黑河中游乡镇建设水资源承载力评价及提升对策研究

王鹏龙,宋晓谕,刘臣炜,王勤花,王 宝 (.中国科学院西北生态环境资源研究院,甘肃 兰州 70000;2.中国科学院大学,北京 00049;.生态环境部南京环境科学研究所,江苏 南京 20042)

水资源作为基础性自然资源和战略性经济资源,尤其对缺水的内陆河流域,是生态环境和经济社会发展的重要控制要素。作为可持续发展的重要内容,资源环境承载力研究逐步从单一要素向多要素研究发展,出现针对特定区域资源承载力、环境承载力和生态承载力等综合承载力的研究[1-3]。资源环境承载力反映了区域资源环境基础(承载体)对生活生产活动(承载对象)的支撑能力[4]。针对水资源承载力研究,国外主要关注水安全等方面[3, 5-6],国内则侧重水资源承载力概念内涵研究[3, 7-10]。已有研究普遍认为,水资源承载力涵盖水资源系统、经济社会系统和生态系统[9],并从水量、水质、水域、水流4个维度进行了界定[10]。联合国2030年可持续发展目标SDG6“清洁饮水与卫生设施”从水资源、水环境、水生态及水管理维度对水资源评价的解析更有益于决策支持。

承载状态评价和承载对象估算是水资源承载力研究的重要方面。承载状态是区域水资源对经济社会的支撑状态,承载状态评价可用于水资源利用的监测和预警[11]。承载对象估算是评估区域水资源能支撑的经济、人口等发展规模[12]。水资源承载力的评价方法包括经验公式法、综合评价法、系统分析法、定额用水等[7,9]。综合评价法中有一类是基于水资源供需关系的综合指数,另一类是构建反映区域水资源系统及其与经济社会系统相互作用综合情况的指标体系,有利于分析水资源承载力的制约因素[11]。文献分析发现,对于水资源承载力的研究仍存在一定局限性。首先,对水资源系统的水资源承载力[13]、水环境承载力[14]及水生态承载力[15]等单要素承载力评价较多,但对于特定区域复合生态系统融合水资源-水生态-水环境的综合承载力研究较少;其次,将承载状态评价与承载力对象估算相结合的研究较少;此外,在尺度方面,乡镇作为复合生态系统,其与外界较为频繁的物质和能量交换难以通过尺度变化来进行评价[1],且由于乡镇尺度的用水与经济社会数据较难获取,基于定量的乡镇尺度的研究仍然较少。

乡镇作为最基础的社会治理与生产发展的单元系统[16],是农业及农村经济发展的主体,黑河流域农业用水约占90%,水资源承载力是流域可持续发展的基础问题,流域尺度本已严峻的承载力问题在乡镇尺度更加突出。乡镇尺度国土空间规划对水资源承载力的本底需求及乡村治理从脱贫攻坚向乡村振兴的转变使得村镇建设对水资源承载力形成新要求。目前,黑河中游甘州区节水型社会建设等政策举措深刻影响和改变着区域乡镇尺度的水资源承载状态。因此,开展现阶段不同用水类型和不同发展类型的乡镇水资源承载力评价及提升对策分析,可为研究区及同类型区域开展水资源承载力调控提供有益支撑。

1 研究区概况

张掖市甘州区位于河西走廊中部,属典型的温带大陆性气候区,年降水量少,蒸发量大,中部绿洲盆地是黑河流域典型的灌溉农业区。流域有限的水资源既要满足上中游工农业的用水需求,又要考虑下游生态恢复与维持。甘州区用水以黑河干流分水为主,中游甘州、临泽和高台可利用的多年平均分水量仅6.3亿m3,而甘州区2015—2019年平均用水量高达7.5亿m3,即便考虑地下水及农业灌溉用水回流量,其供需形势依然十分严峻。甘州区是全国最大的县级玉米种子和重要商品蔬菜生产基地,全区辖18个乡镇,分布在黑河、泉水和沿山灌区3个类型的八大灌区。结合取用水方式及经济发展等差异,每个灌区选取1个乡镇为研究对象,共选取花寨乡、安阳乡、大满镇、甘浚镇、梁家墩镇、龙渠乡、沙井镇和乌江镇8个乡镇(图1)。

