基于“双评价”模型的威海市水资源承载力研究

2021-08-13崔东亮王成坤

水利规划与设计 2021年8期

崔东亮，王成坤，何舸，赵亮

(中国城市规划设计研究院深圳分院，广东深圳 518000)

水资源短缺是我国诸多城市规划建设和经济社会健康发展的瓶颈[1-3]。2019年5月颁布的《关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》明确提出，开展资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价(以下简称“双评价”)是国土空间规划编制的前提和基础。建立科学的“双评价”体系，可强化水资源等自然资源要素的底线约束作用，合理确定城镇建设及农业生产空间开发格局与规模，有效支撑国土空间格局优化[4-5]。

当前，面向双评价工作中对水资源承载力评价的要求，各地也相继开展了评价方法的探索。一方面，根据不同研究侧重点的水资源承载力计算模型较为多样：李治军等[6]采用模糊分析法，选取人均水资源量、年产水模数、万元GDP用水量等指标对合肥市水资源承载力进行了评价；郦建强等[7]提出了水资源空间均衡度的概念及其评价方向，为今后以高水平供需分析为核心的高质量水资源配置、完善水资源配置体系提供理论指导；杨光明等[8]基于系统动力学理论，多元化设计了正常发展、经济优先、环境优先、绿色发展4种水资源承载力情景，类比得出重庆市水资源承载力可持续发展的最优方案；另一方面，学者对资源承载力评估结果向规划的传导也开展了相关研究：苏鹤放等[9]基于“永久基本农田保护红线”率先提出了“优势农业空间”概念，分析了水资源与土地资源对于沈阳市、温州市农业生产适宜空间的影响；韩青等[10]基于多源数据分析，明确了青岛资源利用上限及环境质量底线。

以往研究基本满足了国土空间规划水资源本底条件的分析需要，然而，当前实践中水资源评价仍存在几点问题：①评价指标方面：除了降雨量、水资源总量等自然本底类指标，对于用水总量模数、取水优势度等人为影响指标的选取及其对于评估结果的调节作用因为模型的算法不同没有达成共识；②评价方法方面：资源综合承载能力分析应当有多种方案选择，评估过程应兼顾时间上的动态性和技术发展的前瞻性，并非只是单一、极值的概念；③评价结果应用方面：资源承载力评价结果对国土空间规划策略支撑作用尚不明显。本文结合我国典型缺水型城市威海市的“双评价”工作实践，系统研究了国土空间规划背景下水资源评价技术方法及应用实践，为进一步提高“双评价”工作的科学性和可操作性进行了实证性探索。

1 研究方法

1.1 总体思路

基于水资源基本指标，划分评价区域农业生产与城镇建设不同适宜等级空间。结合特定发展阶段的生产生活方式、经济技术水平，计算区域内水资源能够支撑的农业生产、城镇建设最大合理规模。综合评价结果，识别研究区水资源风险与潜力，为编制国土空间规划提供基础支撑，如图1所示。

图1 技术路线

1.2 指标选取

水资源评价指标主要涉及3类：①资源本底类指标：评价单元水资源总量，监测站长时间序列降水资料；②社会经济类指标：用水总量模数、行业用水效率；③基础设施类数据：取水优势度、灌溉保证率。其中，资源本底类指标是评估基本指标，社会经济类及基础设施类指标是考虑现实因素对基本指标评估进行校核修正，是重要的补充性指标，应因地制宜选取[11]。

1.3 资源本底评价

选取降水量、水资源总量作为水资源评价的基本指标开展农业生产与城镇建设适宜等级评估，见表1—2。在不同层级评价中可根据实际需要，对内部分级差距小的指标如区域降雨量等进行差异化阈值遴选。为了使评估结果更准确反应单元水资源本底特征，补充水资源分配影响显著因子，采用权重分级法对结果进行二次校核，对明显不符合实际的开展修正。如农业生产评价需考虑灌溉设施保证率因素，城镇建设评价需考虑城市地形对取水优势度影响。

表1 农业生产指向水资源等级划分

1.4 承载规模评价

基于现有经济技术水平和生产生活方式，以水资源为约束条件分别评价各单元可承载农业生产和城镇建设的最大规模。农业生产规模主要指可承载的耕地规模(M耕地面积)，包括本地水资源可承载的灌溉面积(M灌面)和单纯以天然降水为水源的农田面积(M雨养)。以评估区域供用水结构、代表性作物灌溉定额、三产结构为数据基础，农业生产规模的计算公式为：

W农=W总×K农

(1)

M灌面=W农÷N综合

(2)

N综合=α小麦×β小麦×N小麦+α玉米×β玉米×

N玉米+α其他×β其他×N其他

(3)

M耕地面积=M灌面+M雨养

(4)

