可持續發展視角下基于水量供需平衡的水資源承載力分析
——以青海省大通縣為例

張晨光，文 章*，龔 健，陳 晨，薛佩佩

(1.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430078；>2.中國地質大學(武漢)公共管理學院，湖北 武漢 430074)

水是地區經濟建設和社會發展的重要自然資源和物質基礎。在全球變暖和城市快速擴張的大背景下，我國北方地區水資源短缺、水環境污染等問題日益嚴重[1-2]，區域水資源承載力已經接近極限，水資源逐漸成為地區可持續發展的首要制約因素[3-4]。隨著我國“一帶一路”建設和新一輪西部大開發戰略的實施，青海省西寧市作為蘭西城市群和大西寧都市圈的戰略重心，未來人口匯入和城市發展都離不開優質的水源。大通縣作為本縣和西寧市重要的供水水源地，承擔西寧市總供水量60%的供水任務，有“西寧水塔”之稱。對大通縣水資源可持續利用能力及承載力進行分析評價，不僅能更好地支撐面向國土空間規劃的“雙評價”研究，對大通縣水資源開發利用和分配、產業結構布局調整也具有現實意義。

1798年，Malthus[6]首次將承載力這一概念引入到資源與環境領域，隨后Park等[7]依照土地資源承載力，提出了資源與環境承載力(RECC)的最終概念。水資源承載力(WRCC)作為RECC的重要組成部分，被應用于城市規劃和農業生產管理等學科，是可持續發展的重要因素，但鮮有研究單獨關注該方面的內容[8-9]。20世紀80年代，施雅鳳等[10]提出有必要在我國開展水資源承載力評價。隨著研究的不斷深入，前期學者基于不同尺度，以水資源最大承載人口、最大開發規模為目標，采取常規趨勢法、模糊分析法、主成分分析法、綜合評價法、生態足跡法、系統動力學法等方法對不同地區的水資源承載力進行了分析評價[11-15]。如田杰[16]構建了基于水量配置的水資源承載力評價模型，分析了西部地區水資源承載力的現狀；楊光明等[17]基于DPSIR(驅動力-壓力-狀態-影響-響應)概念框架，構建了重慶市水資源承載力SD模型，并提出了重慶市水資源可持續發展的綠色方案；劉志明等[18]將可持續發展綜合指標測度引入到水資源承載力評價模型，對區域水資源承載力及可持續發展水平進行了綜合評價。

然而，現有的涉及水資源承載力的研究主要從構建評價指標體系和評價承載力強弱等定性角度出發[19-20]，這顯然滿足不了指導國土空間規劃和優化水資源配置的需求。再者，目前對水資源承載力的量化研究主要通過設定用水指標來計算水資源最大承載規模，如人口規模、經濟規模等[21]，考慮水資源可持續開發利用能力及供需平衡的研究相對較少。因此，本文基于可持續發展理論，通過對青海省大通縣水資源供需平衡進行分析，構建了可持續利用條件下區域供水規模的水資源承載力評價模型，定量分析了大通縣未來15年水資源承載力，并獲取了大通縣水資源系統對人口和社會經濟發展規模的最大容量，以期為大通縣國土空間規劃和水資源配置以及為西寧市調水規模的確定提供科學依據和決策參考。

1 研究區概況

大通回族土族自治縣位于青海省東部河湟谷地，祁連山南麓，湟水上游北川河流域，介于東經100°51′～101°56′、北緯36°43′～37°23′之間(見圖1)，面積約為3 090 km2。受西南季風的影響，大通縣屬于高原大陸性氣候，多年平均降水量為523.3 mm，多年平均徑流深為227.3 mm。全縣水資源總量為6.71億m3，其中地表水資源量為6.56億m3，地下水資源量為4.21億m3，平原區降水入滲補給量為1 485萬m3，重復計算水資源量為3.91億m3。該地區人均水資源量為1 470 m3，約為全國平均水平的66%，西寧市的2.56倍。全縣水資源開發量約為2.17億m3(包括向西寧市調出7 154萬m3)，其中地表水供水量占47.5%，地表水水資源開發利用率為15.7%。位于大通縣寶庫鄉的黑泉水庫是青海省“引大濟湟”水利工程的重要組成部分，對保障西寧市及周邊地區的生產、生活和生態用水有重要作用。大通縣在“引大濟湟”跨流域調水工程中有很重要的戰略地位，因此合理高效地配置水資源，對促進海東貧困地區脫貧致富和實現湟水流域可持續發展具有決定性作用。

