海城市水資源承載能力評(píng)價(jià)

陳 新

(遼寧省海城市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 海城 114200)

1 區(qū)域概況

海城市地處遼東半島之北部、遼河下游之左岸，東部絕大部分為山區(qū)及丘陵地帶(海拔60-500m)，西部為五道河、海城河沖積而成的平原區(qū)，丘陵漫崗多位于平原與山麓的過(guò)渡地帶。海城位于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量集中、光照充足、雨熱同期、平原風(fēng)大，年均降水量721.3mm，平均氣溫10.4℃。境內(nèi)東西橫貫海城河、楊柳河、八里河、三通河、五道河，南北縱橫渾河、太子河、大遼河，總面積2732.1km2，總?cè)丝?13.41萬(wàn)人。海城市屬北溫帶大陸季風(fēng)氣候，年均降雨量484.3mm，平均氣溫7.2℃，無(wú)霜期152d，年蒸發(fā)量1659.4mm，其中5-6月份風(fēng)速大、氣溫上升快、相對(duì)濕度小，因此屬蒸發(fā)量最大時(shí)期。

海城市境內(nèi)自然災(zāi)害頻繁，水、雹、旱、霜、蟲(chóng)、風(fēng)災(zāi)俱全，其中最為嚴(yán)重的旱災(zāi)，素有“十年九旱”之稱。該區(qū)域氣候特點(diǎn)為“春旱秋吊”，特別是近年來(lái)遭受少有的旱災(zāi)，其旱情強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且氣溫高，造成慘重的經(jīng)濟(jì)損失和作物減產(chǎn)。為進(jìn)一步探究水資源對(duì)海城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的承載余量及其現(xiàn)狀，本研究利用雙要素計(jì)算模型評(píng)價(jià)分析了其現(xiàn)狀年、規(guī)劃年水資源纏在李，以期為區(qū)域總體規(guī)劃和水資源高效利用提供決策依據(jù)。

2 研究方法

2.1 水資源承載力的定義

現(xiàn)有學(xué)者從不同角度定義了水資源承載力的內(nèi)涵，總體上劃分為水資源的最大支撐規(guī)模和最大開(kāi)發(fā)利用能力兩類[1-4]。文章參考相關(guān)文獻(xiàn)資料和趙建世等研究成果，通過(guò)歸納總結(jié)定義水資源承載力為[5-7]：在維持水循環(huán)系統(tǒng)功能和人們物質(zhì)生活水平的基礎(chǔ)上，運(yùn)用現(xiàn)有的技術(shù)、智力、水資源及其他資源等，某特定區(qū)域或流域的水資源在可預(yù)見(jiàn)期內(nèi)所能持續(xù)供養(yǎng)的人口數(shù)量。

2.2 雙要素承載力計(jì)算模型

水是維持地球生命系統(tǒng)以及自然生態(tài)系統(tǒng)的重要資源，同經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人類等有著無(wú)法割舍、錯(cuò)綜復(fù)雜的聯(lián)系，對(duì)實(shí)現(xiàn)人員自然和諧發(fā)展發(fā)揮著不可替代的作用[8]。因此，流域外部及其他水源、生態(tài)環(huán)境狀況、科學(xué)技術(shù)水平、水資源利用程度及基礎(chǔ)條件、其他自然資源、人口及其生活水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等因素勢(shì)必會(huì)對(duì)水資源承載能力造成影響。考慮到以上基礎(chǔ)資料、技術(shù)手段及影響因子，目前比較常用的水資源承載力研究方法有雙要素計(jì)算模型、模糊綜合法、簡(jiǎn)單定額估算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、物元分析法、反推模型法、主成分法、綜合指標(biāo)法、背景分析法、常規(guī)趨勢(shì)法等[9-10]。根據(jù)模型簡(jiǎn)單易操作性及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的易獲取性，結(jié)合水資源承載能力定義應(yīng)綜合考慮水資源開(kāi)采受制約條件、生產(chǎn)能力水平及其開(kāi)發(fā)程度等因素。擬從人均污水排放量和耗水量?jī)蓚€(gè)層面，利用雙要素承載力計(jì)算模型綜合反映受水資源稟賦的水資源開(kāi)發(fā)制約因素及其水平，其表達(dá)式如下：