图1 黑河流域张掖市甘州区各乡镇位置Fig.1 Location of townships in Ganzhou of Zhangye,Heihe River Basin

在国家和省级主体功能定位中,甘州区是国家级农产品主产区,全域属省级重点开发区,沿山区属祁连山国家级自然保护区,同时也是黑河中下游防风固沙和祁连山水源涵养重要区。按照主体功能定位,结合产业布局等发展实际,将各乡镇分为农产品供给型、产业集聚型和生态型3个类型(表1)。

表1 乡镇情况描述Table 1 Description of townships

2 研究方法

2.1 乡镇水资源承载力评价指标体系构建

水资源承载力评价包含对水资源系统运行状态的评价及基于供需关系的承载对象规模评估,反映了对水资源支撑经济社会发展的现状及未来规模能力的研判,有益于结合未来发展与现状运行情况对水资源管理提供决策参考。乡镇作为自然资源、生态环境和经济社会要素于一体的复合生态系统[1],现阶段其水资源承载力是在乡村振兴战略下,保障乡镇建设对水资源的可持续利用基础上,水资源系统(承载体)对经济社会(承载对象)的支撑状态与规模。因此,以水资源供需关系为核心,重点从水资源、水环境、水生态和水管理4个维度对乡镇水资源承载力进行解析与表征(图2)。

图2 乡镇水资源承载力内涵解析Fig.2 Connotation analysis of WRCC in townships

前期研究表明,黑河中游水资源系统面临资源性缺水、产业结构对水资源依赖程度高、耕地灌溉面积扩大、水权制度固化与交易规模有限、生活生产排污对水质存在潜在影响等关键问题。基于对黑河中游乡镇水资源承载力的基本内涵、主要维度及水资源系统关键问题等方面的分析,以多类型数据为支撑,综合不同利益相关者的专家意见,以乡镇水资源承载力为目标层,构建了包括水资源、水环境、水生态、水管理的4个系统层20个指标的承载力评价指标体系,综合衡量水资源承载力状况(表2)。

表2 乡镇水资源承载力评价指标体系Table 2 Evaluation index system of WRCC for townships

2.2 评价思路

以控制性指标和综合指数来表征乡镇水资源承载力状态,以表征供水量(可利用水资源)与用水量关系的水压力指数为控制性指标,用水量反映了水资源系统的压力,供水量(可利用水量)反映了水资源系统的支持力。该指标超过一定阈值(R>1)则判定水资源承载力状态为超载(表3),即该区域水资源承载力存在短板,水资源利用存在突出矛盾。

当控制性指标不超载时,以综合指数来反映乡镇水资源承载力的综合状态。结合水资源系统与经济社会发展的交互情况,将综合指数划分为强可承载、可承载、弱可承载、极弱可承载4个相对状态等级(表3),便于开展对比研究。

表3 乡镇水资源承载力综合指数评价标准Table 3 Evaluation criterion of comprehensive index of WRCC for townships

水资源承载力综合指数采用标准化后的各指标值加权后求和获得,具体公式为

(1)

式(1)中,CWRC为综合指数;Xi*为标准化后的各指标值;Wi为各指标对应目标层的组合权重,通过层次分析法测算。

2.3 指标标准化

以极值标准化方法对各指标进行预处理,依据各指标对于乡镇水资源承载力评价总体目标的作用,将指标分为正向指标和负向指标,正向指标和负向指标的标准化方法分别为

(2)

(3)

式(2)～(3)中,Xi为现状年的指标原始数据;X1*、X2*分别为标准化的正向、负向指标数据;maxXi和minXi分别为指标的极大值和极小值。极值主要参考全区18个乡镇的指标值,同时亦考虑有关政策目标。

