太原市水資源承載力主要驅動因子識別

丁相毅，石小林，王相謙，梅 超

(1.中國水利水電科學研究院 水資源研究所，北京 100038；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司 城鄉發展工程院，湖南 長沙 410000；3.河南省水利水電工程建設質量監測站，河南 鄭州 450003)

2018年3月，國務院正式批復同意太原市以資源型城市轉型升級為主題，建設國家可持續發展議程創新示范區，實施水資源節約和水環境重構，探索制約可持續發展重大問題的系統解決方案。然而太原市是中國典型的資源型城市，人均水資源占有量低、地下水超采歷史欠賬嚴重、水污染與水生態破壞嚴重，水資源問題已成為制約其生態環境保護與高質量發展的重要瓶頸[1]。水資源承載力作為衡量一個區域綜合實力和發展潛力的重要指標，開展水資源承載力研究對于太原市水資源利用、保護和管理具有重要現實意義。新時代治水方針中的“空間均衡”，就是主要針對水資源承載而言的，要在空間上實現經濟社會系統面臨的水壓力與水資源系統本身的支撐力之間的平衡[2]。

國內外關于水資源承載力的研究已有幾十年的歷史，近年來，不同學者針對水資源承載力從不同的角度開展了一系列研究，如在構建評價指標體系時考慮了水資源、社會經濟、生態環境等方面的指標[3]，從水資源承載支撐力、壓力、調控力3個子系統選取評價指標[4]，以及綜合考慮資源和環境維度的承載力評估研究區域的水生態承載力[5]等。在新時期國家和地方重大實踐需求下，本研究團隊從“量-質-域-流”[6-9]4個維度，構建了水資源承載力評價指標體系，引入“單指標量化-多指標綜合-多準則集成”(SMI-P)綜合評價方法[10]，采用層次分析法和熵權法的主客組合賦權法確定評價指標權重[11]，建立了基于SMI-P法的水資源承載力評估模型，并將其應用于太原市水資源承載力評價。結果表明，2009—2018年，太原市各維度水資源承載力指數均呈上升趨勢，水資源綜合承載力處于超載狀態[12]。本研究在此基礎上，擬結合水量、水質、水域、水流各維度臨界超載/超載原因分析和太原市水資源現狀，采用定性分析和定量識別相結合的方法分析太原市水資源承載力的主要驅動因子，以期為太原市水資源承載力提升方案的制定提供參考，為太原市資源型城市轉型升級和高質量發展提供決策支持。

1 太原市概況

太原市是以輸出能源、原材料、礦山機械產品為主要特征的全國重要的能源重化工城市[13]，是山西省的政治、文化、經濟和信息中心；地處山西省中部、晉中盆地北端，東接陽泉，西接呂梁，北接忻州，南鄰晉中。地理位置為東經 111°31′～113°09′，北緯 37°27′～38°12′，全市面積6 988 km2(圖1)。太原市北、東、西三面環山，地勢北高南低、自東西兩側向中間傾斜，市境中南部是在斷陷盆地基礎上形成的沖積平原，地勢開闊平坦。太原屬北溫帶大陸性氣候，溫度變化大，降雨分布不均，年平均氣溫9.5℃，年均降水量456 mm。根據《太原市2019年水資源公報》，2019年全市水資源總量50 982萬m3，其中地下水資源量37 894萬m3，地表水資源量19 230萬m3，人均水資源量為114.3 m3，遠低于國際上人均占有量500 m3的極度缺水的警戒線，屬于典型的資源型缺水城市。

2 太原市水資源承載力驅動因子識別

2.1 太原市水資源承載力評價結果

從“量-質-域-流”4個維度，構建了水資源承載力評價指標體系，引入“單指標量化-多指標綜合-多準則集成”(SMI-P)綜合評價方法，采用層次分析法和熵權法的主客組合賦權法確定評價指標權重，建立了基于SMI-P法的水資源承載力評估模型，進而對太原市2009—2018年的水資源承載力進行評價，結果見表1、圖2，具體評價方法和過程參考文獻[12]。

