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      山東省濱州市水資源承載力綜合評價

      2021-01-16 04:29:32張玉冰張錦水
      水資源開發(fā)與管理 2020年12期
      關(guān)鍵詞:濱州市承載力水資源

      張玉冰 張錦水

      (1.國家統(tǒng)計局濱州調(diào)查隊,山東 濱州 256600;2.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部,北京 100875)

      濱州市是山東省的北大門,區(qū)位優(yōu)勢明顯,產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)良好。近年來,濱州市水資源供需矛盾問題日益突出,數(shù)據(jù)顯示:濱州市年均水資源總量30.68億m3,人均水資源占有量僅258m3,為全省人均水資源占有量的77.2%,為全國人均水資源占有量的12.3%,僅為世界人均水資源占有量的3.4%,屬缺水性城市。水資源總量不足、浪費嚴重、環(huán)境惡化、調(diào)蓄能力和抗洪澇災(zāi)害能力差等問題,與社會經(jīng)濟發(fā)展的客觀需要相矛盾。為實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展,開展水資源承載力的評價,具有緊迫的現(xiàn)實應(yīng)用價值[1]。

      有關(guān)水資源承載力的研究,在20世紀70年代就已經(jīng)出現(xiàn)。1975年,Ayoade[2]對尼日利亞的地表和地下水資源進行了初步評估,發(fā)現(xiàn)氣象、水文和水文地質(zhì)等因素對水資源分布的大小和空間格局起到?jīng)Q定性影響;1998年,F(xiàn)alkenmark et al.[3]討論了水資源短缺的不同評估方法所造成的誤差、缺水情況的空間區(qū)域分布等問題,對水資源承載力指標進行了確認;2014年,Meriem et al.[4]對阿爾及利亞地區(qū)進行了水資源承載力評估,并將評估結(jié)果用于政府水資源戰(zhàn)略布局,為當?shù)厮Y源可持續(xù)發(fā)展提供指導(dǎo)。國外關(guān)于水資源承載力的專門性研究較少,多是在資源可持續(xù)利用的范疇內(nèi)開展的,通過水資源的緊缺程度和自然極限來反映其承載力。

      國內(nèi)關(guān)于水資源承載力的研究起步相對較晚,20世紀80年代,以施雅風(fēng)[5]為代表的中國科學(xué)院水資源新疆課題組,率先提出水資源承載力是水資源可開發(fā)利用量在滿足維護生態(tài)環(huán)境用水后所能支撐的工農(nóng)業(yè)最大產(chǎn)值和人口數(shù)量的觀點。隨后,國內(nèi)有關(guān)水資源承載力的研究大量出現(xiàn),以某個城市或特定區(qū)域、流域的研究居多,能夠綜合分析多重影響因素,量化指標體系逐漸系統(tǒng)完整,在完善水資源承載力概念、創(chuàng)新研究技術(shù)方法、推動水資源可持續(xù)利用上取得了顯著成績。趙強[6]基于模糊綜合評判的方法,對水資源承載力的各個影響因素進行單因素評價,并在此基礎(chǔ)上,確定評價集合、評價權(quán)重,繼而通過評判矩陣,完成了山東省水資源承載力的研究,認為水資源承載力主要受人均水資源量、人口密度、耕地灌溉率等13個因素影響,發(fā)現(xiàn)山東省水資源承載力水平總體偏弱且年度間變化大;朱照宇[7]以珠江三角洲經(jīng)濟區(qū)為研究對象,采用系統(tǒng)動力學(xué)模型,通過建立DYNAMO模型,利用計算機仿真功能,對各市水資源承載力進行了研究,發(fā)現(xiàn)政府決策、水利工程等對水資源承載力水平起到了決定性作用,且認為水資源承載力是可控可調(diào)的;朱一中[8]在張掖地區(qū)水資源承載力多目標情景決策中,通過系統(tǒng)分析和動態(tài)分析方法,探索多目標的整體最優(yōu),使用的是多目標決策分析法,實現(xiàn)了對水資源承載力動態(tài)變化過程的預(yù)測;左其亭等[9]采用層次分析法和熵權(quán)法組合賦權(quán)的TOPSIS模型對我國九省區(qū)水資源承載力進行了評價,指出了產(chǎn)水模數(shù)、供水模數(shù)、萬元GDP用水量等影響水資源承載力的7大主要障礙因子;韓偉[10]在分析熵權(quán)法和正太云模型理論的基礎(chǔ)上,從水資源調(diào)控力、客體壓力和主體支撐力的角度,運用模型實現(xiàn)了水資源承載力的評估;石汝杰[11]基于三角白化權(quán)函數(shù),實現(xiàn)了對重慶市水資源承載力的灰色聚類評價;肖杰等[12]運用主成分分析法,將影響水資源承載力的多個變量,轉(zhuǎn)化成少數(shù)綜合指標,以此反映水資源的承載能力;易柏生等[13]根據(jù)漳河流域自然情況,利用氣候生產(chǎn)潛力、水資源負載指數(shù)等模型,實現(xiàn)了對水資源承載指數(shù)和水資源負載指數(shù)的分析;蘇宗奎[14]運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,將水資源承載力的評價指標和對應(yīng)的級別作為訓(xùn)練的樣本,歸納得出水資源承載力評價指標和評價等級的非線性關(guān)系,利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型,實現(xiàn)了江西省水資源承載力的評價;卞海彬[15]應(yīng)用回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GRNN)模型構(gòu)建評價模型,對滄州市水資源承載力進行了評價,并通過對比模糊綜合評價結(jié)果驗證了回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準確性和可適用性。