2.4 层次分析法

利用层次分析法(AHP)开展指标权重计算的关键在于对各指标重要性的判断,并将定性判断定量化。基于水资源管理部门专家和该领域研究学者等对评价指标的打分,将各指标的平均得分作为各指标重要性的量化依据,围绕指标体系系统层目标开展两两指标的重要性比较,以此构建判断矩阵,具体方法参见文献[16]。

3 乡镇水资源承载力评价结果分析

3.1 评价指标的权重

基于AHP和专家打分法得到系统层和指标层的权重(表4)。在系统层,水资源(B1)和水管理系统(B4)对全区乡镇水资源承载力最为重要,权重均为0.29,水环境(B2)和水生态系统(B3)权重相对较小。从指标权重看,涉水生态系统面积比例(C14)和林草面积比例(C15)的权重较大,说明其对乡镇水资源承载力的重要性较高。整体上,各系统层内的指标重要性相差不大,权重较均衡,说明现阶段各指标均对评价目标比较重要。

表4 乡镇水资源承载力评价指标权重Table 4 Weight of evaluation indicators of WRCC for townships

各指标含义见表2。

3.2 控制性指标评价

水压力指数揭示了各乡镇现状年用水需求与政策规定下的用水总量控制目标(初始水权量)的供需关系(图3)。在用水总量控制目标下,8个乡镇中,乌江镇、安阳乡和沙井镇3个乡镇的水压力指数大于1,以用水量表征的水资源系统压力大于以供水量表征的水资源系统支持力,水资源承载力处于超载状态。其余5个乡镇均处于不超载状态,各乡镇可用水量在最严格水资源管理政策下可支撑未来一定规模的人口和经济社会的持续发展。

图3 2019年各乡镇水资源承载力分布Fig.3 The results of WRCC distribution of townships in 2019

不同灌区的水资源条件及乡镇取用水方式不尽相同。沿山和泉水灌区乡镇水压力指数普遍较高,水资源系统面临较大压力,黑河灌区乡镇水压力指数普遍不大,水资源系统仍有一定支持力。具体看,沿山灌区的安阳乡水压力指数处于超载状态,而花寨乡不超载。安阳灌区与民乐县酥油口灌区共用酥油口水库蓄水,初始水权量(1 726万m3)小于其多年平均分水量(3 194万m3),属用水控制目标较小导致的政策性缺水。花寨乡从大野口水库取水,可利用水资源量(1 231万m3)与初始水权量(1 114万m3)相当。虽然沿山灌区地下水允许开采量较大,考虑到沿山地下水开采难度大,在地表水受山区水库蓄水和沿山径流限制下,如何高效开发利用沿山地下水是沿山灌区乡镇水资源承载力提升的重点;泉水灌区的乌江镇以地表水(河水、泉水等)利用为主,水资源相对丰富可能导致用水量远超初始水权量,问卷调研亦反映此情况影响了农户节水意识的提升,不利于节水措施推广;黑河灌区的乡镇以黑河干流地表和地下水利用为主,现状年水资源压力普遍不大,但未来人口和经济规模的增长存在潜在水资源压力。

不同乡镇类型比较而言,农产品供给型乡镇(包括乌江镇和沙井镇,大满镇除外)的水压力指数比较大,产业聚集型乡镇(梁家墩镇)接近临界超载状态,而生态型乡镇(包括花寨乡、甘浚镇和龙渠乡,安阳乡除外)的水压力指数较小。对于农产品供给型乡镇而言,乌江镇和沙井镇已超载,其灌溉面积大,初始水权量已难以满足现状年用水需求。大满镇亦是农业种植大镇,其初始水权量仍有一定空间。对于产业聚集型乡镇而言,梁家墩镇的二、三产业收入占比超过70%,间接实现了初始水权从农业向二、三产业的流转,未来可扩大耗水相对较少的非农产业规模,进一步提升承载力。生态型乡镇位于沿山地区,除农业生产外,承担有祁连山和黑河防风固沙等生态环保功能,除花寨乡外,各乡镇水压力均较小。生态型乡镇可利用生态资源发展生态旅游和生态种植,提升水资源承载力。

