太原市水资源承载力主要驱动因子识别

丁相毅，石小林，王相谦，梅 超

(1.中国水利水电科学研究院 水资源研究所，北京 100038；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 城乡发展工程院，湖南 长沙 410000；3.河南省水利水电工程建设质量监测站，河南 郑州 450003)

2018年3月，国务院正式批复同意太原市以资源型城市转型升级为主题，建设国家可持续发展议程创新示范区，实施水资源节约和水环境重构，探索制约可持续发展重大问题的系统解决方案。然而太原市是中国典型的资源型城市，人均水资源占有量低、地下水超采历史欠账严重、水污染与水生态破坏严重，水资源问题已成为制约其生态环境保护与高质量发展的重要瓶颈[1]。水资源承载力作为衡量一个区域综合实力和发展潜力的重要指标，开展水资源承载力研究对于太原市水资源利用、保护和管理具有重要现实意义。新时代治水方针中的“空间均衡”，就是主要针对水资源承载而言的，要在空间上实现经济社会系统面临的水压力与水资源系统本身的支撑力之间的平衡[2]。

国内外关于水资源承载力的研究已有几十年的历史，近年来，不同学者针对水资源承载力从不同的角度开展了一系列研究，如在构建评价指标体系时考虑了水资源、社会经济、生态环境等方面的指标[3]，从水资源承载支撑力、压力、调控力3个子系统选取评价指标[4]，以及综合考虑资源和环境维度的承载力评估研究区域的水生态承载力[5]等。在新时期国家和地方重大实践需求下，本研究团队从“量-质-域-流”[6-9]4个维度，构建了水资源承载力评价指标体系，引入“单指标量化-多指标综合-多准则集成”(SMI-P)综合评价方法[10]，采用层次分析法和熵权法的主客组合赋权法确定评价指标权重[11]，建立了基于SMI-P法的水资源承载力评估模型，并将其应用于太原市水资源承载力评价。结果表明，2009—2018年，太原市各维度水资源承载力指数均呈上升趋势，水资源综合承载力处于超载状态[12]。本研究在此基础上，拟结合水量、水质、水域、水流各维度临界超载/超载原因分析和太原市水资源现状，采用定性分析和定量识别相结合的方法分析太原市水资源承载力的主要驱动因子，以期为太原市水资源承载力提升方案的制定提供参考，为太原市资源型城市转型升级和高质量发展提供决策支持。

1 太原市概况

太原市是以输出能源、原材料、矿山机械产品为主要特征的全国重要的能源重化工城市[13]，是山西省的政治、文化、经济和信息中心；地处山西省中部、晋中盆地北端，东接阳泉，西接吕梁，北接忻州，南邻晋中。地理位置为东经 111°31′～113°09′，北纬 37°27′～38°12′，全市面积6 988 km2(图1)。太原市北、东、西三面环山，地势北高南低、自东西两侧向中间倾斜，市境中南部是在断陷盆地基础上形成的冲积平原，地势开阔平坦。太原属北温带大陆性气候，温度变化大，降雨分布不均，年平均气温9.5℃，年均降水量456 mm。根据《太原市2019年水资源公报》，2019年全市水资源总量50 982万m3，其中地下水资源量37 894万m3，地表水资源量19 230万m3，人均水资源量为114.3 m3，远低于国际上人均占有量500 m3的极度缺水的警戒线，属于典型的资源型缺水城市。

2 太原市水资源承载力驱动因子识别

2.1 太原市水资源承载力评价结果

从“量-质-域-流”4个维度，构建了水资源承载力评价指标体系，引入“单指标量化-多指标综合-多准则集成”(SMI-P)综合评价方法，采用层次分析法和熵权法的主客组合赋权法确定评价指标权重，建立了基于SMI-P法的水资源承载力评估模型，进而对太原市2009—2018年的水资源承载力进行评价，结果见表1、图2，具体评价方法和过程参考文献[12]。

