黄河流域典型沙化区水生态承载力研究

李朋飞，胡晋飞，姚顽强

(西安科技大学 测绘科学与技术学院，陕西 西安 710054)

0 引言

水资源是人类赖以生存且不可替代的自然资源，是保障社会经济发展的经济性资源，亦是维系国家稳定的战略性资源[1-2]。我国水资源严重匮乏，加之近年来社会经济飞速发展，区域耗水量持续增加，水体污染加剧导致水资源生态承载力下降，水资源供需矛盾日益突出[3-4]。明确区域水资源生态承载力，细化完善水资源供需分配，统筹考虑水资源优化配置，是实现区域水资源科学管理的基本前提，也是黄河流域高质量可持续发展的根本保证[5]。针对此，许多学者对资源与环境承载力的概念进行扩展和完善后，提出了水生态承载力的概念，使承载力研究更加注重生态系统的稳定性、完整性以及协调性，为从水生态的角度解决流域可持续发展问题提供了有效手段[6]。

水生态承载力有机结合了水资源承载力、水环境承载力以及生态承载力，综合体现了水体的资源属性和环境价值，同时也从水生态角度测度了自然生态系统对人类社会经济的承载能力[7-9]。随着黄河流域高质量发展的提出，对区域水资源承载力及其优化配置提出了更高的要求，水生态承载力研究随之成为重点与热点问题[10]。水生态承载力涉及到水生态、水资源、社会、经济、环境等许多因素，各个因素之间又存在着复杂的关系，是一个不断发展的多层次复杂巨系统[11]。为深入理解区域水生态承载力，相关研究方法已从过去的单一指标、静态分析逐渐向系统多目标、动态综合分析方向发展。目前，常用的水生态承载力研究方法有：多目标优化模型法、主成分分析法、系统动力学法、背景分析法、模糊综合评判法、常规趋势法、BP神经网络分析法、投影寻踪模型法等[12-13]。众多方法中，多目标优化模型法能够充分考虑水资源与人口、社会和经济因素间的动态联系，追求在环境影响最小的情况下产生的经济效益最大，符合区域可持续发展原则，因此在评估区域水生态承载力的多目标群决策问题上较为适用[14-15]。

黄河流域沙化区属于干旱半干旱地区，年降水量少且年内分配不均，区域地表水资源禀赋严重不足，水资源供需矛盾十分突出，成为制约该地区经济发展和社会稳定的重要因素，因而亟待解决该区域水生态承载力与水资源承载负荷或负荷期望值之间的矛盾。鉴于此，以黄河流域沙化区典型区域右玉县为研究区，基于区域生态需水的定量计算，结合构建的多目标优化模型，评估区域水生态承载力，并给出水资源能够承载的最大经济规模和社会规模；综合研究区社会经济发展目标，并提出水资源优化配置方案。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

右玉县地处黄土高原东北端，隶属于山西省朔州市，见图1。由于多年来过度放牧和无限度的垦荒，致使植被破坏，岩石裸露，沙化现象比较严重，属于典型沙化区。全县地形南高北低，四周环山，东西宽45.7 km，南北长67.7 km，总面积1 967 km2[16]。区域气候具有半干旱气候特征，年均气温 4 ℃，一月零下11 ℃至零下15 ℃，7月19 ℃至20 ℃，降水多集中在6、7、8这3个月，多年平均降水量420.15 mm[17]。区域内最大的河流为苍头河，属于黄河水系，发源于平鲁县郭家窑等地，最后经内蒙古而汇入黄河，在境内流长75 km。由于区域内水资源过度开发利用，区域沙漠化及其它人为因素和自然因素，导致右玉县的生态环境出现明显恶化。土地荒漠化、风蚀沙化等为研究区最主要的生态环境问题，水资源短缺则是引起该沙化区生态环境问题的首要因素。

图1 研究区概况图(a)朔州市所在黄土高原位置；(b)玉县地形图及其水系

1.2 数据来源

研究区水资源及社会经济状况通过右玉县水利局提供的数据资料，并查阅《朔州市水资源公报》与《右玉统计年鉴》获得，主要包括水资源总量、供水量、需水量、人口、经济状况等。

2 研究方法

2.1 生态需水量计算

植被生态需水包括维持陆地林木植被、草场植被等不同类型植被生存所需的最小水资源量。在研究生态需水时仅考虑其蒸散的部分，而忽略其自身生物量生产所需水，也就是说植被生态需水量等于其实际蒸散量[18-19]。基于研究区植被类型及面积，计算不同类型植被的生态需水定额，然后将某一类型植被的生态需水定额与其面积相乘得到该类型植被的生态需水，区域不同类型植被的生态需水之和即为研究区植被总的生态需水量。计算公式为

