基于生態的大功引黃灌區水資源承載力分析

張修宇　杜雪芳　徐建新　張正欽

摘要：灌區水資源承載力受氣溫、降雨、蒸發、種植結構、經濟社會發展等多種因素影響。從生態灌區的概念入手，在全面剖析生態灌區“經濟社會一水資源一生態環境”復合系統的基礎上，構建基于生態的灌區水資源承載力計算模型（ PSO-COIM），并以河南省大功引黃灌區為例，采用系統分析法計算灌區水資源承載力，系統分析灌區水資源可承載狀況。不考慮外調水時，大功引黃灌區水資源承載力屬于超載或嚴重超載狀態;考慮外調水時，灌區各縣的水資源承載力指數都有所增大，封丘、長垣為可承栽狀態，其他3縣為超載狀態。對于生態灌區建設，除了應提高引黃供水保證率外，還應加大對灌區雨洪資源的利用和中水回用，最大限度地利用洪澇水資源，實現灌區水資源的可持續利用。

關鍵詞：生態灌區;水資源承載力;PSO-COIM模型;大功引黃灌區

中圖分類號：TV213.9

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.011

黃河下游引黃灌區涉及河南省和山東省的17個市86個縣（區），近年來黃河水資源總量不足而需求量不斷增加，致使引黃灌區的可持續發展受到嚴重影響，建設生態灌區勢在必行。生態灌區是以生態文明建設和經濟社會協調發展為基礎的復合生態系統[1-3]。建設生態灌區的目的是為了優化農業生產結構、改善人居環境質量和修復脆弱的生態系統，使灌區生態系統持續健康發展。目前，引黃灌區存在著水環境惡化、水資源緊缺、水污染嚴重等一系列問題。灌區水資源承載力降低意味著水資源可利用量減少，而生態灌區的建設可以恢復灌區的生態系統并形成良性循環。

水資源承載力的概念最先由新疆水資源軟科學課題研究組于1989年提出[4]，之后國內外學者對其進行了大量研究，并取得了一系列成果。如Hoekstra等[5]提出用生態足跡模擬法計算水資源承載力：夏軍等[6]提出水資源承載力是水資源安全的基本度量和維持最大經濟社會規模的有限發展目標：王浩等[7]討論了水資源承載力的特性及主要影響因素，并定量給出了研究區域的水資源承載力規模：左其亭[8]從水系統分析的角度出發，提出了一種“基于模擬和優化的控制目標反推模型”方法，通過控制目標反推出“最大經濟社會規模”，即水資源承載力;高瑞忠等[9]應用模糊綜合評價法，分析影響水資源承載力的因素，并對研究區水資源承載力進行了評估和預測：筆者也曾針對氣候變化下流域水資源動態承載力開展研究[10]。然而，目前針對生態灌區的水資源承載力研究相對較少，在生態文明建設的進程中，如何建設好生態灌區顯得尤為重要。開展生態灌區水資源承載力研究對于優化灌區水資源利用、促進灌區農業可持續發展具有重要意義。

1 生態灌區水資源承載力理論與計算方法

1.1 生態灌區水資源承載力概念

生態灌區是一個具有社會性質的開放性生態系統，依賴于自然環境提供的光、熱、土壤資源以及人工選擇的作物和種植作物的比例，是一個半人工復合生態系統。生態灌區水資源承載力是指基于變化環境和人類活動的影響，在特定時期的不同時間段中，灌區水資源系統能夠維系生態系統良性循環并支撐最大經濟社會發展規模的能力。水資源承載力是水資源安全的基本度量，是衡量區域可持續發展的重要指標。科學評估灌區水資源承載力可以更好地認識水資源系統在灌區經濟社會發展中的支撐作用，有助于了解人口、資源和生態環境的關系，促進灌區水資源的可持續發展和良性循環。

