遼陽市水資源承載能力評價

孫艷兵

(遼陽市遼陽縣水利事務服務中心，遼寧 遼陽 111200)

1 區域概況

遼陽市地處E122°35'-123°40'，N40°42'-41°36'之間，邊界線總長471.8km，下轄5個區、1個縣和1個縣級市，總面積4744km2。該區域從西北部界河畔至東南部邊界白云山地勢呈自低到高的變化特征，地形從平原、臺地、低丘陵、高丘陵、低山到中山，海拔自50m上升至1000m以上，境內大小山峰166座。遼陽市屬于濕潤、半濕潤季風氣候，其氣候特征因地貌形態的差異各不相同，其中降水量最大的區域位于東部的低山丘陵區，氣候特點為夏季多大雨、暴雨，冬季氣溫低且時間較長，年降水量為800-900mm；而北部丘陵平原地帶的降水量較少，氣候特點為春季多大風，氣溫較低，嚴寒期長，年均降水量500-700mm；西部沿河平原區的降水多于北部丘陵地帶，降水量為600-800mm，多集中于作物生長季5-10月，冬冷夏熱，大陸性氣候強。研究區大小河流縱橫交錯，其中流程超過10km的河流29條，流域>5km的有86條，這些河流共同構成了渾河、太子河兩大水系[1-6]。

雖然遼陽地區存在豐富的水源，但局部區域仍存在地下水過度開發、水資源浪費嚴重的問題，水系統具有可開發總量少、邊際效益低、開采成本高、難度大等特點。特別是隨著工業化、城鎮化的發展和人口規模的擴大，遼陽市的湖泊、池塘、濕地等具有滯洪和儲存功能的區域逐漸消失，加之各行業用水量的急劇增加、農業灌溉用水效率低下和水體污染嚴重等條件限制，區域水生態功能和承載力水平持續下降。為促進水資源的可持續利用和系統掌握水系統承載經濟社會的程度，文章以耗水量為基準核算了遼陽市水系統承載力狀況，在此基礎上提出合理的建議措施以提升水系統承載力。

2 水資源承載力評價方法

2.1 水資源承載力的定義

結合現有文獻資料將水資源承載力的定義概括為：一定的社會經濟發展和可預見的科學技術條件下，以維護生態環境良性循環和水資源可持續發展為原則，水資源系統在合理開發利用的情況下能夠支撐某一區域社會經濟發展和人口規模的最大容量[7]。

綜合考慮生態環境、社會經濟和水資源系統等方面要素，統一處理水系統的可承載水平為水資源承載力精細量化方法的實質。例如，Dou M等[8]以概化的水系統為基本前提，采用區域內的水利工程可供水量連接人類社會利用水與自然水資源之間的關系，然而該承載力模型以可供水量為約束條件，現有的水利工程在很大程度上決定了承載力計算值，所以評估結果無法體現水系統承載力。為解決以上問題，有學者提出了以最大限度的可能被消耗的水資源作為水系統的可利用量，經數學轉換處理評判承載力等級；以耗水量為基準分配每個單元的可利用水資源量，該方法可以最大程度的發揮區域水資源效益，且不受水利工程等條件的限制。為了能夠直觀的反映制約水系統的關鍵性因子，充分考慮遼陽市配水方便且區域較小的實際狀況，以耗水量為基準搭建科學評估模型，并引入承載潛力指標衡量耕地、COD、氨氮、水量等因素對水資源開發潛力的制約作用。

2.2 水資源承載力評價模型

設定水系統承載目標為人口規模達到最大，以社會經濟和資源環境為兩大約束條件構造目標函數如下：

(1)

(2)

式中：ppopi、PPOP為區域i和整個研究區的承載人口，萬人；ki，j、ωi，j為計算單元i部門j的萬元GDP耗水量和分配到的水量，104m3/萬元、104m3；ppGDPi為基準年內單元i的經濟生產總值，萬元。

水資源承載力的約束條件：

1)生活耗水量的計算方法和水資源可利用量W的約束條件如下：

ωi,4=ppopiωwpopi

(3)

(4)

式中：ωwpopi、ωi，4為區域i的人均生活耗水和居民生活總耗水量，104m3/萬元、104m3。

2)引入ββtni，j、ββcodi，j為區域i行業j的萬元GDP的氨氮和COD排放量，單位t/a；ααtni、ααcodi為區域i的人均總氮和COD排放量，其中i=1，2，…，n；j=1，2，3。由此，構造區域污染物排放約束方程為：

(5)

(6)

3)設rjmax、rjmin為產業j在整個區域內的上、下界限，從而構造水系統承載產業結構的約束條件如下：

rjmin、rjmin

(7)

4)設pprofitmax、Si為單位面積上耕地的最大GDP產值和區域i的耕地面積，萬元/ha、ha，從而構造耕地面積約束條件為：

ωi,1/ki,j≤Sipprofit max

(8)

5)水資源承載力的各變量滿足非負的約束條件，即：

ωi,j≥0

(9)

最終，將模型轉換成可以用單純形法求解的單目標線性規劃問題，即以各個行政分區服務業、工業、農業耗水為自變量計算每個單元分配到的水資源可利用量，結合區域用水條件確定可承載的人口。

2.3 水資源承載潛力評估因子

結合水系統承載力的內涵特征，以人口規模量化水資源，對此引入潛力值I衡量承載狀態，即：

I=1-PPOP/FP

(10)