      本文立足濱州市水資源供需實際情況,建立濱州市水資源承載力綜合評價體系,利用SPA-VFS(Set Pair Analysis based Variable Fuzzy Set)模型對濱州市水資源承載力進行定量評價,為掌握濱州市水資源承載力現(xiàn)狀提供了科學(xué)的依據(jù)。

      1 研究區(qū)概況

      濱州市位于山東省北部,黃河下游魯北平原,南北最大跨徑175km,東西最大跨徑120km,總面積94.53萬km2,約占山東省總面積的16%。年平均氣溫14.3℃,年平均降水量587.6mm,年平均日照時數(shù)2632h。

      濱州市水資源由本地水資源和客水資源兩部分組成。濱州市多年平均水資源總量30.68億m3,多年平均當?shù)厮Y源量10.16億m3,多年平均客水資源量20.52億m3。其中,當?shù)厮Y源多年平均徑流量為5.55億m3,多年平均地下水資源量為6.53億m3。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展,城市對水資源的需求保持在較高水平。以2015年為例,全市總用水量15.41億m3,其中農(nóng)業(yè)灌溉用水10.78億m3,占總用水量69.95%;林牧漁畜用水2.07億m3,占13.43%;工業(yè)用水0.98億m3,占6.36%;城鎮(zhèn)公共用水量0.1億m3,占0.65%;城鎮(zhèn)及農(nóng)村居民生活用水1.04億m3,占6.75%;生態(tài)環(huán)境用水0.42億m3,占2.73%,其他用水量0.02億m3,占0.13%。

      濱州市水資源總量匱乏,年度間差異較大,2007—2017年,全市最大年降水量為816.0mm,最小年降水量僅為331.4mm,最大年降水量比最小年降水量多146.2%。黃河作為濱州主要的客水,年度供給不均,含沙量大,且天然徑流呈明顯減少趨勢。與此同時,存在水資源分布不均衡現(xiàn)象。全市地下水和地表水,黃河以南普遍多于黃河以北,地區(qū)間水資源量的不平衡比較明顯。水資源利用方面存在以下問題:一是水質(zhì)污染嚴重,地表水普遍受到污染,污染程度以輕度污染為主;二是地下水超采現(xiàn)象普遍存在,直接造成了地下水位的下降,致使上部含水層稀疏干涸,減少了含水層的有效利用厚度;三是地表水開發(fā)利用率低,水資源調(diào)控能力不足,管理水平相對較低,甚至一些地區(qū)出現(xiàn)由于盲目擴大種植規(guī)模而造成部分中小河流斷流的現(xiàn)象,同時在生產(chǎn)和生活領(lǐng)域存在著嚴重浪費問題;四是水環(huán)境質(zhì)量改善難度較大。濱州地處沿海,鹽堿澇洼,轄區(qū)河流內(nèi)大多為經(jīng)處理后的再生水,地表徑流補充少,水質(zhì)持續(xù)改善難度大。同時,地方環(huán)保投入不足,治污資金短缺,環(huán)境治理明顯滯后于經(jīng)濟發(fā)展。

