基于水量供需平衡的河北省張家口市崇禮區水資源承載力分析

張萌雪, 魯春霞, 吳燕紅, 夏建新

(1.中央民族大學 生命與環境科學學院, 北京 100081; 2.中國科學院 地理科學與資源研究所, 北京 100101)

河北省張家口市作為京津冀水源涵養功能區旨在提高京津冀生態承載能力，為三地協同發展提供水安全保障，特別是作為冬奧會核心區的崇禮區，其水資源承載力是綠色奧運重點關注的內容之一。

2022年張家口市崇禮區將承辦冬奧會部分賽事活動，并將以冬奧會為契機建設成為冬季冰雪運動和旅游勝地，未來大規模人口流動及賽事活動都需要利用大量水資源。近年該區地表水利用效率低，大量開采地下水作為主要供水方式，尤其是農業[1]。因此，未來崇禮區水資源承載力面臨巨大挑戰。水資源承載力包含了社會發展、資源稟賦、支撐狀況和環境保障等多個方面，是水資源供需平衡狀況的綜合反映[2]。分析水資源可利用量以及基于水資源供需平衡的承載力對解決崇禮區冬奧會水資源供需問題、提高水資源利用效率以及保障水資源可持續利用具有重要意義。

對于水資源承載力的概念，學術界對其定義有多種表述[2-3]，從研究內容上可為水資源的最大開發能力和最大支撐規模[2,4-5]。由于區域水資源承載力具有一定的地域性、復雜性、動態性等，導致其研究方法具有多樣性，對此學者們提出了水資源承載力的不同研究方法，如常規趨勢法、綜合評價法、系統分析法等[6-9]。國內學者基于研究區水資源供需關系具體分析了水資源承載力。王雅竹等[10]利用水資源供需平衡指數對五家渠市未來水資源承載力進行預測。李清河等[11]對綠洲灌區的水資源供給與需求量進行分析評價，設定3個方案利用水資源承載力平衡指數進行水資源承載力分析。李玲等[12]基于水資源供需關系利用SD模型對重慶市水資源承載力進行模擬分析。國外學者也利用供需關系進行水資源承載力研究，Milano等[13]基于水資源供需關系利用組合模型預測了埃布羅河流域未來水資源承載力。Dessu等[14]利用SWAT模型對馬拉河流域水資源供需進行評價。由于水資源承載力直接與該區域可利用水資源量有本質聯系，水資源量決定于不斷變化的資源環境和人類活動影響下的水文循環規律及其控制的水資源形成規律，因此可從自然變化和人類活動影響的水循環系統出發，通過“自然生態—社會經濟”系統對水的需求和流域能夠提供多少可利用水資源量的“支撐能力”加以度量進而分析水資源對區域發展支撐情況[15]。通過計算分析區域可利用的水資源量以及需水量，直接利用供需關系確定水資源承載能力，研究過程直觀明確，且利于在小尺度研究區進行資料收集與數據分析。

本文通過計算崇禮區可利用的水資源量以及需水量，基于水資源供需關系分析了2005—2016年水資源承載力并預測分析了不同規劃年(2022，2035年)水資源承載情況，對農業需水量進行了情景預測，旨在為崇禮區冬奧會(2022年舉辦)以及未來水資源合理利用以及可持續發展提供基礎。

1 研究區概況

崇禮區位于河北省西北部，地處內蒙古高原與華北平原過渡地帶，地理位置為東經115°12′—115°34′，北緯40°47′—40°17′，全區總面積2 334 km2，該區域主要為清水河流域。該地區屬于東亞大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季暖熱多雨，冬季累計積雪量達1 m左右，存雪期長達140 d多，多年平均降水量480 mm，降水年際年內分布極不均勻，主要集中在6—9月份，年均蒸發量828.8 mm，徑流量年際變化大，多年平均徑流量為5.19×106m3。該地區土地利用類型主要為耕地、林地，草地，面積比例分別為30.79%，32.47%，34.42%，以種植業為主的特色農業發展具有明顯優勢，作物有蔬菜、蠶豆、馬鈴薯等，2005年蔬菜種植面積為3 360 hm2，2016年蔬菜種植增加為6 466.67 hm2，增長了92.46%。近年以滑雪為主的旅游產業發展迅速。