1.2 生態灌區水資源承載力內涵

生態灌區“經濟社會一水資源一生態環境”復合系統由農業生態系統、溝渠與河湖生態系統和林草生態系統組成，其中：農業生態系統主要通過優化灌區作物生產方式及生產結構，提升產品質量，同時進行氣候調節、土壤保持、水分與養分循環及貯存，使人民生活質量得到改善;溝渠與河湖生態系統主要由輸水、儲水、排水3部分組成，其作用是使灌區內外水系相通，水質得到凈化;林草生態系統主要由灌木、喬木、草地、動植物要素組成，主要承擔涵養水源、調節氣候、土壤保持的功能。該復合系統的一般組成結構及相互關系如圖1所示。在復合系統中，經濟社會、水資源、生態環境之間相互聯系、相互協調、密不可分，構成有機的整體。經濟社會發展中所需的生態環境資源由水資源系統和生態環境系統提供，水資源系統對經濟社會系統和生態環境系統起著支撐作用。經濟社會系統對水資源系統和生態環境系統具有雙重作用：一方面通過消耗資源、排放污染，使水資源和生態環境遭受破壞，降低其承載力：另一方面通過社會的快速發展，不斷產生許多治理環境污染的技術與措施，對水資源和生態環境進行一定程度的恢復補償，從而提高其承載力。這個復合生態系統中的所有生命元素都依水而生，對水資源的量變和質變非常敏感，因此水資源不僅是農業生產的重要資源，而且是生態環境的重要控制因素[11]。

1.3 生態灌區水資源承載力計算方法

目前常用的水資源承載力評價方法有經驗公式法、綜合評價法和系統分析法[12-15]。其中：經驗公式法是通過量綱原理推導總結得到的公式，一般來源于生產實踐，特點是計算簡單、便于推廣應用，但是對資源與經濟社會之間的聯系考慮較少：綜合評價法是利用單一指標或多指標反映區域水資源狀況或閾值的評價方法，基本思路是通過選定的指標和評價標準進行計算，然后根據計算值進行承載力綜合評價，缺點是指標選擇難以統一、評價標準難以確定;系統分析法綜合考慮水資源承載力的主體和客體，分析方法主要包含系統動力學法、優化模型法和控制目標反推模型法，優點是考慮了“經濟社會一水資源一生態環境”的復雜性和系統性，不足是計算方法復雜、過程繁瑣、難以推廣應用，水資源系統模擬和建模存在不足，納入統一模型比較困難。

針對不同的研究領域和具體的目標要求，每種評價方法都有其適用范圍，限于對水資源承載力的理解不同，不同的評價方法也存在相應的局限性。本文采用“基于預測一模擬一優化的控制目標反推模型（PSO -COIM）”法[10]，綜合考慮經濟社會、生活、生產和生態的影響，通過構建模型計算灌區的水資源可承載力。

1.3.1 模型構建

PSO-COIM模型表達式[10]為

1.3.2 模型求解步驟

基于生態的水資源承載力量化模型是一個復雜的非線性優化模型，直接求解很困難，可以通過兩種途徑來求解：一種是用數值迭代法逐步求解近似最優解：另一種是使用計算機模擬技術，分方案搜索，找到近似最優解。采用數值迭代法求解的步驟如下。

（1）按照承載力量化模型的參數條件，對已知參數賦值。對于現狀水平年，采用實際數據;對于規劃水平年，則采用現有的規劃數據或對歷史資料計算分析后預測的數據。

2 實例分析

2.1 灌區概況

大功引黃灌區位于河南省黃河以北的豫北平原，分屬于黃河流域和海河流域，包括新鄉市的封丘、長垣，安陽市的滑縣、內黃及鶴壁市的浚縣，總面積2 442km，設計灌溉面積18.9萬hm。降水年際變化較大，年內分配不均，多年平均降水量610 mm，汛期降水量占全年的60%左右，其中：7月降水量占全年降水量的30%，1月降水量僅占全年降水量的0.7%。

2.2 計算結果

選取河南省水資源公報及相關各縣（區）水資源數據資料，以2015年作為現狀年。首先對大功灌區各行政區域水資源供需狀況進行分析，灌區需水包括工業需水、農業需水、林牧漁業需水、城鎮生活需水、農村生活需水、生態環境需水6個方面，供水分有外調水（引黃水）和無外調水2種情況。不考慮外調水時，水資源供需情況見表2：考慮外調水時，水資源供需情況見表3。

由表2、表3可以看出，5個縣的農業需水占比最大，林牧漁業需水和生態環境需水較少，地下水的供水量遠大于地表水的。根據上述水資源承載力計算方法，對大功灌區水資源承載力進行計算，結果見圖2。

