辽阳市水资源承载能力评价

2020-07-06孙艳兵

黑龙江水利科技 2020年6期

孙艳兵

(辽阳市辽阳县水利事务服务中心，辽宁辽阳 111200)

1 区域概况

辽阳市地处E122°35'-123°40'，N40°42'-41°36'之间，边界线总长471.8km，下辖5个区、1个县和1个县级市，总面积4744km2。该区域从西北部界河畔至东南部边界白云山地势呈自低到高的变化特征，地形从平原、台地、低丘陵、高丘陵、低山到中山，海拔自50m上升至1000m以上，境内大小山峰166座。辽阳市属于湿润、半湿润季风气候，其气候特征因地貌形态的差异各不相同，其中降水量最大的区域位于东部的低山丘陵区，气候特点为夏季多大雨、暴雨，冬季气温低且时间较长，年降水量为800-900mm；而北部丘陵平原地带的降水量较少，气候特点为春季多大风，气温较低，严寒期长，年均降水量500-700mm；西部沿河平原区的降水多于北部丘陵地带，降水量为600-800mm，多集中于作物生长季5-10月，冬冷夏热，大陆性气候强。研究区大小河流纵横交错，其中流程超过10km的河流29条，流域>5km的有86条，这些河流共同构成了浑河、太子河两大水系[1-6]。

虽然辽阳地区存在丰富的水源，但局部区域仍存在地下水过度开发、水资源浪费严重的问题，水系统具有可开发总量少、边际效益低、开采成本高、难度大等特点。特别是随着工业化、城镇化的发展和人口规模的扩大，辽阳市的湖泊、池塘、湿地等具有滞洪和储存功能的区域逐渐消失，加之各行业用水量的急剧增加、农业灌溉用水效率低下和水体污染严重等条件限制，区域水生态功能和承载力水平持续下降。为促进水资源的可持续利用和系统掌握水系统承载经济社会的程度，文章以耗水量为基准核算了辽阳市水系统承载力状况，在此基础上提出合理的建议措施以提升水系统承载力。

2 水资源承载力评价方法

2.1 水资源承载力的定义

结合现有文献资料将水资源承载力的定义概括为：一定的社会经济发展和可预见的科学技术条件下，以维护生态环境良性循环和水资源可持续发展为原则，水资源系统在合理开发利用的情况下能够支撑某一区域社会经济发展和人口规模的最大容量[7]。

综合考虑生态环境、社会经济和水资源系统等方面要素，统一处理水系统的可承载水平为水资源承载力精细量化方法的实质。例如，Dou M等[8]以概化的水系统为基本前提，采用区域内的水利工程可供水量连接人类社会利用水与自然水资源之间的关系，然而该承载力模型以可供水量为约束条件，现有的水利工程在很大程度上决定了承载力计算值，所以评估结果无法体现水系统承载力。为解决以上问题，有学者提出了以最大限度的可能被消耗的水资源作为水系统的可利用量，经数学转换处理评判承载力等级；以耗水量为基准分配每个单元的可利用水资源量，该方法可以最大程度的发挥区域水资源效益，且不受水利工程等条件的限制。为了能够直观的反映制约水系统的关键性因子，充分考虑辽阳市配水方便且区域较小的实际状况，以耗水量为基准搭建科学评估模型，并引入承载潜力指标衡量耕地、COD、氨氮、水量等因素对水资源开发潜力的制约作用。

2.2 水资源承载力评价模型

设定水系统承载目标为人口规模达到最大，以社会经济和资源环境为两大约束条件构造目标函数如下：

(1)

(2)

式中：ppopi、PPOP为区域i和整个研究区的承载人口，万人；ki，j、ωi，j为计算单元i部门j的万元GDP耗水量和分配到的水量，104m3/万元、104m3；ppGDPi为基准年内单元i的经济生产总值，万元。

水资源承载力的约束条件：

1)生活耗水量的计算方法和水资源可利用量W的约束条件如下：

ωi,4=ppopiωwpopi

(3)

(4)

式中：ωwpopi、ωi，4为区域i的人均生活耗水和居民生活总耗水量，104m3/万元、104m3。

2)引入ββtni，j、ββcodi，j为区域i行业j的万元GDP的氨氮和COD排放量，单位t/a；ααtni、ααcodi为区域i的人均总氮和COD排放量，其中i=1，2，…，n；j=1，2，3。由此，构造区域污染物排放约束方程为：

(5)

(6)

3)设rjmax、rjmin为产业j在整个区域内的上、下界限，从而构造水系统承载产业结构的约束条件如下：

rjmin、rjmin

(7)

4)设pprofitmax、Si为单位面积上耕地的最大GDP产值和区域i的耕地面积，万元/ha、ha，从而构造耕地面积约束条件为：

ωi,1/ki,j≤Sipprofit max

(8)

5)水资源承载力的各变量满足非负的约束条件，即：

ωi,j≥0

(9)

最终，将模型转换成可以用单纯形法求解的单目标线性规划问题，即以各个行政分区服务业、工业、农业耗水为自变量计算每个单元分配到的水资源可利用量，结合区域用水条件确定可承载的人口。

