基于“量-質-域-流”四維指標體系的水資源荷載狀況評價
——以黑河流域三地市為例

周云哲，粟曉玲，周正弘

(西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

水是生命之源，生態之基，生產之要[1]。20世紀以來，人類社會經濟發展，需水量增加導致嚴重的水供需矛盾，許多地區水資源開發利用超過了水資源的承載能力，危及自然、社會經濟系統正常運轉，引發水資源短缺、水質惡化、水域生態退化、河道斷流等問題，嚴重地阻礙了社會經濟的可持續發展，因此，區域水資源承載狀況評價對地區社會經濟系統和生態系統協調發展具有重要意義。

黑河流域內有35條小支流，隨著用水不斷增加，部分支流逐步與干流失去地表水聯系，上游出山口多年平均徑流量為24.75億m3，，其中干流鶯落峽站為16.19億m3，梨園河梨園堡站2.37億m3，其他沿山支流6.58億m3。黑河流域中游地區用水量占總用水量的90%以上，農業是用水主體，大規模水土資源開發和經濟社會的快速發展，導致流域生態環境體系不斷惡化，水安全問題日益突出，黑河中游張掖、酒泉兩市和下游阿拉善盟水資源供需矛盾日益緊張，社會經濟發展用水嚴重擠占了生態環境用水，出現生態退化、水域面積萎縮，河流斷流等情況。水資源的過度開發利用導致用水負荷大于承載能力，荷載狀況呈超載狀態。黑河中游張掖和酒泉兩市的社會經濟發展用水導致下游阿拉善盟額濟納旗河段生態環境不斷惡化，產生的負面影響越來越大，特別是20世紀90年代下游尾閭湖居延海曾出現干涸見底的情況，引起社會各界高度關注。近十年來，黑河流域通過全流域綜合治理，以及“九七”分水方案的落實，雖然下游河段和居延海恢復了部分水域，但中下游地區水資源荷載狀況仍是用水負荷嚴重大于水資源承載能力，呈現嚴重超載狀態。水資源荷載嚴重失衡問題是制約中下游地區發展的重要因素之一，因此從負荷和承載能力兩方面開展黑河流域中下游水資源荷載狀況評價，事關該地區社會、經濟、環境生態的協調發展和人民生活水平的提高，研究內容可為區域水資源合理利用及生態環境建設提供依據。

國外對水資源承載力的研究通常與可持續發展理論相結合。Harris等[2]計算了農業水資源承載力；Rijsberman等[3]指出可持續發展過程中，承載力對保障水安全起到重要作用；Koop[4]依據27個國家45個直轄市的實測數據，從氣候變化、城市化進程、水環境污染方面構建水資源承載能力評價指標體系，并指出該指標體系具有國家之間的適用性。

國內關于水資源承載力的研究可以分為三類。第一類：從水資源承載客體出發，分析一定時空范圍內水資源系統所能承載的人口和經濟總量。王浩等[5]針對內陸干旱區生態環境脆弱的特點，探討了水資源承載力的主要研究內容、特性和影響因素，分析計算了西北重點地區水資源的承載規模。謝高地等[6]在定義水資源承載能力的基礎上，估算了我國水資源人口承載力、水資源對居民生活、工業和農業的承載力、水資源環境承載力及水資源超載率。王建華等[7]從水資源、社會經濟、水生態、水環境綜合角度，基于“量、質、域、流”四大方面構建水資源承載力評價指標體系，以承載人口數量為水資源承載力度量標準，對天津市2015年水資源承載狀況進行評價。第二類：從水資源承載主體和客體出發，在研究區域中設置不同的經濟社會用水情景與發展方案，通過仿真模擬等手段分析水資源系統的承載能力能否滿足用水負荷。何仁偉等[8]建立貴州省畢節市水資源承載力系統動力學模型，進行動態模擬和調試，對五種用水調控方案進行評價并做出對比分析。第三類：在構建水資源承載力評價指標體系基礎上，對現狀年進行綜合評價。金菊良等[9]建立了基于熵和改進的模糊層次分析法的水資源可持續利用綜合評價模型，以計算綜合評分的方式評價漢中盆地水資源可持續利用和承載狀況。袁偉[10]和周亮廣等[11]建立水資源承載能力的評價指標體系，采用主成分分析法獲得水資源承載能力的主要驅動因子，計算水資源承載能力綜合評分。宰松梅等[12]基于支持向量機理論，以水資源承載力指數的形式反映1995-2008年新鄉市水資源承載狀況。

