基于雙要素法的城市水資源承載能力評價

吳 旭

（1.河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056038；2.河北省邯鄲水文水資源勘測局，河北 邯鄲 056001）

1 概況

邯鄲市地處河北省南部，西依太行，北望京津，位于晉冀魯豫四省區域中心和環渤海經濟區腹心，其主城區是四省重要的交通樞紐和人口超百萬的大城市，總面積395.1km2，以100m等高線為界，分為東西兩部分，東部為平原，西部為山區丘陵，人口114.3萬人，人均占有水資源量40.7m3，僅為河北省平均值的13.3%，水資源短缺和水環境污染是長期困擾邯鄲市區發展的瓶頸問題。本文運用計算模型，通過對邯鄲市主城區現狀年和規劃年水資源承載能力的分析評價，摸清水資源對主城區經濟社會發展的承載狀況和承載余量，為主城區的可持續發展和總體規劃提供技術參考。

2 水資源承載能力定義及計算模型

2.1 水資源承載能力的定義

有關水資源承載能力的定義，不少學者都提出了自己的觀點，其大致可歸納為水資源開發利用的最大能力和水資源的最大支撐規模兩種類型［1-4］。本文采用趙建世等［5-6］對水資源承載能力的定義：一個流域或區域的水資源承載能力，是指在可以預見的時期內，利用當地水資源及其他資源、智力、技術等條件，在保證人們物質生活水平和維持水循環系統自身功能條件下，所能持續供養的人口數量。

2.2 雙要素水資源承載能力計算模型

作為大自然系統的重要組成部分，水同人類、社會、經濟等有著錯綜復雜、無法割舍的聯系，他們之間相互影響、相互作用共同推動著人與自然界的發展演化。因此，水資源承載能力必然會受到水資源基礎條件及利用程度、經濟發展狀況、科學技術水平、人口及其生活水平、生態環境狀況、其他類自然資源、流（區）域外部及其他水源等諸多因素的影響。基于對上述影響因子、技術手段及基礎資料的考慮，水資源承載能力研究方法主要有：系統動力學方法、多目標決策法、基于模擬和優化的控制目標反推模型、投影尋蹤評價法、物元分析法、密切值法、人工神經網絡法、常規趨勢方法、簡單定額估算法、背景分析法、模糊綜合評價、綜合指標法、主成分分析方法、雙要素水資源承載能力模型等［7-8］。結合所采用的水資源承載能力定義，同時考慮到基礎數據的易獲取度，模型簡單易操作，并對水資源利用開發程度、生產力水平和受水資源條件的制約因素考慮較全面。本文采用雙要素水資源承載能力計算模型，從人均全員耗水量和人均全員污水排放量兩方面綜合分析，反映一個區域的水資源開發利用水平和受水資源稟賦的制約因素。

雙要素水資源承載力計算模型如式（1）：

式中 Cw（t），C1，C2分別為水資源承載力、水量承載能力、水質承載能力；Wn，Wc分別為經濟社會可利用水資源量、河流自凈能力；qp（t）為人均全員耗水量；sp（t）為人均全員污水排放量。

經濟社會可利用水資源量Wn計算，如式（2）：

式中 W，Wo，Wb分別為區域（或流域）水資源總量、生態環境需水量、外流域調水量。

生態環境需水量Wo計算，如式（3）：

式中 α為生態環境需水系數，可參照表1選取。

表1 生態環境需水系數

人均全員耗水量如式（4）：

式中 Wet（t）為t時刻區域（或流域）的總耗水量；P（t）為t時刻的人口數量。

河流自凈能力Wc計算如式（5），徑污比 β 如式（6）：

式中 Ws為地表徑流總量；β 為徑污比；Q為徑流量；q為污水流量。

鑒于通常情況下河流具有自凈能力的徑污比最低限為20，故式（5）最終可用式（7）表示，人均全員污水排放量，可用式（8）計算：

式中 Wec（t）為t時刻區域（或流域）排污河道的COD總量；P（t）為t時刻的人口數量。

2.3 評價指標的建立

為更直觀地描述一個區域（或流域）的水資源承載狀態和承載潛力，依據雙要素水資源承載力計算模型，建立兩個水資源承載能力評價指標：水資源寬松度Rw和水資源超載度Pw。其中，水資源寬松度Rw為t時刻的水資源承載能力與實際（或規劃）人口數量的比值；水資源超載度Pw為t時刻的實際（或規劃）人口數量與水資源承載能力的比值。兩者為互為倒數關系，即水資源寬松度Rw和水資源超載度Pw計算如式（9）和式（10）：

