石羊河流域水環(huán)境承載力分析研究

劉曉峰 許 靜

(甘肅省水利廳 蘭州 730030)

石羊河由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營(yíng)河、東大河和西大河等8條支流匯集而成,是甘肅省乃至全國(guó)水資源最為緊缺的地區(qū)之一。全流域水資源總量為17.05億m3,人均水資源量757m3、耕地畝均水資源量271m3,均低于全省均值,屬于典型的資源型缺水地區(qū)[1]。近年來(lái),由于城市化進(jìn)程的加快和經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,流域生態(tài)資源的過(guò)度開(kāi)發(fā),亂砍濫伐,水土流失不斷加重,減少了水環(huán)境對(duì)外來(lái)干擾的緩沖調(diào)節(jié)作用和凈化能力。目前,石羊河的大部分河段已經(jīng)受到不同程度的污染,而且污染程度呈逐年上升趨勢(shì),水資源的不合理開(kāi)發(fā)利用問(wèn)題越發(fā)凸顯,嚴(yán)重威脅著該區(qū)的社會(huì)發(fā)展與生態(tài)安全。調(diào)查研究表明,石羊河流域水資源開(kāi)發(fā)利用程度最高,目前流域內(nèi)水資源引用率高達(dá)157%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了水資源的承載力[2]。在這些不利因素的影響下,石羊河流域地區(qū)如何采取有效措施來(lái)維持、提高流域水資源承載狀況是一個(gè)急需考慮的問(wèn)題。同時(shí),流域整體的水環(huán)境承載能力制約著區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,關(guān)系到可持續(xù)發(fā)展的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局,要保證各類取水和調(diào)水工程的順利開(kāi)展,也必須對(duì)區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人口發(fā)展、以及排污處理等各個(gè)方面提出新的要求。所以,及時(shí)地對(duì)石羊河流域的水環(huán)境承載力進(jìn)行科學(xué)研究,篩選提出工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染防治技術(shù)集成模式,提出石羊河水環(huán)境污染防治對(duì)策,對(duì)于促進(jìn)流域水資源有效開(kāi)發(fā)和利用、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有著很重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 水環(huán)境承載能力述評(píng)

水環(huán)境承載能力研究就是從資源、環(huán)境、人口、發(fā)展之間的關(guān)系入手,從本質(zhì)上反映環(huán)境與人類活動(dòng)間的辯證關(guān)系,建立社會(huì)、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)間的聯(lián)系紐帶,研究不同時(shí)期,不同策略下水環(huán)境承載能力的動(dòng)態(tài)變化,為人口、資源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)[3、4、5]。

水環(huán)境承載力的研究主要集中在我國(guó),國(guó)外的專門研究成果較少,大多被納入可持續(xù)發(fā)展理論中。我國(guó)從90年代開(kāi)始水環(huán)境承載力的研究施雅風(fēng)等在1992年對(duì)烏魯木齊河流域水資源進(jìn)行了量化分析研究[6];1993年許有鵬在新疆和田河流域?qū)⒛：C合評(píng)判法用于水環(huán)境承載力的研究,為西北干旱區(qū)水環(huán)境承載力研究提供了經(jīng)驗(yàn)和模式[7];1995年賈振邦等用多目標(biāo)分析的方法對(duì)本溪市水環(huán)境承載能力進(jìn)行了研究[8];1997年阮本青從人口和經(jīng)濟(jì)方面對(duì)水資源的承載能力進(jìn)行了綜合分析研究[9];1999年傅湘采用主成分分析法對(duì)區(qū)域水環(huán)境承載力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)[10];1999年阮本青以區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、水資源持續(xù)利用為準(zhǔn)則,以水資源綜合利用效益最大為目標(biāo),建立了區(qū)域水資源適度承載力計(jì)算模型[11];2000年陳冰利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法,對(duì)柴達(dá)木盆地的水環(huán)境承載力進(jìn)行了深入研究[12];徐中民、賈嶸、曲耀光等分別對(duì)張掖地區(qū)、關(guān)中地區(qū)和黑河流域的水環(huán)境承載力進(jìn)行了研究[3～5]。

