基于生态的大功引黄灌区水资源承载力分析

张修宇　杜雪芳　徐建新　张正钦

摘要：灌区水资源承载力受气温、降雨、蒸发、种植结构、经济社会发展等多种因素影响。从生态灌区的概念入手，在全面剖析生态灌区“经济社会一水资源一生态环境”复合系统的基础上，构建基于生态的灌区水资源承载力计算模型（ PSO-COIM），并以河南省大功引黄灌区为例，采用系统分析法计算灌区水资源承载力，系统分析灌区水资源可承载状况。不考虑外调水时，大功引黄灌区水资源承载力属于超载或严重超载状态;考虑外调水时，灌区各县的水资源承载力指数都有所增大，封丘、长垣为可承栽状态，其他3县为超载状态。对于生态灌区建设，除了应提高引黄供水保证率外，还应加大对灌区雨洪资源的利用和中水回用，最大限度地利用洪涝水资源，实现灌区水资源的可持续利用。

关键词：生态灌区;水资源承载力;PSO-COIM模型;大功引黄灌区

中图分类号：TV213.9

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.011

黄河下游引黄灌区涉及河南省和山东省的17个市86个县（区），近年来黄河水资源总量不足而需求量不断增加，致使引黄灌区的可持续发展受到严重影响，建设生态灌区势在必行。生态灌区是以生态文明建设和经济社会协调发展为基础的复合生态系统[1-3]。建设生态灌区的目的是为了优化农业生产结构、改善人居环境质量和修复脆弱的生态系统，使灌区生态系统持续健康发展。目前，引黄灌区存在着水环境恶化、水资源紧缺、水污染严重等一系列问题。灌区水资源承载力降低意味着水资源可利用量减少，而生态灌区的建设可以恢复灌区的生态系统并形成良性循环。

水资源承载力的概念最先由新疆水资源软科学课题研究组于1989年提出[4]，之后国内外学者对其进行了大量研究，并取得了一系列成果。如Hoekstra等[5]提出用生态足迹模拟法计算水资源承载力：夏军等[6]提出水资源承载力是水资源安全的基本度量和维持最大经济社会规模的有限发展目标：王浩等[7]讨论了水资源承载力的特性及主要影响因素，并定量给出了研究区域的水资源承载力规模：左其亭[8]从水系统分析的角度出发，提出了一种“基于模拟和优化的控制目标反推模型”方法，通过控制目标反推出“最大经济社会规模”，即水资源承载力;高瑞忠等[9]应用模糊综合评价法，分析影响水资源承载力的因素，并对研究区水资源承载力进行了评估和预测：笔者也曾针对气候变化下流域水资源动态承载力开展研究[10]。然而，目前针对生态灌区的水资源承载力研究相对较少，在生态文明建设的进程中，如何建设好生态灌区显得尤为重要。开展生态灌区水资源承载力研究对于优化灌区水资源利用、促进灌区农业可持续发展具有重要意义。

1 生态灌区水资源承载力理论与计算方法

1.1 生态灌区水资源承载力概念

生态灌区是一个具有社会性质的开放性生态系统，依赖于自然环境提供的光、热、土壤资源以及人工选择的作物和种植作物的比例，是一个半人工复合生态系统。生态灌区水资源承载力是指基于变化环境和人类活动的影响，在特定时期的不同时间段中，灌区水资源系统能够维系生态系统良性循环并支撑最大经济社会发展规模的能力。水资源承载力是水资源安全的基本度量，是衡量区域可持续发展的重要指标。科学评估灌区水资源承载力可以更好地认识水资源系统在灌区经济社会发展中的支撑作用，有助于了解人口、资源和生态环境的关系，促进灌区水资源的可持续发展和良性循环。

1.2 生态灌区水资源承载力内涵

生态灌区“经济社会一水资源一生态环境”复合系统由农业生态系统、沟渠与河湖生态系统和林草生态系统组成，其中：农业生态系统主要通过优化灌区作物生产方式及生产结构，提升产品质量，同时进行气候调节、土壤保持、水分与养分循环及贮存，使人民生活质量得到改善;沟渠与河湖生态系统主要由输水、储水、排水3部分组成，其作用是使灌区内外水系相通，水质得到净化;林草生态系统主要由灌木、乔木、草地、动植物要素组成，主要承担涵养水源、调节气候、土壤保持的功能。该复合系统的一般组成结构及相互关系如图1所示。在复合系统中，经济社会、水资源、生态环境之间相互联系、相互协调、密不可分，构成有机的整体。经济社会发展中所需的生态环境资源由水资源系统和生态环境系统提供，水资源系统对经济社会系统和生态环境系统起着支撑作用。经济社会系统对水资源系统和生态环境系统具有双重作用：一方面通过消耗资源、排放污染，使水资源和生态环境遭受破坏，降低其承载力：另一方面通过社会的快速发展，不断产生许多治理环境污染的技术与措施，对水资源和生态环境进行一定程度的恢复补偿，从而提高其承载力。这个复合生态系统中的所有生命元素都依水而生，对水资源的量变和质变非常敏感，因此水资源不仅是农业生产的重要资源，而且是生态环境的重要控制因素[11]。

