基于流域尺度的甘肃省水资源承载力评价

史紫薇 , 冯文文 , 钱会,*

基于流域尺度的甘肃省水资源承载力评价

史紫薇1,2, 冯文文1,2, 钱会1,2,*

1.长安大学水利与环境学院, 西安 710054 2.旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室, 西安 710054

水资源承载力是评价水资源状况的重要指标, 基于流域尺度研究水资源承载力可为水资源规划管理、经济社会发展与人民生活提供参考依据。为得到更加符合实际的评价结果, 从水资源、居民生活、社会经济、生态环境等4个方面选取14个指标, 采用博弈论组合赋权法确定指标权重, 利用TOPSIS综合分析法对甘肃省2009—2018 年水资源承载力进行分析评价, 并对省内7个二级流域分别进行了水资源承载力评价。结果表明: (1)2009—2018 年甘肃省水资源承载力有升有降, 存在波动现象, 其中2012年承载力最强, 综合评价值为0.371, 处于略强承载状态; 2015年最弱, 为0.627, 处于略弱承载状态, 其余年份均处于均衡承载状态; (2)甘肃省水资源承载力在空间分布上总体表现出南强北弱的特点; (3)为增强甘肃省水资源承载力, 满足水资源可持续利用, 建议细化水资源管理方案、加大水利设施的建设强度、推进流域间水资源调度的实施、实施更为合理且有效的水资源配置方案, 以实现水资源的合理规划与管理。

流域; 水资源承载力; 博弈论; TOPSIS综合评价法

0 前言

水资源是人类生存及地区发展必不可少的自然资源之一, 我国水资源在时空分配上表现出“东多西少、南多北少、夏秋多、冬春少”的明显特征[1], 尤其在西北干旱半干旱地区, 水资源严重匮乏, 对人们生产生活造成极大影响, 因此对区域水资源状况进行研究可以为当地经济社会发展提供决策参考, 具有十分重要的实际意义[2]。

施雅风[3]等人在对乌鲁木齐河流域水资源研究的过程中, 提出了水资源承载力的概念, 认为水资源承载力是指某一地区的水资源, 在其社会历史和科学技术发展的一定阶段, 在不破坏社会和生态系统的前提下, 最大程度可承载农业、工业、城市规模和人口的能力, 是一个随着社会、经济、科学技术发展变化的综合指标。但目前关于水资源承载力的概念仍没有统一的认识与定义[4]。水资源承载力是评价一个地区水资源状况的重要指标, Dan Dai[5]等人从水资源承载力的角度对北京-天津-河北地区永定河流域的水资源可持续性进行了评价。目前对于水资源承载力的研究主要从影响水资源承载力的各项指标出发, 如董晓娜[6]等人利用主成分分析法提取了影响开封市水资源承载力的主要指标, 结合熵权法找到了影响开封市水资源承载力的主要因素; 门宝辉[7]通过建立驱动力—压力—状态—响应模型评价指标体系, 结合熵权法与云理论对2004—2017年北京市水资源承载力进行了研究; 张宁宁等[8]构建四维评价指标体系对黄河流域61个地市的水资源承载力进行了评价分析。

目前基于行政区域划分对水资源承载力进行评价的研究颇多, 杨亮洁[9]等人基于行政区域划分对甘肃省2004—2013年资源环境承载力进行了分析评价。然而水系对于一个地区的人民生活、经济发展等有着至关重要的影响, 而且流域的不同也会引起自然环境的不同, 进而导致同一地区不同流域之间的水资源承载状况大相径庭, 因此以流域为评价单元, 能够使研究结果更符合自然规律[10], 更加真实的反映出该地区水资源的实际状态。但是目前基于研究区域内天然流域划分研究水资源承载力的成果并不多, 夏玮静[10]等人通过流域划分对陕西省水资源承载力进行了评价研究, 认为流域调水对城市发展起决定性作用。由于甘肃省跨度较大, 省内流域之间的自然环境差异明显, 导致省内不同流域间水资源承载能力也有较大差异, 因此基于流域划分评价水资源承载力更具实际意义。本文以甘肃省7个二级流域为研究区域, 运用综合评价法对2009—2018 年甘肃省水资源承载力进行评价, 以便更加清晰地掌握甘肃省各流域的水资源状况, 针对各流域实际情况采取对应措施, 为水资源可持续开发利用以及社会经济发展提供决策依据。

