游進(jìn)軍,蔡露瑤,林鵬飛,王彥兵,謝紀(jì)強(qiáng)
(1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100038;2.寧夏回族自治區(qū)水利調(diào)度中心,銀川 750010)
承載能力的概念有較長的歷史淵源和廣泛的研究范圍,資源環(huán)境承載力是探尋人與自然和諧共處的重要方向,逐步成為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要科學(xué)判據(jù)[1],針對不同類型資源環(huán)境要素從內(nèi)涵、概念到評價(jià)方法均有不同的研究成果[2]。我國自1989年新疆軟課題組開展水資源承載能力研究[3]以來,開展了多類研究,在概念內(nèi)涵特點(diǎn)研究基礎(chǔ)上形成了規(guī)模論、容量論和能力論等承載能力的不同表述方式[4],包含經(jīng)驗(yàn)公式法、指標(biāo)體系評價(jià)法和系統(tǒng)分析法等幾類主要評價(jià)方法,水資源主體從水量屬性為主擴(kuò)展到“量、質(zhì)、域、流”整體屬性[5]。黨的十八大以來,隨著《生態(tài)文明體制改革總體方案》等政策文件出臺,資源環(huán)境承載能力從研究逐步轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用,一方面是針對承載能力的監(jiān)測預(yù)警研究方法以及超載狀態(tài)的描述[6],如金菊良等[7]針對水資源特點(diǎn)分析合理預(yù)警指標(biāo)選取和動態(tài)評價(jià)方法,龍秋波[8]等針對監(jiān)測預(yù)警開展風(fēng)險(xiǎn)評價(jià);另一方面是從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)提出具有操作性的評價(jià)方法,如丁晶等[9]提出以滿足供水保證率要求的水資源量作為主體反映水資源隨機(jī)性變化和供水保障目標(biāo)的實(shí)際特征,李云玲等[10]以水資源規(guī)劃管理的水量、水質(zhì)、水生態(tài)等控制指標(biāo)為依據(jù)提出“短板法”進(jìn)行綜合評價(jià)。
針對不同區(qū)域的自然特征和水問題癥結(jié),水資源承載能力研究的側(cè)重點(diǎn)和方法也有所差異。西北干旱區(qū)水資源本底條件差、生態(tài)環(huán)境脆弱,經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的用水競爭問題對人類生存和發(fā)展有直接影響,是最早開展水資源承載能力研究的區(qū)域。20世紀(jì)90年代初許有鵬[11]選擇耕地率、水資源利用率、人均供水量、生態(tài)用水率等影響干旱區(qū)供需關(guān)系的評判因素并提出分級指標(biāo),利用模糊綜合評判法構(gòu)建干旱區(qū)水資源承載能力綜合評價(jià)模型,以新疆和田流域?yàn)槔M(jìn)行了評價(jià);1999年徐中民等[12]結(jié)合政策因素采用多目標(biāo)方法分析了黑河流域中游張掖地區(qū)規(guī)劃水平年的水資源承載狀況。此后,其他一些學(xué)者采用經(jīng)濟(jì)社會用水消耗水平[13]、主成分分析[14-16]、層次分析[17]、TOPSIS評價(jià)[18]、短板法[19]等不同方法,對西北地區(qū)水資源承載能力開展了研究。華北地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)社會規(guī)模擴(kuò)大、用水持續(xù)增長,導(dǎo)致區(qū)域用水競爭激烈、生態(tài)用水被擠占,水問題日漸突出,也是水資源承載能力研究的重點(diǎn)。2004年趙建世等[20]提出以水資源超載度作為水資源承載能力評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),分析了海河流域承載能力的演變趨勢;2007年王忠靜等[21]構(gòu)造水資源承載力雙指針模型分析了山西省大同市的水資源承載能力;多目標(biāo)分析[22]、熵權(quán)法[23]、集對分析[24-25]、短板法[10]等也在華北地區(qū)研究中得到應(yīng)用。