遼陽市水資源承載能力評價

孫艷兵

(遼陽市遼陽縣水利事務服務中心，遼寧 遼陽 111200)

1 區(qū)域概況

遼陽市地處E122°35'-123°40'，N40°42'-41°36'之間，邊界線總長471.8km，下轄5個區(qū)、1個縣和1個縣級市，總面積4744km2。該區(qū)域從西北部界河畔至東南部邊界白云山地勢呈自低到高的變化特征，地形從平原、臺地、低丘陵、高丘陵、低山到中山，海拔自50m上升至1000m以上，境內(nèi)大小山峰166座。遼陽市屬于濕潤、半濕潤季風氣候，其氣候特征因地貌形態(tài)的差異各不相同，其中降水量最大的區(qū)域位于東部的低山丘陵區(qū)，氣候特點為夏季多大雨、暴雨，冬季氣溫低且時間較長，年降水量為800-900mm；而北部丘陵平原地帶的降水量較少，氣候特點為春季多大風，氣溫較低，嚴寒期長，年均降水量500-700mm；西部沿河平原區(qū)的降水多于北部丘陵地帶，降水量為600-800mm，多集中于作物生長季5-10月，冬冷夏熱，大陸性氣候強。研究區(qū)大小河流縱橫交錯，其中流程超過10km的河流29條，流域>5km的有86條，這些河流共同構成了渾河、太子河兩大水系[1-6]。

雖然遼陽地區(qū)存在豐富的水源，但局部區(qū)域仍存在地下水過度開發(fā)、水資源浪費嚴重的問題，水系統(tǒng)具有可開發(fā)總量少、邊際效益低、開采成本高、難度大等特點。特別是隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的發(fā)展和人口規(guī)模的擴大，遼陽市的湖泊、池塘、濕地等具有滯洪和儲存功能的區(qū)域逐漸消失，加之各行業(yè)用水量的急劇增加、農(nóng)業(yè)灌溉用水效率低下和水體污染嚴重等條件限制，區(qū)域水生態(tài)功能和承載力水平持續(xù)下降。為促進水資源的可持續(xù)利用和系統(tǒng)掌握水系統(tǒng)承載經(jīng)濟社會的程度，文章以耗水量為基準核算了遼陽市水系統(tǒng)承載力狀況，在此基礎上提出合理的建議措施以提升水系統(tǒng)承載力。

2 水資源承載力評價方法

2.1 水資源承載力的定義

結合現(xiàn)有文獻資料將水資源承載力的定義概括為：一定的社會經(jīng)濟發(fā)展和可預見的科學技術條件下，以維護生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)和水資源可持續(xù)發(fā)展為原則，水資源系統(tǒng)在合理開發(fā)利用的情況下能夠支撐某一區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展和人口規(guī)模的最大容量[7]。

綜合考慮生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟和水資源系統(tǒng)等方面要素，統(tǒng)一處理水系統(tǒng)的可承載水平為水資源承載力精細量化方法的實質(zhì)。例如，Dou M等[8]以概化的水系統(tǒng)為基本前提，采用區(qū)域內(nèi)的水利工程可供水量連接人類社會利用水與自然水資源之間的關系，然而該承載力模型以可供水量為約束條件，現(xiàn)有的水利工程在很大程度上決定了承載力計算值，所以評估結果無法體現(xiàn)水系統(tǒng)承載力。為解決以上問題，有學者提出了以最大限度的可能被消耗的水資源作為水系統(tǒng)的可利用量，經(jīng)數(shù)學轉換處理評判承載力等級；以耗水量為基準分配每個單元的可利用水資源量，該方法可以最大程度的發(fā)揮區(qū)域水資源效益，且不受水利工程等條件的限制。為了能夠直觀的反映制約水系統(tǒng)的關鍵性因子，充分考慮遼陽市配水方便且區(qū)域較小的實際狀況，以耗水量為基準搭建科學評估模型，并引入承載潛力指標衡量耕地、COD、氨氮、水量等因素對水資源開發(fā)潛力的制約作用。

2.2 水資源承載力評價模型

設定水系統(tǒng)承載目標為人口規(guī)模達到最大，以社會經(jīng)濟和資源環(huán)境為兩大約束條件構造目標函數(shù)如下：

(1)

(2)

式中：ppopi、PPOP為區(qū)域i和整個研究區(qū)的承載人口，萬人；ki，j、ωi，j為計算單元i部門j的萬元GDP耗水量和分配到的水量，104m3/萬元、104m3；ppGDPi為基準年內(nèi)單元i的經(jīng)濟生產(chǎn)總值，萬元。