1 研究区概况

甘肃省是“一带一路”沿线城市之一, 位于丝绸之路经济带的中心位置, 被称为古丝绸之路的锁钥之地和黄金地段, 在“一带一路”建设中具有重要的战略地位[11]。甘肃省位于我国西北, 介于北纬32°11′—42°57′, 东经92°13′—108°46′之间, 地形呈狭长状, 地貌复杂多样, 东西长1655 km, 南北宽530 km (图1)。由于地理条件复杂多样, 省内水资源分配极其不均。甘肃省主要包括内陆河、黄河、长江三大流域, 其中黄河流域又分为龙门峡以上、龙门峡—兰州、兰州—河口镇、龙门—三门峡4个二级流域, 长江流域分为嘉陵江和汉江2个二级流域。根据《甘肃省水资源公报》, 2018年甘肃省水资源总量为354.89亿m³, 人均水资源量为1266.58 m³·人-1, 仅占全国人均水资源量的61.75%。省内三大流域面积分别占全省总面积的59.42%、32.11%、8.47%, 水资源总量分别为60.76亿m³、172.59亿m³、121.53亿m³, 用水总量分别为71.24亿m³、38.56亿m³、2.51亿m³, 可以看出内陆河流域面积最广、用水量最大而水资源最为匮乏, 汉江流域面积与用水量均最小但水资源总量却是内陆河流域的两倍之多, 由此可见甘肃省的水资源分布呈南多北少、东丰西疏的特征。

图1 研究区概况图

Figure 1 Overview of the study area

2 数据来源与研究方法

2.1 指标选取及数据来源

基于前人给出的关于水资源承载力的定义, 本文将水资源承载力定义为: 在满足可持续发展的前提下, 某地区的水资源在一定时间内的居民生活、社会经济以及生态环境等方面的影响与支持下, 对于该地区满足居民生活、发展社会经济、治理生态环境等活动的支撑能力。结合甘肃省实际情况, 从水资源、居民生活、社会经济、生态环境四个方面选取有关指标, 共14个。由于所选指标对水资源承载力的作用不同, 故将指标分为正向(+)指标与逆向(-)指标, 正向指标对承载力起促进作用, 逆向则相反[12]。具体指标内容与属性见表1。

文中涉及研究数据均来源于2009—2018年《甘肃省统计年鉴》、《甘肃省水资源公报》等公开资料, 并经整理计算获得。

2.2 指标权重的确定

指标赋权法分为主观赋权法与客观赋权法, 常用的主观赋权法有层次分析法[13]、专家盲评法[14]、G1赋权法[15]、G2赋权法[16]、二项系数法[17]等, 客观赋权法有熵权法[18]、变异系数法[19]、主成分分析法[7]、CRITIC法[15][16]等。本文利用博弈论将G2赋权法与CRITIC法相结合对所选指标进行赋权, 可以在一定程度上消减单独使用两种方法时产生的误差。

2.2.1 决策矩阵无量纲化

表1 指标内容及含义表

2.2.2 基于博弈论的组合赋权法

2.3 基于TOPSIS综合分析评价法的水资源承载力评价

表2 水资源承载力分级标准

3 结果与分析

3.1 甘肃省水资源承载力综合评价及分析

从评价结果看(图2), 2009—2018年甘肃省水资源承载力评价结果有升有降, 存在波动现象。2009年综合评价值为0.460, 2018年为0.431, 其中2012年水资源承载力最强, 综合评价值为0.371, 处于略强承载状态; 2015年最弱, 为0.627, 处于略弱承载状态, 其余年份均处于均衡承载状态。2010—2012年、2015—2018年两个时间段内水资源承载力均呈增强趋势, 尤其2015—2018年间增幅最为明显, 由0.627到0.431, 从略弱承载增强至接近略强承载; 2012—2015年间水资源承载力持续减弱, 从略强承载减弱至略弱承载。水资源承载力状态的改变必然是由与之相关的各种因素的变化引起的。

从水资源方面看, 2009—2018年水资源与水资源承载力的变化趋势基本一致, 说明一个地区的水资源赋存状况对于水资源承载力的贡献卓越。2015年人均水资源量为764.793 m³·人-1, 产水模数为4.38 万m³·(km²)-1, 均为近十年最低值, 是导致2015年水资源承载力最弱的主要原因之一。

2009—2018年甘肃省人口数不断增加, 从2557.53 万人增加至2637.26 万人, 在满足居民日常生活方面增大了水资源的承载压力, 但由于甘肃省政府在近些年开展并顺利完成了多个饮水、供水项目, 为人民生活提供了便利的同时降低了用水压力, 同时由于人民用水意识的增强以及越来越多节水设备的研发, 在一定程度上缓解了水资源在居民生活方面的承载压力。

