石羊河流域水环境承载力分析研究

刘晓峰 许 静

(甘肃省水利厅 兰州 730030)

石羊河由大靖河、古浪河、黄羊河、杂木河、金塔河、西营河、东大河和西大河等8条支流汇集而成,是甘肃省乃至全国水资源最为紧缺的地区之一。全流域水资源总量为17.05亿m3,人均水资源量757m3、耕地亩均水资源量271m3,均低于全省均值,属于典型的资源型缺水地区[1]。近年来,由于城市化进程的加快和经济的迅猛发展,流域生态资源的过度开发,乱砍滥伐,水土流失不断加重,减少了水环境对外来干扰的缓冲调节作用和净化能力。目前,石羊河的大部分河段已经受到不同程度的污染,而且污染程度呈逐年上升趋势,水资源的不合理开发利用问题越发凸显,严重威胁着该区的社会发展与生态安全。调查研究表明,石羊河流域水资源开发利用程度最高,目前流域内水资源引用率高达157%,远远超出了水资源的承载力[2]。在这些不利因素的影响下,石羊河流域地区如何采取有效措施来维持、提高流域水资源承载状况是一个急需考虑的问题。同时,流域整体的水环境承载能力制约着区域社会经济发展,关系到可持续发展的工农业生产布局,要保证各类取水和调水工程的顺利开展,也必须对区域社会、经济、人口发展、以及排污处理等各个方面提出新的要求。所以,及时地对石羊河流域的水环境承载力进行科学研究,筛选提出工业、农业污染防治技术集成模式,提出石羊河水环境污染防治对策,对于促进流域水资源有效开发和利用、经济可持续发展有着很重要的现实指导意义。

1 水环境承载能力述评

水环境承载能力研究就是从资源、环境、人口、发展之间的关系入手,从本质上反映环境与人类活动间的辩证关系,建立社会、环境与经济间的联系纽带,研究不同时期,不同策略下水环境承载能力的动态变化,为人口、资源与环境协调发展提供科学依据[3、4、5]。

水环境承载力的研究主要集中在我国,国外的专门研究成果较少,大多被纳入可持续发展理论中。我国从90年代开始水环境承载力的研究施雅风等在1992年对乌鲁木齐河流域水资源进行了量化分析研究[6];1993年许有鹏在新疆和田河流域将模糊综合评判法用于水环境承载力的研究,为西北干旱区水环境承载力研究提供了经验和模式[7];1995年贾振邦等用多目标分析的方法对本溪市水环境承载能力进行了研究[8];1997年阮本青从人口和经济方面对水资源的承载能力进行了综合分析研究[9];1999年傅湘采用主成分分析法对区域水环境承载力进行了综合评价[10];1999年阮本青以区域经济可持续发展、水资源持续利用为准则,以水资源综合利用效益最大为目标,建立了区域水资源适度承载力计算模型[11];2000年陈冰利用系统动力学方法,对柴达木盆地的水环境承载力进行了深入研究[12];徐中民、贾嵘、曲耀光等分别对张掖地区、关中地区和黑河流域的水环境承载力进行了研究[3～5]。

目前水环境承载力的研究方法[16～23]主要分为三大类。一、评价区域水环境承载能力的综合指标法、模糊综合评价法、主成分分析法。二、研究区域某种状态下水环境承载状况的系统动力学法、多目标分析法。三、寻求区域水环境最大承载能力的背景分析法、简单定额估算法、动态模拟递推法等。

2 石羊河流域水环境承载力分析

水环境承载能力评价结果在一定程度上可以反映一个区域或流域的水资源的开发利用、水环境污染、生态环境保护等方面的情况,以及水资源的量和质等方面对经济社会发展的支撑程度。从评价的概念出发,在分析水环境承载能力评价的主体与客体的基础上,设计一套适合于区域水环境承载能力评价的指标体系,探讨水环境承载能力的基于指标体系的集对分析方法,为水环境承载能力的评价做一些探讨性研究[24]。

2.1 评价指标体系构建

根据建立区域水环境可持续利用评价指标体系的原则、程序,以理论分析法为基础,从水环境承载力的概念出发,结合频度统计法,依据石羊河流域特有的水资源、环境、社会经济状况和实际资料的来源情况,选择恰当的指标,建立石羊河流域水环境可持续评价指标体系 (表1)。