式中，W农—农业可灌溉用水量，m3；W总—水资源可利用总量，m3；K农—农业用水比例；M灌面—本地水资源可承载的灌溉面积，ha；N综合—综合灌溉定额，m3/ha；α—农作物单季面积种植比；β—复种指数；M耕地面积—可承载的耕地规模，ha；M雨养—单纯以天然降水为水源的农田面积，ha。

区域用水总量是确定城镇建设规模的主要参考指标之一，以集约高效为基本原则，分析水资源约束下城镇人口规模及城镇建设用地承载规模。同时，应根据所在城市用水特点、三产结构修正校核。计算公式为：

表2 城镇建设指向水资源等级划分

W城镇=W总×K生活+工业

(5)

W城镇人均=β生活+工业(W人均生活用水+W人均工业用水)

(6)

W人口规模=W城镇÷W城镇人均

(7)

S城镇建设用地规模=W人口规模×W人均城镇建设用地

(8)

式中：W城镇—城镇用水总量，m3；K生活+工业—城镇生活工业用水占比；W城镇人均—城镇人均用水定额，L/人·d，参照当地实际统计为准；β生活+工业—人均生活工业用水合理占比；W人均生活用水—城镇人均生活用水定额，L/人·d；W人均工业用水—城镇人均工业用水定额，L/人·d；W人口规模—水资源约束下城镇人口承载规模，m2；S城镇建设用地规模—水资源约束下城镇建设用地承载规模，m2；W人均城镇建设用地—城镇人均用地指标，m2/人，可参考《城市用地分类与规划建设用地标准》选取。

1.5 综合评估与结果应用

基于水资源适宜性等级评价及资源承载规模量化分析结果，总结地区水资源禀赋，识别资源约束下的区域发展瓶颈。坚持问题导向，建立资源承载风险预警来指引差异化管控措施，用动态发展的视角来评估技术更新对资源承载力提升的作用。评价结应有效支撑高质量发展的国土空间策略，农业发展格局与农业生产适宜性评价相衔接，城镇开发策略与城镇建设承载能力相匹配，充分发挥评价结果对国土空间格局优化、三区三线划定、重大工程安排等方面的决策支撑作用。

2 威海市水资源评价实证研究

2.1 研究区概况

研究区威海市位于山东半岛东端，依山傍海，总面积5797.74km2，2019年全市国民生产总值2963.73亿元，常住人口283.6万。市域范围无大江大河，本地水资源主要来源于大气降水，多年平均年降水量约770.6mm。受季风影响，研究区降水年内分配不均匀，人均水资源占有量434 m3，低于国际公认的人均500m3的“极度缺水标准”警戒红线，属极度缺水城市[12]。水资源是制约威海经济社会可持续发展的主要限制性自然资源要素之一。

2.2 水资源本底评价

2.2.1农业生产指向水资源评价

选择降雨量作为农业生产评价主导指标。因昆嵛山及伟德山对汽流的阻挡抬升作用，研究区山前平原局部区域降雨等级达到很湿润级别，其余市域面积多年平均降雨量在400～800mm之间，属于半湿润级别。考虑到研究区降雨年内分配差距显著，农作物高峰需水期与降雨期错位，补充用水总量控制指标模数(见表3)、耕地灌溉保证率(见表4)作为校准指标。经过指标加权修正，研究区农业生产指向水资源评价结果显示，55.3%市域面积农业供水条件一般，44.7%面积农业供水条件较丰富，如图2所示。

图2 农业生产指向水资源评级

表3 研究区各行政区用水总量控制指标模数分级

表4 研究区不同灌溉保障率耕地情况

2.2.2城镇生活指向水资源评价

研究区内无大江大河，流域范围小，本文以行政区划作为水资源评价单元。选取水资源总量作为主导指标，各评价单元水资源指向下城镇建设等级均达到较好等级。但研究区各评价单元水利工程配套差异性大，胶东调水北线工程主要用于满足市区用水需求，未能解决全市水资源分配不均衡问题，工程性因素对城镇取水影响不能忽略。因此将工程性缺水限制作为补充评价因素，选取库容、坡降比、水资源利用率等作为补充指标，依据影响大小赋予指标不同分级权重，计算区域工程缺水限制程度，如图3所示。文登区城镇建设水资源等级维持较好，环翠、荣城、乳山3个区域由于工程性缺水级别较高，应对其城镇生活导向水资源等级下降一级到一般，见表5。

表5 研究区城镇建设水资源评价等级

图3 城镇建设指向水资源评级

2.3 承载规模评价

2.3.1水资源约束下农业生产规模

研究区主要农作物是冬小麦与夏玉米。冬小麦生长期平均耗水量为450mm左右，夏玉米生长期平均耗水量为350 mm左右[13]，考虑蒸腾蒸发量和实际补充到作物根系层的有效降水量，多年平均降雨量大于720 mm的区域有条件开展雨养农业。经与降雨数据耦合计算，全市单纯以天然降水为水源的农田面积约310km2。

