黃河流域典型沙化區(qū)水生態(tài)承載力研究

李朋飛，胡晉飛，姚頑強(qiáng)

(西安科技大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

水資源是人類賴以生存且不可替代的自然資源，是保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)性資源，亦是維系國家穩(wěn)定的戰(zhàn)略性資源[1-2]。我國水資源嚴(yán)重匱乏，加之近年來社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，區(qū)域耗水量持續(xù)增加，水體污染加劇導(dǎo)致水資源生態(tài)承載力下降，水資源供需矛盾日益突出[3-4]。明確區(qū)域水資源生態(tài)承載力，細(xì)化完善水資源供需分配，統(tǒng)籌考慮水資源優(yōu)化配置，是實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源科學(xué)管理的基本前提，也是黃河流域高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展的根本保證[5]。針對此，許多學(xué)者對資源與環(huán)境承載力的概念進(jìn)行擴(kuò)展和完善后，提出了水生態(tài)承載力的概念，使承載力研究更加注重生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、完整性以及協(xié)調(diào)性，為從水生態(tài)的角度解決流域可持續(xù)發(fā)展問題提供了有效手段[6]。

水生態(tài)承載力有機(jī)結(jié)合了水資源承載力、水環(huán)境承載力以及生態(tài)承載力，綜合體現(xiàn)了水體的資源屬性和環(huán)境價(jià)值，同時(shí)也從水生態(tài)角度測度了自然生態(tài)系統(tǒng)對人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的承載能力[7-9]。隨著黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的提出，對區(qū)域水資源承載力及其優(yōu)化配置提出了更高的要求，水生態(tài)承載力研究隨之成為重點(diǎn)與熱點(diǎn)問題[10]。水生態(tài)承載力涉及到水生態(tài)、水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等許多因素，各個(gè)因素之間又存在著復(fù)雜的關(guān)系，是一個(gè)不斷發(fā)展的多層次復(fù)雜巨系統(tǒng)[11]。為深入理解區(qū)域水生態(tài)承載力，相關(guān)研究方法已從過去的單一指標(biāo)、靜態(tài)分析逐漸向系統(tǒng)多目標(biāo)、動(dòng)態(tài)綜合分析方向發(fā)展。目前，常用的水生態(tài)承載力研究方法有：多目標(biāo)優(yōu)化模型法、主成分分析法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法、背景分析法、模糊綜合評判法、常規(guī)趨勢法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法、投影尋蹤模型法等[12-13]。眾多方法中，多目標(biāo)優(yōu)化模型法能夠充分考慮水資源與人口、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)因素間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系，追求在環(huán)境影響最小的情況下產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益最大，符合區(qū)域可持續(xù)發(fā)展原則，因此在評估區(qū)域水生態(tài)承載力的多目標(biāo)群決策問題上較為適用[14-15]。

黃河流域沙化區(qū)屬于干旱半干旱地區(qū)，年降水量少且年內(nèi)分配不均，區(qū)域地表水資源稟賦嚴(yán)重不足，水資源供需矛盾十分突出，成為制約該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定的重要因素，因而亟待解決該區(qū)域水生態(tài)承載力與水資源承載負(fù)荷或負(fù)荷期望值之間的矛盾。鑒于此，以黃河流域沙化區(qū)典型區(qū)域右玉縣為研究區(qū)，基于區(qū)域生態(tài)需水的定量計(jì)算，結(jié)合構(gòu)建的多目標(biāo)優(yōu)化模型，評估區(qū)域水生態(tài)承載力，并給出水資源能夠承載的最大經(jīng)濟(jì)規(guī)模和社會(huì)規(guī)模；綜合研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)，并提出水資源優(yōu)化配置方案。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

右玉縣地處黃土高原東北端，隸屬于山西省朔州市，見圖1。由于多年來過度放牧和無限度的墾荒，致使植被破壞，巖石裸露，沙化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，屬于典型沙化區(qū)。全縣地形南高北低，四周環(huán)山，東西寬45.7 km，南北長67.7 km，總面積1 967 km2[16]。區(qū)域氣候具有半干旱氣候特征，年均氣溫 4 ℃，一月零下11 ℃至零下15 ℃，7月19 ℃至20 ℃，降水多集中在6、7、8這3個(gè)月，多年平均降水量420.15 mm[17]。區(qū)域內(nèi)最大的河流為蒼頭河，屬于黃河水系，發(fā)源于平魯縣郭家窯等地，最后經(jīng)內(nèi)蒙古而匯入黃河，在境內(nèi)流長75 km。由于區(qū)域內(nèi)水資源過度開發(fā)利用，區(qū)域沙漠化及其它人為因素和自然因素，導(dǎo)致右玉縣的生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)明顯惡化。土地荒漠化、風(fēng)蝕沙化等為研究區(qū)最主要的生態(tài)環(huán)境問題，水資源短缺則是引起該沙化區(qū)生態(tài)環(huán)境問題的首要因素。