(1)

式中：Wc、Wn為河流自凈能力和可利用水資源量；Sp(t)、qp(t)為人均污水排放量和耗水量；C1、C2、Cw(t)為水量、水質(zhì)和水資源承載力。

設(shè)外流域調(diào)水量、生態(tài)環(huán)境需水量和區(qū)域水資源總量為Wb、Wo、W，利用下式確定可利用水量Wn，即：

Wn=W-Wo+Wb

(2)

本研究利用下式求解生態(tài)環(huán)境需水量Wo和人均耗水量qp(t)，數(shù)學(xué)公式為：

Wo=αW

(3)

(4)

式中：P(t)、Wet(t)為t時(shí)刻的人口數(shù)量和區(qū)域總耗水量；α為生態(tài)環(huán)境需水系數(shù)，濕潤(rùn)區(qū)、半濕潤(rùn)半干旱區(qū)、干旱區(qū)的α取值區(qū)間為0.75-0.85、0.55-0.65、0.45-0.55。

根據(jù)公式(5)、(6)確定河流自凈能力Wc和污徑比β，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(5)

(6)

式中：Q、a為徑流量與污水流量；β為地表徑流總量。

一般條件下符合自凈功能要求的河流，其最低限徑污比為20。因此，可以利用公式Wc=0.05Ws替代式(5)，并利用以下公式確定人均污水排放量：

(7)

式中：P(t)、Wec(t)為t時(shí)刻的人口數(shù)量和排污河道的COD總量。

2.3 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)雙要素水資源承載力計(jì)算模型引入超載度Pw、寬松度Rw兩項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而更加全面、系統(tǒng)的反映區(qū)域水資源承載潛力及其狀態(tài)，其表達(dá)式為：

(8)

(9)

由此可知，Pw<1或Rw>1水資源系統(tǒng)不超載，Pw越小或Rw越大則承載余量越大；Pw>1或Rw<1為水資源系統(tǒng)超載，Pw越大或Rw越小則超載程度越嚴(yán)重。

3 區(qū)域承載力評(píng)價(jià)

3.1 水資源狀況

海城市屬于太子河流域，結(jié)合遼寧省水資源二次評(píng)價(jià)成果其多年平均水資源總量為57649萬(wàn)m3，可利用總量41139萬(wàn)m3，地表水與地下水資源量39039萬(wàn)m3、33638萬(wàn)m3，地下水可開(kāi)采量為28256萬(wàn)m3。按用水總量控制分配指標(biāo)分析，農(nóng)業(yè)灌溉可用水量為30857萬(wàn)m3，其中地表與地下可用水量為11568萬(wàn)m3、19289萬(wàn)m3。

3.2 現(xiàn)狀供水情況

海城市現(xiàn)狀總供水量為38295萬(wàn)m3，按照供水工程情況分類：蓄水、引水、提水工程和非工程供水量為2641萬(wàn)m3、410萬(wàn)m3、7452萬(wàn)m3、95萬(wàn)m3，水井工程供水量為27697萬(wàn)m3；按照供水水源性質(zhì)分類：地表水與地下水供水量為10598萬(wàn)m3、27697萬(wàn)m3。

3.3 現(xiàn)狀用水情況

除農(nóng)業(yè)用水外，海城市現(xiàn)狀的總用水量為12899萬(wàn)m3，即考慮工業(yè)、生活和生態(tài)耗水量。

依據(jù)海城市現(xiàn)狀供用水情況和水資源狀況，利用雙要素承載能力計(jì)算模型科學(xué)評(píng)價(jià)現(xiàn)狀與未來(lái)情景下的水資源承載能力，評(píng)價(jià)結(jié)果如表2。