      2 指標體系與數(shù)據(jù)來源

      2.1 指標體系

      從承載媒介和被承載對象的角度,將水資源承載力分為供給能力和消耗能力兩個方面,構(gòu)建起水資源承載力綜合評價指標體系。第一層為目標層,即建立指標體系的目標,內(nèi)容為水資源承載力。第二層為能力層,依據(jù)水資源承載力的定義,劃分為水資源供給能力和水資源消耗能力。第三層為系統(tǒng)層,是對能力層的具體劃分,是能力層的實現(xiàn)載體,分為水資源系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、社會系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)4個子系統(tǒng)。第四層為特性層,是系統(tǒng)層對能力層實現(xiàn)的具體特性,如水資源系統(tǒng),主要受水資源數(shù)量和質(zhì)量兩個方面影響。第五層為指標層,依據(jù)特性層選取能夠體現(xiàn)該特性的指標,如年降水量是影響水資源數(shù)量的重要因素,故將其作為體現(xiàn)水資源數(shù)量的具體指標。

      根據(jù)濱州市水資源總量不足、分布不均等區(qū)域特性和天然稟賦,結(jié)合經(jīng)濟社會發(fā)展形勢、生態(tài)環(huán)境整體情況、水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀等,充分遵照科學(xué)性、整體性、動態(tài)性與靜態(tài)性相結(jié)合,定性與定量相結(jié)合,可比性、可行性的指標選取原則,最終選取了25個指標對濱州市水資源承載力進行評價。具體見表1。

      表1 水資源承載力評價指標

      2.2 數(shù)據(jù)來源

      本文研究數(shù)據(jù)主要來源于《濱州市水資源公報》《濱州市統(tǒng)計年鑒》《濱州市環(huán)境質(zhì)量報告書》、濱州市統(tǒng)計信息網(wǎng)等符合公開規(guī)定的統(tǒng)計信息資料。所用研究數(shù)據(jù)來源詳見表2。

      表2 研究數(shù)據(jù)情況匯總

      3 基于SPA-VFS模型的水資源承載力評價

      水資源承載力影響因素較多,而且其本身就是在發(fā)展變化中的,對水資源承載力進行的評價難以具體化,標準具有一定模糊性。SPA(Set Pair Analysis)即集對分析方法,該方法體現(xiàn)了一種對立統(tǒng)一的思想,可以建立兩個集對間的同質(zhì)性聯(lián)系,能夠充分考慮指標值和標準值的關(guān)系,同時通過聯(lián)系度進行定量反映,進而建立起較好的聯(lián)系。VFS(Variable Fuzzy Set)即可變模糊集,這種方法選取評價目標的具體內(nèi)容為評價指標,基于對評價指標等級的劃分,利用隸屬度函數(shù),從多個指標對待評價事物隸屬等級情況開展綜合性評判,評價的合理性和科學(xué)性大大提高。本研究將兩者進行結(jié)合,采用SPA-VFS模型(集對分析-可變模糊集耦合)模型對水資源承載力進行評價。余灝哲[16]利用SPA耦合模型,實現(xiàn)了對山東省水資源承載力的研究。具體過程見圖1。

      圖1 SPA-VFS評價流程

      考慮到25項指標的數(shù)據(jù)特點,本研究將濱州市水資源承載力分為Ⅰ級(完全承載)、Ⅱ級(基本承載)、Ⅲ級(略有超載)、Ⅴ級(超載)4個等級。利用集對分析方法,將各項評價指標分級的臨界值組成數(shù)據(jù)序列,代入SPA-VFS評價模型,經(jīng)計算可得水資源承載力分級之間的限值。具體分級標準見表3。

      表3 水資源承載力分級標準

      借助SPA-VFS評價模型,計算2007—2017年水資源承載力評價結(jié)果,公式為

      (1)

      表4 2007—2017年濱州市水資源承載力評價結(jié)果

      續(xù)表

      從評價結(jié)果可知:2007—2017年,濱州市水資源承載力綜合得分曲線窄幅震蕩。11年間,共有7年水資源承載力等級為Ⅱ級,屬于基本承載年份,分別為2007—2010年、2012年、2013年和2017年;共有4年水資源承載力等級為Ⅲ級,屬于略有超載年份,分別為2011年、2014—2016年;無Ⅰ級完全承載和Ⅴ級超載年份。水資源承載力趨勢線向下,主要是在水資源供給和科技發(fā)展水平未發(fā)生大的變化的前提下,城市快速發(fā)展導(dǎo)致的水資源消耗增大。近年來,水資源承載力得分多數(shù)在趨勢線以下,說明濱州市水資源承載力仍面臨較大壓力??傮w上看,盡管水資源承載力趨勢下行,但下行速度相對較緩,整體仍保持相對穩(wěn)定。