圖1 研究區(qū)概況圖(a)朔州市所在黃土高原位置；(b)玉縣地形圖及其水系

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)水資源及社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況通過右玉縣水利局提供的數(shù)據(jù)資料，并查閱《朔州市水資源公報(bào)》與《右玉統(tǒng)計(jì)年鑒》獲得，主要包括水資源總量、供水量、需水量、人口、經(jīng)濟(jì)狀況等。

2 研究方法

2.1 生態(tài)需水量計(jì)算

植被生態(tài)需水包括維持陸地林木植被、草場植被等不同類型植被生存所需的最小水資源量。在研究生態(tài)需水時(shí)僅考慮其蒸散的部分，而忽略其自身生物量生產(chǎn)所需水，也就是說植被生態(tài)需水量等于其實(shí)際蒸散量[18-19]。基于研究區(qū)植被類型及面積，計(jì)算不同類型植被的生態(tài)需水定額，然后將某一類型植被的生態(tài)需水定額與其面積相乘得到該類型植被的生態(tài)需水，區(qū)域不同類型植被的生態(tài)需水之和即為研究區(qū)植被總的生態(tài)需水量。計(jì)算公式為

Wet=∑Wa=∑Sa×ETa

(1)

式中：Sa為植被類型a的面積；ETa為植被類型a的生態(tài)需水定額。

植被生態(tài)需水定額ETa由式(2)計(jì)算[18，20]

ETa=kc×ks×ET0

(2)

式中：kc為植被系數(shù)；ks為土壤水分系數(shù)，采用Saxton計(jì)算研究區(qū)不同質(zhì)地類型各種狀態(tài)下的土壤水分，根據(jù)Jensen公式計(jì)算土壤水分系數(shù)[21]；ET0為FAO 56 Penman-Monteith模型計(jì)算出的植被蒸散量[22-24]，其模型為

(3)

式中：ET0為參考作物蒸散量，mm/day；Rn為凈輻射，MJ/(m2·day)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·day)；T為2 m處日平均氣溫，℃；u2表示2 m處風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa；es-ea為飽和水氣壓差，kPa；Δ為水汽壓曲線斜率，kPa/℃；γ為濕度計(jì)算常數(shù)，kPa/℃。太陽凈輻射Rn中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值為：a=0.2，b=0.79，c=0.56，d=0.25，e=0.1，f=0.9。計(jì)算所需的風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、相對濕度、氣溫、氣壓、地表溫度等常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)的日資料可由該地區(qū)氣象站獲得。

研究區(qū)地處北方溫帶半干旱氣候區(qū)，植被生長季與非生長季的生態(tài)需水存在明顯不同，由于植被在生長季生長較為旺盛，生態(tài)需水量較多，而在非生長季，由于植被枯萎凋落，生態(tài)需水量較少，幾乎可忽略，因此選取其生長季(4月～10月)來計(jì)算其生態(tài)需水[25]。

2.2 多目標(biāo)優(yōu)化模型

根據(jù)得出的植被生態(tài)需水量，運(yùn)用構(gòu)建的多目標(biāo)優(yōu)化模型，綜合考慮水生態(tài)、水資源、水環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等各個(gè)因素，通過水資源所能承載的最大人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)規(guī)模來描述水生態(tài)承載力。

研究區(qū)水資源作為水生態(tài)承載力的承載體，其承載對象是該沙化區(qū)與水相關(guān)聯(lián)的自然環(huán)境和社會(huì)系統(tǒng)。水生態(tài)承載力主要由以下3個(gè)因素決定：研究區(qū)水資源的賦存狀況、開發(fā)利用研究區(qū)水資源的能力和研究區(qū)的用水結(jié)構(gòu)以及用水水平[9]。為了對研究區(qū)水生態(tài)承載力進(jìn)行更加直觀地判斷，用水生態(tài)可承載的人口數(shù)量作為綜合指標(biāo)來反應(yīng)水生態(tài)承載力，這樣不僅能直觀反映水生態(tài)承載力，而且便于對同一研究區(qū)不同時(shí)期不同階段或者不同研究區(qū)之間的水生態(tài)承載力進(jìn)行分析對比。根據(jù)上述分析可建立研究區(qū)水生態(tài)承載力計(jì)算模型。