1.3 生态灌区水资源承载力计算方法

目前常用的水资源承载力评价方法有经验公式法、综合评价法和系统分析法[12-15]。其中：经验公式法是通过量纲原理推导总结得到的公式，一般来源于生产实践，特点是计算简单、便于推广应用，但是对资源与经济社会之间的联系考虑较少：综合评价法是利用单一指标或多指标反映区域水资源状况或阈值的评价方法，基本思路是通过选定的指标和评价标准进行计算，然后根据计算值进行承载力综合评价，缺点是指标选择难以统一、评价标准难以确定;系统分析法综合考虑水资源承载力的主体和客体，分析方法主要包含系统动力学法、優化模型法和控制目标反推模型法，优点是考虑了“经济社会一水资源一生态环境”的复杂性和系统性，不足是计算方法复杂、过程繁琐、难以推广应用，水资源系统模拟和建模存在不足，纳入统一模型比较困难。

针对不同的研究领域和具体的目标要求，每种评价方法都有其适用范围，限于对水资源承载力的理解不同，不同的评价方法也存在相应的局限性。本文采用“基于预测一模拟一优化的控制目标反推模型（PSO -COIM）”法[10]，综合考虑经济社会、生活、生产和生态的影响，通过构建模型计算灌区的水资源可承载力。

1.3.1 模型构建

PSO-COIM模型表达式[10]为

1.3.2 模型求解步骤

基于生态的水资源承载力量化模型是一个复杂的非线性优化模型，直接求解很困难，可以通过两种途径来求解：一种是用数值迭代法逐步求解近似最优解：另一种是使用计算机模拟技术，分方案搜索，找到近似最优解。采用数值迭代法求解的步骤如下。

（1）按照承载力量化模型的参数条件，对已知参数赋值。对于现状水平年，采用实际数据;对于规划水平年，则采用现有的规划数据或对历史资料计算分析后预测的数据。

2 实例分析

2.1 灌区概况

大功引黄灌区位于河南省黄河以北的豫北平原，分属于黄河流域和海河流域，包括新乡市的封丘、长垣，安阳市的滑县、内黄及鹤壁市的浚县，总面积2 442km，设计灌溉面积18.9万hm。降水年际变化较大，年内分配不均，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月降水量仅占全年降水量的0.7%。

2.2 计算结果

选取河南省水资源公报及相关各县（区）水资源数据资料，以2015年作为现状年。首先对大功灌区各行政区域水资源供需状况进行分析，灌区需水包括工业需水、农业需水、林牧渔业需水、城镇生活需水、农村生活需水、生态环境需水6个方面，供水分有外调水（引黄水）和无外调水2种情况。不考虑外调水时，水资源供需情况见表2：考虑外调水时，水资源供需情况见表3。

由表2、表3可以看出，5个县的农业需水占比最大，林牧渔业需水和生态环境需水较少，地下水的供水量远大于地表水的。根据上述水资源承载力计算方法，对大功灌区水资源承载力进行计算，结果见图2。

大功引黄灌区不考虑外调水时，封丘、长垣的水资源承载力指数分别为0.74、0.63，属于超载;滑县、内黄、浚县的水资源承载力指数分别为0.50、0.46、0.42，属于严重超载。考虑外调水（引黄水）后各县的水资源承载力指数都有所增大，其中：封丘、长垣水资源承载力指数分别为1.08、1.11，达到可承载等级;滑县、内黄、浚县分别为0.64、0.56、0.47，仍处于超载状态。各行政区为满足工业、农业、生活、生产和生态需水，存在超采浅层地下水的情况，部分地区甚至对深层地下水进行开采，导致地下水漏斗不断扩大。根据2015年河南省水资源公报，截至2015年底，河南省平原区浅层地下水漏斗区总面积为8 480 km，其中安阳一鹤壁一濮阳漏斗区面积为7 300 km，漏斗中心水位埋深为43.07 m，与本文对研究区现状年水资源承载力分析结果是吻合的。

3 结语

本文基于生态灌区内涵，以大功引黄灌区为例，采用PSO-COIM法对灌区水资源承载力进行分析。鉴于研究内容涉及水文、生态、经济等多个学科和问题的复杂性，本文采用了简化方法求解模型，即采用数值迭代法逐步求解近似最优解来确定水资源的承载力。今后应继续加强模型求解方面的研究工作，以提高计算结果的准确性，使研究结论更加符合实际：也可以考虑采用多种水资源承载力计算方法进行对比，从而得出更为合理的结果。对于生态灌区建设，除了应提高供水保证率外，还应加大对灌区雨洪资源的利用和中水回用，最大限度地实现生态灌区的可持续发展目标。

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【责任编辑张华兴】