      由圖3可知:濱州市水資源供給能力基本能夠滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需要,11年間,有8年呈基本承載狀態(tài)。但年度波動較大,這與濱州市降水量年度變化大等特點有關(guān),年降水量對水資源承載力產(chǎn)生重要影響,如2011年、2014年為枯水年,全市年降水量、水資源總量等指標遠低于多年平均值,水資源供給能力的下降,直接拉低了水資源承載力的綜合得分,導(dǎo)致這兩年水資源承載力呈現(xiàn)略有超載狀態(tài)。

      圖3 2007—2017年水資源供給能力得分趨勢

      值得注意的是,2017年水資源供給能力再次出現(xiàn)略有超載現(xiàn)象。2017年,濱州市狠抓中央環(huán)保督察反饋問題整改工作,加大河流斷面監(jiān)控,保障水質(zhì)穩(wěn)定達標,市控重點河流化學(xué)需氧量(COD)平均濃度為27.71mg/L,比2016年下降4.35mg/L,氨氮(NH3-N)平均濃度1.01mg/L,比2016年下降0.74mg/L,全市水資源質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)。但是,水資源總量、地表水資源量等反映水資源數(shù)量的指標出現(xiàn)了一定幅度的下降。經(jīng)綜合分析,水資源供給能力對水資源數(shù)量的敏感程度要高于水資源質(zhì)量。

      圖4顯示濱州市水資源消耗能力曲線相對平緩,波動幅度不大,且與綜合得分曲線的變化趨勢表現(xiàn)出較強的一致性。不難發(fā)現(xiàn),除2012年外,水資源消耗能力等級與水資源承載力整體等級保持一致??梢姡Y源承載力與水資源消耗能力關(guān)系密切。水資源消耗能力受生態(tài)、社會、經(jīng)濟3個子系統(tǒng)綜合影響,具體情況如下:

      圖4 2007—2017年水資源消耗能力及分系統(tǒng)得分趨勢

      a.生態(tài)系統(tǒng)與水資源承載力關(guān)系密切,近年呈快速上漲態(tài)勢。生態(tài)系統(tǒng)指標中的“當年完成環(huán)保驗收項目環(huán)??偼顿Y占GDP比重”的權(quán)重為0.14,在指標體系中最高,對水資源承載力影響較大。2014以來,濱州市環(huán)保項目、環(huán)保投資大幅增長,重點流域和區(qū)域性水污染防治取得實質(zhì)效果。受“雙控行動”影響,濱州市水資源消耗總量和消耗強度減小,各行各業(yè)節(jié)約用水力度持續(xù)加強,用水效益大幅提高,水資源消耗穩(wěn)定在合理區(qū)間,水資源承載力已初現(xiàn)緩慢上升態(tài)勢。2017年完成環(huán)保驗收項目環(huán)??偼顿Y84.87億元,占GDP比重為3.3%,比2016年增長了2.83%;每平方公里工業(yè)廢水排放量1.89萬t,比2016年下降10.7%;每平方公里工業(yè)廢水中COD排放量0.88t,比2016年下降15.4%。水生態(tài)環(huán)境狀況改善,壓力減小,使2017年生態(tài)系統(tǒng)得分較2016年出現(xiàn)大幅度增長。

      b.社會系統(tǒng)綜合得分曲線一路下行,形勢不容樂觀。近年來,濱州市人口不斷增加,人口密度保持持續(xù)增長態(tài)勢。城鎮(zhèn)化率快速提高,2017年常住人口城鎮(zhèn)化率為58.6%,比2007年高出23.23%。對水資源的消耗總量日益加大,一定程度上拉低了水資源消耗能力綜合得分,進而對水資源承載力產(chǎn)生負面影響。2007—2012年,社會系統(tǒng)得分等級為Ⅱ級,處于基本承載狀態(tài)。2013—2016年,城市快速發(fā)展,人均居民家庭用水量、人均城鎮(zhèn)全年用水總量等指標持續(xù)增長,使得水資源承載力出現(xiàn)略有超載現(xiàn)象。2017年,濱州市人口密度、常住人口城鎮(zhèn)化率、人均居民家庭用水量、人均城鎮(zhèn)全年用水總量等指標較2016年出現(xiàn)大幅增長,且達到近年來新高,水資源承載力首次出現(xiàn)了超載現(xiàn)象。社會系統(tǒng)得分表現(xiàn)出明顯的加速下降之勢,對水資源承載力影響較大,形勢不容樂觀,亟待引起關(guān)注。