表1 2009—2018年太原市水資源承載力評價結果

圖2 太原市水資源承載力變化趨勢

2.2 原因分析

從表1和圖2可以看出，2009—2018年期間，2009年太原市水資源綜合承載力指數最小，僅為0.251 1；2018年太原市水資源綜合承載力指數最大，其值為0.478 9，太原市水資源綜合承載狀態皆為超載；太原市水資源承載力指數呈上升趨勢，其中2011年水資源綜合承載力指數上升幅度較大，通過分析影響太原市水資源承載力的因素，發現其主要原因是2011年太原市降水量偏豐，水功能區水質達標率增大，導致太原市水資源綜合承載力指數上升。從水資源承載力總體緩慢上升的趨勢可以看出，太原市水資源承載力在不斷提高，證明太原市水資源整體狀況在不斷改善，但是目前仍處于超載狀態，說明太原市水污染治理、水生態環境保護和提高用水效率等任務仍十分艱巨。且作為典型的資源型地區，太原市長期依靠能源資源的高投入、高消耗拉動經濟發展，資源約束緊張、生態功能退化、環境承載力降低等發展不協調、不可持續問題目前仍然沒有很好地解決。以前述評價結果為基礎，分別從水量、水質、水域、水流4個維度分析超載原因。

2.2.1水量維度

太原市是全國重要的重能源化工城市，大規模的能源開發和機械化工生產導致需水量急劇增長和水體污染嚴重，由于地表水資源短缺，只能長期超采地下水，造成地下水水位下降、泉水斷流、地面沉降等一系列環境和地質問題。此外由于缺水，一些農田不得不使用城市污水和工業廢水進行灌溉，造成淺層地下水水質惡化，進一步惡化了地下水開發利用形勢。2018年太原市污水利用率為43.66%，與發達國家相比還有較大差距。

2.2.2水質維度

2018年，汾河太原段水質為重度污染，主要超標污染物為氨氮、總磷和五日生化需氧量。國家和省考核的9個地表水例行監測斷面中，市區汾河祥云橋下游河段的小店橋、溫南社、韓武村(國家考核斷面)3個斷面及清徐縣白石南河出境美錦橋斷面，常年為劣Ⅴ類水質，與國家和山西省的要求相比，還有很大差距，汾河水污染治理面臨的形勢異常嚴峻。此外，太原市水污染歷史欠賬嚴重，太原市水功能區水質達標率常年處于73%左右，劣V類水質占比常年處于44%左右，距離完成消除劣Ⅴ類斷面約束性指標的任務還很艱巨。

水污染治理重點工程進度緩慢，不能如期發揮治污作用，嚴重影響汾河水質改善進度。特別是城鎮生活污水處理能力不足、管網不健全、雨污不分流等問題突出。汾東污水處理廠一期工程尚在調試階段，導致目前仍有約10萬t生活污水通過北張退水渠、太榆退水渠直排汾河，是當前造成北張退水渠黑臭水體、太榆退水渠水質差和溫南社斷面不達標的重要因素。

2.2.3水域維度

2018年太原市水資源開發利用率(不含引入水量)為127.11%，地表水資源開發利用率為177.79%，水資源利用效率只有57.50%，太原市水資源被過度開發利用，經濟生活用水大量擠占城市環境用水。河道防洪堤防工程大面積壓縮河道寬度，汾河寬度由歷史上的2～3 km壓縮至250～300 m，將歷史上的水域、濕地變為良田，河道兩岸的灘涂地被大量開發、利用，導致兩側的水域濕地面積不足，水生態嚴重破壞[14]。

植被覆蓋率低，2018年太原市森林覆蓋率為24.17%，遠低于世界31%的平均水平，人均森林面積僅為世界人均森林面積的1/4。水土流失嚴重，造成太原市水土流失因素有特殊地理、氣候等自然因素，也有過度開發利用自然資源的人為因素[15]，雖然目前太原市綜合治理水土流失面積已超過30萬hm2，水土流失治理率達到65%，但雨季行洪時，各邊山溝道的洪水依然嚴重渾濁，邊山支河數座緩洪池塘壩嚴重淤積，說明太原市水土流失現象依然較為嚴重，而且礦產資源不合理開發與棄渣亂堆亂放加劇了水土流失。

2.2.4水流維度

太原市降水量減少，導致河道產流減少。根據太原市近百年的氣候變化特征相關研究結果表明：太原市年降水量呈下降趨勢，氣溫總體呈上升趨勢，干旱化趨勢明顯[16]。汾河作為太原市的主要水體，汾河太原段受汾河水庫和汾河二庫控制影響，由于汾河生態補水機制不夠完善，致使位于太原市上游的汾河水質考核斷面時常處于斷流或低流量狀態，而且由于汾河流域水庫、閘壩等擋水建筑物影響，導致每年只有60%河道面積只在汛期短期過流，過流時間一般不超過20 d。地下水水位下降，致使泉水出流量減少，其中太原市玄泉寺泉及蘭村泉群于1988年斷流，晉祠泉于1994年斷流，進一步加劇了降雨產流的衰減形勢。