Wet=∑Wa=∑Sa×ETa

(1)

式中：Sa为植被类型a的面积；ETa为植被类型a的生态需水定额。

植被生态需水定额ETa由式(2)计算[18，20]

ETa=kc×ks×ET0

(2)

式中：kc为植被系数；ks为土壤水分系数，采用Saxton计算研究区不同质地类型各种状态下的土壤水分，根据Jensen公式计算土壤水分系数[21]；ET0为FAO 56 Penman-Monteith模型计算出的植被蒸散量[22-24]，其模型为

(3)

式中：ET0为参考作物蒸散量，mm/day；Rn为净辐射，MJ/(m2·day)；G为土壤热通量，MJ/(m2·day)；T为2 m处日平均气温，℃；u2表示2 m处风速，m/s；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；es-ea为饱和水气压差，kPa；Δ为水汽压曲线斜率，kPa/℃；γ为湿度计算常数，kPa/℃。太阳净辐射Rn中的经验系数取值为：a=0.2，b=0.79，c=0.56，d=0.25，e=0.1，f=0.9。计算所需的风速、日照时数、相对湿度、气温、气压、地表温度等常规气象观测数据的日资料可由该地区气象站获得。

研究区地处北方温带半干旱气候区，植被生长季与非生长季的生态需水存在明显不同，由于植被在生长季生长较为旺盛，生态需水量较多，而在非生长季，由于植被枯萎凋落，生态需水量较少，几乎可忽略，因此选取其生长季(4月～10月)来计算其生态需水[25]。

2.2 多目标优化模型

根据得出的植被生态需水量，运用构建的多目标优化模型，综合考虑水生态、水资源、水环境和经济社会发展等各个因素，通过水资源所能承载的最大人口数量和经济规模来描述水生态承载力。

研究区水资源作为水生态承载力的承载体，其承载对象是该沙化区与水相关联的自然环境和社会系统。水生态承载力主要由以下3个因素决定：研究区水资源的赋存状况、开发利用研究区水资源的能力和研究区的用水结构以及用水水平[9]。为了对研究区水生态承载力进行更加直观地判断，用水生态可承载的人口数量作为综合指标来反应水生态承载力，这样不仅能直观反映水生态承载力，而且便于对同一研究区不同时期不同阶段或者不同研究区之间的水生态承载力进行分析对比。根据上述分析可建立研究区水生态承载力计算模型。

(4)

上述模型可等价为

(5)

(6)

式中：Wst为研究区水资源可供水量；Wet为生态环境用水量；Rtj为研究区t时期对j方面的人均需求的理想值；UWtj为研究区t时期的水生态功效矩阵。

3 结果与讨论

3.1 区域生态需水变化特征

土地类型的划分是生态需水计算的首要条件，根据计算得到的右玉县参考蒸散量，基于2010年的土地利用类型计算出该地区生长季内几种主要土地利用类型的生态需水量。右玉县主要土地类型的面积见表1。

表1 研究区主要土地类型的面积

由右玉县2010年土地利用类型图可以得出，研究区主要土地类型包括耕地、林地、草地3种类型。研究区植被类型主要分为耕地、林地、草地3种类型。耕地主要为山地旱地、丘陵旱地和平原旱地；林地可分为有林地、灌林地、疏林地和其他林地；草地植被类型分为高覆盖度草地、中覆盖度草地和低覆盖度草地。丘陵旱地在该区域所占的面积最大，大约占该地区土地面积的38%。

3.1.1 不同地类生态需水年内变化特征

由图2可知，生长季的各个月内，主要植被类型的生态需水及植被间的生态需水都存在显著的差异性。从2011年的4月份开始到6月，研究区植被的生态需水呈现出上升的趋势，6月份植被的生态需水达到最大，之后又逐渐减小，植被的生态需水主要集中在6、7、8这3个月，其次是5月和9月，而4月和10月的生态需水则相对较少，该变化趋势与研究区降水的变化一致。3种植被类型中，草本植被的蒸散作用较弱，所以草地的生态需水最小；森林水分的主要输出项就是蒸散作用，因此林地的蒸散作用较强，其生态需水在3种植被中相对较高；由于作物在成熟期之前耕地生态需水骤增，而成熟收获之后耕地生态需水又会急剧下降，所以旱地植被在生长季的生态需水波动最大。