表2 水資源承載能力評(píng)價(jià)值

由表2可知，在水資源質(zhì)量和數(shù)量的綜合作用下確定的承載力具有較好科學(xué)合理性。污水處理率、可利用水資源量與模型計(jì)算的海城市水資源承載力呈正相關(guān)性，城市排污及工業(yè)用水水源以太子河及其支流為主。太子河的自凈能力在很大程度上決定了海城市的水資源承載能力，考慮到現(xiàn)階段海城市自產(chǎn)水量較少而水源以區(qū)域外調(diào)水為主的實(shí)際情況，為進(jìn)一步提高海城市水資源承載能力和河流的自凈功能，若僅僅依靠增加外調(diào)水量還難以實(shí)現(xiàn)[12]。因此，節(jié)約用水、提高污水處理率等為提高承載力的決定性因素。

3.4 現(xiàn)狀承載能力

海城市2020年現(xiàn)狀水平年的實(shí)際人口約113.41萬(wàn)人，納入污水管網(wǎng)處理的污水處理率達(dá)到90%。將可利用水資源量、人均污水排放量輸入雙要素承載能力計(jì)算模型，該條件下確定的承載為361.7萬(wàn)人、122.5萬(wàn)人，海城市現(xiàn)狀水平年的水資源承載能力取兩者最小值，從而確定122.5萬(wàn)人，水資源寬松度與超載度為1.08、0.93，水系統(tǒng)未達(dá)到超載狀態(tài)。

研究表明，通過(guò)實(shí)施節(jié)約用水、區(qū)域調(diào)水等措施，現(xiàn)狀經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下海城市水資源量能夠滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，現(xiàn)狀人口數(shù)量未超過(guò)承載人口界限。然而，結(jié)合河流納污實(shí)際情況和污水管網(wǎng)未實(shí)現(xiàn)全面覆蓋的實(shí)際，海城市仍需進(jìn)一步提高污水處理質(zhì)量，為進(jìn)一步提高其水資源承載能力仍然要加強(qiáng)污水處理能力的提升。

3.5 規(guī)劃水平年承載力

根據(jù)人口發(fā)展趨勢(shì)及社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展水平，預(yù)測(cè)海城市2025年、2030年的人口達(dá)到126.52萬(wàn)人和138.04萬(wàn)人，污水處理能力達(dá)到95%和96%。采用雙要素承載力計(jì)算模型確定規(guī)劃水平年2025年、2030年的承載人口為130.2萬(wàn)人和150.8萬(wàn)人，水資源寬松度與超載度為1.03、0.97和1.09、0.92，規(guī)劃水平年未達(dá)到超載水平。

研究表明，通過(guò)實(shí)施節(jié)水增糧行動(dòng)、續(xù)建配套節(jié)水改造及加快污水處理廠建設(shè)等，能夠大大提高海城市污水處理效率和區(qū)域供水條件，預(yù)測(cè)人口未超過(guò)可承載人口規(guī)模，能夠滿足區(qū)域發(fā)展需要。

4 結(jié) 論

1)針對(duì)海城市2020年現(xiàn)狀年、2025年和2030年規(guī)劃水平年的水資源承載能力，利用雙要素承載力計(jì)算模型進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果顯示，現(xiàn)狀年113.41萬(wàn)人，水資源可承載人口122.5萬(wàn)人，水資源寬松度與超載度為1.08、0.93，水系統(tǒng)未達(dá)到超載狀態(tài)；2025年和2030年規(guī)劃水平年的預(yù)測(cè)人口126.52萬(wàn)人、138.04萬(wàn)人，水資源可承載人口130.2萬(wàn)人和150.8萬(wàn)人，水資源寬松度與超載度為1.03、0.97和1.09、0.92，規(guī)劃水平年未達(dá)到超載水平。

2)為進(jìn)一步增強(qiáng)海城市水資源承載能力，可以采取的措施有：合理規(guī)劃水資源利用與污水處理廠建設(shè)，以增強(qiáng)污水處理能力和提高污水回用量；通過(guò)增設(shè)市政污水管網(wǎng)、節(jié)約用水和加大區(qū)域外調(diào)水等，減少對(duì)河流水環(huán)境的污染、提高水資源利用率和可利用總量。