2008年實施汾河清水復流、調引客水進行生態補水，但回升速度不快、幅度有限，大部分滲漏地下，地表水補給緩慢，直到2018年，萬家寨引黃供水向汾河補水1億m3后，水生態效益才逐漸顯現，基本實現了汾河全年不斷流。

2.3 主要驅動因子識別

2.3.1定性分析

根據太原市水資源承載力評價結果，結合各維度臨界超載/超載原因分析和太原市水資源現狀，可從以下幾個方面定性分析影響太原市水資源承載力的主要驅動因子。

a)自然稟賦。太原市水資源短缺，時空分布不均，且未來太原市降水量有下降趨勢，隨著太原市經濟社會發展，缺水形勢將愈加嚴峻。故可選降水量、人均水資源量作為影響水資源自然稟賦的主要驅動因子。

b)水質狀況。太原市水質污染嚴重，水污染治理重點工程進度緩慢，與國家和山西省的要求相比，還有很大差距。故可選水功能區水質達標率和劣Ⅴ類水質占比作為影響水質狀況的主要驅動因子。

c)水資源開發利用情況。太原市地下水超采歷史欠賬嚴重，地表水資源開發利用率高，生態用水被大量擠占，水土流失嚴重，水域濕地面積不足，水生態破壞嚴重。故可選地下水開采系數、水域面積率、濕地保留率和水土流失治理率作為影響水資源開發利用的主要驅動因子。

d)水生態環境健康狀況。太原市水資源被過度開發利用，經濟生活用水大量擠占城市環境用水，礦產資源不合理開發與棄渣亂堆亂放加劇了水土流失；河道兩岸的灘涂地被大量開發、利用，導致兩側的水域濕地面積不足；汾河生態補水機制不夠完善，受汾河流域水庫、閘壩等擋水建筑物的影響，致使汾河太原段的一些斷面出現斷流或低流量狀態；雖然2008年實施了汾河補水，但是見效緩慢。故可選水域面積率、濕地保留率、水土流失治理率、河流不斷流率、水系阻隔率、河流生態補水比例作為影響水生態環境健康狀況的主要驅動因子。

e)水資源利用效率。太原市農田灌溉水有效利用系數為0.56，污水利用率為43.66%，與發達國家相比都還有較大差距；工業用水作為太原市第一用水行業，用水效率對太原市水資源承載力具有舉足輕重的作用。故可選農田灌溉水有效利用系數、污水利用率、萬元工業增加值用水量作為影響水資源利用效率的主要驅動因子。

f)未來水源情況。除傳統提高節水水平和增加污水利用率外，太原市還可以科學開源，增大引黃入晉供水量。故可選引入水占用水比作為影響太原市未來水源情況的主要驅動因子。

綜上所述，通過定性分析可得出影響太原市水資源承載力的主要驅動因子包括：降水量、人均水資源量、水功能區水質達標率、劣Ⅴ類水質占比、地下水開采系數、水域面積率、濕地保留率、水土流失治理率、河流不斷流率、水系阻隔率、河流生態補水比例、農田灌溉水有效利用系數、污水利用率、萬元工業增加值用水量、引入水占用水比。

2.3.2定量識別

a)主成分分析。水資源承載力影響因素眾多，且關系復雜，在進行太原市水資源承載力主要驅動因子識別時，原始指標之間往往具有關聯性，反映的信息互有重疊。為此，應用主成分分析，通過降維的方法，篩選出互不相關的幾個綜合指標，減弱原始指標之間的相互干擾，再通過成分荷載系數，分析原始指標與綜合指標之間的相關性，成分荷載系數絕對值越大，證明原始指標與綜合指標相關性越強，從而表明該原始指標對評價結果聯系越緊密。本文利用SPSS軟件進行主成分分析，原始數據來源于太原市水資源承載力評價指標數據集[12]，計算結果見表2、3。從表2可以看出，前3個主成分特征值均大于1(分別為14.964、4.044和2.922)，第一主成分F1的貢獻率為59.855%，第二主成分F2的貢獻率為16.177%，第三主成分F3的貢獻率為2.922%，3個主成分累計貢獻率為87.721%，大于85%，可提取為主成分。成分荷載系數(表3)代表的是主成分與原始指標之間的相關性，成分荷載系數絕對值越大，說明主成分與指標之間關系越緊密，本文選擇成分荷載系數絕對值大于0.7的為主要影響因子?？梢钥闯觯旱谝恢鞒煞峙cC3(城鎮人均生活用水量)、C5(農田灌溉水有效利用系數)、C12(引入水占用水比)、C13(水功能區水質達標率)、C17(污水處理率)、C18(濕地保留率)、C20(水土流失治理率)、C24(水系阻隔率)、C25(河流生態補水比例)存在較強的正相關關系，且與C6(萬元農業產值用水量)、C7(萬元第三產用水量)、C10(地下水開采系數)、C14(劣Ⅴ類水質占比)、C15(人均氨氮排放量)、C16(人均COD排放量)存在較強的負相關關系；第二主成分與C4(農村人均生活用水量)、C11(污水利用率)存在較強的正相關關系；第三主成分與C1(降水量)、C2(人均水資源占有量)存在較強的正相關關系。