2005—2016年崇禮區社會經濟發展數據源于《崇禮區社會經濟發展公報》，2005—2016年地表水和地下水利用量數據來源于崇禮區水文局，由于獲取地下水位監測數據時間尺度上受限，地下水位監測數據時間跨度為2015年3月至2018年6月，崇禮區社會經濟發展規劃資料來源于崇禮區規劃局，土地利用數據來源于地理國情監測云平臺。

2 研究方法

2.1 水資源供需計算

2.1.1 需水量計算

WD=WP+WA+WI+WT+WE+WM

(1)

式中：WD為水資源需求總量(m3)；WP，WA，WI，WT，WE，WM為生活、農業、工業、旅游、生態和其他需水量。下同。

崇禮區正處于飛速發展階段，用水數據波動較大。這使得回歸分析預測、灰色預測等需要大量數據樣本和有規律統計資料的預測方法的使用受到了限制[16]。考慮水資源緊缺對社會經濟發展的制約作用，本文利用定額法計算分析崇禮區需水情況。

生活需水量WP(m3)根據城鎮農村居民數量P(人)以及居民需水定額KP(m3/人)計算：

WP=P×KP

(2)

農業需水WA(m3)根據不同作物的面積A(hm2)、灌溉定額KA(m3/hm2)計算：

WA=A×KA

(3)

工業需水WI(m3)根據萬元工業增加值IVA(元)以及需水定額KI(m3/元)計算：

WI=IVA×KI

(4)

旅游需水WT(m3)根據游客數量PT(人)、旅游天數D(天)以及需水定額KT(m3/人·d)計算：

WT=P×KT×D

(5)

由于計算可利用水資源把河道內生態需水量扣除，因此生態需水量僅考慮河道外需水量，依據經驗公式按照城鎮生活需水10%進行計算。其他需水包括冬奧會賽事需水以及造雪需水，賽事需水根據運動員人數、運動員需水定額以及運動員居住天數計算，造雪需水量根據雪量以及造雪定額進行計算。

2.1.2 水資源可利用量計算 水資源可利用量為在滿足一定的生態保護標準下的生態需水的前提下，在一定的經濟技術水平條件下，在水權保證的、在總水資源量中可以被當地凈消耗于生產生活的那部分水資源量[17]。水資源可利用量估算公式如下[18]：

WS=WO+WG

(6)

式中：WS——可利用的水資源量(m3)；WO，WG——地表水量(m3)和地下水量(m3)。

其中計算地表水資源量需扣除天然生態需水量[19]，計算地下水可開采量需結合地區水文地質條件分析，依據地下水位觀測、實際開采量等資料確定地下水可開采量[20]。

2.2 水資源承載力計算

2.2.1 水資源平衡指數 利用水資源平衡指數反應水資源供需平衡關系，分析2005—2016年水資源承載力現狀并依據2022，2035年需水量進行水資源承載力預測，計算該指標公式如下[15]：

(7)

式中：IWSD為可利用水資源量(m3)。當IWSD>0，可利用的水資源量可以支撐社會經濟系統。當IWSD<0，可利用的水資源量不能支撐這樣規模的社會經濟系統。

2.2.2 地下水開采潛力 選取地下水開采潛力指數反映崇禮區地下水開采程度。

I=Q允/Q采

(8)

式中：I為地下水開采潛力指數；Q允為地下水允許開采量(m3)；Q采為地下水現狀開采量(m3)。若0.8≤I≤1.2則表明區域地下水采補平衡；若I<0.8表明地下水超采；若I>1.2則表明區域有開采潛力。