由于水環(huán)境污染帶來的水質(zhì)性缺水問題突出、分水矛盾增加,水資源承載能力研究在南方豐水地區(qū)也得到重視,TOPSIS評 價(jià)[26]、主成分分析[27]、模糊綜合評價(jià)[28-30]、多目標(biāo)分析[31-32]、風(fēng)險(xiǎn)矩陣法[33]等方法得到應(yīng)用,針對系統(tǒng)協(xié)調(diào)性的綜合評價(jià)逐漸增多[34-35]。中國水利水電科學(xué)研究院在全國水資源綜合規(guī)劃專題研究中提出了水資源承載能力三層次評價(jià)方法,采用萬元GDP產(chǎn)業(yè)用水量和區(qū)域水資源可利用量計(jì)算可承載的經(jīng)濟(jì)規(guī)模和人口數(shù)量[36],方法簡單實(shí)用,可依托水資源規(guī)劃數(shù)據(jù)針對不同區(qū)域進(jìn)行評價(jià)[37-39]。
總體而言,已有的承載能力分析方法通常將水資源與經(jīng)濟(jì)社會作為整體,采用指標(biāo)評價(jià)方法開展研究,缺乏區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對用水效率的量化分析,影響評價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性。以現(xiàn)有的三層次評價(jià)方法為例,由于將農(nóng)業(yè)用水納入萬元GDP產(chǎn)業(yè)用水量計(jì)算,綜合用水效率隨承載水平變化而變化:一是效率變化缺乏依據(jù),與實(shí)際的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和發(fā)展趨勢不一致;二是不符合“以水定域、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)”(簡稱“四水四定”)等新思路下的水量配置原則,導(dǎo)致承載能力評價(jià)結(jié)果出現(xiàn)偏差。為了客觀體現(xiàn)用水特征對綜合用水效率的影響,對現(xiàn)有的三層次評價(jià)方法進(jìn)行改進(jìn),扣除農(nóng)業(yè)用水量計(jì)算綜合用水效率,更準(zhǔn)確反映產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化下的承載能力計(jì)算結(jié)果,并以農(nóng)業(yè)用水占比較高的寧夏回族自治區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證。通過方法改進(jìn)前后的承載結(jié)果與各項(xiàng)用水量對比,體現(xiàn)了改進(jìn)方法在反映真實(shí)用水結(jié)構(gòu)和效率上的優(yōu)勢,結(jié)合推導(dǎo)的承載人口直接計(jì)算公式表明:可承載人口數(shù)量由可以支撐二、三產(chǎn)業(yè)和生活的水量與二者的用水效率決定,揭示農(nóng)業(yè)用水量,人均GDP以及二、三產(chǎn)業(yè)用水效率等3項(xiàng)主要影響因素的作用機(jī)制。結(jié)合寧夏實(shí)際情況,通過情景分析得出不同發(fā)展模式下的承載力變化狀況,探究不同因素的影響,可為提高承載能力的決策調(diào)整方向提供量化依據(jù)。
水資源承載能力三層次評價(jià)方法基于承載主體、客體以及主客體耦合3個(gè)層次構(gòu)建,依托水資源量和經(jīng)濟(jì)水平評價(jià)可承載的經(jīng)濟(jì)規(guī)模和人口數(shù)量,具有概念清晰、便于操作的特點(diǎn)。
第一層次是承載主體分析,即可用于生產(chǎn)的水資源可利用量,由區(qū)域水資源可利用量扣除生活與生態(tài)需水量得到,其中生活需水量通過預(yù)估可承載人口數(shù)量計(jì)算;第二層次是承載客體分析,即水資源支撐的經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng),采用經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和用水水平作為評價(jià)指標(biāo),由人均GDP表征,根據(jù)不同承載水平分析綜合用水效率,即單位GDP產(chǎn)業(yè)用水量;第三層次是主客體的耦合,即水資源到用水戶的合理分配,由上述兩層分析得到的可用于生產(chǎn)的水資源可利用量和單位GDP產(chǎn)業(yè)用水量推算可承載的經(jīng)濟(jì)規(guī)模,結(jié)合相應(yīng)承載水平的人均GDP標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算可承載人口。將計(jì)算所得的可承載人口與第一層次預(yù)估人口校核試算,直到二者大致相等,即得出可承載的人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)規(guī)模。
