黃河流域十大孔兌地區多維水資源承載力分析

崔彩琪,段利民,2,3, 潘 浩, 苗 平, 王瑞東, 蘆小燕, 劉廷璽,2,3

(1.內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院,內蒙古 呼和浩特 010018; 2.內蒙古自治區水資源保護與利用重點實驗室,內蒙古 呼和浩特 010018; 3.黃河流域內蒙段水資源與水環境綜合治理協同創新中心,內蒙古 呼和浩特 010018;4.鄂爾多斯市河湖保護中心,內蒙古 鄂爾多斯 017010; 5.鄂爾多斯市水文勘測局,內蒙古 鄂爾多斯 017010)

1 研究背景

《“十四五”重點流域水生態環境保護規劃》中提出了以水環境、水資源、水生態“三水”統籌的水生態環境保護思路[1],當“三水”中任何“一水”出現問題,都會使整個水生態系統失去平衡,難以維系。水資源是水環境和水生態的紐帶和載體,水資源在“量-質-域-流”任何一個物理維度上的過度消耗,都會引發其超載,從而影響水環境和水生態系統的健康[2],制約區域經濟社會的可持續發展[3]。

水資源承載力反映了一個地區水資源的支撐能力,是水資源與社會經濟、生態環境之間協調程度的重要度量指標[4],也是區域經濟社會發展受水資源制約的閾值[5]。國外關于水資源承載力是以“水資源供需比”[6]、“可持續發展”[7]等概念為目標,利用評價模型[8]來進行深入研究。長久以來,水資源承載力一直是我國水資源領域的研究熱點,傳統研究多集中于水量[9]和水質[10]兩個維度,如:高偉等[11]建立了水量-水質耦合的水生態承載力模型;褚雅君等[12]從水量和水質角度出發,建立了以水量、水質為約束條件的水資源承載力模型。現階段,水資源系統受到的干擾方式遠不止水量、水質兩個維度,因此,全面科學地對水資源承載力做出合理評價,具有重要意義。水資源承載壓力主要來自用水量、排污量、水域面積的占用和河道生態流量等方面,同時,生態環境系統的穩定也需要水資源在數量、質量、空間和流場的支撐[2]。王建華等[13]從水資源、經濟社會、水生態、水環境綜合角度出發,最早提出了以水量、水質、水域、水流4個維度為基礎,以此構建水資源承載力評價指標體系;Han等[14]以水量、水質、水域面積和流量為基礎,建立了水資源承載系統的風險評估模型;Zhang等[15]將水生態、水質、水量和用水量四個維度納入分布式層次評價模型,建立了水資源承載力模型;周云哲等[16]從水資源系統結構出發,構建了“量、質、域、流”4個維度的評價指標體系,并采用正態云模型,對區域水資源荷載狀況進行了評價;唱彤等[17]基于水資源承載力“水量-水質-水生棲息環境-連通性”四維表征,構建了水資源承載力評價指標體系。

黃河流域作為我國第二大流域,水資源短缺問題一直限制著流域的可持續發展,2019年,黃河流域生態保護和高質量發展上升為重大國家戰略[18]。十大孔兌地區位于黃河“幾”字彎最北端,地貌特征由南到北分為黃土丘陵溝壑區、庫布齊沙漠區和黃河南岸沖積平原區三大自然單元[19],“糧能爭水”問題長期存在,加之用水效率偏低,更加劇了區域水資源短缺的局面。基于此,本文從水資源、社會經濟、水生態、水環境綜合角度出發,以水量、水質、水域、水流4個維度為基礎,構建多維水資源承載力評價指標體系[20],采用層次分析法和熵權法對指標進行主客觀組合賦權[21],并應用優劣解距離法(technique for order preference by similarity to an ideal solution, TOPSIS)評價模型[22]對區域進行多維水資源承載力綜合計算分析,為黃河流域十大孔兌地區的水資源合理開發利用提供基礎支撐。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區概況