圖1 研究區概況圖Fig.1 Geographical location of the study area

2 水資源可持續開發利用能力與承載力評價方法

2.1 水資源可持續開發利用能力評價

2.1.1 評價指標體系的建立

水資源可持續利用能力評價指標體系的建立遵循系統與局部相結合的原則，將社會、經濟、自然、環境等諸多因素視為一個有機整體。在區域水資源可持續利用評價工作中，少量的參數無法系統地反映整體情況，而過多的參數又增加了工作的難度且并不能明顯地提升評價結果的準確度[22]。因此，本文根據2015—2019年大通縣實際水文條件、社會經濟發展水平、供用水現狀等情況，將研究區評價系統分為水資源稟賦條件、水資源開發利用水平、水資源與社會經濟協調水平、水資源與生態環境協調水平4個部分共21項評價指標，構建了大通縣水資源可持續開發利用能力評價指標體系，見圖2。

圖2 大通縣水資源可持續開發利用能力評價指標體系Fig.2 Evaluation index system of sustainable development and utilization ability of water resources in Datong County

2.1.2 評價指標分級標準的確定

由于各項評價指標的原始數據并不隸屬于同一量綱，需要通過等級劃分對各項評價指標進行無量綱化處理，以此作為評價指標的等級劃分依據。在大通縣水資源可持續開發利用能力評價系統中，將各項評價指標分為“差I”、“較差II”、“中等III”、“良好IV”、“優V”5個評價等級，每個評價等級都有具體的數值范圍作為衡量標準，評價指標的分級標準參考已有的國家標準并結合研究區實際情況[23-26]，具體分級標準見表1。

表1 水資源可持續開發利用能力評價指標的分級標準Table 1 Index classification and quantification standard for sustainability evaluation of water resources

2.1.3 評價指標權重的確定

層次分析(The Analytic Hierarchy Process，AHP)法由美國運籌學家Saaty于20世紀70年代提出，該方法是先將與決策有關的要素劃分為目標層、準則層、方案層等層次，在此基礎上對要素進行簡單的比較計算與定量分析，從而確定要素的重要程度，具有系統、靈活的優點。AHP法的計算過程主要包括構建層次模型、構造判斷矩陣、層次單排序及其一致性檢驗、層次總排序及其一致性檢驗4個步驟[27]，具體計算流程如下：

(1) 構造判斷矩陣。根據圖1建立的水資源可持續利用能力評價指標體系的層次結構模型，計算每一層次相對于上一層次的權重，并采用比例標度法將同一層次的所有要素進行兩兩比較，構造判斷矩陣A=(aij)n×n.其中，n為本層次所含要素的個數；aij的賦值參見表2。

表2 指標重要性標度表Table 2 Weight of index significance

(2) 層次單排序及其一致性檢驗。構造判斷矩陣后需要進行層次單排序，即計算判斷矩陣中各因素針對其準則的相對權重，本文通過方根法進行計算，具體計算步驟如下：

①計算判斷n階矩陣各行元素的積Ai：

④計算判斷矩陣A的最大特征值λmax：

權重向量wi的元素為同一層次所有因素對于上一層次相對重要性的權值。在實踐中要求判斷矩陣滿足大體上的一致性，因此需對其進行一致性檢驗，具體檢驗步驟如下：

①計算一致性指標CI(consistency index)：

(1)

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值；n為矩陣階數。

②查表3確定平均隨機一致性指標RI(random index)。

表3 平均隨機一致性指標RITable 3 Average random consistency index RI

③計算一致性檢驗系數CR(consistency ratio)：

CR=CI/RI

如果CR<0.1，則認為該判斷矩陣通過一致性檢驗；否則該判斷矩陣不具有滿意的一致性，需要重新進行上述工作。

(3) 層次總排序及其一致性檢驗。通過對所有要素進行層次總排序，即計算要素層各要素對目標層的權重大小，并通過一致性檢驗后，確定各要素相對目標層的權重W，各評價指標的權重及其一致性檢驗結果見表4。由表4可知，大通縣水資源可持續開發利用能力4個子系統中，水資源開發利用水平子系統(B2)的權重最大，說明其在水資源可持續開發利用能力評價中最為重要。