2.2 评价方法的选取

由于水环境承载能力评价涉及到区域人口、经济社会发展、环境、生态等多个方面、内容复杂,目前国内外尚无统一和成熟的方法。近几年来,我国研究者通过对水环境承载能力的一系列研究,获得了一定成果,其中水环境承载力的量化研究方法多种,主要包括向量模法、多目标决策分析方法、系统动力仿真模型法、模糊综合评价法等。集对分析是可以考虑事物之间的确定性和不确定性进行综合评价的一种方法[25],包容了随机、模糊、灰色等常见不确定的思想,因此采用集对分析法测算石羊河流域的水环境承载力。

2.3 石羊河流域水环境承载能力分析

2.3.1 石羊河流域基本概况

石羊河流域位于甘肃省河西走廊东部,祁连山北麓, 东经 101°41′～ 104°16′, 北纬 36°29′～ 39°27′,东南与白银、兰州两市相连,西南紧靠青海省,西北与张掖地区毗邻,东北与内蒙古自治区接壤,流域面积4.16×104km2,流域行政区划包括武威市的凉州区、古浪县、民勤县全部及天祝县部分、金昌市的永昌县及金川区全部以及张掖市肃南裕固族自治县部分共3市7县,全流域2003年总人口226.89万人 (含古浪引黄灌区9.83万人),农业人口174.57万人 (含引黄灌区9.63万人),非农业人口52.32万人;城镇人口73.39万人 (含引黄灌区0.35万人),农村人口153.5万人,城市化率32.35%;耕地面积556.75万亩,农田灌溉面积449.98万亩,基本生态林地灌溉面积26.46万亩,农业人口人均农田灌溉面积2.58亩;大小牲畜332.38万 (头)只;国内生产总值 (GDP)138.45亿元,其中第一、第二和第三产业分别为32.87亿元、64.57亿元和41.01亿元,人均国内生产总值6102元,财政收入10.12亿元;工业总产值152.76亿元,农业总产值51.4亿元;粮食总产量113.23万t,人均粮食产量499kg;农民人均纯收入2476元[26]。

石羊河流域多年平均径流量15.75×108m3,河流补给来源于山区大气降水和高山冰雪融水,产流面积1.1×104km2。河水自南向北流出山后,基本上全部被水库拦蓄和引入渠道灌溉,引水渠和山水灌区在强透水的洪积扇带,地表水大量渗漏转化为地下水,至中游山前冲积扇边缘又出露成泉,各河的泉水及上游部分下泄洪水汇流成石羊河,穿过下游民勤地区汇集于民勤北部海拔1020m的青土湖。自1958年修建红崖山水库以后,石羊河进入民勤的地表水完全由水库控制,水量全部引入灌区用于农田灌溉。石羊河八条主要支流出山后,由于农田引灌和渗漏,河流经常处于干涸状态,只有较大的洪水或汛期各上游山谷水库泄水,才能流到中、下游。

2.3.2 基于集对分析的石羊河流域水环境承载能力评价

依据水环境承载能力评价方法,首先将实测矩阵标准化,采用基于模糊一致矩阵的改进熵值法计算评价指标的权重 (表1)。根据计算得到的权重,采用集对分析 (SPA)评价法计算各指标层的联系度,计算所得的联系度向量在下一个高层次中应用,依次类推,直到计算出区域的联系度[27]。

经过计算水资源子系统联系度为0.597,社会经济子系统联系度为0.288,生态环境联系度为0.539,区域水环境承载力联系度为0.460(图1)。

表1 石羊河流域水环境承载力实测指标矩阵

图1 水环境承载能力示意图

2.3.2 基于复杂系统的石羊河流域水环境承载能力评价

(1)承载主体评价指标

影响水资源主体的因素主要是水资源禀赋,最突出的反映在其主体承载状态性质的表征指标-水质和水量上。以这些因素为基础,从气候条件、地表地下水资源状况、水质状况等方面建立了水资源主体的评价指标对承载状态进行描述[28](表2)。

表2 水环境承载主体评价指标

承载主体的表述指标,选用影响水环境承载能力的最基本驱动力因素水资源禀赋和水资源可利用量,概括为两类七项指标,第一类水资源禀赋由降水量、干旱指数、径流深度三项指标组成;第二类水资源可利用量采用水资源总量、水资源可利用量、地表水可利用量和地下水可开采量四项指标表述。

