江淮分水岭地区水资源承载力系统结构模型评价

2019-09-10邢菊周亮广金菊良程启鹏

人民长江 2019年7期

邢菊周亮广金菊良程启鹏

摘要：江淮分水岭地区是安徽省重要的粮油畜禽生产基地，但区域土壤不肥，易旱缺水。基于江淮分水岭地区水资源现状，从“水环境-社会经济-生态环境”复合系统出发，依据水资源支撑力、水资源压力、水资源承载调控力3個子系统在水资源承载过程中的相互作用，建立了区域水资源承载力系统结构模型，用于对江淮分水岭地区水资源承载力进行评价分析。研究表明：在保障生态用水与生活用水前提下，当前该区域水资源承载力总体处于可载状态，但时空差异明显。时间尺度上，2005～2015年间，区域单位GDP综合用水量大幅减少，水资源所承载的经济总量呈现明显的上升趋势;区域降水量和水资源可利用量年际变化较大，可承载的人口规模波动趋势明显。空间尺度上，各市间水资源可承载的经济总量与可承载的人口规模差异极大，可承载的经济总量上合肥最大，淮南最小;可承载的人口规模上六安最大，淮南同样为最小，合肥次之。水资源承载潜力上六安>巢湖>滁州>合肥>淮南;在各市的水资源承载状态中，合肥在研究期内有 4 a处于超载状态，超载范围在9.87%～31.46%，超载率最高年份为2008年，淮南各年均处于超载状态，平均超载率为59.79%，2010年超载率最高达70.18%，区域化水资源问题趋于严重。水资源可承载的人口规模与区域降水量大小显著相关，用水效率的提高及产业结构的合理性调整可降低单位GDP综合用水量，大大提高水资源承载能力。根据研究结果，建议各市应根据水资源承载力实际状况，提高用水效率，合理调整产业结构，促进区域水资源与社会经济协调发展。

关键词：水资源承载力; 环境承载能力; 环境保护; 水资源保护; 系统结构模型; 水资源超载; 江淮分水岭

1 研究背景

承载力这一概念在力学中是指物体在不发生任何破坏时的最大载荷，在经历了资源承载能力[1]、环境承载能力研究的基础上[2]，水资源承载力成为当今水资源科学中研究的重点。目前，由于研究条件不同、研究尺度不同以及所取的研究指标不同，使得对水资源的概念尚未界定清晰。当前有几种比较主流的观点，分别是“水资源的最大支撑能力论”、 “水资源最大支撑规模论”、“水资源最大开发容量论”以及“水资源支持持续发展能力论”。其中，早期认为水资源承载能力一般是指在一定技术经济水平和社会条件下，水资源可最大供给工农业生产、人民生活和生态环境保护等方面的用水能力[3]，而后，基于国家的可持续发展观， “水资源支持持续发展能力论”在国内最为流行，其代表朱一中[4]、王浩[5]等人认为，水资源承载力是指在一定历史发展阶段及一定技术水平条件下，以可持续发展为原则，以维护生态良性循环和可持续发展为前提，在水资源合理配置和高效利用下，当地水资源系统可支撑的社会经济活动规模和具有一定生活水平的人口数量;段春青则提出了区域水资源承载力的概念，认为区域水资源是指区域在一定经济社会和科学水平条件下，以生态、环境健康发展和社会经济可持续发展协调为前提的区域水资源系统能够支撑社会经济可持续发展的合理规模[6]。根据可持续发展观念，水资源承载力也可以理解为在人与自然友好相处情况下，水资源对于人类社会及其子孙后代所能承载的合理规模。