表4 大通縣水資源可持續開發利用能力評價指標層次單排序、層次總排序及其一致性檢驗結果Table 4 Hierarchical single sort and total sort calculation results of the index layer factors and the consistency inspection result of sustainable development and utilization capacity of water resources in Datong County

2.1.4 水資源可持續開發利用能力評價模型的建立

本文結合大通縣水資源開發利用現狀及發展規劃目標要求，在AHP法的基礎上，采用多目標線性加權函數法建立了大通縣水資源可持續開發利用能力計算的數學模型，綜合計算大通縣水資源可持續開發利用能力綜合評價指數E，具體表達式如下[22]：

(2)

(3)

式中:m、n分別為評價模型中準則層和指標層要素的個數;Pi、Ei分別為準則層指標i的權重值及評價指數值；Wj、Rj分別為指標層指標j的權重值及評價指數值。

2.2 水資源供需平衡分析

2.2.1 水資源需水量計算

利用水資源可持續利用能力評價指標體系，在分析大通縣近5年用水的基礎上，以定額法為基本方法，綜合考慮大通縣經濟社會發展規劃，在保證生態平衡的基礎上，對規劃年大通縣各用水部門的需水量進行了預測。大通縣有4大用水部門，分別為居民生活用水(WP)、工業用水(WI)、農業用水(WA)、生態用水(WE)和其他用水(WM)，大通縣水資源總需求量(WD，m3)的具體計算公式為

WD=WP+WI+WA+WE+WM

(4)

其中,居民生活需水量WP(m3)根據人口P(人)和用水定額QP[L/(人·d)]按下式計算：

WP=P×QP×365/1 000

(5)

工業需水量WI(m3)根據萬元工業增加值IVA(元)和萬元GDP用水量Qg(m3/萬元)按下式計算：

WI=IVA×Qg

(6)

農業需水量WA(m3)由灌溉用水量Wa1(m3)和畜牧業用水量Wa2(m3)組成。其中，灌溉用水量根據不同作物實際灌溉面積Sa(hm2)和平均灌溉定額Qa(m3/hm2)按下式計算：

Wa1=Sa×Qa

(7)

畜牧業需水量根據牲畜數量m(頭)和單位用水量Qc(m3/頭)按下式計算：

Wa2=m×Qc

(8)

生態需水量WE(m3)根據城市綠地面積Se(hm2)和城市公共綠地生態用水定額Qe(m3/hm2)按下式計算：

WE=Se×Qe

(9)

生態需水量需在計算可利用水資源量時扣除，故不再計算河道內需水量。其他需水量包括林地、自然保護區內用水量，根據往年數據進行計算。

2.2.2 可利用水資源量計算

大通縣境內北川河流域為地表水主要集水區，在東峽河、寶庫河、黑林河匯入北川河干流后，于黃家寨鎮康家村流出大通縣。北川河多年平均流量為20.1 m3/s，多年平均徑流量為6.56億m3，受降雨的影響較大，北川河徑流量與大氣降雨和蒸發量之間屬強正相關關系[28]，其二元回歸方程為

Y=a+b1X1+b2X2

(10)

式中：X1為年降雨量(mm)；X2為年蒸發量(mm);Y為北川河年徑流量(億m3/s);a為常數，b1、b2為回歸系數，通過收集大通縣1990—2019年的水文氣象資料(見圖3)，計算得到a為-14.91、b1為0.06、b2為0.002 6，其中b1為主要因素，故大氣降雨量為影響大通縣徑流量的主要因素，而蒸發量對大通縣徑流量的影響不大。

圖3 大通縣水文氣象條件Fig 3 Hydrological and meteorological conditions in the study area

按照多年平均徑流量百分數法(即Tennant法)確定生態需水量的比例，在水權保證前提下，區域最大可利用水資源量WS的計算公式為

WS=WO+WG

(11)