图2 不同类型植被生长季的生态需水

3.1.2 不同地类生态需水年际变化特征

该地区生长季内3种主要土地利用类型生态需水量的年际变化如图3所示，右玉县生长季内旱地的生态需水量各年波动较小，仅在2007、2008、2011、2012年生态需水量偏低，最低值约为3亿m3，在旱地耕种面积变化不大的情况下，其生态需水量的变化受到该地区参考蒸散量的控制；林地生态需水量的低值出现在2007，2008和2011年，最低值约为2亿m3；草地最低值约为8千万m3。

图3 生态需水的年际变化

由图4可知，3种土地利用类型中，生长季内旱地的年均生态需水量最大，接近4亿m3；草地的生态需水量最小，约为1亿m3；季内旱地的年均生态需水量最大，接近4亿m3；草地的生态需水量最小，约为1亿m3；林地生态需水量居中。出现此种生态需水量的分布格局是与这几种土地利用类型的面积大小有关，但由于旱地总面积9.3亿m2，远远高于林地的5亿m2，因此导致最终总的生态耗水量旱地最多，林地次之。

图4 研究区多年平均生态需水

3.2 区域水生态承载力及水资源优化配置

3.2.1 水资源优化配置

右玉县多年平均水资源总量WSt为9 802万

m3，其中地表水资源量7 027万m3，地下水资源量6 267万m3，二者重复计算量3 492万m3，多年平均降水量为420.15 mm。2011年总人口112 782人，人均GDP为31 872.55元。研究区现状社会经济状况及用水量见表2。

表2 研究区社会经济及用水量

利用给出的公式对右玉县2011年的水生态承载力进行分析，用水对象分为生活用水、农业用水、工业用水和生态环境用水。生活水平考虑现状平均状况。右玉县2011年用水功效系数和人均需求见表3。

表3 用水功效系数和人均需求

为保障区域社会系统的稳定与公平，在水资源优化配置过程中，工农业用水不能挤占同期生态用水和居民生活用水。据此，综合考虑社会各个方面均衡发展状况下的用水需求，确保生活、工业、农业和生态环境目标互不侧重的前提下，将右玉县2011年总可供水量、水功效系数和人均需求代入多目标模型即可计算出右玉县水资源可承载的最大的人口数及相应的经济规模。水资源优化配置方案见表4。

表4 水资源配置方案

由表4可以得出，以2011年为现状年，保障社会各方面均衡发展用水需求的目标下，区域人口数量超过了水生态所能支撑的最大人口数，人口超标率达52.91%，水生态承载力远远不足，社会经济的工农业产值发展规模也远超过了水生态承载力。在右玉县水资源条件和人口数量条件下，水生态承载力基本处于超标状态，不能完全支持本地区可持续发展。为了保障全县经济社会健康快速发展，需从外界补给水量，方可解决水资源供需矛盾。

3.2.2 水资源管理与调控对策

1)逐步强化水资源刚性约束。由于研究区水资源承载力当前处于超标状态，因此，在今后水资源利用规划编制、政策制定及生产力布局中需坚持节水优先。同时，对该区域实行水资源消耗总量和强度双重控制，暂停水资源超载区域新增取水许可，严格限制水资源严重短缺区域城镇发展规模与高耗水项目建设。

2)扎实推进水资源优化配置。基于本研究计算的区域水资源承载力与水资源配置方案，进一步细化完善县域内水资源分配。统筹当地水与外调水，在充分考虑节水的前提下，留足生态用水，合理分配生活、生产用水。建立健全县域内河流流量监测预警机制，明确管控要求，逐步实现重点区域供需平衡。

3)稳固提升农业节水力度。鉴于右玉县农业用水量占比较高，因此需严格农业用水总量控制，深挖农业节水潜力，加快节水技术装备推广应用实现农业用水方式由粗放低效向节约集约的根本转变。同时，建立农业用水精准补贴和节水奖励机制，推进灌溉体系现代化改造，稳步提升灌溉水利用效率。

4 结论

生长季内，3种地类生态需水量都表现出先升高后降低的特征，且均于6月出现峰值。3种地类中，林地的单位面积生态需水量最高，林地次之，而草地的生态需水量最低。水生态承载力计算结果表明，在优先满足植被生态需水的前提下，右玉县人口数量已经远超水资源所能支撑的最大人口数，工农业发展规模也超过了地区水生态承载力，水生态承载力处于超标状态。为遏制沙化区生态环境进一步退化，改善黄河流域生态环境，助推黄河流域高质量发展，在充分节水和水资源优化配置的基础上，需抓紧实施外界调水方可解决供需矛盾。