寧夏水資源承載能力評價研究

云 龍，段超宇，李海霞

(1.寧夏回族自治區(qū)漢延渠管理處，寧夏 銀川 750001；2.銀川寧夏回族自治區(qū)水利科學研究院，寧夏 銀川 750021)

在我國西北干旱區(qū)，水資源的重要性不言而喻，資源型缺水是制約地區(qū)經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境發(fā)展的主要原因。水資源承載能力定量化評價是對區(qū)域水資源承載能力基線與水資源開發(fā)利用上限的確定，對區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護長遠戰(zhàn)略規(guī)劃具有重要意義[1-3]。以寧夏為例，在學習總結國內(nèi)學者關于水資源承載力評價成果的基礎上[4-9]，以最嚴格水資源管理制度為背景，將用水總量控制紅線指標上限作為影響區(qū)域水資源承載能力的主要因素，運用偏最小二乘回歸法[10,11]對評價指標進行篩選，建立水資源承載力評價指標體系，對寧夏2015年水資源承載力進行定量化分區(qū)評價，擬在全面了解寧夏水資源承載能力現(xiàn)狀。

1 評價指標體系的建立

1.1 指標選取

水資源承載能力研究涉及社會、經(jīng)濟、環(huán)境、生態(tài)、資源等在內(nèi)的紛繁復雜大系統(tǒng)[12,13]，其核心內(nèi)容是對評價指標體系及其評價標準的建立與確定[14]。在評價指標選取時，根據(jù)指標選取原則[15-17]，從水資源子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)及經(jīng)濟子系統(tǒng)三個方面對常用指標進行初步篩選，得到符合寧夏實際情況的13個評價指標，具體情況見表1。需要特別說明的是，由于寧夏地處我國西北干旱區(qū)，水資源十分匱乏，區(qū)域水資源承載能力一般只針對水量進行評價，水質(zhì)指標對區(qū)域水資源承載能力可以忽略不計，因此文中評價指標未涉及相關水質(zhì)指標。

表1 寧夏水資源承載能力初選評價指標

1.2 評價指標體系的建立

1.2.1 數(shù)據(jù)標準化

本研究收集了寧夏回族自治區(qū)2000-2015年間各評價指標數(shù)據(jù)，采用非線性標準化方法對相關數(shù)據(jù)進行標準化處理。

假設有i個評價對象，j個評價指標，每個指標的原始數(shù)據(jù)為xij。非線性標準化的計算公式[18]為：

(1)

式中：yi為指標j的平均值；指標j標準差[19]?；A數(shù)據(jù)進行標準化處理結果見表2。

表2 基礎數(shù)據(jù)標準化結果

1.2.2 相關性檢驗

應用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)SPSS軟件對表2的基礎數(shù)據(jù)標準化結果進行相關性檢驗，各變量因子的相關系數(shù)矩陣見表3。

表3 變量因子的相關系數(shù)矩陣

自變量xi的方差膨脹因子(VIF)j計算公式[20]為：

(2)

1.2.3 偏最小二乘法建模

(1)將因變量序列yi(i=1,2,…,6)、自變量(各影響因子)序列xij(i=1，2,…,6；j=1，2，…,12)、標準化后的序列因變量矩陣F0和自變量矩陣E0進行建模[22]。

E0=

(2)從E0中提取一個成分t1，其中：

(3)

則t1=E0ω1，實施E0和F0在t1上的回歸，得回歸系數(shù)向量：

(4)

(5)

計算得標準化數(shù)據(jù)的回歸方程為：

0.080x5+0.120x6+0.083x7+0.069x8+0.096x9+0.078x10-0.069x11-0.026x12+0.080x13

(3)按照標準化的逆過程還原為y與實際變量xi(i=1，2,…,12)的回歸方程為：y=66.456 2-0.082x1-0.404x2-0.189x3-0.197x4-0.063x5-0.004x6+0.002x7+0.017x8+0.002x9+0.021x10-0.011x11- 0.005x12+4.675x13。

表4 交叉有效性檢驗表

在建模當中，偏最小二乘回歸產(chǎn)生權重矩陣，通過不斷計算各變量所占權重進而使得響應與其相應的得分因子之間的協(xié)方差達到最大。根據(jù)計算，當提取t1、t2兩個主成分時，交叉有效性系數(shù)Q2小于復測系數(shù)，因此算法終止。