目前關于水資源承載力的研究未能形成一個標準的理論體系，但是總體來看，水資源承載力的研究越來越趨向于具體化、多維化。鑒于以往研究大多是基于水資源子系統、經濟社會子系統和生態環境子系統進行水資源承載力評價，很少從水資源系統荷載均衡的角度進行分析，以往的綜合評價僅僅給出評價地區的分數序列，并沒有從水資源承載負荷和承載能力分析地區荷載均衡狀況，沒有對地區水資源荷載均衡狀況進行詳細的診斷，造成評價結果不完善。針對這一問題，本文從水資源系統結構的負荷需求和承載能力角度出發，構建“量-質-域-流”四個維度的水資源荷載均衡評價指標體系，采用指標規范化的正態云模型，對黑河流域張掖市、酒泉市、阿拉善盟2015年水資源荷載狀況進行評價。

1 “量-質-域-流”四維水資源荷載均衡評價指標體系構建

1.1 水資源荷載系統

水資源荷載系統由承載主體與負荷客體組成。水資源承載主體主要由區域水資源的自然稟賦條件、入境水量、自產水資源的可供水量組成。水資源負荷客體主要由社會經濟系統和生態環境系統組成，是水資源的消耗過程。

1.2 水資源荷載系統表征指標

將評價指標分為負荷指標和承載能力指標兩類。負荷指標包括對地區水資源荷載系統有增大負荷和削弱承載能力作用的指標；承載能力指標包括對地區水資源荷載系統有卸載負荷和增強承載能力作用的指標?？紤]水資源、社會經濟發展、水生態、水環境等方面，從水量、水質、水域、水流四個維度構建水資源承載狀況評價指標體系。以數據可獲得性、代表性、科學性和整體性為指標選取原則。

水量維度上考慮地區水資源自然稟賦條件和社會經濟發展用水水平，選取人均水資源量、產水模數、干旱指數、灌溉水利用系數、萬元工業增加值用水量、人均日生活用水量、缺水率和地表水損耗系數8個指標。萬元工業增加值用水量、人均日生活用水量反映地區社會經濟系統的用水水平，缺水率反映了地區水資源供需矛盾程度，地表水損耗系數表示地區供水過程中的損耗程度，上述4個指標定為負荷指標；人均水資源量、產水模數及干旱指數表征地區的水資源自然稟賦情況，灌溉水利用系數表征灌溉水有效利用程度，以上4個指標定為承載能力指標。

水質維度上考慮河湖主要污染物濃度和污水處理水平，選取河道化學需氧量(COD)濃度、氨氮濃度、優良水質河長比例、污水處理達標率4個指標。COD濃度和氨氮濃度指標反映了社會經濟系統的排污狀況，定為負荷指標；優良河長比例和污水處理達標率均反映了污水處理系統運行狀態，對水資源承載系統有增強承載能力的作用，定為承載能力指標。

水域維度上考慮地區水資源利用程度、森林植被覆蓋程度和地下水開采狀況，選取水資源開發利用率、森林覆蓋率和地下水開采系數3個指標。水資源開發利用率體現地區水資源開發利用程度，國際上通常認為對一條河流的開發利用不能超過其水資源量的40%，否則就會擠占生態流量，使河道環境自凈能力銳減，因此將其定為負荷指標；森林覆蓋率的提高對水土保持和荒漠化防治有積極的作用，可提升地區水資源承載能力，因此定為承載能力指標；地下水開采率是地下水開采量與地下水可開采量的比值，反映地下水的開采程度，定為負荷指標。

水流維度上考慮地區河湖連通性和生態環境方面的供需平衡，選取生態環境缺水率、生態環境補水比例、河網密度3個指標。生態環境缺水率表征地區生態用水與生態需水之間的矛盾，體現了地區生態需水的不滿足程度，為負荷指標；生態環境補水比例反映地區對生態文明建設的重視程度，其值增加對水資源承載能力有提升作用，定為承載指標；河網密度表征地區水系連通發達程度，水系連通越發達，抵抗水旱災害的能力越強，水體自凈能力越強，定為承載能力指標?！傲?質-域-流”四維水資源配置方案評價體系見表1。

2 評價方法

采用熵權法賦權，以正態云模型為主體，通過規范變換函數對指標等級閾值進行變換[13]，利用規范變換后的評價標準對水資源配置方案的承載狀況進行評價，評價流程見圖1。

表1 “量-質-域-流”四維水資源承載狀況評價指標體系

注:Ⅰ～Ⅴ等級順序為從優至差，“#”表示負荷指標，“*”表示承載能力指標。

Note: The Ⅰ～Ⅴ orders of rank is from good to bad. “#” is load index, “*” is carrying capacity index.

