宁夏水资源承载能力评价研究

云 龙，段超宇，李海霞

(1.宁夏回族自治区汉延渠管理处，宁夏 银川 750001；2.银川宁夏回族自治区水利科学研究院，宁夏 银川 750021)

在我国西北干旱区，水资源的重要性不言而喻，资源型缺水是制约地区经济与生态环境发展的主要原因。水资源承载能力定量化评价是对区域水资源承载能力基线与水资源开发利用上限的确定，对区域经济社会发展和生态环境保护长远战略规划具有重要意义[1-3]。以宁夏为例，在学习总结国内学者关于水资源承载力评价成果的基础上[4-9]，以最严格水资源管理制度为背景，将用水总量控制红线指标上限作为影响区域水资源承载能力的主要因素，运用偏最小二乘回归法[10,11]对评价指标进行筛选，建立水资源承载力评价指标体系，对宁夏2015年水资源承载力进行定量化分区评价，拟在全面了解宁夏水资源承载能力现状。

1 评价指标体系的建立

1.1 指标选取

水资源承载能力研究涉及社会、经济、环境、生态、资源等在内的纷繁复杂大系统[12,13]，其核心内容是对评价指标体系及其评价标准的建立与确定[14]。在评价指标选取时，根据指标选取原则[15-17]，从水资源子系统、社会子系统及经济子系统三个方面对常用指标进行初步筛选，得到符合宁夏实际情况的13个评价指标，具体情况见表1。需要特别说明的是，由于宁夏地处我国西北干旱区，水资源十分匮乏，区域水资源承载能力一般只针对水量进行评价，水质指标对区域水资源承载能力可以忽略不计，因此文中评价指标未涉及相关水质指标。

表1 宁夏水资源承载能力初选评价指标

1.2 评价指标体系的建立

1.2.1 数据标准化

本研究收集了宁夏回族自治区2000-2015年间各评价指标数据，采用非线性标准化方法对相关数据进行标准化处理。

假设有i个评价对象，j个评价指标，每个指标的原始数据为xij。非线性标准化的计算公式[18]为：

(1)

式中：yi为指标j的平均值；指标j标准差[19]。基础数据进行标准化处理结果见表2。

表2 基础数据标准化结果

1.2.2 相关性检验

应用数据处理系统SPSS软件对表2的基础数据标准化结果进行相关性检验，各变量因子的相关系数矩阵见表3。

表3 变量因子的相关系数矩阵

自变量xi的方差膨胀因子(VIF)j计算公式[20]为：

(2)

1.2.3 偏最小二乘法建模

(1)将因变量序列yi(i=1,2,…,6)、自变量(各影响因子)序列xij(i=1，2,…,6；j=1，2，…,12)、标准化后的序列因变量矩阵F0和自变量矩阵E0进行建模[22]。

E0=

(2)从E0中提取一个成分t1，其中：

(3)

则t1=E0ω1，实施E0和F0在t1上的回归，得回归系数向量：

(4)

(5)

计算得标准化数据的回归方程为：

0.080x5+0.120x6+0.083x7+0.069x8+0.096x9+0.078x10-0.069x11-0.026x12+0.080x13

(3)按照标准化的逆过程还原为y与实际变量xi(i=1，2,…,12)的回归方程为：y=66.456 2-0.082x1-0.404x2-0.189x3-0.197x4-0.063x5-0.004x6+0.002x7+0.017x8+0.002x9+0.021x10-0.011x11- 0.005x12+4.675x13。

表4 交叉有效性检验表

在建模当中，偏最小二乘回归产生权重矩阵，通过不断计算各变量所占权重进而使得响应与其相应的得分因子之间的协方差达到最大。根据计算，当提取t1、t2两个主成分时，交叉有效性系数Q2小于复测系数，因此算法终止。

根据标准化回归方程，对影响宁夏水资源承载能力的13个关键因子进行贡献率排序，得到结果为x6>x9>x7>x13>x5>x10>x4>x8>x11>x1>x2>x3>x12。通过分析，考虑到宁夏水资源实际情况，以自治区最严格水资源管理中用水总量控制红线指标作为制约区域水资源承载能力的主要因素，根据计算得到贡献率由高到低的顺序选取用水总量作为水资源承载能力的约束性指标，选取人均用水量、万元GDP用水量、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、农田灌溉亩均用水量、人均生活用水量和人均灌溉面积作为水资源承载能力的预期性指标，构建所得宁夏水资源承载能力评价指标体系见表5。

表5 宁夏水资源承载能力评价指标体系

2 宁夏水资源承载能力评价

2.1 水资源承载状况评价

以2015年作为现状年，将《国务院办公厅关于印发实行最严格水资源管理制度考核办法的通知》(国办发〔2013〕2号)分配给宁夏的用水总量指标作为约束水资源承载能力的硬性指标，将全区用水总量指标逐级分解到各市县，通过评价各市县现状和未来经济社会发展对水资源的需求与用水总量指标的关系判定区域的水资源承载能力状况。