由式（9）和式（10）可看出，當Rw＞1時，為不超載狀態，值越大，承載余量越大；當Rw＜1時，為超載狀態，值越小則超載程度越嚴重。當Pw＜1時，為不超載狀態，值越小，承載余量越大；當Pw＞1時，為超載狀態，值越大，承載程度越嚴重。

3 主城區承載能力分析

邯鄲市主城區位于河北省南部，以100m等高線為界，分為東西兩部分，東部為平原，西部為山區丘陵，總面積395.1km2，人口114.3萬人，降水總量1.9862億m3，水資源總量0.4662億m3，其中地表水資源量0.3200億m3，地下水資源量0.3951億m3；人均占有水資源量40.7m3，約占河北省平均值的13.3%；經濟可利用水資源量2.8893億m3；干旱指數2.27；河流自凈能力0.1081億m3。運用雙要素水資源承載能力計算模型，根據主城區水資源狀況及供用水情況，對現狀和未來條件下的水資源承載能力進行分析計算。邯鄲市主城區現狀年和未來水平年水資源承載能力如表2。

表2 現狀和規劃水平年水資源承載能力

從表2看出，水資源承載能力是受水資源數量和質量綜合影響的指標。模型計算的邯鄲市主城區水資源承載力與可利用水資源量、污水處理率成正相關關系。邯鄲市主城區主要河道為滏陽河及其支流，其承擔著工業用水水源和城市排污的功能。邯鄲市主城區水資源承載能力與滏陽河的自凈能力關系密切，而目前，邯鄲市大部分水源來自區域外調水，自產水量較少，若單純依靠增加區域外調水量來提高河流自凈能力以滿足水資源承載能力要求還不太現實。因此，提高污水處理率、節約使用水資源是提升主城區水資源承載能力的關鍵性、決定性因素。

3.1 現狀年水資源承載能力分析

現狀水平年2014年邯鄲市城區實際人口114.3萬人，污水排放總量0.9251億m3，實際進入污水管網處理水量0.8233億m3，污水處理率達89%。依據雙要素水資源承載能力模型，按經濟可利用水資源量計算可承載人口355.8萬人，按人均全員污水量計算可承載人口121.4萬人，兩者取最小值的現狀年邯鄲市水資源承載能力121.4萬，水資源超載度0.94，水資源寬松度1.06，實際人口未超載。

由此可見，邯鄲市主城區在現狀年的經濟技術條件下，通過區域調水、節水等措施，在水量上能夠滿足國民經濟發展的需要，承載人口數量大于現狀年的人口數量，但考慮到接納污水的管網還未能全部覆蓋及河流納污的情況，邯鄲市主城區水資源的承載能力偏弱，污水處理質量仍有待提高，仍然需要從提高污水處理能力方面來提高水資源承載能力。

3.2 規劃水平年水資源承載能力分析

按照社會生產力發展水平及人口發展趨勢預測，邯鄲市主城區2020年人口127.7萬人，2030年達146.5萬人。規劃水平年2020年和2030年的污水處理率分別為94%和95%。依據雙要素水資源承載能力模型，計算得出2020年可承載人口128.8萬，2030年可承載人口159.0萬，水資源超載度分別為0.99和0.92，水資源寬松度分別為1.01和1.09，邯鄲市主城區均處于不超載狀態。

由此可見，近期規劃水平年2020年在全面實施南水北調工程后，岳城水庫及羊角鋪水源地調水量相對減少，有效改善了區域供水條件，污水處理量有所增加，承載的人口數量大于預測的人口數量。遠期規劃水平年2030年，南水北調工程全面投入使用，供水條件相對穩定，南污水處理廠和人民東污水處理廠相繼建成，污水處理效率大大提高，能夠滿足2030年人口增長的需要。

4 結語

（1）依據雙要素水資源承載能力模型分析計算，邯鄲市主城區現狀年水資源承載能力121.4萬人，實際人口114.3萬人，水資源超載度0.94，水資源寬松度1.06，實際人口未超載；預測規劃年2020年人口127.7萬人，2030年146.5萬人，2020年和2030年水資源承載能力分別為128.8萬人和159.0萬人，水資源超載度分別為0.99和0.92，水資源寬松度分別為1.01和1.09，人口仍未超載。

（2）針對如何提高邯鄲市主城區水資源承載能力提出以下對策［9］：做好污水處理廠建設規劃和水資源保護規劃；增建污水處理廠，提高污水處理能力；增設市政污水管網，減少直接排入河道的污水量；提高污水回用率；加大區域外調水，提高水資源可利用量；通過節約用水，改善用水條件，提升水資源利用效率。