3.3 水资源承载力综合指数评价

从综合评价结果(表5)可知,安阳乡、乌江镇和沙井镇由于水压力指数控制性指标超载而处于超载状态,且沙井镇综合指数得分也较低,说明沙井镇在相关关键领域存在短板,是水资源承载力提升的着力点。沿山灌区的花寨乡综合指数最大,为0.70,属于可承载状态。花寨乡可利用水资源较少,坡地较多,灌溉面积不大,且以种植耗水量较少的谷类作物为主,农业生产用水较少。以金花寨小米为代表的乡镇农产品加工亦有利于水资源利用效率的提升。黑河灌区的大满镇、甘浚镇、梁家墩镇和龙渠乡属于弱可承载状态,水资源系统对未来经济社会发展的支持力较弱,关键指标领域表现不佳。龙渠乡综合指数最小(0.39),需对标具体领域实施针对性的承载力提升举措。

表5 2019年各乡镇水资源承载力评价结果Table 5 Evaluation results of WRCC of towns in 2019

4 乡镇水资源承载力提升对策分析

虽然承载对象有一定弹性,但特定的时空尺度和发展水平下的资源环境(承载体)承载力仍存在一定阈值[13]。结合乡镇水资源承载力关键指标因素和水资源管理实际,重点从初始水权分配(管理)、灌溉技术进步(技术)以及产业结构调整(产业结构)角度开展乡镇水资源承载力提升对策分析。

4.1 基于初始水权分配的承载力提升分析

4.1.1分析思路

初始水权是甘州区水资源管理的重要实践措施,不同水权分配模式决定了乡镇的水资源供给量,对水资源承载力具有重要影响[17]。笔者在前期研究中建立了乡镇水资源初始水权分配思路,分析了人口、面积、产值、混合分配模式以及基于AHP法的综合指标分配模式对乡镇初始水权分配的可行性。基于前期研究[18],分析不同分配模式对乡镇水资源承载力的影响,为优化水权分配提升承载力提供支撑。AHP综合模式见文献[18],人口、面积、产值、混合分配模式的乡镇初始水权计算公式分别为

(4)

(5)

(6)

(7)

式(4)～(7)中,RW1,i、RW2,i、RW3,i、RW4,i分别为人口、面积、产值、混合分配模式下的乡镇初始水权;RW为县区初始水权;Pi为各乡镇人口数,万人;Ai为各乡镇耕地面积,hm2;PGA,i为各乡镇经济总收入,万元;W1、W2、W3分别为3种模式的权重,依据专家打分意见确定,将人口数量、耕地面积和农村经济总收入的平均得分占三者平均分之和的比例作为各自权重。经过计算,W1、W2、W3分别为0.37、0.36、0.27。

4.1.2水权分配对现状年承载力的影响

不同分配模式通过影响人均可利用水资源量(C1)和水压力指数(C8)进而影响水资源承载力。各模式下的乡镇现状年水压力指数见表6。产值模式下7个乡镇水压力指数超载,而耕地模式下仅有1个乡镇(甘浚镇)超载,人口-耕地-产值混合模式和AHP综合模式有2个乡镇(甘浚镇和沙井镇)超载。与现状政策水权下的水压力指数相比,产值模式暂不适宜各乡镇初始水权分配,耕地模式更符合乡镇用水现状,能缓解乡镇的水压力状况。其次,混合模式和AHP综合模式亦好于政策水权模式,并有利于促进水资源整体利用效率的提升。

表6 不同初始水权分配模型下的水压力指数 Table 6 Water stress index under different initial water weight allocation models

各分配模式下综合指数变化见表7。对于不同灌区和类型的乡镇,除产值模式外,各分配模式基本能不同程度提升水资源综合承载力,提升程度约为0.01%～1.87%,其中人口-产值-耕地混合模式和AHP综合模式最为有效。5种模式均不能有效提升大满镇、甘浚镇和龙渠乡这3个乡镇的水资源综合承载力,可能需要不同模式的组合或对各模式进行适当调整。