目前水環(huán)境承載力的研究方法[16～23]主要分為三大類。一、評(píng)價(jià)區(qū)域水環(huán)境承載能力的綜合指標(biāo)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、主成分分析法。二、研究區(qū)域某種狀態(tài)下水環(huán)境承載狀況的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法、多目標(biāo)分析法。三、尋求區(qū)域水環(huán)境最大承載能力的背景分析法、簡(jiǎn)單定額估算法、動(dòng)態(tài)模擬遞推法等。

2 石羊河流域水環(huán)境承載力分析

水環(huán)境承載能力評(píng)價(jià)結(jié)果在一定程度上可以反映一個(gè)區(qū)域或流域的水資源的開(kāi)發(fā)利用、水環(huán)境污染、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面的情況,以及水資源的量和質(zhì)等方面對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的支撐程度。從評(píng)價(jià)的概念出發(fā),在分析水環(huán)境承載能力評(píng)價(jià)的主體與客體的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一套適合于區(qū)域水環(huán)境承載能力評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系,探討水環(huán)境承載能力的基于指標(biāo)體系的集對(duì)分析方法,為水環(huán)境承載能力的評(píng)價(jià)做一些探討性研究[24]。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)建立區(qū)域水環(huán)境可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的原則、程序,以理論分析法為基礎(chǔ),從水環(huán)境承載力的概念出發(fā),結(jié)合頻度統(tǒng)計(jì)法,依據(jù)石羊河流域特有的水資源、環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況和實(shí)際資料的來(lái)源情況,選擇恰當(dāng)?shù)闹笜?biāo),建立石羊河流域水環(huán)境可持續(xù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 (表1)。

2.2 評(píng)價(jià)方法的選取

由于水環(huán)境承載能力評(píng)價(jià)涉及到區(qū)域人口、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、環(huán)境、生態(tài)等多個(gè)方面、內(nèi)容復(fù)雜,目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一和成熟的方法。近幾年來(lái),我國(guó)研究者通過(guò)對(duì)水環(huán)境承載能力的一系列研究,獲得了一定成果,其中水環(huán)境承載力的量化研究方法多種,主要包括向量模法、多目標(biāo)決策分析方法、系統(tǒng)動(dòng)力仿真模型法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等。集對(duì)分析是可以考慮事物之間的確定性和不確定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的一種方法[25],包容了隨機(jī)、模糊、灰色等常見(jiàn)不確定的思想,因此采用集對(duì)分析法測(cè)算石羊河流域的水環(huán)境承載力。

2.3 石羊河流域水環(huán)境承載能力分析

2.3.1 石羊河流域基本概況

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部,祁連山北麓, 東經(jīng) 101°41′～ 104°16′, 北緯 36°29′～ 39°27′,東南與白銀、蘭州兩市相連,西南緊靠青海省,西北與張掖地區(qū)毗鄰,東北與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤,流域面積4.16×104km2,流域行政區(qū)劃包括武威市的涼州區(qū)、古浪縣、民勤縣全部及天?？h部分、金昌市的永昌縣及金川區(qū)全部以及張掖市肅南裕固族自治縣部分共3市7縣,全流域2003年總?cè)丝?26.89萬(wàn)人 (含古浪引黃灌區(qū)9.83萬(wàn)人),農(nóng)業(yè)人口174.57萬(wàn)人 (含引黃灌區(qū)9.63萬(wàn)人),非農(nóng)業(yè)人口52.32萬(wàn)人;城鎮(zhèn)人口73.39萬(wàn)人 (含引黃灌區(qū)0.35萬(wàn)人),農(nóng)村人口153.5萬(wàn)人,城市化率32.35%;耕地面積556.75萬(wàn)畝,農(nóng)田灌溉面積449.98萬(wàn)畝,基本生態(tài)林地灌溉面積26.46萬(wàn)畝,農(nóng)業(yè)人口人均農(nóng)田灌溉面積2.58畝;大小牲畜332.38萬(wàn) (頭)只;國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值 (GDP)138.45億元,其中第一、第二和第三產(chǎn)業(yè)分別為32.87億元、64.57億元和41.01億元,人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值6102元,財(cái)政收入10.12億元;工業(yè)總產(chǎn)值152.76億元,農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值51.4億元;糧食總產(chǎn)量113.23萬(wàn)t,人均糧食產(chǎn)量499kg;農(nóng)民人均純收入2476元[26]。