(4)

上述模型可等價(jià)為

(5)

(6)

式中：Wst為研究區(qū)水資源可供水量；Wet為生態(tài)環(huán)境用水量；Rtj為研究區(qū)t時(shí)期對j方面的人均需求的理想值；UWtj為研究區(qū)t時(shí)期的水生態(tài)功效矩陣。

3 結(jié)果與討論

3.1 區(qū)域生態(tài)需水變化特征

土地類型的劃分是生態(tài)需水計(jì)算的首要條件，根據(jù)計(jì)算得到的右玉縣參考蒸散量，基于2010年的土地利用類型計(jì)算出該地區(qū)生長季內(nèi)幾種主要土地利用類型的生態(tài)需水量。右玉縣主要土地類型的面積見表1。

表1 研究區(qū)主要土地類型的面積

由右玉縣2010年土地利用類型圖可以得出，研究區(qū)主要土地類型包括耕地、林地、草地3種類型。研究區(qū)植被類型主要分為耕地、林地、草地3種類型。耕地主要為山地旱地、丘陵旱地和平原旱地；林地可分為有林地、灌林地、疏林地和其他林地；草地植被類型分為高覆蓋度草地、中覆蓋度草地和低覆蓋度草地。丘陵旱地在該區(qū)域所占的面積最大，大約占該地區(qū)土地面積的38%。

3.1.1 不同地類生態(tài)需水年內(nèi)變化特征

由圖2可知，生長季的各個(gè)月內(nèi)，主要植被類型的生態(tài)需水及植被間的生態(tài)需水都存在顯著的差異性。從2011年的4月份開始到6月，研究區(qū)植被的生態(tài)需水呈現(xiàn)出上升的趨勢，6月份植被的生態(tài)需水達(dá)到最大，之后又逐漸減小，植被的生態(tài)需水主要集中在6、7、8這3個(gè)月，其次是5月和9月，而4月和10月的生態(tài)需水則相對較少，該變化趨勢與研究區(qū)降水的變化一致。3種植被類型中，草本植被的蒸散作用較弱，所以草地的生態(tài)需水最小；森林水分的主要輸出項(xiàng)就是蒸散作用，因此林地的蒸散作用較強(qiáng)，其生態(tài)需水在3種植被中相對較高；由于作物在成熟期之前耕地生態(tài)需水驟增，而成熟收獲之后耕地生態(tài)需水又會(huì)急劇下降，所以旱地植被在生長季的生態(tài)需水波動(dòng)最大。

圖2 不同類型植被生長季的生態(tài)需水

3.1.2 不同地類生態(tài)需水年際變化特征

該地區(qū)生長季內(nèi)3種主要土地利用類型生態(tài)需水量的年際變化如圖3所示，右玉縣生長季內(nèi)旱地的生態(tài)需水量各年波動(dòng)較小，僅在2007、2008、2011、2012年生態(tài)需水量偏低，最低值約為3億m3，在旱地耕種面積變化不大的情況下，其生態(tài)需水量的變化受到該地區(qū)參考蒸散量的控制；林地生態(tài)需水量的低值出現(xiàn)在2007，2008和2011年，最低值約為2億m3；草地最低值約為8千萬m3。

圖3 生態(tài)需水的年際變化

由圖4可知，3種土地利用類型中，生長季內(nèi)旱地的年均生態(tài)需水量最大，接近4億m3；草地的生態(tài)需水量最小，約為1億m3；季內(nèi)旱地的年均生態(tài)需水量最大，接近4億m3；草地的生態(tài)需水量最小，約為1億m3；林地生態(tài)需水量居中。出現(xiàn)此種生態(tài)需水量的分布格局是與這幾種土地利用類型的面積大小有關(guān)，但由于旱地總面積9.3億m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于林地的5億m2，因此導(dǎo)致最終總的生態(tài)耗水量旱地最多，林地次之。

圖4 研究區(qū)多年平均生態(tài)需水

3.2 區(qū)域水生態(tài)承載力及水資源優(yōu)化配置

3.2.1 水資源優(yōu)化配置

右玉縣多年平均水資源總量WSt為9 802萬

m3，其中地表水資源量7 027萬m3，地下水資源量6 267萬m3，二者重復(fù)計(jì)算量3 492萬m3，多年平均降水量為420.15 mm。2011年總?cè)丝?12 782人，人均GDP為31 872.55元。研究區(qū)現(xiàn)狀社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況及用水量見表2。

