遼河流域各市水資源承載力計(jì)算分析

付玉娟，何俊仕，強(qiáng)小嫚，劉 洋，韓宇洲

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水資源研究所，沈陽 110866；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453003）

水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有密切的關(guān)系，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源承載力已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”。只有在水資源承載力的范圍內(nèi)，才能滿足水資源的可持續(xù)發(fā)展，才能合理安排產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模，才能實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)的發(fā)展。目前水資源承載能力的定義還沒有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，大致可以將其歸納為兩種［1］，一種是從水資源承載客體出發(fā)的規(guī)模論，即現(xiàn)有的水資源可承載的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模［2］；另一種是從水資源承載主體出發(fā)的水資源支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展能力論［3－4］。

針對(duì)本次研究的重點(diǎn)，對(duì)水資源承載力做如此定義:“在一定水資源開發(fā)利用階段和經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，以流域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)相互協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，滿足生態(tài)需水的可利用水量能夠支撐的最大人口數(shù)量及社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)模?！痹诒敬纬休d力分析計(jì)算中，以遼寧省內(nèi)遼河流域各個(gè)城市為計(jì)算單元進(jìn)行分析計(jì)算，研究的基準(zhǔn)現(xiàn)狀年為2005年，近期規(guī)劃水平年為2020年，遠(yuǎn)期規(guī)劃水平年為2030年。

1 水資源量及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展指標(biāo)計(jì)算預(yù)測(cè)

1.1 水資源可利用量

根據(jù)遼河流域水資源緊缺及低溫期長(zhǎng)的特點(diǎn)，用修正的Tennant法計(jì)算了遼河流域的生態(tài)條件分別為“一般”和“好”時(shí)的河道內(nèi)生態(tài)需水量；并將此作為河道內(nèi)生態(tài)需水量的上限與下限，用倒扣法計(jì)算出相應(yīng)的地表水資源可利用量和水資源可利用總量的上限與下限，使其作為水資源可利用量的域值區(qū)間，即水資源可利用量的上限與下限，根據(jù)遼寧省遼河流域1965－2000年的水資源資料計(jì)算遼河流域各城市水資源可利用情況，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同生態(tài)需水情況下地表水資源可利用量和水資源可利用總量 萬m3

1.2 需水量社會(huì)發(fā)展預(yù)測(cè)

根據(jù)遼寧省水資源公報(bào)、遼河流域綜合規(guī)劃以及相關(guān)文獻(xiàn)資料［5］，并為了與《松遼流域水資源綜合規(guī)劃》數(shù)據(jù)一致，本文選取以2005年為現(xiàn)狀年，以2020年為近期水平年，2030年為遠(yuǎn)期水平年，對(duì)遼寧省遼河流域各城市的各需水項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（1）需水預(yù)測(cè)。需水預(yù)測(cè)及相關(guān)部分的用水戶采用“新口徑”劃分，分為生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境三大類，并按城鎮(zhèn)和農(nóng)村兩類分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。生活需水指城鎮(zhèn)居民生活用水和農(nóng)村生活用水；生產(chǎn)需水指經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的各類生產(chǎn)活動(dòng)所需的水量，包括第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)；生態(tài)環(huán)境需水在本次研究中指河道外需水，而河道內(nèi)生態(tài)需水量已經(jīng)在水資源可利用總量的計(jì)算中扣除［6－7］。

（2）耗水預(yù)測(cè)。用水消耗量（簡(jiǎn)稱耗水量）是指毛用水量在輸水、用水過程中消耗的水量。根據(jù)用水戶特性按工業(yè)、城鎮(zhèn)生活、農(nóng)民生活、農(nóng)田灌溉、生態(tài)環(huán)境，分別估算其在輸水、用水過程中通過蒸騰蒸發(fā)、土壤吸收、產(chǎn)品帶走、居民和牲畜飲用等多種途徑消耗掉，而不能回歸到地表水體或地下含水層的消耗水量。耗水率則是指耗水量與用水量的比值，用來反映一個(gè)國(guó)家或地區(qū)用水水平的重要特征指標(biāo)。根據(jù)遼河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平，預(yù)測(cè)各計(jì)算單元耗水量。

（3）人口預(yù)測(cè)。人口預(yù)測(cè)是指根據(jù)一定區(qū)域人口現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合人口歷史資料，探索人口發(fā)展變化規(guī)律，測(cè)算今后一定時(shí)期內(nèi)的人口狀況，為相關(guān)部門制定人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)政策和規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