2.1 確定評價指標權重

熵權法作為一種客觀確定權重的方法，有效地反映指標數據隱含信息，具有權重客觀性和可操作性，廣泛應用于土地利用評價[14]、水質評價[15]、電力系統評價[16]等研究。熵權法原理與計算方法參見文獻[13]。

2.2 基于規范變換的正態云模型評價

云模型是李德毅院士于20世紀90年代提出一種基于模糊數學和概率論的不確定分析方法[17]。云模型兼顧隨機性和模糊性，實現了由定量指標向定性評價的轉換，克服傳統評價方法在考慮模糊性和隨機性方面的不足。正態云模型是云模型的一類，在土地利用評價[18]、大壩安全評價[19]、電能質量評價[20]、生態風險綜合評價[21]、地震災害風險綜合評價[22]等領域廣泛應用。

圖1 評價過程流程圖Fig.1 Flow chart of evaluation process

在正態云模型評價過程中，由于評價指標體系中各指標的量綱不同，數量級差異較大，每個指標對應的正態云模型超熵值He差別很大，不能規范統一地體現不確定性。針對這一問題，本文引入李祚泳等[23]提出的指標規范值，適當設定水資源承載狀況評價體系中各指標“參照值”和規范變換函數，使規范變換后的等級標準特征與變換前的等級標準特征基本一致。采用規范后的評價指標體系進行正態云模型評價，可以統一超熵值He，使評價過程更加一致、規范[13]。經過反復試算，各指標具體的規范函數確定如下：

(1)對于正向指標C1、C17、C18采用變換函數：

(1)

(2)對于正向指標C2、C4、C15采用變換函數：

(2)

(3)對于正向指標C11、C12采用變換函數：

(3)

(4)對于逆向指標C3、C6、C7、C16采用變換函數：

(4)

(5)對于逆向指標C5、C7、C8、C9、C10、C13采用變換函數：

(5)

(6)對于逆向指標C8采用變換函數：

(6)

(7)對于逆向指標C14采用變換函數：

(7)

式中，變換函數中ci0是對指標ci設定的“參照值”，xik是通過變換函數得到評價體系中第i個指標第k個(k=1，2，3，4，5)等級標準閾值的規范變換值。

規范后的評價指標體系見表2。

基于規范變換的正態云模型確定各負荷指標評分fi和各承載能力指標評分Pj以及綜合評分的方法過程參見文獻[13]。

2.3 計算負荷評分和承載能力評分

為了直觀描述水資源配置方案的“量-質-域-流”四維水資源荷載均衡狀況，根據得到的各指標評分計算“量-質-域-流”四個維度上的負荷評分F和承載能力評分P：

(8)

(9)

式中，wi為各負荷指標權重；fi為各負荷指標評分；wj為各承載能力指標權重；pj為各承載能力指標評分；m為負荷指標個數；n為承載能力指標個數。

表2 規范變換后的評價指標體系

將地區承載能力評分與負荷評分構成坐標系，坐標系中分出高負荷-高承載能力區、高負荷-低承載能力區、低負荷-低承載能力區、低負荷-高承載能力區四個象限，見圖2。

圖2 承載能力評分與負荷評分二維坐標圖Fig.2 The two-dimensional coordinates of loadingscore and carrying capacity score