表2 特征值及貢獻率

表3 成分荷載

續表3 成分荷載

b)層次分析法和熵權法組合權重分析。指標權重越大，表明該指標對評價結果貢獻度越高以及影響越大。根據表4可知，水量層對太原市水資源承載力綜合評價結果的貢獻最大，其權重系數為0.451 8，其次為水質層、水域層和水流層。水量層中，降水量、人均水資源量、農田灌溉水有效利用系數、萬元工業增加值用水量、引入水占用水比、地下水開采系數和污水利用率對水量維度承載力結果貢獻較大；水質層中，水功能區水質達標率和劣Ⅴ類水質占比對水質維度承載力結果貢獻較大；水域層中，水域面積率和水土流失治理率對水域維度承載力結果貢獻較大；水流層中，河流不斷流率和河流生態補水比例對水流維度承載力結果貢獻較大。

表4 太原市水資源承載力評價指標權重

續表4 太原市水資源承載力評價指標權重

綜上所述，主成分分析篩選出了對太原市水資源承載力評價結果影響密切的主要影響因子，層次分析法和熵權法組合權重分析篩選出了對太原市水資源承載力評價結果貢獻度較大的影響因子。綜合2種方法的優勢，選擇其共同影響因子作為定量識別的太原市水資源承載力主要驅動因子，具體結果見表5。

表5 太原市水資源承載力主要驅動因子定量識別結果

從表5可以看出，定量識別的影響太原市水資源承載力各維度的主要驅動因子如下。水量維度：降水量、人均水資源占有量、引入水占用水比、地下水開采系數、農田灌溉水有效利用系數、萬元工業增加值用水量、污水利用率；水質維度：水功能區水質達標率、劣Ⅴ類水質占比；水域維度：水土流失治理率；水流維度：河流生態補水比例。

2.3.3綜合分析

綜合定性分析與定量識別2種方法的優勢，取其交集，將共同影響因子作為太原市水資源承載力主要驅動因子的定量識別結果，即：①水量維度：降水量、人均水資源占有量、引入水占用水比、地下水開采系數、農田灌溉水有效利用系數、萬元工業增加值用水量、污水利用率；②水質維度：水功能區水質達標率、劣Ⅴ類水質占比；③水域維度：水土流失治理率；④水流維度：河流生態補水比例。

3 結論

2009—2018年期間，太原市水資源綜合承載力處于超載狀態。盡管近年來太原市水資源狀況在不斷改善，但太原市水污染治理、水生態環境保護、緩解用水矛盾和提高用水效率等任務仍十分艱巨，水生態環境問題也未得到根本性好轉，太原市資源約束緊張、生態功能退化、環境承載力低等發展不協調、不可持續問題仍比較突出；未來太原市水生態環境保護工作應主要集中在污水治理、濕地修復、水土流失治理等方面，即主要提高太原市水質和水域維度承載力。本研究采用定性分析與定量識別相結合的方法，研究提出了影響太原市水資源承載力的驅動因子。結果表明，影響太原市水資源承載力各維度的主要驅動因子分別為，①水量維度：降水量、人均水資源占有量、引入水占用水比、地下水開采系數、農田灌溉水有效利用系數、萬元工業增加值用水量、污水利用率；②水質維度：水功能區水質達標率、劣Ⅴ類水質占比；③水域維度：水土流失治理率；④水流維度：河流生態補水比例。研究結果可為太原市水資源承載力提升方案的制定提供參考，為太原市資源型城市轉型升級和高質量發展提供決策支持。