2.3 水资源承载潜力评估因子

结合水系统承载力的内涵特征，以人口规模量化水资源，对此引入潜力值I衡量承载状态，即：

I=1-PPOP/FP

(10)

式中：FP为区域水资源可利用量能够供养的一定社会发展水平下的人口规模；其中，I>0或≤0时，则代表水系统处于可载和超载状态。

从目标函数可知，耕地面积、水资源可利用量、氨氮和COD排放量为约束水资源承载力的主要因素，为更加直观的评估水系统承载潜力引入各个约束条件的承载潜力指数Ii，其中Ii的取值区间为0-1，Ii值越大则约束条件i的潜力越大；反之，则潜力越小。采用下式求解潜力指数Ii：

Ii=1-Ci/Cmax,i

(11)

式中：Ci、Ii为约束条件i的开发程度和承载潜力指数；Cmax，i为约束条件i的最大值，Cmax，i的取值标准，见表1。

表1 Cmax，i的取值标准

3 辽阳市水资源承载力评价等级

3.1 情景设定

以计算单元作为行政分区完成模型中用户的概化处理，结合研究区实际状况划分为7个单元，其中生活、服务业、工业和农业耗水为每个单元的耗水部门。为最大程度的保证各用水部门的供水，将来水频率设定为保证率最低的农业供水，对75%来水频率下辽阳市2018、2025年的水系统承载力评价。评价过程中应用到的相关数据，来源于辽宁省河流水系图、辽阳市行政区划图、2010-2019年辽阳市国民经济公报、水资源公报和水资源综合规划等。

3.2 计算结果

通过一系列的转换运算，确定75%水平年辽阳市的汛期弃水、生态需水和水资源可利用量，水资源可利用量，见表2。

表2 水资源可利用量

统计2010-2019年辽阳市各区县的生产总值、人口规模、生活、服务业、工业和农业耗水量，在此基础上预测分析2025年辽阳市生活、服务也、工业的耗水水平。辽阳市生活、服务业和工业耗水量，见表3。

表3 辽阳市生活、服务业和工业耗水量

注释：生活耗水量：m3/人；服务业、工业和农业GDP耗水：m3/万元。

结合区域水资源保护规划和主干河流水环境治理状况，确定辽阳市各区县2018、2025年各行业的单位耗水氨氮、COD排放量，单位耗水污染物排放量，见表4。

表4 单位耗水污染物排放量

注释：生活人均排污量为t/万人；服务业、工业和农业万元GDP排污量10-4t/104m3。

辽阳市各区县2018年、2025年的污水限排总量依据水资源保护规划确定，统计整理COD、氨氮限排量，污水限排总量，见表5。

表5 污水限排总量

为了保证区域产业结构能够维持在合理的区间，设定工业和农业结构比例不低于30%、5%，利用文中所述相关公式求解两种不同情景下的水系统承载力。辽阳市75%来水频率下水系统承载力，见表6。

表6 辽阳市75%来水频率下水系统承载力

续表6 辽阳市75%来水频率下水系统承载力

从表6可知，75%来水频率下辽阳市2018年水资源系统总体可以承载现状人口，但局部地区出现了超载现象，如辽阳县、灯塔市等地区；75%来水频率下辽阳市2025年水资源系统难以支撑预测人口规模，部分地区的水系统状况较好，如白塔区、宏伟区等。根据2018、2025年现状人口和预测人口可知，不同水平年辽阳市承载人口相差不大，这是一些节水减排初步规划的实施与2025年居民要求的生活水平提升共同作用的结果。然而，两个典型年中部分地区的水系统承载力仍不容乐观，水系统超载问题突出，如辽阳县、灯塔市等。

3.3 结果分析

为进一步探究水系统承载力的制约因子，运用文中所述潜力指数计算公式求解2018、2015年每个因素的潜力指数，辽阳市水资源承载潜力分析，见表7。从表7可知，2018年辽阳市水资源系统仍具备一定的开发利用潜力，但辽阳县和灯塔市地区达到超载状态；若未能及时采取有效的控制措施，太子河区2015年水系统将达到超载状态，灯塔市、弓长岭区等超载问题比较严重。从约束条件的角度分析，水资源可利用量为制约2018年水系统承载力的挂件因素，而COD和氨氮为限制2025年水系统承载力的关键参数。

表7 辽阳市水资源承载潜力分析

从时间角度上，通过对比表6中2018、2025年GDP和人口变化可知，2025年区域环保和节水水平得到较大的提升，虽然水系统承载的人口规模有所下降，但较2018年其支撑的经济规模明显增大，且耗水量有所减低；从空间尺度上，灯塔市、辽阳县和弓长岭区的水系统承载力较差，而其它地区相对较好。

结合2018年区域水资源开发实际情况，从减少耗水量和增加水资源可利用量两个方面提升水资源承载能力，其中开发非常规水源利用和增加外调水等为常用的供给侧措施；固化引水渠道、推行节水灌溉措施等为减少需求侧农业耗水的常见方法。针对2025年水资源系统，可从减少氨氮、COD排放等污染物控制的角度提升水资源承载力，其中农业污水排放为辽阳市氨氮污染的主要来源，为缓解水环境承载压力可加大农业面源污水的截污限排力度。