有4 a的水資源承載力處于超載狀態，見圖3（c），分別為2008，2009，2011年和2013年，超載范圍在在9.87%～31.46%之間，超載率最高年份為2008年。六安市承載潛力最大，年均水資源盈余率為219.70%，具有較大的潛力空間，其主要原因是六安市年降水量富足，可供生產使用的水量較多，所以水資源可承載的經濟總量與人口規模均具有很大的潛力空間。

（2） 研究區可承載的經濟總量由大到小依次為：合肥、六安、滁州、巢湖、淮南;可承載的人口規模由大到小排列依次為：六安、巢湖、滁州、合肥、淮南。

由圖3可以看出，各市水資源可承載的經濟總量隨著時間的推移呈為現波動上升的趨勢，可承載的人口規模也有較大的波動，而且各市波動的走向大致相同，滁州、六安、巢湖每年均為可載狀態，合肥市水資源可承載的經濟總量每年都處于領先地位，但有4 a處于超載狀態;淮南市的水資源可承載的經濟總量及人口規模最小，每年均處于超載狀態。在2006～2015年，合肥市可承載的經濟總量最高，年均為3 739.18億元;淮南市水資源所能承載的經濟總量最低，僅為243.26億元;六安市可承載的人口規模最大，可承載1 833.18萬人?；茨鲜袃H可承載97.82萬人。由此可以看出，無論是在可承載的經濟總量上還是可承載的人口規模上，各市的承載力大小均差異明顯。

（3） 已知水資源承載力與可供生產使用的水量和單位GDP綜合用水量相關，單位GDP綜合用水量的降低，在很大程度上改善著可承載的經濟總量;可供生產的水量的提高，在很大程度上影響著可承載的人口規模。

在2005～2015年，各市年均單位GDP用水量合肥市最低，為70.07 m3/萬元;六安市最高，為378.60 m3/萬元（巢湖在此不作對比，2011年巢湖進行了區劃調整）。各市之間的產業比例和用水定額之間的差距較大（見表4）。① 合肥市產業比例為5∶54∶41，雖然農業用水、工業用水、城鎮公共用水總量不低，但是農業用水定額、工業用水定額、城鎮公共用水定額最為合理，用水效率相比較其他各市而言為最高，在可供生產水量并不富足的情況下，水資源可承載的經濟總量最大。② 六安市盡管水資源量最為充足，但農業占比最大，而且農業用水量年均達到24.45億m3，用水定額為1 511.28 m3/萬元，僅農業用水量就占居總用水量的75%以上，有的年份甚至達到了80%，其中有95%用于農業灌溉。由于灌溉水平不高，水資源浪費嚴重，因此水資源可承載的經濟總量并不高。③ 滁州和六安情形類似。④ 淮南市盡管在農業、工業和城鎮公共用水方面總量最少，但是工業占比太高，近60%，工業用水效率很低，污水排放達標率僅為50%左右，水質型缺水嚴重（數據統計來自《安徽省水資源公報》，可供生產使用的水量極少（主要依靠淮河水，這里淮河水暫不計入淮南市水資源可利用總量范圍內），水資源可承載的經濟總量僅為250.44億元（實際年均生產總值為622.83億元），水資源可承載的經濟總量最不樂觀。

（4） 對2006～2015年各市水資源承載力以5 a為一期進行了對比。通過圖4可以看出：各市的水資源可承載的經濟總量均有較大幅度的提升，合肥市變化最為明顯。

圖4 水資源可承載力對比2005～2010年，合肥市的水資源可承載的經濟總量平均為1 787.34 億元， 2011～2015年間，可承載的經濟總量上升到5 909.80 億元。2006年，合肥市單位GDP綜合用水量為146.39 m3/萬元，到2010年達到了78.01 m3/萬元，2015年則達到了46.61 m3/萬元，單位GDP綜合用水量總體下降幅度明顯，而且與其他各市相比較，單位GDP綜合用水量一直處于最低水平;巢湖市的單位GDP綜合用水量在2006～2010年間為421.84 m3/萬元，雖然較高，但在2011年進行了新一輪的行政區劃劃分，巢湖被劃入到了合肥市;合并后，合肥市帶動了巢湖市用水效率的提高，巢湖市也緩解了合肥市的水資源矛盾，兩市互利，極大地提高了區域水資源可承載的經濟總量，新一輪的行政區劃，減輕了地區之間的資源隔閡，有助于資源的優化組合，實現了“1+1>2”的目的。

5 結 論

（1） 總體而言，近10 a來，江淮分水嶺地區水資源承載力基本處于可載狀態。水資源承載力在時空上存在著較大的變化差異。水資源承載力的大小與水資源可利用量的多少成正比，與單位GDP綜合用水量成反比。

（2） 水資源承載力是一個動態變化的過程，2006～2015年，江淮分水嶺地區水資源可承載的經濟總量具有明顯上升的趨勢，水資源承載力最小的年份是2006年，最大年份是2015年。在一定消費水平及工程技術水平下，在保證生態和生活用水后，水資源可承載的人口規模與區域降水量的大小顯著相關，因此，提高對天然雨水量的利用，降低水資源消耗，合理產業布局，提高用水效率，降低單位GDP綜合用水量，可以大大提高水資源的承載能力。

（3） 江淮分水嶺地區水資源的承載力空間差異明顯：從各市可承載的經濟總量來看，合肥>六安>滁州>巢湖>淮南;從可承載的人口規模來看，六安>巢湖>滁州>合肥>淮南;其中合肥、淮南水資源問題突出，均為超載狀態，六安市的水資源承載潛力最大。區域水資源分配不均問題嚴重，各市應根據水資源承載力的實際狀況，提高用水效率，合理調整產業結構，優化水資源配置，促進區域水資源與社會經濟協調發展。

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（編輯：趙秋云）