水資源承載力的約束條件：

1)生活耗水量的計算方法和水資源可利用量W的約束條件如下：

ωi,4=ppopiωwpopi

(3)

(4)

式中：ωwpopi、ωi，4為區(qū)域i的人均生活耗水和居民生活總耗水量，104m3/萬元、104m3。

2)引入ββtni，j、ββcodi，j為區(qū)域i行業(yè)j的萬元GDP的氨氮和COD排放量，單位t/a；ααtni、ααcodi為區(qū)域i的人均總氮和COD排放量，其中i=1，2，…，n；j=1，2，3。由此，構造區(qū)域污染物排放約束方程為：

(5)

(6)

3)設rjmax、rjmin為產(chǎn)業(yè)j在整個區(qū)域內(nèi)的上、下界限，從而構造水系統(tǒng)承載產(chǎn)業(yè)結構的約束條件如下：

rjmin、rjmin

(7)

4)設pprofitmax、Si為單位面積上耕地的最大GDP產(chǎn)值和區(qū)域i的耕地面積，萬元/ha、ha，從而構造耕地面積約束條件為：

ωi,1/ki,j≤Sipprofit max

(8)

5)水資源承載力的各變量滿足非負的約束條件，即：

ωi,j≥0

(9)

最終，將模型轉換成可以用單純形法求解的單目標線性規(guī)劃問題，即以各個行政分區(qū)服務業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)耗水為自變量計算每個單元分配到的水資源可利用量，結合區(qū)域用水條件確定可承載的人口。

2.3 水資源承載潛力評估因子

結合水系統(tǒng)承載力的內(nèi)涵特征，以人口規(guī)模量化水資源，對此引入潛力值I衡量承載狀態(tài)，即：

I=1-PPOP/FP

(10)

式中：FP為區(qū)域水資源可利用量能夠供養(yǎng)的一定社會發(fā)展水平下的人口規(guī)模；其中，I>0或≤0時，則代表水系統(tǒng)處于可載和超載狀態(tài)。

從目標函數(shù)可知，耕地面積、水資源可利用量、氨氮和COD排放量為約束水資源承載力的主要因素，為更加直觀的評估水系統(tǒng)承載潛力引入各個約束條件的承載潛力指數(shù)Ii，其中Ii的取值區(qū)間為0-1，Ii值越大則約束條件i的潛力越大；反之，則潛力越小。采用下式求解潛力指數(shù)Ii：

Ii=1-Ci/Cmax,i

(11)

式中：Ci、Ii為約束條件i的開發(fā)程度和承載潛力指數(shù)；Cmax，i為約束條件i的最大值，Cmax，i的取值標準，見表1。

表1 Cmax，i的取值標準

3 遼陽市水資源承載力評價等級

3.1 情景設定

以計算單元作為行政分區(qū)完成模型中用戶的概化處理，結合研究區(qū)實際狀況劃分為7個單元，其中生活、服務業(yè)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)耗水為每個單元的耗水部門。為最大程度的保證各用水部門的供水，將來水頻率設定為保證率最低的農(nóng)業(yè)供水，對75%來水頻率下遼陽市2018、2025年的水系統(tǒng)承載力評價。評價過程中應用到的相關數(shù)據(jù)，來源于遼寧省河流水系圖、遼陽市行政區(qū)劃圖、2010-2019年遼陽市國民經(jīng)濟公報、水資源公報和水資源綜合規(guī)劃等。

3.2 計算結果

通過一系列的轉換運算，確定75%水平年遼陽市的汛期棄水、生態(tài)需水和水資源可利用量，水資源可利用量，見表2。

表2 水資源可利用量

統(tǒng)計2010-2019年遼陽市各區(qū)縣的生產(chǎn)總值、人口規(guī)模、生活、服務業(yè)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)耗水量，在此基礎上預測分析2025年遼陽市生活、服務也、工業(yè)的耗水水平。遼陽市生活、服務業(yè)和工業(yè)耗水量，見表3。

表3 遼陽市生活、服務業(yè)和工業(yè)耗水量

注釋：生活耗水量：m3/人；服務業(yè)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)GDP耗水：m3/萬元。

結合區(qū)域水資源保護規(guī)劃和主干河流水環(huán)境治理狀況，確定遼陽市各區(qū)縣2018、2025年各行業(yè)的單位耗水氨氮、COD排放量，單位耗水污染物排放量，見表4。

表4 單位耗水污染物排放量

注釋：生活人均排污量為t/萬人；服務業(yè)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)萬元GDP排污量10-4t/104m3。