根據(jù)標準化回歸方程，對影響寧夏水資源承載能力的13個關鍵因子進行貢獻率排序，得到結果為x6>x9>x7>x13>x5>x10>x4>x8>x11>x1>x2>x3>x12。通過分析，考慮到寧夏水資源實際情況，以自治區(qū)最嚴格水資源管理中用水總量控制紅線指標作為制約區(qū)域水資源承載能力的主要因素，根據(jù)計算得到貢獻率由高到低的順序選取用水總量作為水資源承載能力的約束性指標，選取人均用水量、萬元GDP用水量、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、農(nóng)田灌溉畝均用水量、人均生活用水量和人均灌溉面積作為水資源承載能力的預期性指標，構建所得寧夏水資源承載能力評價指標體系見表5。

表5 寧夏水資源承載能力評價指標體系

2 寧夏水資源承載能力評價

2.1 水資源承載狀況評價

以2015年作為現(xiàn)狀年，將《國務院辦公廳關于印發(fā)實行最嚴格水資源管理制度考核辦法的通知》(國辦發(fā)〔2013〕2號)分配給寧夏的用水總量指標作為約束水資源承載能力的硬性指標，將全區(qū)用水總量指標逐級分解到各市縣，通過評價各市縣現(xiàn)狀和未來經(jīng)濟社會發(fā)展對水資源的需求與用水總量指標的關系判定區(qū)域的水資源承載能力狀況。

通過計算可知，2015年全區(qū)用水總量紅線指標比現(xiàn)狀年實際用水量多2.34 億m3，地下水控制指標比2015年可開采量多1.34 億m3，總體處于臨界超載狀態(tài)。各市縣中，銀川市用水總量紅線指標比現(xiàn)狀年實際用水量多1.47 億m3，地下水控制指標比2015年可開采量多0.12 億m3，總體處于臨界超載狀態(tài)，其中：賀蘭縣處于臨界超載狀態(tài)，永寧縣處于不超載狀態(tài)，主城區(qū)和靈武市處于超載狀態(tài)。石嘴山市用水總量紅線指標比現(xiàn)狀年實際用水量少0.21 億m3，地下水控制指標比2015年可開采量多0.33 億m3，總體處于超載狀態(tài)，其中：大武口區(qū)、惠農(nóng)區(qū)、平羅縣均處于超載狀態(tài)。吳忠市用水總量紅線指標比現(xiàn)狀年實際用水量少0.13 億m3，地下水控制指標比2015年可開采量多0.41 億m3，總體處于超載狀態(tài)，其中：利通區(qū)、鹽池縣、同心縣和紅寺堡均處于超載狀態(tài)，青銅峽市處于臨界超載狀態(tài)。中衛(wèi)市用水總量紅線指標比現(xiàn)狀年實際用水量多0.94 億m3，地下水控制指標比2015年可開采量多0.43 億m3，總體處于臨界超載狀態(tài)，其中：沙坡頭區(qū)、中寧縣、海原縣均處于臨界超載狀態(tài)。固原市用水總量紅線指標比現(xiàn)狀年實際用水量多0.41 億m3，地下水控制指標比2015年可開采量少0.22 億m3，總體處于超載狀態(tài)，其中：除隆德縣不超載外，原州區(qū)、涇源縣、彭陽縣、西吉縣處于超載狀態(tài)。由于固原市總體位于山丘區(qū)，而且地下水用水量均為生活用水，可認為地下水利用并未超載。寧東用水總量紅線指標比現(xiàn)狀年實際用水量多0.46 億m3，不超載。農(nóng)墾用水總量紅線指標比現(xiàn)狀年實際用水量多0.17 億m3，臨界超載。其他用水總量紅線指標比現(xiàn)狀年實際用水量少0.76 億m3，超載。寧夏水資源總量評價結果如表6所示。