式中：FP為區域水資源可利用量能夠供養的一定社會發展水平下的人口規模；其中，I>0或≤0時，則代表水系統處于可載和超載狀態。

從目標函數可知，耕地面積、水資源可利用量、氨氮和COD排放量為約束水資源承載力的主要因素，為更加直觀的評估水系統承載潛力引入各個約束條件的承載潛力指數Ii，其中Ii的取值區間為0-1，Ii值越大則約束條件i的潛力越大；反之，則潛力越小。采用下式求解潛力指數Ii：

Ii=1-Ci/Cmax,i

(11)

式中：Ci、Ii為約束條件i的開發程度和承載潛力指數；Cmax，i為約束條件i的最大值，Cmax，i的取值標準，見表1。

表1 Cmax，i的取值標準

3 遼陽市水資源承載力評價等級

3.1 情景設定

以計算單元作為行政分區完成模型中用戶的概化處理，結合研究區實際狀況劃分為7個單元，其中生活、服務業、工業和農業耗水為每個單元的耗水部門。為最大程度的保證各用水部門的供水，將來水頻率設定為保證率最低的農業供水，對75%來水頻率下遼陽市2018、2025年的水系統承載力評價。評價過程中應用到的相關數據，來源于遼寧省河流水系圖、遼陽市行政區劃圖、2010-2019年遼陽市國民經濟公報、水資源公報和水資源綜合規劃等。

3.2 計算結果

通過一系列的轉換運算，確定75%水平年遼陽市的汛期棄水、生態需水和水資源可利用量，水資源可利用量，見表2。

表2 水資源可利用量

統計2010-2019年遼陽市各區縣的生產總值、人口規模、生活、服務業、工業和農業耗水量，在此基礎上預測分析2025年遼陽市生活、服務也、工業的耗水水平。遼陽市生活、服務業和工業耗水量，見表3。

表3 遼陽市生活、服務業和工業耗水量

注釋：生活耗水量：m3/人；服務業、工業和農業GDP耗水：m3/萬元。

結合區域水資源保護規劃和主干河流水環境治理狀況，確定遼陽市各區縣2018、2025年各行業的單位耗水氨氮、COD排放量，單位耗水污染物排放量，見表4。

表4 單位耗水污染物排放量

注釋：生活人均排污量為t/萬人；服務業、工業和農業萬元GDP排污量10-4t/104m3。

遼陽市各區縣2018年、2025年的污水限排總量依據水資源保護規劃確定，統計整理COD、氨氮限排量，污水限排總量，見表5。

表5 污水限排總量

為了保證區域產業結構能夠維持在合理的區間，設定工業和農業結構比例不低于30%、5%，利用文中所述相關公式求解兩種不同情景下的水系統承載力。遼陽市75%來水頻率下水系統承載力，見表6。

表6 遼陽市75%來水頻率下水系統承載力

續表6 遼陽市75%來水頻率下水系統承載力

從表6可知，75%來水頻率下遼陽市2018年水資源系統總體可以承載現狀人口，但局部地區出現了超載現象，如遼陽縣、燈塔市等地區；75%來水頻率下遼陽市2025年水資源系統難以支撐預測人口規模，部分地區的水系統狀況較好，如白塔區、宏偉區等。根據2018、2025年現狀人口和預測人口可知，不同水平年遼陽市承載人口相差不大，這是一些節水減排初步規劃的實施與2025年居民要求的生活水平提升共同作用的結果。然而，兩個典型年中部分地區的水系統承載力仍不容樂觀，水系統超載問題突出，如遼陽縣、燈塔市等。

3.3 結果分析

為進一步探究水系統承載力的制約因子，運用文中所述潛力指數計算公式求解2018、2015年每個因素的潛力指數，遼陽市水資源承載潛力分析，見表7。從表7可知，2018年遼陽市水資源系統仍具備一定的開發利用潛力，但遼陽縣和燈塔市地區達到超載狀態；若未能及時采取有效的控制措施，太子河區2015年水系統將達到超載狀態，燈塔市、弓長嶺區等超載問題比較嚴重。從約束條件的角度分析，水資源可利用量為制約2018年水系統承載力的掛件因素，而COD和氨氮為限制2025年水系統承載力的關鍵參數。

表7 遼陽市水資源承載潛力分析

從時間角度上，通過對比表6中2018、2025年GDP和人口變化可知，2025年區域環保和節水水平得到較大的提升，雖然水系統承載的人口規模有所下降，但較2018年其支撐的經濟規模明顯增大，且耗水量有所減低；從空間尺度上，燈塔市、遼陽縣和弓長嶺區的水系統承載力較差，而其它地區相對較好。

結合2018年區域水資源開發實際情況，從減少耗水量和增加水資源可利用量兩個方面提升水資源承載能力，其中開發非常規水源利用和增加外調水等為常用的供給側措施；固化引水渠道、推行節水灌溉措施等為減少需求側農業耗水的常見方法。針對2025年水資源系統，可從減少氨氮、COD排放等污染物控制的角度提升水資源承載力，其中農業污水排放為遼陽市氨氮污染的主要來源，為緩解水環境承載壓力可加大農業面源污水的截污限排力度。

4 結 論

1)75%來水頻率下2018年遼陽市水資源系統仍存在一定的開發利用潛力，若未能及時采取有效的控制措施，2025年水系統承載力受水環境條件限制有所下降。

2)水量和氨氮排放量為制約區域水系統承載力度的關鍵因素，為有效解決氨氮排放問題應加大對農田面源污染的控制；通過采取外調水源、進一步提高節水等措施有利于緩解干旱時期的用水緊張矛盾。

3)以耗水量為基準搭建的量化模型，能夠較為系統、準確的反映區域水系統自然稟賦，評價結果科學合理；依據承載潛力指數可為區域產業結構調整和水資源利用規劃提供決策依據。