表1 2009—2018年太原市水资源承载力评价结果

图2 太原市水资源承载力变化趋势

2.2 原因分析

从表1和图2可以看出，2009—2018年期间，2009年太原市水资源综合承载力指数最小，仅为0.251 1；2018年太原市水资源综合承载力指数最大，其值为0.478 9，太原市水资源综合承载状态皆为超载；太原市水资源承载力指数呈上升趋势，其中2011年水资源综合承载力指数上升幅度较大，通过分析影响太原市水资源承载力的因素，发现其主要原因是2011年太原市降水量偏丰，水功能区水质达标率增大，导致太原市水资源综合承载力指数上升。从水资源承载力总体缓慢上升的趋势可以看出，太原市水资源承载力在不断提高，证明太原市水资源整体状况在不断改善，但是目前仍处于超载状态，说明太原市水污染治理、水生态环境保护和提高用水效率等任务仍十分艰巨。且作为典型的资源型地区，太原市长期依靠能源资源的高投入、高消耗拉动经济发展，资源约束紧张、生态功能退化、环境承载力降低等发展不协调、不可持续问题目前仍然没有很好地解决。以前述评价结果为基础，分别从水量、水质、水域、水流4个维度分析超载原因。

2.2.1水量维度

太原市是全国重要的重能源化工城市，大规模的能源开发和机械化工生产导致需水量急剧增长和水体污染严重，由于地表水资源短缺，只能长期超采地下水，造成地下水水位下降、泉水断流、地面沉降等一系列环境和地质问题。此外由于缺水，一些农田不得不使用城市污水和工业废水进行灌溉，造成浅层地下水水质恶化，进一步恶化了地下水开发利用形势。2018年太原市污水利用率为43.66%，与发达国家相比还有较大差距。

2.2.2水质维度

2018年，汾河太原段水质为重度污染，主要超标污染物为氨氮、总磷和五日生化需氧量。国家和省考核的9个地表水例行监测断面中，市区汾河祥云桥下游河段的小店桥、温南社、韩武村(国家考核断面)3个断面及清徐县白石南河出境美锦桥断面，常年为劣Ⅴ类水质，与国家和山西省的要求相比，还有很大差距，汾河水污染治理面临的形势异常严峻。此外，太原市水污染历史欠账严重，太原市水功能区水质达标率常年处于73%左右，劣V类水质占比常年处于44%左右，距离完成消除劣Ⅴ类断面约束性指标的任务还很艰巨。

水污染治理重点工程进度缓慢，不能如期发挥治污作用，严重影响汾河水质改善进度。特别是城镇生活污水处理能力不足、管网不健全、雨污不分流等问题突出。汾东污水处理厂一期工程尚在调试阶段，导致目前仍有约10万t生活污水通过北张退水渠、太榆退水渠直排汾河，是当前造成北张退水渠黑臭水体、太榆退水渠水质差和温南社断面不达标的重要因素。

2.2.3水域维度

2018年太原市水资源开发利用率(不含引入水量)为127.11%，地表水资源开发利用率为177.79%，水资源利用效率只有57.50%，太原市水资源被过度开发利用，经济生活用水大量挤占城市环境用水。河道防洪堤防工程大面积压缩河道宽度，汾河宽度由历史上的2～3 km压缩至250～300 m，将历史上的水域、湿地变为良田，河道两岸的滩涂地被大量开发、利用，导致两侧的水域湿地面积不足，水生态严重破坏[14]。

植被覆盖率低，2018年太原市森林覆盖率为24.17%，远低于世界31%的平均水平，人均森林面积仅为世界人均森林面积的1/4。水土流失严重，造成太原市水土流失因素有特殊地理、气候等自然因素，也有过度开发利用自然资源的人为因素[15]，虽然目前太原市综合治理水土流失面积已超过30万hm2，水土流失治理率达到65%，但雨季行洪时，各边山沟道的洪水依然严重浑浊，边山支河数座缓洪池塘坝严重淤积，说明太原市水土流失现象依然较为严重，而且矿产资源不合理开发与弃渣乱堆乱放加剧了水土流失。

2.2.4水流维度

太原市降水量减少，导致河道产流减少。根据太原市近百年的气候变化特征相关研究结果表明：太原市年降水量呈下降趋势，气温总体呈上升趋势，干旱化趋势明显[16]。汾河作为太原市的主要水体，汾河太原段受汾河水库和汾河二库控制影响，由于汾河生态补水机制不够完善，致使位于太原市上游的汾河水质考核断面时常处于断流或低流量状态，而且由于汾河流域水库、闸坝等挡水建筑物影响，导致每年只有60%河道面积只在汛期短期过流，过流时间一般不超过20 d。地下水水位下降，致使泉水出流量减少，其中太原市玄泉寺泉及兰村泉群于1988年断流，晋祠泉于1994年断流，进一步加剧了降雨产流的衰减形势。