表62015年全區(qū)水資源總體承載狀況億m3

地市縣(市)用水總量實際紅線指標差值承載狀況地下水實際控制指標差值承載狀況承載能力銀川市主城區(qū)5.065.00-0.06超載1.391.12-0.27超載超載永寧縣4.275.311.04不超載0.200.430.23不超載不超載賀蘭縣5.015.550.54臨界超載0.240.350.11不超載臨界超載靈武市3.553.49-0.06超載0.190.230.05不超載超載合計17.8819.351.47臨界超載2.012.130.12臨界超載臨界超載石嘴山市大武口區(qū)1.041.100.06臨界超載0.440.43-0.01超載超載平羅縣7.176.80-0.37超載0.200.590.39不超載超載惠農(nóng)區(qū)2.592.700.11臨界超載0.470.43-0.04超載超載合計10.8110.60-0.21超載1.121.450.33不超載超載吳忠市利通區(qū)5.035.02-0.01超載0.280.410.13不超載超載青銅峽市6.657.120.47臨界超載0.200.480.28不超載臨界超載鹽池縣0.830.80-0.03超載0.190.200.01臨界超載超載同心縣2.411.96-0.45超載0.050.050.00超載超載紅寺堡2.102.00-0.10超載0.030.02-0.01超載超載合計17.0316.90-0.13超載0.751.160.41不超載超載中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)5.606.100.50臨界超載0.230.470.25不超載臨界超載中寧縣5.575.900.33臨界超載0.170.310.14不超載臨界超載海原縣1.101.210.11臨界超載0.250.290.04不超載臨界超載合計12.2713.210.94臨界超載0.641.070.43不超載臨界超載固原市原州區(qū)0.550.850.30不超載0.270.18-0.09超載超載西吉縣0.410.40-0.01超載0.180.14-0.04超載超載隆德縣0.140.190.05不超載0.010.020.01不超載不超載涇源縣0.060.090.03不超載0.010-0.01超載超載彭陽縣0.240.290.05不超載0.140.05-0.09超載超載合計1.411.820.41不超載0.610.39-0.22超載超載獨立單元寧東1.381.840.46不超載00.020.02不超載不超載農(nóng)墾7.087.250.17臨界超載00.250.25不超載臨界超載其他2.792.03-0.76超載000不超載超載全區(qū)合計70.6673.002.34臨界超載5.146.471.34不超載臨界超載

2.2 水資源強度評價

根據(jù)水資源承載能力評價指標體系建立結果，首先選擇各市縣的一產(chǎn)GDP、灌溉面積、每公頃用水量將農(nóng)業(yè)用水效率轉(zhuǎn)換成萬元GDP用水量(一產(chǎn))；其次選擇自治區(qū)發(fā)布的公共用水定額和三產(chǎn)的GDP將三產(chǎn)用水效率轉(zhuǎn)換成萬元GDP用水量(三產(chǎn))；最后選擇三次產(chǎn)業(yè)的結構比例，分析計算承載能力的萬元GDP用水量指標，綜合考慮滿足生活、生態(tài)用水的基本需求與產(chǎn)業(yè)用水分配，得到產(chǎn)業(yè)用水分配系數(shù)與現(xiàn)狀年承載水平。全區(qū)水資源強度指標如表7所示。

經(jīng)統(tǒng)計，2015年寧夏全區(qū)人均國內(nèi)生產(chǎn)總值為4.34萬元、人均用水量為1 058 m3，若全區(qū)用水總量達到紅線控制指標73.00 億m3時，通過計算可實現(xiàn)承載國內(nèi)生產(chǎn)總值為3 171.01 億元，承載人口為715.23 萬人。這個結果相比2015年實際情況，全區(qū)將多承載國內(nèi)生產(chǎn)總值270.40 億元、人口47.36 萬人，具體包括：銀川市可多承載國內(nèi)生產(chǎn)總值107.23 億元、人口17.93 萬人；石嘴山市可多承載國內(nèi)生產(chǎn)總值25.77億元、人口3.60萬人；吳忠市少承載國內(nèi)生產(chǎn)總值1.80億元、人口5.68萬人；中衛(wèi)市可多承載國內(nèi)生產(chǎn)總值32.40億元、人口10.75萬人；固原市可多承載國內(nèi)生產(chǎn)總值43.90 億元、人口20.76 萬人。2015年全區(qū)水資源承載能力評價結果如表8。

表7 2015年全區(qū)水資源強度指標

3 結 論

本文結合寧夏實際情況，選取1個約束性指標(用水總量)和6個預期性指標(包括人均用水量、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、農(nóng)田灌溉畝均用水量、人均生活用水量、人均灌溉面積)建立能夠全面反映寧夏經(jīng)濟社會水資源承載能力評價指標體系。根據(jù)評價指標計算結果可知：2015年，寧夏全區(qū)用水量為70.66 億m3，小于用水總量控制紅線指標，但水資源承載能力總體已處于臨界承載狀態(tài)。未來，由于用水總量紅線指標增長有限，水資源嚴重短缺的態(tài)勢將依然加劇，因此建議寧夏應轉(zhuǎn)變發(fā)展方式作為緩解水資源承載能力的首要措施，嚴格控制灌溉面積增長、優(yōu)化全區(qū)農(nóng)業(yè)種植結構，深度開展農(nóng)業(yè)和工業(yè)節(jié)水，最大限度利用好地下水資源和非常規(guī)水源，將水資源承載能力調(diào)控到合理范圍，以期實現(xiàn)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。

表8 2015年全區(qū)水資源承載能力評價結果