水资源承载力的研究阶段主要分为：① 2000～2005年，为方法模型的发展阶段;② 2005年至今，为技术和应用的拓展阶段[7]。研究方法使用较多的主要有以下几种：系统动力学法[8-9]、主成分分析法[10-12]、多目标模型分析法[13]以及综合评价法等[14-15]。研究以区域背景为出发点，目的是计算水资源所承载人口、经济的最大规模或水资源对经济社会可持续发展的支撑能力。本文在水资源承载力概念与研究方法的基础上，基于物理学力学原理，建立了水资源承载力系统结构模型，并运用该模型对江淮分水岭地区进行区域水资源承载力评价分析。该模型在选取指标时结合了各方法的优缺点，在避免系统动力方法所选参数众多、不易控制执行的情况下，结合影响水资源承载力的主要因素，依据所选指标的可证实性原则和可操作性原则，采用一些相互独立且具有明确物理（或社会）含义的指标[16]，结合水资源承载力随空间、时间和条件变化而变化的动态性、地区性、相对极限性、模糊性等特性[4]，选取简单直观、可直接反映水资源承载力状况的指标，在可持续发展原则的指导下，对其进行系统结构分析，计算可承载的经济总量与人口规模，并进行地区状态判别。

江淮分水岭地区是我国秦岭淮河一线的延伸区，由于地理位置特殊，在气候方面该区域受到南北气候过渡的影响，尽管降水量可达900～1 000 mm，但旱涝灾害频发，水资源问题突出。本文通过研究2006～2015这10a间江淮分水岭地区的区域水资源、社会经济、生态环境的相互作用关系，对该区域水资源承载力的时空变化情况进行评价分析，分析结果可为区域水资源合理开发利用提供参考。

2 研究区概况

江淮分水岭广义上是指长江与淮河两大水系之间的丘陵地区，属我国亚热带与暖温带的过渡区，四季分明，降水适中，水土光热资源比较丰富，农业生产条件总体较为优越[17]，是安徽省重要的粮油产区。但是该区域降水时空分布很不均匀，南多北少，且年际、年内变化很大，基本集中于6～8月，因此旱涝灾害频繁发生。全区范围内丘陵众多，岗冲交错，地形破碎，土壤板结，通气、透气性差，下渗难，地表水极易流失，难以拦截天然降水，持水性差[18]。此外，加上区域经济活动用水是以农业生产为主，且生产基础薄弱，用水方式粗放，缺少系统的水资源调配工程，因而导致水资源浪费严重，经常存在水资源短缺问题;由于供需矛盾，极易受旱涝灾害的影响，尤其是旱情比较突出，有“十年九旱”之说，农作物受灾减产损失严重[19-20]。

总体来看，区域水资源承载力不容乐观，主要存在水资源时空分配不均、水资源短缺、地下水开发困难、农业灌溉水平低、产业用水效率不高，水环境恶化等问题。江淮分水岭作为皖江城市带重要区域，是促进中部地区崛起战略的重点开发区域，在承接产业转移中必然要重视到该区域水资问题，因此，需结合水资源承载力基本现状，解决问题，走可持续发展道路。本文主要以江淮分水岭地区的合肥（含巢湖）、滁州、六安和淮南市为研究区域来探讨水资源承载力问题。

3 数据来源和研究方法

3.1 数据来源

本文研究数据主要来源于《安徽省水资源公报》和《安徽省统计年鉴》。参照2006～2015年水资源公报中各行政分区的水资源總量表、供水量表和用水量表，选取了合肥市、淮南市、滁州市、六安市和巢湖市5个行政区的年降水量、水资源总量、地表水资源供水量、地下水资源供水量、供水总量、农田灌溉用水量、林牧渔畜用水量、工业用水量、城镇公共用水量、居民生活用水量以及生态环境用水量指标;同时，在《安徽省统计年鉴》中选取了各市对应年份的人口数量以及第一、二、三产业的生产总值及人均生产总值。