2008年实施汾河清水复流、调引客水进行生态补水，但回升速度不快、幅度有限，大部分渗漏地下，地表水补给缓慢，直到2018年，万家寨引黄供水向汾河补水1亿m3后，水生态效益才逐渐显现，基本实现了汾河全年不断流。

2.3 主要驱动因子识别

2.3.1定性分析

根据太原市水资源承载力评价结果，结合各维度临界超载/超载原因分析和太原市水资源现状，可从以下几个方面定性分析影响太原市水资源承载力的主要驱动因子。

a)自然禀赋。太原市水资源短缺，时空分布不均，且未来太原市降水量有下降趋势，随着太原市经济社会发展，缺水形势将愈加严峻。故可选降水量、人均水资源量作为影响水资源自然禀赋的主要驱动因子。

b)水质状况。太原市水质污染严重，水污染治理重点工程进度缓慢，与国家和山西省的要求相比，还有很大差距。故可选水功能区水质达标率和劣Ⅴ类水质占比作为影响水质状况的主要驱动因子。

c)水资源开发利用情况。太原市地下水超采历史欠账严重，地表水资源开发利用率高，生态用水被大量挤占，水土流失严重，水域湿地面积不足，水生态破坏严重。故可选地下水开采系数、水域面积率、湿地保留率和水土流失治理率作为影响水资源开发利用的主要驱动因子。

d)水生态环境健康状况。太原市水资源被过度开发利用，经济生活用水大量挤占城市环境用水，矿产资源不合理开发与弃渣乱堆乱放加剧了水土流失；河道两岸的滩涂地被大量开发、利用，导致两侧的水域湿地面积不足；汾河生态补水机制不够完善，受汾河流域水库、闸坝等挡水建筑物的影响，致使汾河太原段的一些断面出现断流或低流量状态；虽然2008年实施了汾河补水，但是见效缓慢。故可选水域面积率、湿地保留率、水土流失治理率、河流不断流率、水系阻隔率、河流生态补水比例作为影响水生态环境健康状况的主要驱动因子。

e)水资源利用效率。太原市农田灌溉水有效利用系数为0.56，污水利用率为43.66%，与发达国家相比都还有较大差距；工业用水作为太原市第一用水行业，用水效率对太原市水资源承载力具有举足轻重的作用。故可选农田灌溉水有效利用系数、污水利用率、万元工业增加值用水量作为影响水资源利用效率的主要驱动因子。

f)未来水源情况。除传统提高节水水平和增加污水利用率外，太原市还可以科学开源，增大引黄入晋供水量。故可选引入水占用水比作为影响太原市未来水源情况的主要驱动因子。

综上所述，通过定性分析可得出影响太原市水资源承载力的主要驱动因子包括：降水量、人均水资源量、水功能区水质达标率、劣Ⅴ类水质占比、地下水开采系数、水域面积率、湿地保留率、水土流失治理率、河流不断流率、水系阻隔率、河流生态补水比例、农田灌溉水有效利用系数、污水利用率、万元工业增加值用水量、引入水占用水比。

2.3.2定量识别

a)主成分分析。水资源承载力影响因素众多，且关系复杂，在进行太原市水资源承载力主要驱动因子识别时，原始指标之间往往具有关联性，反映的信息互有重叠。为此，应用主成分分析，通过降维的方法，筛选出互不相关的几个综合指标，减弱原始指标之间的相互干扰，再通过成分荷载系数，分析原始指标与综合指标之间的相关性，成分荷载系数绝对值越大，证明原始指标与综合指标相关性越强，从而表明该原始指标对评价结果联系越紧密。本文利用SPSS软件进行主成分分析，原始数据来源于太原市水资源承载力评价指标数据集[12]，计算结果见表2、3。从表2可以看出，前3个主成分特征值均大于1(分别为14.964、4.044和2.922)，第一主成分F1的贡献率为59.855%，第二主成分F2的贡献率为16.177%，第三主成分F3的贡献率为2.922%，3个主成分累计贡献率为87.721%，大于85%，可提取为主成分。成分荷载系数(表3)代表的是主成分与原始指标之间的相关性，成分荷载系数绝对值越大，说明主成分与指标之间关系越紧密，本文选择成分荷载系数绝对值大于0.7的为主要影响因子。可以看出：第一主成分与C3(城镇人均生活用水量)、C5(农田灌溉水有效利用系数)、C12(引入水占用水比)、C13(水功能区水质达标率)、C17(污水处理率)、C18(湿地保留率)、C20(水土流失治理率)、C24(水系阻隔率)、C25(河流生态补水比例)存在较强的正相关关系，且与C6(万元农业产值用水量)、C7(万元第三产用水量)、C10(地下水开采系数)、C14(劣Ⅴ类水质占比)、C15(人均氨氮排放量)、C16(人均COD排放量)存在较强的负相关关系；第二主成分与C4(农村人均生活用水量)、C11(污水利用率)存在较强的正相关关系；第三主成分与C1(降水量)、C2(人均水资源占有量)存在较强的正相关关系。

