基于水质-水量-水生态-社会-经济指标体系的洛阳市水资源承载力分析

李娟芳，王文川，薛建民

(1.洛阳水文水资源勘测局，河南 洛阳 471000；2.华北水利水电大学水利学院，河南 郑州 450046)

水资源不仅是重要的自然资源，也是重要的战略经济资源[1- 2]。近年来，随着社会经济的高速发展以及人口数量的不断增加，导致我们对水资源的需求量也不断增长。2012年颁布的《世界水资源开发报告》指出，全球范围内的水资源需求量仍呈现增长的趋势，但在很多区域由于气候变化的影响，水资源供应量有可能下降[3]。在全球气候变化和高速经济发展的双重作用下，水资源已成为社会经济可持续发展的制约因素[4- 5]。

由于资源供需不平衡导致的资源短缺问题，已然引起国际组织高度关注，进而提出了可持续发展的概念[6]。在城市、产业结构、土地和区域的可持续发展中不断提出“资源承载力”概念[7]。随后，在20世纪60—70年代，随着全球人口数量增加和经济发展，为了调和社会发展和资源短缺之间的矛盾，资源承载力问题已经成为大家关注的焦点[8]。

本文以洛阳市为例，基于水质、水量和水生态管理目标，构建了基于水质-水量-水生态-社会-经济的水资源承载力评价指标体系，明晰了可持续发展条件下水资源承载力的时空分布情况。

1 水资源承载力评价指标体系的建立

水资源承载力评价主要分为以下3个部分：

(1)考虑社会经济发展和水质、水量、水生态条件的时空分布特征，构建洛阳市水资源承载力分析流程图。

(2)构建洛阳市水资源承载力表征的层次化结构。

(3)建立洛阳市水资源承载力表征指标体系，计算洛阳市不同区域水资源承载力时空分布规律。

1.1 分析流程图

水资源承载力受人口、经济、生态等多方面因素的影响，因此在模型建立过程中要将各影响因素考虑进来。研究框架如图1所示。

1.2 指标体系构建

根据所构建的水资源承载力层次化结构，本文将指标体系划分成3层结构：①目标层：表征为水资源承载力的最终目的指标；②因子层：表征为描述生活水平和人力生活状态的指标；③指标层：表征为具体的指标[9]。

基于水质-水量-水生态-社会-经济的洛阳市水资源承载力综合评价指标体系见表1。

1.3 综合评价研究

水资源承载力评价要综合考虑各影响因素之间的协调与制约关系。本文以人口-经济-生态系统耦合优化方法作为水资源承载力研究方法，即以人口、经济、生态用水为约束条件，计算水资源可承载的最大人口数。

需水公式：

(1)

约束条件：

W需≤W供

(2)

(3)

(4)

2 实例研究

洛阳市位于河南省西部，黄河中游南岸。东和东南与郑州市、平顶山市为邻，西和西南与三门峡市接壤，北隔黄河与济源市、焦作市相望，南靠伏牛山与南阳地区相连。全境东西长约254km，南北宽约234km，总面积15229km2，占河南省总面积9.1%。洛阳市现辖1市、8县、6区、1洛阳新区、1个国家级高新技术产业开发区、2个省级开发区、17个省级产业集聚区。城区位于伊洛河下游冲积平原西端，总面积731.5km2，其中主城区位于洛河北岸，面积48.7km2。

表1 水资源承载力综合评价指标体系及其权重

2.1 水资源现状评价

(1)降水量时空分布

洛阳市多年平均降水量670.6mm，且年降水量总体呈下降趋势。全年降水量主要集中在6—9月份，占多年平均降水量64%左右，该区月降水量分布情况与地处暖温带季风气候相符。由于洛阳市降水年际变化幅度大、年内分布不均，该区出现洪涝、干旱灾害的可能性大[10]。从降水空间上看，洛阳市降水量大体呈现出西多东少、南多北少的分布规律。由北向南逐渐递增，变化幅度在500～900mm之间，位于南部的陶湾站、孙店站降水量超过750mm，位于平原区东北部的孟津站、九龙角站降水量少且年下降趋势明显[11]。

(2)水资源量时空分布

该区多年平均水资源量为28.17亿m3，且年降水量总体上呈下降趋势。2009—2013年洛阳市年均地表水资源量为25.09亿m3，年均地下水资源量为13.82亿m3，且地表水资源量与降水量变化趋势大体一致，也呈现先增加后下降的趋势。水资源量和降水量的时空分布一致，总体上南部多、北部少。

2.2 水资源供需现状评价

(1)供水量现状评价

供水量是指各种水源工程为用户提供的包括输水损失在内的供水量。按来水种类分为地表水源、地下水源和其他水源(如污水处理再利用量和集雨工程供水量等)。2009—2013年，洛阳市总供水量和地表水供水量均呈现增加趋势，总供水量为15.0782亿m3，比2009年增加了1.057亿m3，增加7.54%。但地下水供水量呈现下降趋势，从侧面反映浅层地下水污染严重。地下水具有给水量稳定、污染少的优点，但有一个总体平衡问题，不能盲目和过度开发，否则容易形成地下空洞、地层下陷等问题。

(2)用水量现状评价

2009—2013年，洛阳市总用水量、城镇公共用水量均呈现增加趋势，农田灌溉用水量、农牧渔业用水量呈现先下降后增加的趋势，工业用水量、居民生活用水量呈现先增加后下降的趋势，生态环境用水量基本保持不变。