十大孔兌是由南向北并列流入黃河的十條季節性支流(見圖1),所在行政區包括鄂爾多斯市達拉特旗全部、東勝區、杭錦旗和準格爾旗的小部分地區,總面積為1.08×104km2,地理坐標為東經108°47′～110°58′,北緯39°47′～40°30′。該區域屬典型大陸性氣候,冬季嚴寒漫長,夏季炎熱短促,冬春季風大沙多,夏秋季暴雨、洪水頻繁。區域內降水蒸發年際變化較大,且分布不均勻,多年平均降水量為292 mm,蒸發量為2 200 mm(Φ20 cm口徑蒸發皿),季節性河流特征明顯,河道比降較大,水土流失造成徑流含沙量大,使得流域內砒砂巖、黃土、風沙土分布廣泛,導致地表水資源難以得到有效利用。地區現狀總人口為37.5萬,國民生產總值為319.7×108元,城市化率為57.8%,農田灌溉面積約為8×104hm2,灌溉用水量占區域水資源開發利用量的比例高達80%以上,且以開發利用地下水為主,占比65%以上。

圖1 黃河十大孔兌概況圖

2.2 研究方法

2.2.1 水資源承載力評價指標體系構建

(1)水資源承載力系統解析。水資源承載系統由承載主體和承載客體組成,兩者相輔相成。承載主體,即承載體,是以流域水循環為基礎的水資源系統,包括水資源(水量)、水環境(水質)、水生態(水域、水流)三要素[23];承載客體,即承載對象與利用方式,是支撐社會經濟系統和生態環境系統的基礎。“量、質、域、流”4個維度相互聯系、又相互制約,任何一方超載,都會導致整個水生態系統失衡。因此,在水循環系統框架下,水資源承載力可以對“量、質、域、流”4個維度進行分析與調控[24],以此來協調生態環境和經濟社會之間的發展,促進水資源的高效利用。

(2)水資源承載力評價指標體系。本文以水量、水質、水域、水流4個維度的概念為基礎框架,密切結合黃河流域十大孔兌地區實際情況,構建出多維水資源承載力綜合評價指標體系,如圖2所示。

圖2 多維水資源承載力綜合評價指標體系

2.2.2 水資源承載力評價模型

(1)評價指標賦權。評價指標權重的確定對于水資源承載力計算至關重要,如果只是采用某一種賦權方法計算權重,其結果會產生一定的誤差。為了避免產生誤差,故采用主、客觀組合賦權法,該方法可以考慮到各指標的變化程度,有效地避免了人為因素的影響,可以客觀地反映出指標的重要性。主觀權重由專家評價確定各指標的權重,即采用層次分析法確定[21];客觀權重通過數值方法計算各指標的權重,即采用熵權法確定[25];經過兩種方法計算出各自權重,將其代入公式(1),得到組合權重W。

W=αWi1+(1-α)Wi2

(1)

式中:α為組合系數,一般情況取值為0.5[26];Wi1為客觀權重;Wi2為主觀權重。

(2)TOPSIS多目標決策分析。TOPSIS模型是一種進行多目標決策分析的有效方法,其通過計算各評價指標與正、負理想解之間的距離進行排序。該方法計算方便靈活,評價結果準確,具有很好的適用性,詳細計算過程見文獻[22]。對于計算出的多維水資源承載力綜合評價指數,參考已有文獻[27]將水資源承載力評價等級劃分為5個等級,用于表示區域水資源承載力狀況,評價等級劃分標準見表1。

表1 水資源承載力評價等級劃分標準

2.3 數據來源

本研究基礎數據主要來源于2000—2020年《鄂爾多斯市水資源綜合利用與保護規劃》《鄂爾多斯市“四水四定”方案》《鄂爾多斯市第三次國土調查主要數據公報》《鄂爾多斯市水資源公報》《鄂爾多斯市統計年鑒》等。

3 結果與分析

3.1 權重計算結果

以2000—2020年黃河流域十大孔兌地區的各評價指標數據為基礎,利用層次分析法、熵權法分別對20個指標進行主、客觀賦權,并計算出組合權重,結果見表2。

表2 水資源承載力評價指標權重計算結果

由表2可以看出,承載系統上,層次分析法和熵權法計算出的權重值有所差異,但兩種方法均得到承載體>承載對象>利用方式的權重排序;維度上,層次分析法為質>流>域>量,熵權法為流>質>域>量。為了平衡兩者計算的權重,取二者的平均值作為最終組合權重值。