3 結果與分析

3.1 水資源承載力現狀

根據水資源承載力計算公式，計算2005—2016年研究區水資源平衡指數。由圖1可知，2005—2016年水資源承載力呈下降趨勢，IWSD從2005年0.54下降至2016年0.06，趨于水資源采補平衡狀態。

圖1 2005-2016年崇禮區水資源承載力

結合2005—2016年需水情況來看(圖2a)，崇禮區需水量從2005年1.20×107m3增加至2016年的2.76×107m3。不同需水類型具體情況如下： ①農業需水為主要需水類型，多年平均占總需水比例為65.02%。導致崇禮區需水量變化的主要原因是農業需水變化，而農業需水變化與作物種植面積增加相關，灌溉面積由2005年3.36×103hm2增加至2016年的6.47×103hm2，灌溉類型主要為設施蔬菜和露地蔬菜，兩者面積分別增長了110.52%，87.18%。崇禮區2016年農民人均蔬菜收入占農民人均純收入的70%以上，蔬菜產業已成為富民主導產業，蔬菜種植的突出利益優勢帶動了灌溉面積的增加。結合河北省用水定額可知，崇禮區設施、露地蔬菜灌溉定額分別為1 905，3 600 m3/hm2。②工業需水為第二大需水類型，多年平均占總需水量比例為13.31%。工業需水從2005年1.18×106m3增長至2016年的4.01×106m3，需水量不斷增加與工業迅速發展相關。由于該區礦產資源稟賦，高耗水的采礦行業不斷發展，萬元工業增加值由2005年3.49×104元增加至2016年1.85×104元，呈現逐年增長趨勢。結合該區水資源公報，工業需水定額為33.88 m3/萬元。③崇禮區旅游需水呈增加趨勢，從2005年3.81×105m3增加至2016年的5.27×106m3，結合中國旅游者基本消耗標準，崇禮區每位游客每天需水量為0.01 kg。近幾年該區以滑雪為龍頭的生態旅游業不斷發展，旅游人數以年均26.75%增長，2016年旅游人數達到3.52×1010人，萬龍、云頂等5個大滑雪場已投入使用，因此旅游設施不斷完善促進旅游人口顯著增加導致需水增加。

圖2 2005-2016年崇禮區水資源供需水量

崇禮區水資源由大氣降水補給，可利用的水資源為地表水和地下水。2005—2016年崇禮區可利用水資源量如圖2b所示，由圖可知崇禮區總供水量呈先升后降的趨勢，供水類型主要為地下水，多年地下水平均供水占總供水量比例為87.91%，地下水供水量呈先升后降趨勢，多年地表水供水量占總供水量的10.28%，2011年起該區域通過蓄水、引水工程增加了地表水供水量。受水利基礎建設以及傳統灌溉方式影響，該區域利用機電井抽取地下水進行供水，由于社會經濟發展程度不平衡，部分地區地下水開采強度較大，地下水出現超采現象，超采區主要為礦業開采發展區以及蔬菜大棚產業區。結合崇禮區2015—2018年地下水監測數據(圖3)可知，西灣子蔬菜產業區地下水位大致呈現逐年下降趨勢，年均地下水位下降2.03 m，高家營種植業產業區地下水位呈逐年上升趨勢但年均地下水位下降48.45 m，可見崇禮區部分區域地下水開采強度較大，地下水出現超采現象。計算2005—2016年地下水開采潛力指數(圖4)可知崇禮區地下水位開采潛力呈先下降后上升趨勢，2010年地下水開采指數為1.01，達到最低值，地下水已達到采補平衡程度，由于2010年后地表水利用量增加，地下水實際開采量小幅下降，2016年地下水開采潛力為1.20，地下水資源采補平衡。若地下水開采持續超過可開采的地下水資源量，極易導致崇禮區地下水水位低于生態安全水位，導致水資源利用安全問題。