式中:WO為扣除天然生態需水量后的可利用水資源量(億m3);WG為地區可開采水資源量(億m3)。

經計算，可得到大通縣多年平均可利用水資源量，見表5。

表5 大通縣可利用水資源量(單位：億m3)Table 5 Available water resources in Datong County (unit:108 m3)

2.3 水資源承載力計算

本文引入水資源承載力平衡指數來反映區域水資源承載力狀態。通過分析大通縣近5年(2015—2019年)的水資源承載力平衡指數，并結合規劃年(2025年、2035年)需水量預測，對大通縣水資源承載力進行了計算。水資源承載力平衡指數(IWSD)的計算公式為

(12)

當IWSD>0時，說明水資源為正平衡，表明可利用水資源量能夠滿足當地社會經濟發展的需水量；反之，則可利用水資源量不能滿足當地社會經濟發展的需水量。

3 評價結果與分析

3.1 水資源可持續開發利用能力評價結果分析

3.1.1 水資源可持續開發利用能力綜合評價指數計算

依照公式(2)和(3)，對大通縣近5年(2015—2019年)水資源可持續開發利用能力綜合評價指數E和各子系統的評價指數Ei進行了計算，并繪制了其變化曲線，見圖4。

圖4 大通縣近5年(2015—2019)水資源可持續開發 利用能力綜合評價指數E和各子系統評價指數 Ei的變化曲線Fig.4 Diagram of comprehensive evaluation index and subsystem evaluation indexes of sustainable development and utilization degree of water resources in Datong County in recent 5 years (2015-2019)

通過對照區域水資源可持續開發利用能力綜合評價指數的分級標準(見表6)可知，大通縣近5年水資源可持續開發利用能力綜合評價指數E和各子系統評價指數Ei均在0.6～0.8之間，處于可持續利用狀態，且整體有變好的趨勢。

表6 區域水資源可持續開發利用能力綜合評價指數分級標準Table 6 Classification standard for evaluation indexes of sustainable utilization capacity of regional water resources

3.1.2 評價結果分析

大通縣水資源可持續開發利用能力評價指標體系中，準則層中4個子系統均處在可持續或基本可持續利用狀態,且大通縣近5年各子系統水資源可持續開發利用能力綜合評價指數整體呈上升趨勢(見圖4)，這說明大通縣水、自然、社會的關系更為和諧，用水結構更為合理。具體分析如下：

(1) 水資源稟賦條件子系統(B1)中,敏感因子為地表水水質類型C2(w=0.445 0)。地表水的水質類型極大程度地決定了可利用水資源量的多少。大通縣整體地表水水質類型為I、II類水，各河流水質穩定，水資源質量高，造成該子系統的水資源可持續開發利用能力綜合評價指數較高且穩定。

(2) 水資源開發利用水平子系統(B2)中，敏感因子為人均用水量C12(w=0.266 0)、單位灌溉面積用水量C11(w=0.192 0)、工業用水比C9(w=0.143 0)、地下水開發利用率C5(w=0.123 0)。大通縣各項用水指標均高于全國平均水平，此外該縣的供水水源主要為地下水，造成了其地下水開發利用率偏高。

(3) 水資源與社會經濟協調水平子系統(B3)中，各評價指標的權重相當，表明大通縣城鎮化及工業化的發展對水資源開發利用結構的影響不容忽略。大通縣城鎮化率從2015年的42.6%增長至2019年的46%，增速較慢，造成該子系統水資源可持續開發利用能力綜合評價指數較為穩定。

(4)水資源與生態環境協調水平子系統(B4)中，各評價指標均與水資源質量有著密切關系。2015年以來，大通縣森林覆蓋率及生態用水比例不斷上升，從2015年的38.1%、0.5%上升至2019年的43.3%、1.6%，污水徑流比不斷下降，從2015年的0.59%下降到2019年的0.35%，造成該子系統水資源可持續開發利用能力綜合評價指數不斷上升。