3.2 水資源承載力綜合評價分析

通過層次分析法、熵權法對20個評價指標進行組合賦權,確定最終權重值,并利用TOPSIS評價模型計算出多維水資源承載力指數,再根據水資源承載力評價等級劃分標準(表1),確定出2000—2020年十大孔兌地區水資源承載力評價等級結果,如表3所示。評價等級越高,表明水資源承載能力越強。在此基礎上,對結果進行多維度綜合評價分析。

表3 2000—2020年十大孔兌地區水資源承載力評價等級結果

3.2.1 維度承載力分析 圖3為2000—2020年黃河流域十大孔兌地區的“量、質、域、流”水資源承載力指數演變規律。

圖3 2000—2020年十大孔兌地區“量、質、域、流”水資源承載力指數演變規律

由圖3可以看出,量和域維度承載力變化趨勢波動較大,質和流維度承載力總體呈上升趨勢,尤以流維度提升最為明顯。結合表3評價等級結果來看,研究區水資源維度承載力排序為量>流>質>域。對圖3中所示的4個維度水資源承載力指數變化特征具體分析如下:

(1)量維度在2000—2020年承載力指數波動變化明顯,總體呈下降趨勢;2003年承載力指數達到峰值,使得水資源承載力處于可承載狀態;2009年承載力指數最小,僅為0.06,水資源承載力嚴重超載;2011年之后承載力狀態保持在臨界可承載之上。在量維度的各評價指標中,干旱指數指標權重占比最大,對量維度承載力指數的影響也最大,且屬逆向指標,與量維度存在明顯的負響應關系。年降水量是當地自產水資源的主要補給來源,產水模數和人均水資源占有量屬正向指標,與量維度存在明顯的正響應關系。2003年干旱指標值最小(2.01),該年份量維度承載力指數達到0.91,為最大值;2009年人均水資源占有量為327.1 m3,產水模數為1.44×104m3/km2,均為最小值,對應的量維度承載力指數也處于最低值;2011—2020年期間研究區域人均水資源占有量達到1 000 m3以上,地表水資源量和地下水資源量的增加在一定程度上改善了量維度的承載力狀態。

(2)從質維度來看,水資源承載力指數在2011—2015年處于下降的區段,但整體呈上升趨勢,從臨界可承載逐步發展到可承載狀態,表明區域內水環境質量在逐步提升。水功能區水質達標率和Ⅲ類水及以上河長比例屬正向指標,水質達標率代表了流域或區域內河湖水體質量[23],河長比例代表了河流水質的情況,這兩項指標值均保持增長;人均廢水排放量和人均COD排放量指標權重占比大,且屬逆向指標,指標值越大表明廢水和污染物排放越嚴重,人均廢水排放量從2000年的2.6 m3減少到2020年的0.22 m3,人均COD排放量從9.74 kg減少到3.13 kg,這與我國強有力的“最嚴格的水資源管理政策”關系密切,“三條紅線”的設定倒逼流域水環境質量改善。

(3) 域維度下的水資源承載力指數經歷兩次上升階段,于2011年后趨于平穩,承載狀況從臨界可承載下降到超載,其中在2001—2004年和2011年處于嚴重超載狀態。2009年承載力為弱可承載狀態,但2011年迅速下降至嚴重超載狀態,通過對各評價指標的分析可知,2009年研究區地表水和地下水開發率分別為3.99%和34.14%,域維度水資源承載力指數達到最大值,但2011年地表水和地下水開發率分別達到55.35%和76.06%,高強度的水資源開發導致地下水位下降、河湖水體得不到有效補給,進而直接影響到區域域維度的承載力水平。2011年之后,對區域地下水超采區以及周邊地區的農牧產業結構進行了調整[28],適當減少了農作物灌溉用水量,大力實施節水灌溉,壓縮地下水開采率,逐步達到地下水開采補給平衡,從而緩解了水資源承載力狀況。今后仍需減少地下水的開采,合理開發區域內的河流、湖泊等水域。