表2 研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)及用水量

利用給出的公式對右玉縣2011年的水生態(tài)承載力進(jìn)行分析，用水對象分為生活用水、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和生態(tài)環(huán)境用水。生活水平考慮現(xiàn)狀平均狀況。右玉縣2011年用水功效系數(shù)和人均需求見表3。

表3 用水功效系數(shù)和人均需求

為保障區(qū)域社會(huì)系統(tǒng)的穩(wěn)定與公平，在水資源優(yōu)化配置過程中，工農(nóng)業(yè)用水不能擠占同期生態(tài)用水和居民生活用水。據(jù)此，綜合考慮社會(huì)各個(gè)方面均衡發(fā)展?fàn)顩r下的用水需求，確保生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境目標(biāo)互不側(cè)重的前提下，將右玉縣2011年總可供水量、水功效系數(shù)和人均需求代入多目標(biāo)模型即可計(jì)算出右玉縣水資源可承載的最大的人口數(shù)及相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模。水資源優(yōu)化配置方案見表4。

表4 水資源配置方案

由表4可以得出，以2011年為現(xiàn)狀年，保障社會(huì)各方面均衡發(fā)展用水需求的目標(biāo)下，區(qū)域人口數(shù)量超過了水生態(tài)所能支撐的最大人口數(shù)，人口超標(biāo)率達(dá)52.91%，水生態(tài)承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值發(fā)展規(guī)模也遠(yuǎn)超過了水生態(tài)承載力。在右玉縣水資源條件和人口數(shù)量條件下，水生態(tài)承載力基本處于超標(biāo)狀態(tài)，不能完全支持本地區(qū)可持續(xù)發(fā)展。為了保障全縣經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康快速發(fā)展，需從外界補(bǔ)給水量，方可解決水資源供需矛盾。

3.2.2 水資源管理與調(diào)控對策

1)逐步強(qiáng)化水資源剛性約束。由于研究區(qū)水資源承載力當(dāng)前處于超標(biāo)狀態(tài)，因此，在今后水資源利用規(guī)劃編制、政策制定及生產(chǎn)力布局中需堅(jiān)持節(jié)水優(yōu)先。同時(shí)，對該區(qū)域?qū)嵭兴Y源消耗總量和強(qiáng)度雙重控制，暫停水資源超載區(qū)域新增取水許可，嚴(yán)格限制水資源嚴(yán)重短缺區(qū)域城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)模與高耗水項(xiàng)目建設(shè)。

2)扎實(shí)推進(jìn)水資源優(yōu)化配置。基于本研究計(jì)算的區(qū)域水資源承載力與水資源配置方案，進(jìn)一步細(xì)化完善縣域內(nèi)水資源分配。統(tǒng)籌當(dāng)?shù)厮c外調(diào)水，在充分考慮節(jié)水的前提下，留足生態(tài)用水，合理分配生活、生產(chǎn)用水。建立健全縣域內(nèi)河流流量監(jiān)測預(yù)警機(jī)制，明確管控要求，逐步實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域供需平衡。

3)穩(wěn)固提升農(nóng)業(yè)節(jié)水力度。鑒于右玉縣農(nóng)業(yè)用水量占比較高，因此需嚴(yán)格農(nóng)業(yè)用水總量控制，深挖農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力，加快節(jié)水技術(shù)裝備推廣應(yīng)用實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水方式由粗放低效向節(jié)約集約的根本轉(zhuǎn)變。同時(shí)，建立農(nóng)業(yè)用水精準(zhǔn)補(bǔ)貼和節(jié)水獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，推進(jìn)灌溉體系現(xiàn)代化改造，穩(wěn)步提升灌溉水利用效率。

4 結(jié)論

生長季內(nèi)，3種地類生態(tài)需水量都表現(xiàn)出先升高后降低的特征，且均于6月出現(xiàn)峰值。3種地類中，林地的單位面積生態(tài)需水量最高，林地次之，而草地的生態(tài)需水量最低。水生態(tài)承載力計(jì)算結(jié)果表明，在優(yōu)先滿足植被生態(tài)需水的前提下，右玉縣人口數(shù)量已經(jīng)遠(yuǎn)超水資源所能支撐的最大人口數(shù)，工農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模也超過了地區(qū)水生態(tài)承載力，水生態(tài)承載力處于超標(biāo)狀態(tài)。為遏制沙化區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步退化，改善黃河流域生態(tài)環(huán)境，助推黃河流域高質(zhì)量發(fā)展，在充分節(jié)水和水資源優(yōu)化配置的基礎(chǔ)上，需抓緊實(shí)施外界調(diào)水方可解決供需矛盾。