3.2 水资源承载力评价指标体系的选取

在前人研究的基础上，从“水环境—社会经济—生态环境”这一复合系统出发，遵循指标选取的目的性、整体性、动态性、层次性等基本原则，主要从水资源支撑力、水资源压力、水资源承载调控力这三大子系统出发[21]，对江淮分水岭水资源承载力的系统结构进行分析研究。该系统在研究水资源承载主体、水资源承载客体及水资源配置条件下的主客体耦合3个层次评价指标体系的基础上[22]，结合物理学的力学原理，构建了基于水资源支撑力、水资源压力、水资源承载调控力的评价指标体系。选取指标时，根据水资源条件、水资源状况、社会经济发展水平、生态环境状况以及资源的开发利用管理等因素，从长系列、多因素、多单元构成的大数据基础数据集中提取了与水资源承载能力显著相关的因子，最终构建了水资源承载力评价指标体系（见表1）。

3.3 评价方法

基于上述水资源承载力评价指标体系，对水资源支撑力、水资源压力和水资源承载调控力等影响因素构建的水资源承载力系统结构模型进行了分析。在该系统模型的构建过程中，主要参考了金菊良[21]、袁鹰[22]以及姜大川[23]等学者们的研究成果，构建的模型主要包括水资源支撑力层面的水资源可利用量的计算;水资源压力层面的单位GDP综合用水量的确定;针对水资源调控力层面，在保障生活和生态良性健康发展的情况下，水资源可承载的经济总量和人口规模的计算和检验;最后对区域水资源承载状态进行判别等4个方面的内容。图1为水资源承载力系统结构模型示意。

4 结果与分析

4.1 研究区水资源承载力时间变化分析

根据2006～2015年《安徽省水资源公报》和《安徽省统计年鉴》统计的水资源量、各用水量以及降水量等数据指标，结合公式（1）来计算研究区域的合肥（含巢湖）、滁州、六安和淮南市的水资源可利用量。运用系统结构模型，借助于公式（1）～（6），对江淮分水岭地区2006～2015年的水资源承载力进行综合计算评价。评价结果如表2所示。

（1）总体来看，研究区的水资源承载力每年均处于可载状态。水资源可承载的经济总量10 a的平均值为10 801.42亿元，研究区的实际生产总值均值为5 628.58亿元，可承载的平均人口规模为3 876.90万人，研究区实际人口规模均值为2 053.72万人，在平均状态下水资源承载力具有91.90%的盈余空间。目前，总体来说仍具有较大的潜力空间。

（2） 2006～2015年，水资源所承载的经济总量呈现出明显的上升趋势，由5 155.56亿元上升到了22 480.20亿元，增幅较大，主要贡献是单位GDP综合用水量不断减少，其10 a间降幅为73.25%。

单位GDP综合用水量由农业用水定额、工业用水定额、城镇公共用水定额以及三次产业比例决定。10 a间，农业、工业和城镇公共用水定额分别下降了46.91%，81.80%和22.97%，工业用水定额降幅最大。农业用水定额最高，其用水量占总用水量的70%左右，而城镇公共用水定额最低，仅占2%左右，降低农业比重或增加第三产业比重对水资源承载力的大小具有重要的调节作用。

江淮分水岭地区三次产业由2006年的15∶44∶41调整到2015年的9∶51∶40，产业耗水率下降了近10个百分点。可见，产业比例的调整及用水效率的提高对可承载的经济总量增加具有极大的推力作用。

（3） 2006～2015年，区域降水量和水资源可利用总量的年际变化较大，年份降水量最多约为616.29亿m3，导致可承载的人口规模波动趋势明显。

2010年降水量最多，达到了616.29亿m3，因此，当年的水资源总量也最为丰富，扣除生态环境用水量后，水资源可利用总量为279.03亿m3，在一定居民用水条件下，可供生产使用的水量为269.11亿m3;根据当年一定的生产消费水平条件，水资源可承载的经济总量为13 119.99亿元，可承载的人口规模为5 271.77万人，处于研究期间可承载人口规模的最高水平。

降水量最少的年份为2013年，仅为414.55亿m3，可供生产使用的水量为126.69亿m3，当年可承载的经济总量为10 057.71亿m3，可承载的人口规模为2 592.07万人，处于最低水平;所承载的人口规模尽管与最高值相差一倍，但是与实际人口相比，仍具有一定的盈余空间，均处于可载的状态。