3.2 水資源承載力評價結果分析

3.2.1 水資源承載力現狀分析

根據公式(12)，本文計算了大通縣近5年(2015—2019年)水資源承載力平衡指數(ISWD)，并繪制了其變化曲線，見圖5。

圖5 大通縣近5年(2015—2019年)水資源承載力 平衡指數(ISWD)的變化曲線Fig.5 Change of carrying capacity of water resources in Datong County in recent 5 years (2015 to 2019)

由圖5可知：大通縣近5年水資源承載力平衡指數(ISWD)呈上升趨勢，且其值均大于0，說明大通縣的水資源開采量小于補給量，水資源可利用量能夠滿足當地社會經濟發展的需水量；IWSD值從2015年的0.04上升到2018年的0.16，又下降至2019年的0.09，這主要是由于大通縣人均水資源量的減少(2015年人均水資源量為1 281 m3、2018年為1 991 m3、2019年為1 470 m3[見圖6(a)]所致。

圖6 大通縣近5年(2015—2019年)供用水量的變化Fig.6 Water supply and consumption of Datong County in recent 5 years (2015 to 2019)

此外，結合大通縣2015—2019年的供、用水情況[見圖6(b)、(c)]來看，大通縣近5年的總用水量變化不大，但水資源承載力卻有了明顯上升，主要原因是工農業用水量有輕微下降，從2015年的1.14×108m3下降到2019年的1.06×108m3，下降幅度約為7%，而生活用水量和生態用水量均有略微的上升。大通縣水資源補給主要為大氣降雨和河流入滲，經計算，大通縣多年平均地下水資源量為4.21×108m3，量為1.61×108m3。此外，大通縣總供水量呈下降趨勢，供水類型主要為地下水類型，地下水供水量多年平均占比為51.4%(含四、六水源地)，地表水供水量多年平均占比為48.6%，地表水開采利用程度較低。受新建設水源地的影響，大通縣2015—2019年間共新建了5處地下水型水源地，地下水年供水量為2.72×108m3，造成地下水開采量不減反增，這也驗證了前面所得結論，即在水資源可持續開發利用能力評價指標體系中，地下水開發利用率(B2)逐年上升，導致了水資源開發利用水平子系統綜合評價指數的逐年下降(2015—2017年、2018—2019年)(見圖4)。

3.2.2 水資源承載力預測

依據水資源可持續開發利用能力評價指標體系，以2019年為現狀年，按照不同保證率計算大通縣近、遠景規劃年(2025年、2035年)可利用水資源量及各用水部門的需水量，并對大通縣水資源供需平衡進行分析，其計算結果見圖7，其余規劃年的水資源供需數據可經線性差值獲得。

圖7 大通縣水資源供需平衡預測分析圖Fig.7 Forecast of supply and demand balance of water resources in Datong County注：大通縣不同保證率的可利用水資源量差距不大，全縣自產的可利用水資源總量為67 135萬m3，水資源開發利用率為32.8%。

由圖7可知：規劃年2025年在保證率P分別為50%、75%、95%時，大通縣可利用水資源量即水資源供水量均有盈余，供水量的盈余量分別占總需水量的30.52%、19.72%、9.39%，根據“引大濟湟”和“引黃濟寧”工程可行性研究報告，到2035年大通縣外調水資源可供水量為1.23×108m3/a，按最低配置要求，生活三產供水量為0.14×108m3，工業供水量為0.39×108m3，農業灌溉供水量為0.7×108m3；規劃年2035年在保證率P分別為50%、75%、95%時，大通縣可利用水資源量均有盈余，水資源供水量的盈余量大于2025年，水資源供水量的盈余量分別占總需水量的40.08%、30.58%、21.49%，且水資源需求量均小于西寧市下達的用水量指標2.53×108m3(2035年)。

采用定額法對大通縣在規劃年2025年、2035年各用水部門的需水量進行了預測。

(1) 按照大通縣現有發展模式及人口增長規律并結合大通縣相關規劃進行預測，規劃年2025年、2035年大通縣人口分別增長至5.27萬人、5.75萬人，較2019年現狀年分別增長了0.27萬人、0.75萬人，城鎮人口分別占50.3%、59%，規劃年2025年、2035年居民生活用水量分別占總用水量的19.72%、19.00%。按照青海省用水定額地方標準，確定大通縣城鎮和農村用水定額分別為120 L/d、80 L/d，經計算，可得到大通縣各鄉鎮居民生活用水量分布，見圖8。