表7 不同初始水权分配模型下的水资源承载力综合指数Table 7 Comprehensive index of WRCC under different models

4.2 基于灌溉技术进步的承载力提升分析

4.2.1分析思路

位于内陆河流域的甘州区开展高标准农田建设有利于提高农业灌溉水利用效率,从而提升水资源承载力。2019—2025年,各乡镇规划开展高标准农田建设,面积为5.24 hm2。由于建设进度不同,假设各乡镇在建设666.67 hm2高标准农田情景下,模拟水资源承载力的变化情况。假设经高标准农田改造后,农田综合净灌溉定额变化不大,假定其保持不变,节水主要体现在灌溉水有效利用系数提高等技术进步方面。用下式计算节水量:

(8)

(9)

式(8)～(9)中,W高标准农田为高标准农田单位面积灌溉用水量(毛灌溉定额),m3·hm-2;W现状年为现状年单位面积灌溉用水量(毛灌溉定额) ,m3·hm-2;ρ现状年为现状年综合灌溉水有效利用系数;ρ高标准农田为高标准农田综合灌溉水有效利用系数;ΔW为单位面积农田节水量,m3。沿山灌区乡镇的管灌改造使综合灌溉水有效利用系数从0.56提升至0.85,而黑河和泉水灌区乡镇的滴灌改造将其从0.61提升到0.90。

4.2.2高标准农田建设对水资源承载力的影响

高标准农田建设将直接影响高标准农田面积占比(C18),还将间接引起水压力指数(C8)和万元经济总收入用水量(C4)的变化。假设灌溉用水虽然减少,但灌溉效率提升,农业产出不变。对由于高标准农田建设引起的各指标变化进行量化分析,得出其对各乡镇水资源承载力的影响(表8)。整体上,高标准农田建设能有效缓解水压力情况,并对综合承载力有提升作用。高标准农田建设使水压力指数降低约0.98%～27.55%,使综合指数提升约1.91%～8.72%。

表8 高标准农田建设对各乡镇水资源承载力的影响Table 8 Influence of high-standard farmland construction on WRCC

4.3 基于产业结构调整的承载力提升分析

4.3.1分析思路

由于不同产业用水效率的差异,区域产业结构及产业用水量将决定水资源对经济社会的承载规模。针对表征产业结构的工业与农业收入之比(C5),假设将农业灌溉节水量转移到工业领域,分析在现状年工业发展水平下所产生的经济效益及对水资源承载力的影响。据此,将高标准农田建设的节水量用于工业领域,以增加工业收入,假设农业收入保持不变,总用水量保持不变,水压力指数不变。

4.3.2产业结构调整对水资源承载力的影响

产业结构调整将引起工业收入及总收入的增加,从而引起工业收入与农业收入之比(C5)和万元总收入用水量(C4)的变化。经分析,在现状年发展水平下,产业结构调整将使8个乡镇的工业收入总量达到现状年的6.31倍,经济总收入增加到现状年的1.32倍。从综合指数(表9)看,安阳乡、沙井镇和乌江镇因控制性指标超载而处于超载状态,各乡镇综合承载力均有0.11%～3.06%的提升幅度。黑河灌区龙渠乡综合指数提升程度最大(3.06%),梁家墩镇的提升程度最小(0.11%)。沿山灌区花寨乡的综合指数提升1.94%。

表9 产业结构调整对水资源承载力综合指数的影响Table 9 Influence of industrial structure adjustment on comprehensive index of WRCC

5 讨论与结论

5.1 讨论

构建指标体系的目的在于判断乡镇的水资源承载力状态,强调对水资源承载力的描述与判断标准,因此指标遴选需考虑其科学性、代表性、可获取性等[19]。从水资源、水环境、水生态、水管理4个维度解析水资源承载力评价框架,结合甘州区水资源现状及其利用特征,构建的指标体系具有一定的共性指导和实践意义。但不同区域水资源系统的关键问题不同,如相比水质,内陆河流域主要是水量问题,因而指标体系未涉及COD、氨氮浓度等直接反映水质的指标。该指标体系提供了一个开放和可扩展的水资源承载力评价框架,不同区域可以添加本地化指标,以更好地揭示关键问题。