（4）經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)。根據(jù)遼寧省各地市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的“第十一個(gè)五年規(guī)劃”綱要，為了保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展，對(duì)遼河流域的GDP進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（5）農(nóng)田有效灌溉面積預(yù)測(cè)。鑒于遼河流域是重要的商品糧基地，其農(nóng)業(yè)灌溉面積基本保持穩(wěn)定，為方便量化研究，對(duì)遼河流域各流域分區(qū)的有效灌溉面積進(jìn)行預(yù)測(cè)。

以《遼寧省水資源公報(bào)》（2005）、《遼河流域水資源綜合規(guī)劃》、《遼寧省水資源》等為基礎(chǔ)資料進(jìn)行以上數(shù)據(jù)的分析預(yù)測(cè)，得到遼寧省遼河流域各城市農(nóng)田單位面積的耗水量及值、各產(chǎn)業(yè)的單方耗水產(chǎn)值及生活耗水定額，如表2所示。

2 多目標(biāo)算法

2.1 基本理論

多目標(biāo)算法是從20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種決策分析方法，它是對(duì)單目標(biāo)規(guī)劃的補(bǔ)充和發(fā)展。目前主要求解方法有函數(shù)法，交互規(guī)劃法，分層求解法。

2.2 有關(guān)計(jì)算參數(shù)

本次研究用水戶采用“新口徑”劃分，分為生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境三大類，并按城鎮(zhèn)和農(nóng)村兩類分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

（1）生活需水指城鎮(zhèn)居民生活用水和農(nóng)村生活用水；

（2）生產(chǎn)需水指經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的各類生產(chǎn)活動(dòng)所需的水量，包括第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)；

（3）生態(tài)環(huán)境需水在本次研究中指河道外生態(tài)需水量，這是由于河道內(nèi)生態(tài)需水量已經(jīng)在水資源可利用總量的計(jì)算中扣除。

模型決策變量分為三個(gè)方面，經(jīng)濟(jì)方面的變量有農(nóng)業(yè)耗水量、工業(yè)耗水水量、第三產(chǎn)業(yè)耗水量、居民生活耗水量；糧食方面的變量有水田灌溉面積、旱田灌溉面積；人口方面的變量有農(nóng)村人口、城鎮(zhèn)人口。

2.3 承載力計(jì)算模型

2.3.1 目標(biāo)函數(shù) 目標(biāo)函數(shù)分為三個(gè)，分別為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（即GDP）、糧食產(chǎn)量以及人口。

（1）水資源承載的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值最大:

式中:i——計(jì)算單元；t——不同部門；GDP（i，t）——規(guī)劃年各計(jì)算單元各部門 GDP值；X（i，t）——規(guī)劃年各計(jì)算單元各部門的耗水量；V（i，t）——規(guī)劃年各計(jì)算單元各部門單方耗水產(chǎn)值。

（2）水資源承載的糧食產(chǎn)量最大:

式中:FOOD（i）——規(guī)劃年各計(jì)算單元的糧食產(chǎn)量。（3）水資源承載的人口最多

式中:poptown（i）——第i個(gè)計(jì)算單元的城鎮(zhèn)人口；popcoun（i）——第i個(gè)計(jì)算單元的農(nóng)村人口。

表2 各用水部門耗水計(jì)算指標(biāo)

2.3.2 約束方程 模型的約束方程有:

（1）水量平衡約束。

①耗水水量:

式中:XWH（i）——各行業(yè)的耗水量之和等于生產(chǎn)、生活、生態(tài)各方面的耗水之和；XWSC（i）——生產(chǎn)耗水量；XWSH（i）——生活耗水量；XWST（i）——生態(tài)耗水量。

生產(chǎn)耗水指工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及第三產(chǎn)業(yè)的耗水量。

式中:Xagr（i）——第i計(jì)算單元的農(nóng)業(yè)耗水IR（i，l）——第i計(jì)算單元第l種作物單位面積耗水量；Xindu（i，t）——第i 計(jì)算單元的工業(yè)耗水量；Li（i）——第i計(jì)算單元人口人均耗水量；Xagr（i）——農(nóng)業(yè)灌溉需水量，按照水田、水澆地兩分項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算。第一產(chǎn)業(yè)用水為農(nóng)業(yè)用水分為水田和水澆地，第二產(chǎn)業(yè)用水，分為一般工業(yè)、火（核），生態(tài)耗水指的是河道外的生態(tài)耗水量，根據(jù)《遼河流域水資源綜合規(guī)劃》中的規(guī)劃數(shù)據(jù)確定。

②可利用水量:

式中:XWK——利用水量；XWDB——地表 水水量；XWDX——地下水水量；XWHS——不可利用的洪水水量；XWST——河道內(nèi)生態(tài)需水量。

（2）供需平衡約束。

（3）灌溉面積約束。

即灌溉面積小于等于可灌溉面積。

3 水資源承載力計(jì)算

3.1 社會(huì)發(fā)展方案

本次遼寧省遼河流域各城市水資源承載力計(jì)算將分為3個(gè)方案進(jìn)行。

第一個(gè)方案為生態(tài)一般型，即考慮在流域內(nèi)河道生態(tài)環(huán)境功能為中等水平（生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較低，僅能維持生態(tài)完整性時(shí)的最小生態(tài)需水量）、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不變和各產(chǎn)業(yè)按目前的發(fā)展水平發(fā)展時(shí)的水資源承載力。

第二個(gè)方案為生態(tài)良好型，即考慮流域內(nèi)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境功能為良好水平（生態(tài)環(huán)境質(zhì)量達(dá)到適宜水平，生物種生長(zhǎng)最好，生殖最快，能夠維持生態(tài)良性循環(huán)時(shí)的適宜生態(tài)需水量）、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不變和各產(chǎn)業(yè)按目前的發(fā)展水平發(fā)展時(shí)的水資源承載力。

第三個(gè)方案為生態(tài)良好節(jié)水型，即在生態(tài)環(huán)境功能良好條件下考慮節(jié)水措施時(shí)的水資源承載力。此方案是在第二個(gè)方案生態(tài)保持良好的基礎(chǔ)上，有計(jì)劃、有目的的加大節(jié)水力度，在生產(chǎn)兩方面進(jìn)行全面節(jié)水建設(shè)。生產(chǎn)節(jié)水由農(nóng)業(yè)灌溉定額和萬元GDP耗水量?jī)蓚€(gè)因素控制。預(yù)計(jì)2020年用水定額在規(guī)劃值的基礎(chǔ)上灌溉用水定額在節(jié)水10%，生產(chǎn)節(jié)水5%；2030年的用水定額在流域規(guī)劃值的基礎(chǔ)上灌溉節(jié)水15%，生產(chǎn)節(jié)水8%。

由于目前遼寧省遼河流域水資源總體比較匱乏，供需矛盾日益突出，生態(tài)條件持續(xù)惡化，為了實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)發(fā)展，在本次研究中堅(jiān)持“生態(tài)用水優(yōu)先”的原則，同時(shí)根據(jù)短時(shí)期內(nèi)耕地面積和有效灌溉面積相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，在水資源可利用量發(fā)生嚴(yán)重不足的情況下，優(yōu)先考慮第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

水資源承載力的目標(biāo)涉及到人口、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多個(gè)系統(tǒng)，各個(gè)目標(biāo)存在激烈的競(jìng)爭(zhēng)，即一個(gè)目標(biāo)的增加往往是以其他目標(biāo)的減少為代價(jià)的。將各個(gè)目標(biāo)用相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)轉(zhuǎn)化成經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)，將多目標(biāo)優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)的優(yōu)化模型，且本模型中的變量之間都是線性的，因此通過MATLAB軟件編程對(duì)轉(zhuǎn)化后的單目標(biāo)線性模型進(jìn)行規(guī)劃求解，計(jì)算不同方案下現(xiàn)狀年和規(guī)劃水平年各城市的水資源承載力結(jié)果見表3－5。

從整體上看，如果遼河流域按照當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平進(jìn)一步發(fā)展，在考慮水資源承載力（相對(duì)極限值）的前提下，未來一段時(shí)間內(nèi)無論是人口還是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)均可承載。但各行政區(qū)情況有所不同，一些地區(qū)情況仍不容樂觀。采取不用的發(fā)展方案后，水資源的承載能力狀況如下。

表3 生態(tài)一般型方案承載結(jié)果

表4 生態(tài)良好型方案承載結(jié)果

表5 生態(tài)節(jié)水型方案承載結(jié)果

（1）方案一采用了保守發(fā)展的觀點(diǎn)，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等均按照現(xiàn)有的發(fā)展水平發(fā)展，河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水僅為中等水平。在這種情況下，現(xiàn)狀年2005年雖然從整個(gè)流域上看經(jīng)濟(jì)和人口是在水資源可承載的范圍內(nèi)，但細(xì)化到各行政區(qū)上情況卻有所不同，但大部分地區(qū)在人口和經(jīng)濟(jì)方法還是有較大的發(fā)展空間，例如:鐵嶺、撫順、阜新、丹東、錦州等。對(duì)于營(yíng)口和盤錦地區(qū)無論在人口上還是經(jīng)濟(jì)上都處于超載狀態(tài)，同時(shí)沈陽、鞍山地區(qū)人口還有一定發(fā)展空間但經(jīng)濟(jì)已經(jīng)超載，即現(xiàn)有的水資源量不能滿足他們的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。