圖3 崇禮區多年地下水位動態變化

圖4 崇禮區2005-2016年地下水開采潛力

3.2 水資源承載力預測

考慮水資源可持續發展，以2016年為現狀水平年，計算不同規劃年(2022，2035年)生活、生產、生態和其他需水量，對不同規劃年不同保證率的水資源供需平衡結果進行分析(表1)，其余規劃年需水量可由線性插值計算得到。在2022年，若保證率P=25%，崇禮區水資源供給有盈余，盈余量約占總需水量的37.20%；當P=50%，水資源供給小幅虧缺，虧缺量為6.53×106m3，缺水率為14.30%；當P=75%時，水資源虧缺嚴重，虧缺量為1.99×107m3，缺水率為43.51%。在2035年，當P=25%，水資源供給有盈余，當P為50%，75%時，水資源供給均虧缺，分別為7.61×106，2.10×107m3，缺水率分別為16.28%，44.82%，虧缺量較2022年相比均增加。

利用定額法對2022，2035年需水量進行預測，不同需水類型情況如下：①農業需水量占總需水量63.41%，農業灌溉需水仍為主要需水類型。根據崇禮區農業經濟發展以及政府規劃，未來該區將主要發展觀光農業，將小幅增加設施蔬菜面積，預計2022年灌溉面積將達到8.84×103hm2，設施蔬菜面積增加至2.90×103hm2，2035年面積保持不變?？紤]到未來蔬菜設施規模化種植，節水灌溉措施改善，較2022年2035年需水定額縮減10%，2035年設施、露地蔬菜灌溉定額分別為3 240，1 905 m3/hm2，因此2035年農業需水量將小幅下降，但仍為主要需水量，占需水總量50.75%。②2022，2035年旅游需水量均為第二大需水類型，分別占總需水量的18.30%，20.85%，根據2005—2016年崇禮區游客數量可知，近年游客數量增長率保持20%，參考北京奧運會人口變化情況[21]，預計2022，2035年旅游人口達到5.57×106，6.50×106人，大幅增長的旅游人口數量將導致旅游需水量的增長。③按照人口增長規律并結合崇禮區相關規劃預測，2022，2035年人口數量分別增長至1.50×105，1.80×105人，較現狀年2016年分別增長了2.40×104，5.40×104人，因此隨著人口數量的增長，崇禮區生活需水增加，2022，2035年分別占總需水量的14.98%，18.27%，結合河北省用水定額標準，崇禮區城鎮以及農村人均需水定額分別為140和110 L/d。④由于崇禮區進行產業結構調整，未來主要發展農業和旅游業，減緩工業發展，根據政策要求，未來工業需水量將大幅下降，維持1.00×106m3，為2016年工業需水量的25%。⑤由于2022年冬奧會賽事開展，需水類型還包括賽事需水以及造雪需水，2022，2035年崇禮區雪道最大面積分別為8.25，10 km2，利用造雪1 m3需水量為0.5 m3關系求得造雪需水量，冬奧村運動員公寓提供床位共計5 034個，運動員居住時間為27 d(包括殘奧會)，參考河北省用水定額為500 L/床·d，經計算其他需水量分別僅占2022，2035年需水總量的5.10%，5.94%。

表1 崇禮區水資源供需平衡預測分析

崇禮區不同保證率可利用的水資源量相差較大，P=75%下的可利用的水資源量為P=25%可利用水資源量的56.50%。為確保地下水資源安全，可開采的地下水資源量將維持在采補平衡狀態下1.53×107m3；崇禮區地表水水資源由大氣降水補給，降水呈現年際變化，因此地表徑流年際分配不均，呈豐平枯變化，P=75%，50%，25%地表徑流量分別為5.27×107，2.92×107，1.58×107m3。參考相關文獻[19]，若生態需水量長時間維持在適宜生態流量的閾值，從生態系統彈性和抗性考慮，最終會導致河流生態系統破壞，因此生態需水存在范圍波動。利用Tennant方法計算得到崇禮區生態需水量為5.32×106～8.57×106m3，從而地表水資源量也存在上下范圍，本論文進行供需預測分析時取可利用水資源的最大值。經計算可知，P=75%，50%，25%地表水資源分別占可利用水資源總量75.58%，60.91%，40.70%，相比地下水資源，地表水資源較豐富，但由于傳統供水方式，該區缺乏相關工程措施對地表水進行蓄積利用，未來該區應考慮增加地表水利用工程措施來提高地表水利用率。