研究区生态环境用水年均0.02亿m3左右，占比极小，居民生活用水占总用水量的7%左右，所以在优先保证居民生活用水充足和生态环境良好发展情况下，剩余约93%的水量可用于生产，则说明可供生产使用的水量与年降水量呈现为显著的正相关关系（见图2）。虽然，区域提高对降水的利用率是提高水资源承载力的有效途径。

（4）由图2及表2可以看出，近几年，江淮分水岭地区的降水量年均波动幅度较大，区域水资源可利用量不稳定。在保障区域环境生态需水量与生活用水量的前提下，可供生产利用的水资源量越多、单位GDP综合用水量越少，则水资源承载力值就越高，水资源的承载潜力空间也就越大。也就是说，水资源承载力与降水量的大小成正比，与单位GDP综合用水量成反比。降水量的变化率越大，水资源承载力波动就越大;单位GDP综合用水量的不断降低对水资源承载力值的增加贡献很大。因此，区域应提高用水效率，降低单位GDP用水量。

4.2 研究区水资源承载力的空间差异分析

根据水资源系统结构模型，运用公式（1）～（6），可以得出江淮分水岭主要研究区（合肥、巢湖、滁州、六安、淮南）各个时间段的水资源承载力状态。江淮分水岭各市区10 a的平均水资源承载力结果如表3所示，各市每年水资源承载力状态如图3所示，5 a的水资源承载力区域对比如图4 所示。

（1）由表3和图3可知，巢湖、滁州、合肥和六安的水资源承载力近10 a来处于可载状态，而淮南则处于超载状态。水资源承载力由大到小依次为：六安、巢湖、合肥、滁州、淮南。其中，淮南市的水资源情形最为严峻，2006～2015年，平均超载率为59.79%，年均可承载的经济总量仅为250.44亿元，可承载的人口为97.82万人，远低于实际的经济总量和人口规模;淮南市每一年的水资源承载力均处于超载状态，见图3（e），2010年超载率最高，达到了70.18%，可供生产使用的水资源量所能承载的经济总量和人口规模均低于每年的实际经济总量和人口规模。合肥市水资源情形也不容乐观，水资源盈余率仅为16.11%，在2006～2015的10 a间，合肥市有4 a的水资源承载力处于超载状态，见图3（c），分别为2008，2009，2011年和2013年，超载范围在在9.87%～31.46%之间，超载率最高年份为2008年。六安市承载潜力最大，年均水资源盈余率为219.70%，具有较大的潜力空间，其主要原因是六安市年降水量富足，可供生产使用的水量较多，所以水资源可承载的经济总量与人口规模均具有很大的潜力空间。

（2）研究区可承载的经济总量由大到小依次为：合肥、六安、滁州、巢湖、淮南;可承载的人口规模由大到小排列依次为：六安、巢湖、滁州、合肥、淮南。

由图3可以看出，各市水资源可承载的经济总量随着时间的推移呈为现波动上升的趋势，可承载的人口规模也有较大的波动，而且各市波动的走向大致相同，滁州、六安、巢湖每年均为可载状态，合肥市水资源可承载的经济总量每年都处于领先地位，但有4 a处于超载状态;淮南市的水资源可承载的经济总量及人口规模最小，每年均处于超载状态。在2006～2015年，合肥市可承载的经济总量最高，年均为3 739.18亿元;淮南市水资源所能承载的经济总量最低，仅为243.26亿元;六安市可承载的人口规模最大，可承载1 833.18万人。淮南市仅可承载97.82万人。由此可以看出，无论是在可承載的经济总量上还是可承载的人口规模上，各市的承载力大小均差异明显。

（3）已知水资源承载力与可供生产使用的水量和单位GDP综合用水量相关，单位GDP综合用水量的降低，在很大程度上改善着可承载的经济总量;可供生产的水量的提高，在很大程度上影响着可承载的人口规模。