(4) 流維度承載力指數在研究時段內呈上升趨勢,且增幅較大,水資源承載力狀況從嚴重超載提高到了可承載。分析流維度的各評價指標,庫徑比由2000年的0.16減小到2020年的0.02,庫徑比越小表明水利工程對河流自然徑流的干擾性越弱,流維度承載力越好。2000—2004年流維度承載力指數低于0.2,處于連續嚴重超載狀態,說明這一期間區域內的水庫及上游區淤地壩工程對河道徑流的攔蓄調節作用較大,從而導致中下游區河道徑流量處于較低的水平。2005年開始,一方面由于水利工程年久失修,蓄水量越來越少,另一方面因河(湖)長制的全面推行,使得河道環境不斷改善,河流長度持續增加,河流生態基流得到滿足,流維度承載力不斷得以提升。

綜合以上4個維度的評價結果分析來看,水量、水質、水域、水流都會影響水資源承載力狀態,由于域維度承載力處于超載狀態,改善域維度承載力問題刻不容緩,對此提出的措施是減少地下水的開采,合理開發河湖水資源;流與質維度整體承載力呈上升趨勢,且處于臨界可承載狀態,未來仍需保障水環境質量,避免廢水和污染物的排放,減小水利工程對河湖徑流的調控能力[29]。

3.2.2 承載系統分析 圖4為2000—2020年黃河流域十大孔兌地區水資源承載系統的承載力指數演變規律。從表3評價等級結果來看,研究區水資源承載系統的3個子系統承載力排序為利用方式>承載體>承載對象,且3個子系統承載力狀況均為臨界可承載。

圖4 2000—2020年十大孔兌地區水資源承載系統承載力指數演變規律

承載對象是阻礙水資源承載子系統發展的首要因素,由圖4可知,2000—2020年承載對象的承載力指數整體呈上升趨勢。由具體評價指標來看,該區域人均GDP由2000年的0.96×104元增長到2020年的8.59×104元,相應城市化率由32.0%提升至57.8%、第三產業比重從32.1%提升為42.7%,其中第三產業比重指標的權重較大,對承載對象的承載力指數變化影響較大,且這3項指標均屬正向指標,指標值的增長使得承載對象的承載力狀態由臨界可承載上升為弱可承載。對經濟社會系統而言,提升承載對象子系統的水資源承載力會促進經濟社會實現水資源荷載平衡[16]。

承載體承載力是量、質、域、流4個維度承載力的綜合體現,由圖4可以看出,2000—2020年承載體承載力指數總體呈上升趨勢,個別年份存在起伏,基本處于臨界可承載水平。但2010—2011年承載體承載力狀況從臨界可承載變為超載,從4個維度上分析其原因,該階段干旱指數從4.8升高至7.0,人均COD排放量從9.494 kg增大至31.294 kg,地表水開發率從5.8%提高至55.3%,地下水開發率從51.1%提高至76.1%,而這幾項指標均屬逆向指標,與各維度存在明顯的負響應關系,這些指標的增大使得承載體承載力指數減小。質和流維度承載力的逐步提升是區域多年來水污染和水生態等綜合治理的結果,對承載體承載力的提升具有顯著的效果,但也無法抵消量與域維度承載力指數下降對流域承載體承載力的決定性影響。

利用方式子系統承載力指數總體呈下降趨勢,其評價指標中的水利投入占GDP比重由2000年的0.66%下降至2020年的0.18%,由此表明,該區域水利行業發展并沒有得到有效重視,使得利用方式承載力由弱可承載下降至臨界可承載。黃河流域十大孔兌地區“糧能爭水”問題突出,工業用水量與農田灌溉用水量在不斷增加,這也減弱了利用方式的水資源承載力,用水過度導致對水資源需求過大,降低了水資源的平衡能力。未來需要合理分配農業與工業用水量,實施高效節水灌溉,加大水利設施投入,加強水資源的管理與利用等環節,進而提升水資源管理水平。