随着全国经济的迅速发展, 甘肃省的经济状况也取得了喜人的成果, 人均GDP从2009年的1.304万元·人-1增加到2018年的3.127 万元·人-1。工业与农业的快速发展使得用水量持续增加, 但由于工业工艺的改进以及节水灌溉的广泛推进, 工农业用水以及工业污水的排放并没有对水资源承载力产生明显的拖后影响。

甘肃省地处我国西北, 对于生态环境的治理尤为重视, 尤其是十八大将生态文明建设列入“五位一体”总布局后, 对生态建设投资逐年加大, 2018年完成投资为71.63亿元, 在此期间对黑河、石羊河等内陆河流域进行了生态治理, 成果显著。但同时生态用水总量增多, 2018年为4.67亿m3, 为2009年的2倍之多, 而且由于甘肃省气候干旱, 旱灾频发, 近几年虽然旱灾成灾面积得到了一定程度的控制, 但在全国范围内依然严重, 加大了生态环境治理的压力。而2012—2015年COD、氨氮排放量较以往突然增多, 也是2012年以后水资源承载力下降的原因之一。

3.2 基于流域尺度的水资源承载力评价及分析

由于流域的不同, 自然环境、人口密度、经济发展等方面差异较大, 水资源承载力也必然会有所区别。从2009、2012、2015、2018年各流域评价结果来看(图3), 2018年水资源承载力由强到弱依次为兰州—河口镇、龙羊峡以上、嘉陵江、汉江、龙门—三门峡、内陆河、龙门峡—兰州。内陆河、兰州—河口镇流域多年来几乎一直处于均衡承载状态, 龙羊峡以上、龙羊峡—兰州、龙门—三门峡、嘉陵江、汉江等5个流域的水资源承载力评价值变化趋势与全省水资源承载力变化趋势基本一致, 2012年最强, 2015年最弱。

内陆河流域近十年来经济发展迅速, 2009—2018年人均GDP增长接近2倍, 2009年为2.192 万元·人-1, 2018年为4.156 万元·人-1, 但随着工业工艺的改进, COD与氨氮排放量逐年递减, 所以并没有给水资源带来太大的承载压力。但由于内陆河流域内既有绿洲, 又存在生态环境脆弱极其缺水的地区, 2018年生态环境用水量占全省的70.55%, 因此流域内的水资源承载力一直未能有较大提升。兰州—河口镇流域水资源总量过少, 人均水资源量在全省7个二级流域中最少, 但由于节水社会的推进以及最严格水资源管理制度的实行, 造成的承载压力不大, 不过仍需继续加强水资源管理以提高水资源承载力。龙门峡以上流域与汉江流域人口相对稀少, 工农业不发达, 用水量较少, 但水资源丰富, 人均水资源量均位于全省前列, 水资源承载压力一直都相对较小。近十年龙羊峡—兰州流域COD与氨氮排放量一直居高不下, 在生态环境方面提供了很大的承载压力, 但人口较2009年减少了60余万, 而且地下水资源量逐年丰富, 在一定程度上缓解了水资源的供需压力。龙门—三门峡流域由于人口众多, 人均水资源量仅优于兰州—河口镇, 2015年工农业用水量、污水排放量、COD以及氨氮排放量陡增, 使得2015年水资源承载力成为近十年最弱。甘肃省内长江流域主要为嘉陵江流域, 水资源总量丰富, 工农业用水量不多, 水资源供需矛盾不明显, 承载压力不大。总体来说, 甘肃省水资源承载能力表现出南部强北部弱的特点。

图2 2009—2018年甘肃省水资源承载力评价值

Figure 2 Evaluation values of water resources carrying capacity in Gansu Province from 2009 to 2018

从空间分布来看, 甘肃省7个二级流域由于不同的水资源赋存情况、人口数量以及经济发展现状而表现出不同的水资源承载状态。人口与经济压力大的流域随着经济的发展可能会面临更加严峻的水资源供需矛盾, 如内陆河与兰州—河口镇流域, 需要推进水利工程建设进度, 加强跨流域水资源调度, 使水资源利用更加合理化, 以便缓解水资源承载压力。

4 讨论

从全省以及各流域水资源承载力评价结果来看, 可通过采取以下措施增强甘肃省水资源承载力以满足水资源可持续利用: 细化水资源管理方案, 充分利用各类水资源; 加大节水社会建设; 严控水污染; 继续加大水利设施建设, 推进流域间水资源调度的实施; 实行更为合理且有效的水资源配置方案等。重视水资源利用、保护以及增强人民用水意识是增强水资源承载力、满足水资源可持续开发利用的基础。