(2)承载客体评价指标

承载客体的评价体系分为目标层、决策层、指标层三层[29],每层所包含的具体指标见表3。

表3 水资源承载客体评价指标体系

(3)计算方法与结果

①水资源可利用量确定。石羊河流域水资源总量为16.6亿m3,其中地表水资源量15.6亿m3,占水资源总量的93.9%,不重复地下水资源补给量为0.99亿m3,多年平均可利用率为63.3%。2000年河道外生态需水量为1.89亿m3,多年平均水资源可利用量10.3亿m3,用于河道外社会经济发展的水资源可利用量为8.8亿m3,此外,石羊河流域各水平年还有少量外调水量。

②区域不同发展情景下各年份的确定。石羊河流域的人均GDP现状规模还是比较低的,2003年国内生产总值(GDP)138.45亿元,其中第一、第二和第三产业分别为 32.87亿元、64.57亿元和41.01亿元,人均国内生产总值6102元,预测全流域经济增长速度在2010年以前保持在9%,国内生产总值达到253亿元;2010年至2020年经济增长速度保持在7%左右,以此增长速度估计,得出石羊河流域达到温饱、总体小康、全面小康的年份分别是1996年、2006年和2027年,预计实现全面小康后GDP将为温饱情景下的9倍,不同发展情景下产业增加值见表4。

表4 不同发展水平下各产业增值量(单位:亿元)

③推算单位GDP综合耗水量。根据不同承载水平下的用水效率水平计算各产业不同承载水平下的总GDP,各产业用水净定额、水利用系数和耗水量,计算得到不同承载水平下的万元产值耗水量。经计算,温饱(1996年)、总体小康(2006年)、全面小康(2027年)下万元GDP的耗水量分别为3281m3、1698m3、161m3,相应产业下的万元GDP耗水量见表5。

表5 不同发展水平下万元GDP耗水量(万m3)

④确定可承载的经济总量和人口数量。通过水资源可分配系数,计算出用于生产的水资源可利用量,确定出各承载水平下的水资源可承载的总GDP值,根据各水平年下万元GDP耗水量和人均GDP,可推算温饱、总体小康、全面小康的承载人口数量分别为81.5万、121.0万、205.9万,相应发展水平下承载的GDP分别为25.2亿元、85.0亿元、519.9亿元(图2)。

2 不同承载水平下的石羊河流域承载能力统计图

3 结论

首先,水资源承载力的高低依赖于多种资源系统的支撑,单纯的讨论水资源有效性,忽略社会、经济、环境系统的影响,会严重影响结果,并具有局限性。本研究综合考虑社会-经济-环境复合系统与水资源系统的相互关系,结果表明水资源子系统对水环境承载力支撑能力最大,其次为生态环境子系统,由于该区水资源利用系数以及耗水系数较大,农业灌溉用水比例高,导致该区水环境承载能力较低。其次,产业结构强烈影响着区域水环境承载力。随着社会发展水平的不断提高,区域经济结构发生调整,工业与第三产业GDP增量在整个GDP增量中所占的比重逐渐增加,水利用效率与万元GDP产值提高,直接导致承载水平的升高。第三,研究结果表明水环境可承载的GDP水平低于相应经济发展水平下的预测水平,承载压力随着社会经济发展水平的提高有所缓解,但仍然超过负荷量。温饱、总体小康、全面小康下的过载率分别为214%、85%、37%,承载压力不容忽视。第四,环境承载力受到区域生态环境水平的制约。环境子系统支持区域水资源系统,生态脆弱性影响着水资源利用效率,生态脆弱程度越高,水资源利用效率越低。

人口、社会、经济、环境协调发展是可持续发展的主题。如何评价水环境承载力目前尚无统一的方法,本研究结合集对分析和复杂系统分析两种方法,定量评价了石羊河流域的承载水平,并对未来发展趋势做出预测。由于水环境承载力本身具有动态性,加之评价体系纷繁多样,因此采取不同的研究方法不同所得到的评价结果也会差别较大。如何客观、准确的评价区域水环境承载力,发展完善、合理的评价体系和标准是今后研究的主要任务。

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