由水資源供需平衡(表2)可以看出，當P=25%時2022，2035年IWSD分別為0.27，0.25，水資源均能承載，水資源能維持供需平衡且地下水維持最大開采量即可；當P=50%時，2022，2035年IWSD均<0，水資源不能支撐社會經濟發展；當P=75%時，2022，2035年IWSD分別為-0.77，-0.81，水資源供需缺水率均接近50%，水資源嚴重超載，水資源一定程度上將會制約社會經濟發展。當崇禮區水資源不可承載時，可考慮通過節水措施，減少農業需水以及旅游需水量來保證水資源供需平衡。

表2 崇禮區不同規劃年水資源承載力預測

3.3 農業需水情景分析

崇禮區多年露天蔬菜種植面積占總種植面積比例為76.61%，露地蔬菜灌溉方式為溝灌，水資源利用效率低，因此本文結合崇禮區農業灌溉的實際情況，通過改變種植面積和灌溉方式計算水資源承載力，將2022，2035年農業灌溉方式全部變為滴灌并且兩年需水定額分別減少15%，20%，面積均縮減20%，計算結果見表3。當P=25%，2022年灌溉需水量縮減53.26%，IWSD=0.52，水資源盈余量增加1.54.49×107m3，2035年灌溉需水量縮減55.93%，IWSD=0.47，水資源盈余量增加1.33×107m3；當P=50%，不同規劃年IWSD分別為0.23和0.15，水資源均由超載變為可承載，水資源盈余量分別為8.83×106m3，5.73×106m3；當P=75%時，IWSD分別為-0.17和-0.29，水資源仍超載，但缺水量相比之前分別減少了22.68%，36.31%。由此可見，適當縮減露地蔬菜種植面積并改善灌溉方式是提高水資源承載力的一種有效途徑。本文與胡彬等人[1]均分析得到農業需水對水資源承載具有顯著影響，但本文定量計算了改變農業種植結構以及縮減農業需水定額對水資源承載情況的影響。

表3 崇禮區水資源承載力情景變化

4 結 論

本文通過計算水資源平衡指數，分析了2005—2016年崇禮區水資源承載力并預測了2022，2035年水資源承載情況。

(1) 2005—2016年崇禮區水資源承載力不斷下降，2016年水資源承載力IWSD降至0.06，趨于臨界狀態。農業、工業需水為主要需水類型，多年平均占總需水量的65.02%，17.03%。崇禮區多年主要抽取地下水進行水資源利用，地下水供水量占總供水量多年平均為87.91%，地下水開采潛力先降后升，2016年開采潛力達到1.20，已達到采補平衡。

(2) 在不同規劃年2022，2035年，當保證率P=25%，水資源承載力IWSD分別為0.27，0.25，水資源盈余量分別為1.70×107m3，1.60×107m3，能夠支撐社會經濟發展；當P=50%和75%時，不同規劃年水資源均超載，當P=75%水資源嚴重超載，IWSD分別為-0.77，-0.81。

(3) 通過減少灌溉面積以及需水定額，當P=25%，2022，2035年IWSD分別為0.52和0.47，水資源承載力提升，當P=50%，不同規劃年水資源由超載均變為可承載，IWSD分別為0.23和0.15，當P=75%，2022，2035年IWSD<0，缺水量分別減少22.68%，36.31%。