基于用水结构分析，农业用水比例(K农)占总用水量的0.45～0.50。现状灌溉工程条件下，研究区平水年与枯水年可承载灌溉规模分别为2247、1490km2，见表6。

表6 水资源可承载农业灌溉面积

综合评估灌溉农业面积与雨养农业面积，平水年研究区水资源可承载耕地规模合计2560km2。

2.3.2水资源约束下城镇建设规模

依据GB 50282—2016《城市给水工程规划规范》中人均综合用水指标，研究区同等级城市应为500L/人·d。但研究区临海产业发达，用水结构与其同级别城市差别较大，人均综合用水指标选取依据当地实际情况取320L/人·d。按照最严格水资源的总量控制红线要求，2035年该市水资源总量控制红线约7.87亿m3，依据城镇化进程及用水结构预测，预计2035年该市城镇用水规模达到5.37亿m3。计算得到2035年研究区水资源承载城镇人口约409万，承载城镇建设用地面积约846.6km2，见表7。

表7 水资源可承载城镇建设面积

2.4 综合评估

2.4.1资源承载风险监测

建立资源环境承载能力监测，明确区域资源环境问题的根源与症结，从而实施差异化的管控与管理措施，是提高空间开发管控水平的重要途径。研究区现有耕地面积1936.50km2，虽未突破平水年情景水资源约束下的2247km2可承载灌溉规模，但若考虑地形坡度、土壤肥力，农业生产适宜的土地剩余规模有限。农业生产潜在风险主要源自两方面，一方面研究区耕地结构旱地比重高达84.3%，农田供水保障等级低；另一方面近些年部分水库功能由农业灌溉为主转为城市供水，原12座大中型水库现状仅有6座水库兼备灌溉功能，同时现状灌溉渠道淤积漏损严重，设施损坏失修。因此，优化耕地结构及保障灌溉基础设施水平，是化解研究区农业生产耕地承载瓶颈的重要手段。

2.4.2前瞻性多情景分析

资源环境承载力评价具有相对性，综合承载能力分析应当有多种方案选择，并非是单一、极值的概念。增设多情景分析内容，能更加客观比较不同技术创新条件下对于资源承载力提升的作用，可以为高质量发展寻找技术切入点。研究区农业现状灌溉模式较为粗犷，微灌、喷灌等高效精准节水灌溉率不足50%。根据《威海市水安全保障总体规划》及目前节水灌溉技术发展水平，预计2035年研究区农田有效灌溉系数可达到0.74左右。在节水灌溉技术普及情境下，2035年研究区平水年与枯水年可提升水资源承载农业灌溉面积约162、119km2，见表8。

表8 节水灌溉情景水资源承载农业灌溉面积分析

依据胶东调水工程规划，未来研究区跨流域调水指标约为1.02亿m3/年。同时随着威海华能等海水淡化工程落地，非常规水资源(包括海水淡化)规模将达到约1.3亿m3/年。区域水资源结构相较现状变化较大，因此，研究区只考虑外调水情境下人口承载规模可提升90万，考虑外调水结合非常规水资源利用情境下人口承载规模可提高116万，见表9。

表9 水资源结构变化情景承载城镇生活情况分析

2.5 优化建议

2.5.1优化国土空间规划方案

双评价的预判结果是国土空间规划格局划定的重要支撑依据。国土空间规划背景下的城镇建设需以推进高质量发展、集约利用土地开发建设为根本原则。研究区城镇现状建设用地面积已经超越水资源(不考虑再生水、海水等非常规水资源)约束下建设用地规模。未来适宜开发的区域在尊重城市客观增长规律的前提下应保持理性增长；突破水资源承载阈值的区域，应适度缩减调整用地开发边界。同时，水源保护区、生态湿地等重要生态空间应纳入生态保护区范围内[14]。研究区现有城市集中式饮用水水源保护区应作为生态敏感区纳入生态保护红线范围内；同时，经评估识别出的具有重要水源涵养价值，对区域水资源改善具有关键作用的区域，也应适当纳入生态保护红线范围。

2.5.2提供水资源矛盾解决策略

研究区主要面临水资源总量匮乏和空间分配不均两大问题。

威海市水资源主要来源于境内大气降水，鉴于本地常规水资源开发潜力有限，需结合自身特点开拓第二水源。威海市三面环海，海岸线长达978.6km，海水质量满足开发水质要求，具有开发利用的良好禀赋。因此建议未来威海水资源发展考虑将海水淡化作为“第二水源”，形成常规水资源与海水淡化联合供水的新局面

根据评价结果，文登区、乳山市区域水资源分配不足，供需矛盾突出。针对市域水资源调度能力不足问题，建议以境内主要河流为主要框架，骨干水库为调蓄节点，建设连通工程和控制性枢纽工程，形成“A”形市域骨干水网，实现水源之间“丰枯相济、余缺互补”局面，解决空间水资源分配不平衡问题。