      c.經(jīng)濟系統(tǒng)綜合得分曲線始終保持正斜率,增長趨勢明顯。近十年來,濱州市經(jīng)濟結(jié)構(gòu)日趨合理,第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占GDP比重逐年增長,由2007年的29.48%增長到2017年的44.2%。隨著技術(shù)手段的不斷更新和企業(yè)生產(chǎn)節(jié)水意識的增強,濱州市億元工業(yè)總產(chǎn)值規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)取水量呈現(xiàn)明顯下降趨勢。2012年,濱州市經(jīng)濟系統(tǒng)得分等級由Ⅲ級升為Ⅱ級,即由略有超載轉(zhuǎn)為基本承載狀態(tài),且一直保持向好趨勢。由于經(jīng)濟發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變和結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化,經(jīng)濟發(fā)展狀況明顯改觀,經(jīng)濟用水壓力有所緩解,這對于提高水資源承載力產(chǎn)生了積極作用。

      4 結(jié)論與思考

      濱州市地表水徑流量年際變化大,利用率較低;大面積地下水為咸水區(qū),不能飲用和灌溉;降水主要集中在汛期,年內(nèi)分配不均勻;工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水對引黃客水依賴性較大[17]??梢?,濱州市水資源現(xiàn)狀不容樂觀,進行水資源承載力研究迫在眉睫。本文運用SPA-VFS模型完成了對濱州市2007—2017年水資源承載力的評價,為當前和未來濱州市水資源規(guī)劃管理提供了科學(xué)參考。

      研究表明:2007—2017年,濱州市水資源承載力綜合得分曲線窄幅震蕩,2007—2010年、2012年、2013年和2017年水資源承載力等級為Ⅱ級(基本承載),2011年、2014—2016年水資源承載力等級為Ⅲ級(略有超載),無Ⅰ級(完全承載)和Ⅴ級(超載)情況。在水資源供給和科技發(fā)展水平未發(fā)生大的變化的前提下,城市快速發(fā)展導(dǎo)致水資源消耗的增大,造成水資源承載力趨勢線已向下。但總體看下行速度較緩,說明水資源承載力整體保持相對穩(wěn)定。從評價結(jié)果看,降水量、COD平均濃度、人口密度、城市建成區(qū)面積、環(huán)保投資等是影響水資源承載力的主要因素。

      本研究從自然、社會、經(jīng)濟、生態(tài)4個方面深入分析,提出了提高水資源承載力的方法和對策。

      a.努力彌補資源稟賦不足。從數(shù)量入手,推進海綿城市建設(shè),下雨時做好吸水、蓄水、滲水等工作,統(tǒng)籌用好自然降水、地表水以及地下水,協(xié)調(diào)給水、排水等各個環(huán)節(jié)。從質(zhì)量發(fā)力,重點監(jiān)測重點河流化學(xué)需氧量(COD)濃度和氨氮(NH3-N)濃度,嚴厲查處影響水源水質(zhì)安全的環(huán)境違法行為。

      b.重點發(fā)揮人的關(guān)鍵力量。進一步穩(wěn)定人口總量,提高人口素質(zhì),使得人口的增長速度和整體素質(zhì)與水資源的承載力相適應(yīng)。合理限制城市擴張速度和規(guī)模,用實際行動有效控制居民家庭用水量和城鎮(zhèn)供水量,減少社會耗水,降低社會因素對水資源承載力的負面影響。

      c.不斷優(yōu)化經(jīng)濟發(fā)展結(jié)構(gòu)。加快新舊動能轉(zhuǎn)換,增加第三產(chǎn)業(yè)比重,減少水資源消耗,如降低億元工業(yè)總產(chǎn)值規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)取水量,保障水資源對經(jīng)濟社會發(fā)展的承載能力。加快開發(fā)新能源,出臺鼓勵政策引導(dǎo)人們使用清潔能源,間接地減少水資源的消耗量。

      d.加強水資源的科學(xué)管理。合理增加環(huán)??偼顿Y在GDP中的比重,積極改善生態(tài)環(huán)境狀況,為提升水資源承載力提供支撐。重視生態(tài)系統(tǒng)對水資源消耗能力的影響作用,用最嚴格的制度保護生態(tài)環(huán)境,用最嚴密的法治保護生態(tài)環(huán)境,以此提升水資源承載力。

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