3.2.3 水資源承載力綜合分析 圖5為2000—2020年黃河流域十大孔兌地區的水資源綜合承載力指數演變規律。

圖5 2000—2020年十大孔兌地區水資源綜合承載力指數演變規律

由圖5可知,研究區水資源綜合承載力指數總體呈上升趨勢,承載力狀況為臨界可承載,僅在2011年承載力處于超載狀態。對研究時段內研究區水資源綜合承載力的變化狀況分析如下:在維度方面,質與流維度承載力指數整體呈上升趨勢,從2000—2020年各指標值變化來看,水質達標率由70%提升至82%、河長比例由64%提升至77%、庫徑比由0.16下降至0.02,各指標值的變化使得質維度承載力狀態從超載提升為可承載,流維度承載力狀態從嚴重超載提升為可承載,說明質與流維度承載力狀況的變化為水資源、經濟社會系統提供了優質條件;在承載系統方面,承載對象承載力指數呈上升趨勢,對經濟社會和生態環境起到支撐作用,經濟提升又能促進區域水資源可持續發展,這也使得該區域綜合水資源承載力得到提升。2011年萬元GDP用水量的增加和人均COD排放量的增加導致水資源承載力下降至超載狀態,生態環境用水與經濟社會排污量的增加會影響水生態與水環境功能,導致水循環系統減弱和水環境質量下降,從而造成水資源綜合承載力指數下降。盡管節水和用水效率提高,但水資源壓力形勢仍舊嚴峻,所以區域經濟發展應與水環境和生態環境保護相協調。

4 討 論

(1)黃河流域水資源短缺,供需矛盾突出,水資源承載力研究分析可為區域水資源合理開發利用提供基礎支撐。如何構建評價指標體系是水資源承載力研究的基礎,左其亭等[30]從水資源、生態環境和經濟社會3個準則層來構建評價指標體系;張寧寧等[31]從水資源承載力的內涵出發,基于“量、質、域、流”多個維度來構建評價指標體系,該兩篇文獻得出的區域水資源綜合承載力基本一致,但前者僅考慮了水量、水質維度,分析出水量是影響黃河流域區域水資源承載力的因素,而后者從水量、水質、水域、水流4個維度考慮,得出改善黃河流域區域水資源承載力的關鍵是水量、水域、水流。本文通過結合該兩篇文獻,構建出黃河流域十大孔兌地區多維水資源承載力評價指標體系,總結出水量、水質、水流、水域均會影響區域水資源承載力的大小,但水域是關鍵影響因素,過度開發水域空間會導致水生態的崩潰,從而影響經濟社會的可持續發展。總的來說,水量、水質是影響水資源承載力大小的承載主體,但水域、水流也是影響水資源承載力大小的主要約束因素,多維度構建評價指標體系可以全面評價和分析區域水資源承載力,也為水資源承載力研究提供了邏輯性和理論支撐。

(2)確定評價指標權重是進行水資源承載力研究的關鍵,如何選擇全面的賦權方法也是至關重要的。謝蕾蕾等[26]通過熵權法對指標進行賦權,認為影響水資源承載力的因素主要是狀態準則層下的人均水資源量,左其亭等[30]利用層次分析法和熵權法對指標進行組合賦權,得出產水模數是影響水資源承載力的首要障礙因子。本文利用層次分析法和熵權法對評價指標進行主、客觀組合賦權,認為域維度評價指標是影響水資源承載力的主要因素,水域面積率指標的權重為0.051,比其他指標的權重略大。通過前面的分析,域維度水資源承載力處于一個超載的狀態,盡管鄂爾多斯市落實了“四水四定”和深度節水控水的方案,但整個十大孔兌地區水域空間仍被過度開發,今后需減少對地下水資源的開采,加大對地表水資源的利用,以及引入現有河湖水資源等措施來保持水資源與經濟社會、生態環境的可持續發展。

5 結 論

(1)2000—2020年黃河流域十大孔兌地區水資源綜合承載力呈上升趨勢,但整體水平不高,處于臨界可承載狀態。盡管節水和用水效率提高,但區域水資源仍然短缺,未來應集中擴大蓄水工程,確保水資源與經濟社會的可持續發展。

(2)水資源承載力維度分析結果表明,維度承載力排序為量>流>質>域,水量、水質、水流、水域均為影響區域水資源承載力的因素,但域維度是現階段阻礙水資源承載力發展的關鍵,需減少地下水資源開采,加大對地表水資源的利用。

(3)水資源承載子系統承載力排序為利用方式>承載體>承載對象,各子系統均處于臨界可承載狀態;其中利用方式子系統承載力指數在研究時段內呈下降趨勢,由于“糧能爭水”問題突出,未來需要進一步優化農業與工業用水格局;而承載對象承載力最弱說明人類經濟社會在發展過程中影響了水資源承載能力,需加強經濟社會發展,以此實現水資源荷載平衡。