大功引黃灌區不考慮外調水時，封丘、長垣的水資源承載力指數分別為0.74、0.63，屬于超載;滑縣、內黃、浚縣的水資源承載力指數分別為0.50、0.46、0.42，屬于嚴重超載。考慮外調水（引黃水）后各縣的水資源承載力指數都有所增大，其中：封丘、長垣水資源承載力指數分別為1.08、1.11，達到可承載等級;滑縣、內黃、浚縣分別為0.64、0.56、0.47，仍處于超載狀態。各行政區為滿足工業、農業、生活、生產和生態需水，存在超采淺層地下水的情況，部分地區甚至對深層地下水進行開采，導致地下水漏斗不斷擴大。根據2015年河南省水資源公報，截至2015年底，河南省平原區淺層地下水漏斗區總面積為8 480 km，其中安陽一鶴壁一濮陽漏斗區面積為7 300 km，漏斗中心水位埋深為43.07 m，與本文對研究區現狀年水資源承載力分析結果是吻合的。

3 結語

本文基于生態灌區內涵，以大功引黃灌區為例，采用PSO-COIM法對灌區水資源承載力進行分析。鑒于研究內容涉及水文、生態、經濟等多個學科和問題的復雜性，本文采用了簡化方法求解模型，即采用數值迭代法逐步求解近似最優解來確定水資源的承載力。今后應繼續加強模型求解方面的研究工作，以提高計算結果的準確性，使研究結論更加符合實際：也可以考慮采用多種水資源承載力計算方法進行對比，從而得出更為合理的結果。對于生態灌區建設，除了應提高供水保證率外，還應加大對灌區雨洪資源的利用和中水回用，最大限度地實現生態灌區的可持續發展目標。

參考文獻：

[l]楊培嶺，李云開，曾向輝，等，生態灌區建設的理論基礎及其支撐技術體系研究[J].中國水利，2009（ 14）：32-35.

[2] 張修宇，徐建新，雷宏軍，等.鄭州市城市生態環境需水量計算[J].人民黃河，2008，30（1）：42-43.

[3] 彭世彰，紀仁婧，楊士紅，等，節水型生態灌區建設與展望[J].水利水電科技進展，2014，34（1）：1-7.

[4] 新疆水資源軟科學課題研究組，新疆水資源及其承載力和開發戰略對策[J].水利水電技術，1989（6）：2-9.

[5]

HOEKSTRA A Y，CHAPACAIN A K.Virtual Water Trade：A Quantification of Virtual Water Flows Between Nations inRelation to Intemational Crop Trade[J].Journal of OrganicChemistry， 2003， 11（7）：835 - 855.

[6]夏軍，朱一中，水資源安全的度量：水資源承載力的研究與挑戰[J].自然資源學報，2002，17（3）：262-269.

[7] 王浩，秦大庸，王建華，等，西北內陸干旱區水資源承載能力研究[J].自然資源學報，2004，19（2）：151-159.

[8]左其亭，水資源承載力研究方法總結與再思考[J].水利水電科技進展，2017，37（3）：1-6.

[9] 高瑞忠，李和平，佟長福，等，基于非參數方法的鄂爾多斯市水資源承載力分析[J].水電能源科學，2010，28（12）：16-18.

[10] 張修宇，氣候變化下水資源動態承載力計算方法及應用研究[D].鄭州：鄭州大學，2015：15-32.

[11] 陳南祥，屈吉鴻，灌區地下水承載力評價理論與實踐[M].北京：科學出版社，2012：15-31.

[12] 姚治君，王建華，江東，等，區域水資源承載力的研究進展及其理論探析[J].水科學進展，2002，13（1）：111-115.

[13] 王志良，李楠楠，張先起，等，基于集對分析的區域水資源承載力評價[J].人民黃河，2011，33（4）：40-42.

[14]

WANC Changhai， HOU Yilei， XUE Yongji. Water ResourcesCarrying Capacity of Wetlands in Beijing： Analysis of PolicyOptimization for Urban Wetland Water Resources Management[J]. Journal of aeaner Production，2017，161：1180-1191.

[15]左其亭，張修宇，氣候變化下水資源動態承載力研究[J].水利學報，2015，46（4）：387-395.

【責任編輯張華興】