在2005～2015年，各市年均单位GDP用水量合肥市最低，为70.07 m3/万元;六安市最高，为378.60 m3/万元（巢湖在此不作对比，2011年巢湖进行了区划调整）。各市之间的产业比例和用水定额之间的差距较大（见表4）。① 合肥市产业比例为5∶54∶41，虽然农业用水、工业用水、城镇公共用水总量不低，但是农业用水定额、工业用水定额、城镇公共用水定额最为合理，用水效率相比较其他各市而言为最高，在可供生产水量并不富足的情况下，水资源可承载的经济总量最大。② 六安市尽管水资源量最为充足，但农业占比最大，而且农业用水量年均达到24.45亿m3，用水定额为1 511.28 m3/万元，仅农业用水量就占居总用水量的75%以上，有的年份甚至达到了80%，其中有95%用于农业灌溉。由于灌溉水平不高，水资源浪费严重，因此水资源可承载的经济总量并不高。③ 滁州和六安情形类似。④ 淮南市尽管在农业、工业和城镇公共用水方面总量最少，但是工业占比太高，近60%，工业用水效率很低，污水排放达标率仅为50%左右，水质型缺水严重（数据统计来自《安徽省水资源公报》，可供生产使用的水量极少（主要依靠淮河水，这里淮河水暂不计入淮南市水资源可利用总量范围内），水资源可承载的经济总量仅为250.44亿元（实际年均生产总值为622.83亿元），水资源可承载的经济总量最不乐观。

（4）对2006～2015年各市水资源承载力以5 a为一期进行了对比。通过图4可以看出：各市的水资源可承载的经济总量均有较大幅度的提升，合肥市变化最为明显。

图4 水资源可承载力对比2005～2010年，合肥市的水资源可承载的经济总量平均为1 787.34 亿元， 2011～2015年间，可承载的经济总量上升到5 909.80 亿元。2006年，合肥市单位GDP综合用水量为146.39 m3/万元，到2010年达到了78.01 m3/万元，2015年则达到了46.61 m3/万元，单位GDP综合用水量总体下降幅度明显，而且与其他各市相比较，单位GDP综合用水量一直处于最低水平;巢湖市的单位GDP综合用水量在2006～2010年间为421.84 m3/万元，虽然较高，但在2011年进行了新一轮的行政区划划分，巢湖被划入到了合肥市;合并后，合肥市带动了巢湖市用水效率的提高，巢湖市也缓解了合肥市的水资源矛盾，两市互利，极大地提高了区域水资源可承载的经济总量，新一轮的行政区划，减轻了地区之间的资源隔阂，有助于资源的优化组合，实现了“1+1>2”的目的。

5 结论

（1）总体而言，近10 a来，江淮分水岭地区水资源承载力基本处于可载状态。水资源承载力在时空上存在着较大的变化差异。水资源承载力的大小与水资源可利用量的多少成正比，与单位GDP综合用水量成反比。

（2）水资源承载力是一个动态变化的过程，2006～2015年，江淮分水岭地区水资源可承载的经济总量具有明显上升的趋势，水资源承载力最小的年份是2006年，最大年份是2015年。在一定消费水平及工程技术水平下，在保证生态和生活用水后，水资源可承载的人口规模与区域降水量的大小显著相关，因此，提高对天然雨水量的利用，降低水资源消耗，合理产业布局，提高用水效率，降低单位GDP综合用水量，可以大大提高水资源的承载能力。

（3）江淮分水岭地区水资源的承载力空间差异明显：从各市可承载的经济总量来看，合肥>六安>滁州>巢湖>淮南;从可承载的人口规模来看，六安>巢湖>滁州>合肥>淮南;其中合肥、淮南水资源问题突出，均为超载状态，六安市的水资源承载潜力最大。区域水资源分配不均问题严重，各市应根据水资源承载力的实际状况，提高用水效率，合理调整产业结构，优化水资源配置，促进区域水资源与社会经济协调发展。

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