从以上分析知，目前该区可供水量和需水量尚可保持平衡，随着经济发展和需水量的增加，水资源将成为制约洛阳市国民经济可持续发展的主要因素之一。

2.3 水资源利用现状评价

通过调查和收集洛阳市社会经济发展和需水量资料，对其主要用水指标统计结果见表2。从表2可知，2009—2013年，市人均用水量呈现增加趋势，万元GDP用水量和万元工业增加值用水量呈现下降趋势，说明该区大力开展节水工艺，提高水资源的重复利用率。2013农田实际灌溉亩均用水量达到271m3，一方面由于2013年降水量偏少，另一方面由于该区农业节水力度不够大，要推广喷灌、滴灌等灌溉技术来提高水的有效利用率。

表2 2009—2013年主要用水指标变化

2.4 水环境现状评价

2009—2013年，洛阳市污水排放量见表3。从表3可知，该区各类污水排放量都呈增加趋势，其中城镇居民生活用水排放量、建筑业污水排放量、第三产业污水排放量呈逐年增加趋势。从目前来看，必须采取相应措施改善水生态。通过改进污水处理厂污水处理工艺，严格把控排放标准，提高中水回用率，对水污染严重的县扣除生态补偿。

2.5 水资源承载力计算

以2013年数据为基准年，对水资源承载力进行评价，没有监测或无法获得的数据，通过资料分析或采用相近年份监测数据得到。

表3 2009—2013年污水排放量变化单位：亿m3/a

2.5.1 人口发展预测

根据《洛阳市国民经济和社会发展第十二五规划纲要》获得人口数据，利用人口增长率法，以2013年人口为基准，对市各行政区2020、2030年城镇、农村及总人口进行预测。预测结果见表4。

表4 2013—2030年人口发展预测变化单位：万人

2.5.2 国民经济需水预测

国民经济需水包括生活和生产需水两大类，其中生活需水包括城镇生活需水和农村生活需水，生产需水分为农业需水和工业需水等。

(1)生活需水采用定额法预测，制定合理的人均日用水量，结合人口总数进行需水预测。市各规划水平年生活用水定额见表5。

表5 各规划水平年生活用水定额单位：L/人·d

生活需水量计算公式如下：

(5)

(2)灌溉用水是农业需水的主体。农业灌溉需水量是指灌溉水由水源经各级渠道输送到田间，包括渠系输水损失和田间灌水损失在内的毛灌溉需水量。灌溉需水预测采用直接估算法。计算公式如下：

(6)

式中，IG—全灌区总毛灌溉用水量，m3；Ai—第i种作物种植面积，亩；ηg—灌溉水利用效率；INi—第i种作物净灌溉定额，m3/亩。

(3)工业需水预测依据各预测水平年工业产值和工业单位需水定额计算，并用需水总量增长趋势进行校核。计算公式如下：

(7)

2.5.3 生态需水预测

生态环境需水是指为维持生态和进行生态建设所需要的最小需水量，生态环境需水主要是河道外用水。河道外生态需水包括绿地生态需水和道路浇洒需水。

绿地生态需水计算公式如下：

Ip=Apimpi

(8)

式中，Api—i类植被面积；mpi—相应保证率的植被需水定额；p—植被需水保证率。

道路浇洒需水计算公式如下：

Id=Admdn

(9)

式中，Ad—道路浇洒面积；md—需水定额；n—每年浇洒次数。

2.5.4 各区域总需水量预测

对以上需水预测结果进行汇总，得出保证率为P=50%情况下总需水量预测结果，见表6。

表6 保证率P=50%情况下总需水量预测单位：亿m3

2.6 水资源承载力评价结果与分析

根据预定的承载力指标和水资源承载力预测模型，对各区县2020和2030水平年的承载力水平进行预测和评价，结果见表7和表8。

表7 2020年水资源承载力水平

由表7、表8可以看出，2020水平年全区可承载人口规模为946.95万人，预测人口为708.9万人；2030水平年全区可承载人口为1052.31万人，预测人口为736.6万人，且各子区均可承载。综合全区承载人口规模和社会经济规模可知，当地水资源可以满足人口增长和经济发展的需求。

表8 2030年水资源承载力水平

另外，从2009—2013年水资源供需现状得知，洛阳市总用水量呈上升趋势。然而，在全区水资源可满足经济及人口需求的前提下，2030水平年人口承载力无论是从全区还是各子区均优于2020水平年。说明该区以可持续发展为向导，不断优化产业结构和水资源配置，使该区社会经济和生态协调状况越来越好。

3 结论

本文在水资源承载力分析与指标体系研究相结合的基础上，以水质-水量-水生态-社会-经济指标，构建了洛阳市水资源承载力评价指标体系和模型，定量分析了洛阳市2020及2030水平年水资源承载力。在2020水平年，水资源承载力更强，全市以及各个区县均满足承载力需求，总人口承载力比预测人口的数值多238.05万人；在2030水平年，人口承载力比预测人口数值多315.71万人。结果表明，引入“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念，强力推动重点企业、行业、区域的节能降耗和环境整治，市生态建设和环境保护取得明显成效。虽然市水资源承载力不断提高，各子系统协调性能不断增强，但还需要进一步改善农业节水灌溉、合理开发地下水资源、提高回水利用效率等，为区域的可持续发展提供强有力支撑。