遼陽市各區(qū)縣2018年、2025年的污水限排總量依據(jù)水資源保護規(guī)劃確定，統(tǒng)計整理COD、氨氮限排量，污水限排總量，見表5。

表5 污水限排總量

為了保證區(qū)域產(chǎn)業(yè)結構能夠維持在合理的區(qū)間，設定工業(yè)和農(nóng)業(yè)結構比例不低于30%、5%，利用文中所述相關公式求解兩種不同情景下的水系統(tǒng)承載力。遼陽市75%來水頻率下水系統(tǒng)承載力，見表6。

表6 遼陽市75%來水頻率下水系統(tǒng)承載力

續(xù)表6 遼陽市75%來水頻率下水系統(tǒng)承載力

從表6可知，75%來水頻率下遼陽市2018年水資源系統(tǒng)總體可以承載現(xiàn)狀人口，但局部地區(qū)出現(xiàn)了超載現(xiàn)象，如遼陽縣、燈塔市等地區(qū)；75%來水頻率下遼陽市2025年水資源系統(tǒng)難以支撐預測人口規(guī)模，部分地區(qū)的水系統(tǒng)狀況較好，如白塔區(qū)、宏偉區(qū)等。根據(jù)2018、2025年現(xiàn)狀人口和預測人口可知，不同水平年遼陽市承載人口相差不大，這是一些節(jié)水減排初步規(guī)劃的實施與2025年居民要求的生活水平提升共同作用的結果。然而，兩個典型年中部分地區(qū)的水系統(tǒng)承載力仍不容樂觀，水系統(tǒng)超載問題突出，如遼陽縣、燈塔市等。

3.3 結果分析

為進一步探究水系統(tǒng)承載力的制約因子，運用文中所述潛力指數(shù)計算公式求解2018、2015年每個因素的潛力指數(shù)，遼陽市水資源承載潛力分析，見表7。從表7可知，2018年遼陽市水資源系統(tǒng)仍具備一定的開發(fā)利用潛力，但遼陽縣和燈塔市地區(qū)達到超載狀態(tài)；若未能及時采取有效的控制措施，太子河區(qū)2015年水系統(tǒng)將達到超載狀態(tài)，燈塔市、弓長嶺區(qū)等超載問題比較嚴重。從約束條件的角度分析，水資源可利用量為制約2018年水系統(tǒng)承載力的掛件因素，而COD和氨氮為限制2025年水系統(tǒng)承載力的關鍵參數(shù)。

表7 遼陽市水資源承載潛力分析

從時間角度上，通過對比表6中2018、2025年GDP和人口變化可知，2025年區(qū)域環(huán)保和節(jié)水水平得到較大的提升，雖然水系統(tǒng)承載的人口規(guī)模有所下降，但較2018年其支撐的經(jīng)濟規(guī)模明顯增大，且耗水量有所減低；從空間尺度上，燈塔市、遼陽縣和弓長嶺區(qū)的水系統(tǒng)承載力較差，而其它地區(qū)相對較好。

結合2018年區(qū)域水資源開發(fā)實際情況，從減少耗水量和增加水資源可利用量兩個方面提升水資源承載能力，其中開發(fā)非常規(guī)水源利用和增加外調(diào)水等為常用的供給側措施；固化引水渠道、推行節(jié)水灌溉措施等為減少需求側農(nóng)業(yè)耗水的常見方法。針對2025年水資源系統(tǒng)，可從減少氨氮、COD排放等污染物控制的角度提升水資源承載力，其中農(nóng)業(yè)污水排放為遼陽市氨氮污染的主要來源，為緩解水環(huán)境承載壓力可加大農(nóng)業(yè)面源污水的截污限排力度。

4 結 論

1)75%來水頻率下2018年遼陽市水資源系統(tǒng)仍存在一定的開發(fā)利用潛力，若未能及時采取有效的控制措施，2025年水系統(tǒng)承載力受水環(huán)境條件限制有所下降。

2)水量和氨氮排放量為制約區(qū)域水系統(tǒng)承載力度的關鍵因素，為有效解決氨氮排放問題應加大對農(nóng)田面源污染的控制；通過采取外調(diào)水源、進一步提高節(jié)水等措施有利于緩解干旱時期的用水緊張矛盾。

3)以耗水量為基準搭建的量化模型，能夠較為系統(tǒng)、準確的反映區(qū)域水系統(tǒng)自然稟賦，評價結果科學合理；依據(jù)承載潛力指數(shù)可為區(qū)域產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整和水資源利用規(guī)劃提供決策依據(jù)。