將“量-質-域-流”四維水資源負荷評分與承載能力評分繪制在圖中，對2015年黑河流域中下游兩市一盟在四個維度上的荷載狀況進行診斷分析。

3 黑河流域中下游水資源荷載狀況評價

3.1 研究區概況

黑河是我國第二大內陸河，發源于青海祁連山，流經青海、甘肅、內蒙古三省區，流域屬于典型大陸性氣候，干旱少雨，流域面積14.29萬km2。鶯落峽斷面為黑河上、中游分界點，上游主要為產水區，鶯落峽斷面至正義峽斷面為黑河中游，行政區主要有張掖市和酒泉市。張掖市是古絲綢之路要地，農牧業發達，是甘肅省糧食基地，戰略地位十分重要。酒泉市擁有全國重要的石油化工基地與航天基地，也是甘肅省重要的灌溉農業區。正義峽斷面以下為黑河下游，行政區為阿拉善盟，地處亞洲大陸腹地，干旱少雨，風大沙多，沙漠戈壁橫貫全境，地表水資源短缺且分布不均，主要集中于額濟納旗，占全盟的87%。

建國以來黑河流域中游地區大規模水土資源開發和經濟社會的高速發展增大了用水負荷，導致下游阿拉善盟入境水量大幅減少，出現河湖干涸、林草面積萎縮、地下水位下降等生態問題。“九七”分水方案實施后下游地區生態有所好轉，但水資源短缺依然是制約流域發展的“瓶頸”。

3.2 數據來源

本文選取2015年黑河流域中下游張掖市、酒泉市和阿拉善盟作為評價區域，數據主要來源于以下方面：(1)公開數據為2015年甘肅省水資源公報、兩市一盟2015年統計年鑒、環境狀況公報及國民經濟和社會發展統計公報。(2)走訪調查：走訪黃河水利委員會，獲得2015年黑河流域數據報表等資料。

3.3 評價結果

基于規范變換后的評價指標體系，超熵He統一取值為0.005，計算過程由MATLAB軟件編寫模型運行程序，2015年張掖市、酒泉市、阿拉善盟三地市各指標數據、權重及指標評價分數結果見表3。

3.4 評價結果分析

從表3的綜合評分可以看出，張掖市、酒泉市和阿拉善盟2015年水資源荷載狀況評分分別為3.697、3.657、3.901，均為Ⅳ級，處于高負荷-低承載能力區間，阿拉善盟水資源荷載狀況劣于張掖和酒泉兩市。

從表3準則層指標評分可以看出，水量維度上，張掖、酒泉和阿拉善盟評分均處于Ⅳ級。從表4承載能力評分看，張掖市和酒泉市的水量承載能力優于阿拉善盟，主要原因是自然氣候和水資源稟賦條件較好。三地市氣候干旱，干旱指數常年在10以上，其中阿拉善盟干旱指數常年在18以上，降水量少，蒸發量大，地均水資源量極少。從負荷評分(表4)看，張掖市的水量負荷壓力高于酒泉市和阿拉善盟。張掖市缺水率高于酒泉市和阿拉善盟，水量負荷壓力來自農業灌溉用水、工業用水和城鄉居民用水，并且為保障黑河下游生態系統健康需要嚴格遵循分水方案，控制正義峽下泄水量以達到分水要求。地均水資源較少、灌溉水利用系數較低、缺水率較高是三地市水量維度上的問題所在。三地市水量維度荷載均衡狀況為高負荷-低承載能力(圖3)。

水質維度上，張掖、酒泉和阿拉善盟評分均處于Ⅱ級(表3)。從承載能力評分(表4)看，三地市污水處理能力正常，各監測斷面水質狀況均達到Ⅰ級或Ⅱ級標準。從負荷評分(表4)看，阿拉善盟水質負荷高于張掖市和酒泉市，主要是因為阿拉善盟處于下游，來水量少，河流自凈能力低于上中游。三地市水質維度荷載均衡狀況均為低負荷-高承載能力(圖3)。

分別計算張掖市、酒泉市和阿拉善盟的負荷評分與承載能力評分，結果見表4。

表3 2015年張掖市、酒泉市、阿拉善盟指標數據、權重及評價分數

根據表4結果，將張掖市、酒泉市、阿拉善盟在“量-質-域-流”四維水資源負荷評分與承載能力評分繪制在二維圖中，對三地市2015年水資源在四個維度上的荷載狀況進行診斷分析，如圖3。

表4“量-質-域-流”四維負荷評分與承載能力評分結果

Table4Theevaluationscoresofloadingscoreandcarryingcapacityscorebasedonthefour
dimensionalindexessystem,quantity-quality-watershed-flow