圖8 大通縣各鄉鎮居民生活用水量分布圖Fig.8 Distribution of household water consumption in towns and villages of Datong County

(2) 根據大通縣2025—2035年國土空間規劃，大通縣現狀產業為有色金屬冶煉及壓延加工，未來以先進裝備制造及鎂鋁合金為中心，萬元工業增加值用水量目標指標不斷下降，從2019現狀年的73 m3/a，分別下降至規劃年2025年、2035年的60 m3/a、50 m3/a，規劃年2025年、2035年的工業用水量分別為0.34×108m3、0.38×108m3。

(3) 依據大通縣發展規劃，未來該縣將發展特色農牧業、農副產品加工業等，“引大濟湟”工程配套北干渠為大通縣配置農業用水量0.7×108m3/a，能大幅增加大通縣的農業灌溉面積，農林漁畜用水比重將會增大。2019年現狀年農林漁畜用水量為0.77×108m3，占總用水量的61.20%。按照青海省農林漁畜用水定額地方標準，確定大通縣農林漁畜用水定額為480 m3/畝，經計算，可得到規劃年2025年、2035年農林漁畜用水量分別占總用水量的62.91%、63.64%。大通縣各鄉鎮農業灌溉用水量分布，見圖9。

圖9 大通縣各鄉鎮農業灌溉用水量分布圖Fig.9 Distribution of water consumption for agricultural irrigation in towns and villages of Datong County

(4) 生態用水量只計算城市公共綠地及市政需水量，按照青海省城市綠化用水定額，經計算,可得到大通縣2025年、2035年生態用水量分別為0.2×108m3、0.29×108m3。

大通縣2015—2019年人均用水量為460～480 m3/(人·a)，全國人均用水量及青海省人均用水量指標為430～445 m3/(人·a)。根據大通縣2010—2019年各級水資源公報，隨著節水設施的普及和相關政策的實施，十年間人均用水量下降約5%，根據此發展趨勢，通過設置人均用水量高、中、低3個水平[分別為445 m3/(人·a)、430 m3/(人·a)、410 m3/(人·a)]經計算，可得到大通縣現有水資源最大可承載人口規模為78.93～85.66萬人。

4 結 論

本文通過建立水資源可持續開發利用能力評價指標體系，對大通縣近5年(2015—2019年)水資源可持續開發利用程度進行了動態評價，并在此體系約束下，基于水資源供需平衡分析了該地區2015—2019年的水資源承載力，預測了不同規劃年(2025年、2035年)的水資源承載情況，并計算了水資源最大可承載人口規模,主要得到如下結論：

(1) 基于AHP法構建了3層遞階評價指標體系，建立了多目標線性加權的水資源可持續開發利用能力評價模型。結果表明：評價子系統中顯著影響大通縣水資源可持續開發利用能力的影響因素為地表水水質類型C2(w=0.445 0)、人均用水量C12(w=0.266 0)、人均GDPC16(w=0.311 0)、污水徑流比C18(w=0.260 0)；大通縣近5年(2015—2019年)水資源可持續開發利用能力綜合評價指數分別為0.62、0.62、0.64、0.65、0.64，均處于可持續利用的良好狀態。

(2) 大通縣近5年(2015—2019年)水資源承載力平衡指數(IWSD)從2015年的0.04上升到2018年的0.16，又下降至2019年的0.09，主要原因為大通縣人均水資源量的減少和地下水型水源地的新建；IWSD值均大于0，說明大通縣水資源處于正均衡，表明可利用水資源量能夠滿足地區社會經濟持續發展的需水量。

(3) 在考慮各調水工程水量分配的條件下，規劃年(2025年、2035年)在保證率分別為P=50%、75%、95%下大通縣可利用水資源量即水資源供水量均有盈余，2025年水資源供水量的盈余量分別占總需水量的為30.52%、19.72%、9.39%,2035年水資源供水量的盈余量分別占總需水量的40.08%、30.58%、21.49%。通過設置人均用水量高、中、低3個水平，預測得到大通縣現有水資源最大可承載人口規模為78.93～85.66萬人。