石羊河流域多年平均徑流量15.75×108m3,河流補(bǔ)給來(lái)源于山區(qū)大氣降水和高山冰雪融水,產(chǎn)流面積1.1×104km2。河水自南向北流出山后,基本上全部被水庫(kù)攔蓄和引入渠道灌溉,引水渠和山水灌區(qū)在強(qiáng)透水的洪積扇帶,地表水大量滲漏轉(zhuǎn)化為地下水,至中游山前沖積扇邊緣又出露成泉,各河的泉水及上游部分下泄洪水匯流成石羊河,穿過(guò)下游民勤地區(qū)匯集于民勤北部海拔1020m的青土湖。自1958年修建紅崖山水庫(kù)以后,石羊河進(jìn)入民勤的地表水完全由水庫(kù)控制,水量全部引入灌區(qū)用于農(nóng)田灌溉。石羊河八條主要支流出山后,由于農(nóng)田引灌和滲漏,河流經(jīng)常處于干涸狀態(tài),只有較大的洪水或汛期各上游山谷水庫(kù)泄水,才能流到中、下游。

2.3.2 基于集對(duì)分析的石羊河流域水環(huán)境承載能力評(píng)價(jià)

依據(jù)水環(huán)境承載能力評(píng)價(jià)方法,首先將實(shí)測(cè)矩陣標(biāo)準(zhǔn)化,采用基于模糊一致矩陣的改進(jìn)熵值法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重 (表1)。根據(jù)計(jì)算得到的權(quán)重,采用集對(duì)分析 (SPA)評(píng)價(jià)法計(jì)算各指標(biāo)層的聯(lián)系度,計(jì)算所得的聯(lián)系度向量在下一個(gè)高層次中應(yīng)用,依次類推,直到計(jì)算出區(qū)域的聯(lián)系度[27]。

經(jīng)過(guò)計(jì)算水資源子系統(tǒng)聯(lián)系度為0.597,社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)聯(lián)系度為0.288,生態(tài)環(huán)境聯(lián)系度為0.539,區(qū)域水環(huán)境承載力聯(lián)系度為0.460(圖1)。

表1 石羊河流域水環(huán)境承載力實(shí)測(cè)指標(biāo)矩陣

圖1 水環(huán)境承載能力示意圖

2.3.2 基于復(fù)雜系統(tǒng)的石羊河流域水環(huán)境承載能力評(píng)價(jià)

(1)承載主體評(píng)價(jià)指標(biāo)

影響水資源主體的因素主要是水資源稟賦,最突出的反映在其主體承載狀態(tài)性質(zhì)的表征指標(biāo)-水質(zhì)和水量上。以這些因素為基礎(chǔ),從氣候條件、地表地下水資源狀況、水質(zhì)狀況等方面建立了水資源主體的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)承載狀態(tài)進(jìn)行描述[28](表2)。

表2 水環(huán)境承載主體評(píng)價(jià)指標(biāo)

承載主體的表述指標(biāo),選用影響水環(huán)境承載能力的最基本驅(qū)動(dòng)力因素水資源稟賦和水資源可利用量,概括為兩類七項(xiàng)指標(biāo),第一類水資源稟賦由降水量、干旱指數(shù)、徑流深度三項(xiàng)指標(biāo)組成;第二類水資源可利用量采用水資源總量、水資源可利用量、地表水可利用量和地下水可開(kāi)采量四項(xiàng)指標(biāo)表述。

(2)承載客體評(píng)價(jià)指標(biāo)

承載客體的評(píng)價(jià)體系分為目標(biāo)層、決策層、指標(biāo)層三層[29],每層所包含的具體指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 水資源承載客體評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(3)計(jì)算方法與結(jié)果

①水資源可利用量確定。石羊河流域水資源總量為16.6億m3,其中地表水資源量15.6億m3,占水資源總量的93.9%,不重復(fù)地下水資源補(bǔ)給量為0.99億m3,多年平均可利用率為63.3%。2000年河道外生態(tài)需水量為1.89億m3,多年平均水資源可利用量10.3億m3,用于河道外社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水資源可利用量為8.8億m3,此外,石羊河流域各水平年還有少量外調(diào)水量。

②區(qū)域不同發(fā)展情景下各年份的確定。石羊河流域的人均GDP現(xiàn)狀規(guī)模還是比較低的,2003年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)138.45億元,其中第一、第二和第三產(chǎn)業(yè)分別為 32.87億元、64.57億元和41.01億元,人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值6102元,預(yù)測(cè)全流域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度在2010年以前保持在9%,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值達(dá)到253億元;2010年至2020年經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度保持在7%左右,以此增長(zhǎng)速度估計(jì),得出石羊河流域達(dá)到溫飽、總體小康、全面小康的年份分別是1996年、2006年和2027年,預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)全面小康后GDP將為溫飽情景下的9倍,不同發(fā)展情景下產(chǎn)業(yè)增加值見(jiàn)表4。