Figure 3 Evaluation results of water resources carrying capacity of various river basins of 2009, 2012,2015 and 2018

水资源承载力充分表示了某一区域、某一时间段内水资源在外界各种因素的影响与支持下对于该地区社会发展等必要活动的支撑能力, 是评估水资源在可持续发展的前提下能否满足需求的重要指标。同一区域在不同时间段内的降水等自然条件、居民生活水平、社会经济发展状况、生态环境状态等均会发生改变, 而且不同区域之间以上条件均有差异, 所以水资源承载力会随地区、时间发生变化。前人对甘肃省水资源承载力的评价采用了单一评价方法且并没有明确时间段[4], 本文选取14个指标通过综合评价法对甘肃省以及省内7个流域2009—2018年水资源承载力进行评价, 对甘肃省水资源规划与管理有一定的参考价值。由于目前对于水资源承载力仍没有统一的认识及定义, 进行评价时所选指标均是参考前人研究以及个人认识, 没有统一的评价标准, 因此在后续研究中应当明确水资源承载力的定义以及评价标准, 以便进一步研究。

5 结论

(1)2009—2018年甘肃省水资源承载力评价结果有升有降, 存在波动现象。其中2012年承载力最强, 综合评价值为0.371, 处于略强承载状态; 2015年最弱, 为0.627, 处于略弱承载状态, 其余年份均处于均衡承载状态。居民生活、社会经济以及生态环境等都对水资源造成一定的承载压力, 其中生态环境对于水资源的承载压力最大, 社会经济次之。

(2)甘肃省各流域的水资源承载力在空间分布上不尽相同, 总体表现出南强北弱的特点。

(3)基于流域尺度的水资源承载力评价可以更加客观的对水资源承载能力进行评价, 便于对水资源进行更加合理的规划与使用。

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Evaluation of water resources carrying capacity in Gansu Province based on watershed

SHI Ziwei1,2, FENG Wenwen1,2, QIAN Hui1,2,*

1. School of Water and Environment, Chang’an University, Xi’an 710054, China 2. Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effects in Arid Region of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’ an 710054, China

The carrying capacity of water resources is an important indicator for evaluating the status of water resources. Studying water resources carrying capacity based on watershed can provide references for water resources planning and management, economic and social development and people's lives in Gansu Province. In order to obtain more realistic evaluation results, 14 indicators were selected from 4 aspects including water resources, residents’ lives, social economy, and ecological environment. The game theory combination weighting method was used to determine the index weights; the TOPSIS comprehensive analysis method was used to analyze and evaluate the water resources carrying capacity of Gansu Province from 2009 to 2018, and 7 secondary basins were evaluated respectively. The results showed that: (1)From 2009 to 2018, the water resources carrying capacity of Gansu Province increased and decreased, and there were fluctuations. Among them, the carrying capacity was the strongest in 2012, with a comprehensive evaluation value of 0.371, which was in a slightly strong carrying state. The weakest in 2015 was 0.627, which was in a slightly weaker carrying state, and the remaining years were in a balanced carrying state. (2)The spatial distribution of water resources carrying capacity in Gansu Province showed the characteristics of strong south and weak north. (3) In order to enhance the carrying capacity of water resource in Gansu Province and satisfy in the sustainable utilization of water resources, it was recommended to refine the water resources management plan, increase the construction intensity of water conservancy facilities, and promote the implementation of inter-basin water resources scheduling. The implementation is more reasonable and effective water resources allocation plan to achieve reasonable planning and management of water resources.

watershed; water resources carrying capacity; game theory; TOPSIS comprehensive evaluation method

史紫薇, 冯文文, 钱会. 基于流域尺度的甘肃省水资源承载力评价[J]. 生态科学, 2021, 40(3): 51–57.

SHI Ziwei, FENG Wenwen, QIAN Hui. Evaluation of water resources carrying capacity in Gansu Province based on watershed[J]. Ecological Science, 2021, 40(3): 51–57.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.03.007

TV213.4

A

1008-8873(2021)03-051-07

2020-08-22;

2020-09-20

国家自然科学基金重点项目(41931285)

史紫薇(1996—), 女, 陕西西安人, 硕士研究生, 主要从事水文与水资源研究, E-mail: shizw@chd.edu.cn

钱会, 男, 博士, 教授, 主要从事水文与水资源研究, E-mail: 2095598627@qq.com