地區Prefecture負荷評分 Load score量Quantity質Quality域Watershed流Flow總負荷Total loading承載能力評分 Carrying capacity score量Quantity質Quality域Watershed流Flow總承載能力Total carryingcapacity張掖 Zhangye3.503(Ⅳ)1.988(Ⅱ)4.661(Ⅴ)4.656(Ⅴ)3.684(Ⅳ)3.819(Ⅳ)1.927(Ⅱ)4.574(Ⅴ)4.916(Ⅴ)3.710(Ⅳ)酒泉 Jiuquan3.398(Ⅲ)1.684(Ⅱ)4.063(Ⅳ)5.000(Ⅴ)3.464(Ⅲ)3.891(Ⅳ)1.952(Ⅱ)5.000(Ⅴ)4.553(Ⅴ)3.839(Ⅳ)阿拉善盟 Alxa3.272(Ⅲ)2.253(Ⅱ)5.000(Ⅴ)5.000(Ⅴ)3.791(Ⅳ)4.201(Ⅳ)1.809(Ⅱ)5.000(Ⅴ)4.851(Ⅴ)4.001(Ⅳ)

圖3 “量-質-域-流”四維負荷評分與承載能力評分二維分布Fig.3 The two-dimensional coordinates of loading score and carrying capacity score based onthe four dimensional indexes system, quantity-quality-watershed-flow

水域維度上，張掖和阿拉善盟評分均處于Ⅴ級，酒泉評分處于Ⅳ級(表3)。從承載能力評分(表4)看，三地市森林覆蓋率較低，均處于Ⅴ級。從負荷評分看(表4)，三地市水資源開發利用率較高，超出了國際上普遍認為的40%上限。張掖和阿拉善盟的水資源開發利用率高于酒泉市，阿拉善盟的水資源開發利用率高達96%，嚴重地擠占了生態水域，危及生態系統。三地市普遍存在地下水超采問題，存在私自開鑿取水井的現象。三地市水資源系統水域荷載均衡狀況為高負荷-低承載能力(圖3)。

水流維度上，張掖、酒泉和阿拉善盟評分均處于Ⅴ級(表3)。從承載能力評分(表4)看，三地市生態補水不足，河網密度低，河湖連通性差，部分興建的水利工程阻斷了河道徑流的連續性，造成水利工程斷面以下徑流減少，河道生態環境惡化。從負荷評分(表4)看，三地市生態缺水量大，生態用水被大量擠占。河網連通性差，生態環境補水無法滿足生態需水，這樣的水流狀態是不健康的，無法抵御水旱災害，嚴重時會威脅到地區社會經濟的發展。三地市水資源系統水流荷載均衡狀況均為高負荷-低承載能力(圖3)。

4 結 論

在總結水資源承載力的研究發展基礎上，本文討論了水資源承載系統的結構組成和表征指標，借鑒了工程力學的荷載概念，從水資源承載系統的負荷與承載能力角度出發，構建“量-質-域-流”四維水資源荷載狀況評價指標體系。利用指標規范化的正態云模型對2015年黑河流域張掖市、酒泉市和阿拉善盟三地市水資源荷載狀況進行評價，并對三地市水資源負荷和承載能力分別做出診斷分析。

評價結果表明，張掖市、酒泉市和阿拉善盟2015年水資源荷載狀況均為Ⅳ級，處于高負荷-低承載能力區間，阿拉善盟水資源荷載狀況劣于張掖和酒泉兩市。水量方面，由于水資源量短缺，三地用水量大，水資源供需矛盾突出，處于高負荷-低承載能力區間；水質方面，由于三地污染負荷低，水體

自凈能力不高，因此處于高負荷-低承載能力區間，但下游的阿拉善盟的水質評分劣于張掖、酒泉兩市，主要是由于下游河道水量較少，來自上游的污染物累加導致下游水質較差；水域和水流方面，三地均處于高負荷-低承載能力區間，主要是由于水資源開發利用率過高、農業用水擠占生態用水等原因。需要采取調控手段在水量、水域、水流等方面進行“增強承載”和“卸荷”，例如實施節水農業措施,提高污水處理水平，提高河、湖、濕地保留力度、荒漠化防治等。

目前關于水資源承載系統評價的指標選取和方法尚未形成統一標準，水資源荷載系統不均衡的問題在不同流域有不同的特征，需要進一步完善評價指標體系，探索更加符合水資源荷載系統特點的評價模型。