表4 不同發(fā)展水平下各產(chǎn)業(yè)增值量(單位:億元)

③推算單位GDP綜合耗水量。根據(jù)不同承載水平下的用水效率水平計(jì)算各產(chǎn)業(yè)不同承載水平下的總GDP,各產(chǎn)業(yè)用水凈定額、水利用系數(shù)和耗水量,計(jì)算得到不同承載水平下的萬(wàn)元產(chǎn)值耗水量。經(jīng)計(jì)算,溫飽(1996年)、總體小康(2006年)、全面小康(2027年)下萬(wàn)元GDP的耗水量分別為3281m3、1698m3、161m3,相應(yīng)產(chǎn)業(yè)下的萬(wàn)元GDP耗水量見(jiàn)表5。

表5 不同發(fā)展水平下萬(wàn)元GDP耗水量(萬(wàn)m3)

④確定可承載的經(jīng)濟(jì)總量和人口數(shù)量。通過(guò)水資源可分配系數(shù),計(jì)算出用于生產(chǎn)的水資源可利用量,確定出各承載水平下的水資源可承載的總GDP值,根據(jù)各水平年下萬(wàn)元GDP耗水量和人均GDP,可推算溫飽、總體小康、全面小康的承載人口數(shù)量分別為81.5萬(wàn)、121.0萬(wàn)、205.9萬(wàn),相應(yīng)發(fā)展水平下承載的GDP分別為25.2億元、85.0億元、519.9億元(圖2)。

2 不同承載水平下的石羊河流域承載能力統(tǒng)計(jì)圖

3 結(jié)論

首先,水資源承載力的高低依賴于多種資源系統(tǒng)的支撐,單純的討論水資源有效性,忽略社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境系統(tǒng)的影響,會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)果,并具有局限性。本研究綜合考慮社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)與水資源系統(tǒng)的相互關(guān)系,結(jié)果表明水資源子系統(tǒng)對(duì)水環(huán)境承載力支撐能力最大,其次為生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng),由于該區(qū)水資源利用系數(shù)以及耗水系數(shù)較大,農(nóng)業(yè)灌溉用水比例高,導(dǎo)致該區(qū)水環(huán)境承載能力較低。其次,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈影響著區(qū)域水環(huán)境承載力。隨著社會(huì)發(fā)展水平的不斷提高,區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整,工業(yè)與第三產(chǎn)業(yè)GDP增量在整個(gè)GDP增量中所占的比重逐漸增加,水利用效率與萬(wàn)元GDP產(chǎn)值提高,直接導(dǎo)致承載水平的升高。第三,研究結(jié)果表明水環(huán)境可承載的GDP水平低于相應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平下的預(yù)測(cè)水平,承載壓力隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高有所緩解,但仍然超過(guò)負(fù)荷量。溫飽、總體小康、全面小康下的過(guò)載率分別為214%、85%、37%,承載壓力不容忽視。第四,環(huán)境承載力受到區(qū)域生態(tài)環(huán)境水平的制約。環(huán)境子系統(tǒng)支持區(qū)域水資源系統(tǒng),生態(tài)脆弱性影響著水資源利用效率,生態(tài)脆弱程度越高,水資源利用效率越低。

人口、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展是可持續(xù)發(fā)展的主題。如何評(píng)價(jià)水環(huán)境承載力目前尚無(wú)統(tǒng)一的方法,本研究結(jié)合集對(duì)分析和復(fù)雜系統(tǒng)分析兩種方法,定量評(píng)價(jià)了石羊河流域的承載水平,并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)。由于水環(huán)境承載力本身具有動(dòng)態(tài)性,加之評(píng)價(jià)體系紛繁多樣,因此采取不同的研究方法不同所得到的評(píng)價(jià)結(jié)果也會(huì)差別較大。如何客觀、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)區(qū)域水環(huán)境承載力,發(fā)展完善、合理的評(píng)價(jià)體系和標(biāo)準(zhǔn)是今后研究的主要任務(wù)。

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