基于可利用水量和需水量的供需关系是水资源承载力的核心。该研究以水压力指数为控制性指标来反映供需关系的重要性,以用水总量控制目标作为全区和各乡镇的可利用水量,分析了现状年的供需关系。供需平衡依赖一定的时空尺度[20-21],同时受气候因素和人类活动的影响,供水量更多受气候变化影响,而政策等人类活动在需水侧影响更为明显[22]。甘州区用水总量控制目标受黑河出山径流量和中下游分水政策影响,气候变化对流域的供水量[23]以及经济社会发展对未来农业需水量[24]均会产生影响。因此,未来水压力以及水资源综合承载力的研究需重点考虑气候变化及人为因素对水资源供需的影响。

从水权分配、灌溉技术进步和产业结调整3个方面开展水资源承载力提升对策的量化研究,笔者认为水权分配对乡镇可利用水资源具有政策决定意义,有必要开展动态的水权分配制度探索。该研究考虑了高标准农田建设的灌溉技术进步的节水作用,以往的渠道引水与大田漫灌虽较耗水,但对于渠道两侧天然和人工植被的生态用水保障及地下水补给均具有重要意义。高标准农田改造后生态用水及地下水补给的减少可能会对地表生态环境造成不良影响,加剧土地沙化以及农田防护林退化。该研究依据现状年的经济发展水平(工业用水效率)开展承载对象规模估算,未考虑三产用水及未来经济社会发展水平,下一步有必要开展类似共享社会经济路径(SSPs)等不同发展情境下的水资源承载力研究。

5.2 结论

以黑河中游甘州区乡镇为对象,建立了一套内陆河流域乡镇尺度水资源承载力评价指标体系。利用多类型数据,以控制性指标和综合指数相结合,开展了2019年乡镇水资源承载力综合评价,并分析了初始水权分配、高标准农田建设及产业结构调整等政策情景对水资源承载力的影响,得到以下主要结论:

(1)在用水总量控制目标下,乌江镇、安阳乡和沙井镇3个乡镇的水压力指数处于超载状态。从灌区看,沿山和泉水灌区乡镇水压力指数普遍较大,水资源系统面临较大压力,黑河灌区乡镇水压力指数普遍不大,水资源系统仍有一定支持。从乡镇类型看,农产品供给型乡镇的水压力指数较大,产业聚集型乡镇接近临界超载,生态型乡镇的水压力指数较小。

(2)从综合指数看,乌江镇、安阳乡和沙井镇由于控制性指标超载而处于超载状态,沿山灌区花寨乡由于灌溉规模小、作物类型耗水少且农产品加工对水资源利用效率的提升而使得承载力最大,属可承载状态。此外,黑河灌区大满镇、甘浚镇、梁家墩镇和龙渠乡以粮食和蔬菜种植为主,处于弱可承载状态。不同灌区和不同类型的乡镇可对标关键领域实施有针对性的提升举措。

(3)从现状年看,产值模式暂不适宜各乡镇水权分配,耕地模式更符合用水现状,其次是人口-耕地-产值混合模式和AHP综合模式。从综合承载力看,除产值模式外的各模式能不同程度(0.01%～1.87%)地提升综合承载力,其中混合模式和AHP综合模式最为有效。高标准农田建设能有效缓解水压力状况,使各乡镇的水压力指数降低约0.98%～27.55%,使综合指数提升约1.91%～8.72%。产业结构调整将使8个乡镇的工业收入总量达到现状年的6.31倍,经济总收入增加到1.32倍,除乌江镇、安阳乡和沙井镇因控制性指标超载外,各乡镇综合承载力均有0.11%～3.06%的提升。