規(guī)劃年2020年和2030年同樣存在這樣的情況，有所不同的是:從橫向上看，營(yíng)口地區(qū)人口在未來并不會(huì)超載，承載人口從2005年的17.76萬人提高到2020年的18.22萬人，到2030年16.91萬人。這是因?yàn)闋I(yíng)口通過節(jié)水改造工程，不斷加強(qiáng)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)，大力提高了水的利用效率，從而提高了該地區(qū)的水資源承載力；從縱向上看，遼河流域各行政區(qū)可以承載的GDP會(huì)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而不斷增加，而且增幅較大，從2005年可承載16217 .7億元到2020年為37000 .18億元，2030年為59572 .2億元；承載人口從整體上越來越少，這里的原因有二:一是因?yàn)殡S著東北老工業(yè)基地的不斷振興，這兩個(gè)地區(qū)的工業(yè)將迅速發(fā)展，用水量也隨之增多，同時(shí)生活用水定額也有所提高，導(dǎo)致水資源承載人口減少，二是因?yàn)樵谟?jì)算過程中優(yōu)先考慮了經(jīng)濟(jì)和生態(tài)。

（2）方案二著重改善了河道內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，使其達(dá)到良好的水平。該方案遼河流域河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量為252474 .82萬m3，比方案一多75637 .3萬m3，增加了42.77%。因此，在沒有采取節(jié)水措施，耗水不變的前提下，可利用水資源量隨之減少了11.30%，缺水量也隨之增加，但流域整體上水資源可利用量還是可以支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。同方案一，局部問題仍很嚴(yán)重，缺水地區(qū)缺水將更加嚴(yán)重，沈陽市在2020年便出現(xiàn)了缺水現(xiàn)象。

（3）方案三在保證生態(tài)環(huán)境功能良好條件的同時(shí)考慮了節(jié)水措施，水資源承載力有所提高。通過采取節(jié)水措施，遼寧省遼河流域2020年節(jié)水55076 .96萬m3，平均節(jié)水率為9.63%；2030年節(jié)水74346 萬m3，平均節(jié)水率為11.47%。將計(jì)算結(jié)果與表1的水資源可利用量相比較，上述兩個(gè)方案中缺水地區(qū)的缺水問題將得到緩解，未來2020年整個(gè)遼河流域?qū)⑹Ｓ嗨?88559 .73萬 m3，2030年將剩余169343 .15萬m3。但是，流域內(nèi)營(yíng)口、盤錦地區(qū)仍然缺水嚴(yán)重。通過采取節(jié)水措施，遼河流域承載經(jīng)濟(jì)水平無論從橫向上還是縱向上都有明顯的提高。

4 結(jié)論

本文計(jì)算了最小生態(tài)需水量和適宜生態(tài)需水量對(duì)應(yīng)的水資源可利用量的上限及下限，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算了“生態(tài)一般型”、“生態(tài)良好型”、“生態(tài)良好節(jié)水型”三種方案下水資源可承載的GDP、人口及糧食產(chǎn)量。計(jì)算結(jié)果表明遼河流域在三種方案下總體不論是經(jīng)濟(jì)還是人口整體上都可以承載，但現(xiàn)有的水資源不能滿足灌溉需水要求，不能承載流域內(nèi)所有可灌溉農(nóng)田按照定額計(jì)算的灌溉需水要求。三種方案下“生態(tài)一般型”方案承載的社會(huì)發(fā)展規(guī)模最大，但生態(tài)環(huán)境用水較少，只能保證生態(tài)環(huán)境不再繼續(xù)惡化；“生態(tài)良好型”方案因生態(tài)需水量相對(duì)較大，可利用的水資源量較少，所以可承載的社會(huì)發(fā)展規(guī)模相對(duì)較??；而“生態(tài)良好節(jié)水型”方案既保證足夠的生態(tài)環(huán)境用水，又因采取了更強(qiáng)有力的節(jié)水措施，所以可承載的社會(huì)發(fā)展規(guī)模大于第二種方案。所以對(duì)三種方案進(jìn)行比較，“生態(tài)良好節(jié)水型”方案所取得的結(jié)果是最好的，既滿足生態(tài)環(huán)境的需水要求，又能保證水資源不成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)充分發(fā)展的制約因素。本模型在計(jì)算過程中僅考慮了水資源可利用量的承載力，而沒有考慮水質(zhì)及水環(huán)境對(duì)承載力的影響，因此還需要以后進(jìn)一步研究。

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