通过计算可知，2015年全区用水总量红线指标比现状年实际用水量多2.34 亿m3，地下水控制指标比2015年可开采量多1.34 亿m3，总体处于临界超载状态。各市县中，银川市用水总量红线指标比现状年实际用水量多1.47 亿m3，地下水控制指标比2015年可开采量多0.12 亿m3，总体处于临界超载状态，其中：贺兰县处于临界超载状态，永宁县处于不超载状态，主城区和灵武市处于超载状态。石嘴山市用水总量红线指标比现状年实际用水量少0.21 亿m3，地下水控制指标比2015年可开采量多0.33 亿m3，总体处于超载状态，其中：大武口区、惠农区、平罗县均处于超载状态。吴忠市用水总量红线指标比现状年实际用水量少0.13 亿m3，地下水控制指标比2015年可开采量多0.41 亿m3，总体处于超载状态，其中：利通区、盐池县、同心县和红寺堡均处于超载状态，青铜峡市处于临界超载状态。中卫市用水总量红线指标比现状年实际用水量多0.94 亿m3，地下水控制指标比2015年可开采量多0.43 亿m3，总体处于临界超载状态，其中：沙坡头区、中宁县、海原县均处于临界超载状态。固原市用水总量红线指标比现状年实际用水量多0.41 亿m3，地下水控制指标比2015年可开采量少0.22 亿m3，总体处于超载状态，其中：除隆德县不超载外，原州区、泾源县、彭阳县、西吉县处于超载状态。由于固原市总体位于山丘区，而且地下水用水量均为生活用水，可认为地下水利用并未超载。宁东用水总量红线指标比现状年实际用水量多0.46 亿m3，不超载。农垦用水总量红线指标比现状年实际用水量多0.17 亿m3，临界超载。其他用水总量红线指标比现状年实际用水量少0.76 亿m3，超载。宁夏水资源总量评价结果如表6所示。

表62015年全区水资源总体承载状况亿m3

地市县(市)用水总量实际红线指标差值承载状况地下水实际控制指标差值承载状况承载能力银川市主城区5.065.00-0.06超载1.391.12-0.27超载超载永宁县4.275.311.04不超载0.200.430.23不超载不超载贺兰县5.015.550.54临界超载0.240.350.11不超载临界超载灵武市3.553.49-0.06超载0.190.230.05不超载超载合计17.8819.351.47临界超载2.012.130.12临界超载临界超载石嘴山市大武口区1.041.100.06临界超载0.440.43-0.01超载超载平罗县7.176.80-0.37超载0.200.590.39不超载超载惠农区2.592.700.11临界超载0.470.43-0.04超载超载合计10.8110.60-0.21超载1.121.450.33不超载超载吴忠市利通区5.035.02-0.01超载0.280.410.13不超载超载青铜峡市6.657.120.47临界超载0.200.480.28不超载临界超载盐池县0.830.80-0.03超载0.190.200.01临界超载超载同心县2.411.96-0.45超载0.050.050.00超载超载红寺堡2.102.00-0.10超载0.030.02-0.01超载超载合计17.0316.90-0.13超载0.751.160.41不超载超载中卫市沙坡头区5.606.100.50临界超载0.230.470.25不超载临界超载中宁县5.575.900.33临界超载0.170.310.14不超载临界超载海原县1.101.210.11临界超载0.250.290.04不超载临界超载合计12.2713.210.94临界超载0.641.070.43不超载临界超载固原市原州区0.550.850.30不超载0.270.18-0.09超载超载西吉县0.410.40-0.01超载0.180.14-0.04超载超载隆德县0.140.190.05不超载0.010.020.01不超载不超载泾源县0.060.090.03不超载0.010-0.01超载超载彭阳县0.240.290.05不超载0.140.05-0.09超载超载合计1.411.820.41不超载0.610.39-0.22超载超载独立单元宁东1.381.840.46不超载00.020.02不超载不超载农垦7.087.250.17临界超载00.250.25不超载临界超载其他2.792.03-0.76超载000不超载超载全区合计70.6673.002.34临界超载5.146.471.34不超载临界超载

2.2 水资源强度评价

根据水资源承载能力评价指标体系建立结果，首先选择各市县的一产GDP、灌溉面积、每公顷用水量将农业用水效率转换成万元GDP用水量(一产)；其次选择自治区发布的公共用水定额和三产的GDP将三产用水效率转换成万元GDP用水量(三产)；最后选择三次产业的结构比例，分析计算承载能力的万元GDP用水量指标，综合考虑满足生活、生态用水的基本需求与产业用水分配，得到产业用水分配系数与现状年承载水平。全区水资源强度指标如表7所示。

经统计，2015年宁夏全区人均国内生产总值为4.34万元、人均用水量为1 058 m3，若全区用水总量达到红线控制指标73.00 亿m3时，通过计算可实现承载国内生产总值为3 171.01 亿元，承载人口为715.23 万人。这个结果相比2015年实际情况，全区将多承载国内生产总值270.40 亿元、人口47.36 万人，具体包括：银川市可多承载国内生产总值107.23 亿元、人口17.93 万人；石嘴山市可多承载国内生产总值25.77亿元、人口3.60万人；吴忠市少承载国内生产总值1.80亿元、人口5.68万人；中卫市可多承载国内生产总值32.40亿元、人口10.75万人；固原市可多承载国内生产总值43.90 亿元、人口20.76 万人。2015年全区水资源承载能力评价结果如表8。

表7 2015年全区水资源强度指标

3 结 论

本文结合宁夏实际情况，选取1个约束性指标(用水总量)和6个预期性指标(包括人均用水量、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、农田灌溉亩均用水量、人均生活用水量、人均灌溉面积)建立能够全面反映宁夏经济社会水资源承载能力评价指标体系。根据评价指标计算结果可知：2015年，宁夏全区用水量为70.66 亿m3，小于用水总量控制红线指标，但水资源承载能力总体已处于临界承载状态。未来，由于用水总量红线指标增长有限，水资源严重短缺的态势将依然加剧，因此建议宁夏应转变发展方式作为缓解水资源承载能力的首要措施，严格控制灌溉面积增长、优化全区农业种植结构，深度开展农业和工业节水，最大限度利用好地下水资源和非常规水源，将水资源承载能力调控到合理范围，以期实现经济社会可持续发展。

表8 2015年全区水资源承载能力评价结果