表2 特征值及贡献率

表3 成分荷载

续表3 成分荷载

b)层次分析法和熵权法组合权重分析。指标权重越大，表明该指标对评价结果贡献度越高以及影响越大。根据表4可知，水量层对太原市水资源承载力综合评价结果的贡献最大，其权重系数为0.451 8，其次为水质层、水域层和水流层。水量层中，降水量、人均水资源量、农田灌溉水有效利用系数、万元工业增加值用水量、引入水占用水比、地下水开采系数和污水利用率对水量维度承载力结果贡献较大；水质层中，水功能区水质达标率和劣Ⅴ类水质占比对水质维度承载力结果贡献较大；水域层中，水域面积率和水土流失治理率对水域维度承载力结果贡献较大；水流层中，河流不断流率和河流生态补水比例对水流维度承载力结果贡献较大。

表4 太原市水资源承载力评价指标权重

续表4 太原市水资源承载力评价指标权重

综上所述，主成分分析筛选出了对太原市水资源承载力评价结果影响密切的主要影响因子，层次分析法和熵权法组合权重分析筛选出了对太原市水资源承载力评价结果贡献度较大的影响因子。综合2种方法的优势，选择其共同影响因子作为定量识别的太原市水资源承载力主要驱动因子，具体结果见表5。

表5 太原市水资源承载力主要驱动因子定量识别结果

从表5可以看出，定量识别的影响太原市水资源承载力各维度的主要驱动因子如下。水量维度：降水量、人均水资源占有量、引入水占用水比、地下水开采系数、农田灌溉水有效利用系数、万元工业增加值用水量、污水利用率；水质维度：水功能区水质达标率、劣Ⅴ类水质占比；水域维度：水土流失治理率；水流维度：河流生态补水比例。

2.3.3综合分析

综合定性分析与定量识别2种方法的优势，取其交集，将共同影响因子作为太原市水资源承载力主要驱动因子的定量识别结果，即：①水量维度：降水量、人均水资源占有量、引入水占用水比、地下水开采系数、农田灌溉水有效利用系数、万元工业增加值用水量、污水利用率；②水质维度：水功能区水质达标率、劣Ⅴ类水质占比；③水域维度：水土流失治理率；④水流维度：河流生态补水比例。

3 结论

2009—2018年期间，太原市水资源综合承载力处于超载状态。尽管近年来太原市水资源状况在不断改善，但太原市水污染治理、水生态环境保护、缓解用水矛盾和提高用水效率等任务仍十分艰巨，水生态环境问题也未得到根本性好转，太原市资源约束紧张、生态功能退化、环境承载力低等发展不协调、不可持续问题仍比较突出；未来太原市水生态环境保护工作应主要集中在污水治理、湿地修复、水土流失治理等方面，即主要提高太原市水质和水域维度承载力。本研究采用定性分析与定量识别相结合的方法，研究提出了影响太原市水资源承载力的驱动因子。结果表明，影响太原市水资源承载力各维度的主要驱动因子分别为，①水量维度：降水量、人均水资源占有量、引入水占用水比、地下水开采系数、农田灌溉水有效利用系数、万元工业增加值用水量、污水利用率；②水质维度：水功能区水质达标率、劣Ⅴ类水质占比；③水域维度：水土流失治理率；④水流维度：河流生态补水比例。研究结果可为太原市水资源承载力提升方案的制定提供参考，为太原市资源型城市转型升级和高质量发展提供决策支持。