考慮目前水資源管理面臨的新形勢,現(xiàn)有的水資源承載能力三層次評價(jià)方法存在一些不足:由于農(nóng)業(yè)用水量大但行業(yè)增加值較低,單位GDP產(chǎn)業(yè)用水量難以反映產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化對綜合用水效率的影響;農(nóng)業(yè)用水量主要與灌溉方式、種植結(jié)構(gòu)和灌溉定額相關(guān),與增加值關(guān)系較弱,綜合用水效率不能反映實(shí)際的農(nóng)業(yè)效率變化,存在擠占或放大農(nóng)業(yè)用水的可能,且其效應(yīng)難以評估;考慮“以水定地”原則及糧食安全等相關(guān)政策,農(nóng)業(yè)用水應(yīng)有基本保障,同時(shí)農(nóng)業(yè)節(jié)水后的流轉(zhuǎn)水量可以支撐其他用戶需求,綜合用水效率不能反映這種動態(tài)關(guān)系,與實(shí)際決策需求不符。此外,可承載人口的試算對計(jì)算精度存在一定影響?;谝陨显颍瑖L試對現(xiàn)有方法作改進(jìn),突出農(nóng)業(yè)用水保障需求,客觀反映產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整帶來的用水效率變化,同時(shí)建立承載能力結(jié)果直接計(jì)算公式,避免試算過程從而提高結(jié)果準(zhǔn)確性。
根據(jù)上述分析,改進(jìn)方法的基本思路是扣除農(nóng)業(yè)用水量不參與單位GDP產(chǎn)業(yè)用水量計(jì)算,相應(yīng)對三層次評價(jià)法進(jìn)行調(diào)整,技術(shù)路線見圖1。
圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technology roadmap
第一層次是對于承載主體計(jì)算,改進(jìn)方法增加扣除農(nóng)業(yè)用水量得出可保證二、三產(chǎn)業(yè)的可利用水資源量。第二層次根據(jù)承載水平確定非農(nóng)產(chǎn)業(yè)綜合用水效率。第三層次是在前兩層次確定二、三產(chǎn)業(yè)可利用水資源量和用水效率的前提下,分析以人口數(shù)量表征的承載能力結(jié)果,通過人均GDP水平計(jì)算可承載的經(jīng)濟(jì)規(guī)模。與現(xiàn)有方法相比,最主要的區(qū)別是以二、三產(chǎn)業(yè)的綜合用水效率計(jì)算最終的可承載人口和經(jīng)濟(jì)規(guī)模。
1.3.1 第一層次的計(jì)算
生活需水優(yōu)先級高,需要優(yōu)先保障。根據(jù)不同承載水平的人口和用水標(biāo)準(zhǔn)得出生活用水量,計(jì)算公式為
式中:Wdo為生活用水量,億m3;Pfo為可承載人口數(shù)量,萬人;Edo為生活用水定額,L/(人·d)。其中Pfo為中間過程變量,可承載人口數(shù)量最終根據(jù)公式推導(dǎo)直接給出。
農(nóng)業(yè)用水量采用指標(biāo)定額法計(jì)算,定額參考分類作物灌溉定額標(biāo)準(zhǔn)和區(qū)域種植結(jié)構(gòu)特征,灌溉面積參考地區(qū)農(nóng)業(yè)規(guī)劃發(fā)展,計(jì)算公式為
式中:Wat為農(nóng)業(yè)用水量,億m3;A為灌溉面積,hm2;Ear為綜合灌溉定額,m3/hm2。
可利用水資源量扣減生活需水和農(nóng)業(yè)用水后即為可用于二、三產(chǎn)業(yè)的水資源量,計(jì)算公式為
式中:Ws&t為可用于二、三產(chǎn)業(yè)的水資源量,億m3;Wv為區(qū)域水資源可利用量,億m3。
1.3.2 第二層次的計(jì)算
承載水平反映經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平,一般以人均GDP為標(biāo)準(zhǔn)。以扣除農(nóng)業(yè)后的單位增加值產(chǎn)業(yè)用水量作為二、三產(chǎn)業(yè)的綜合效率,計(jì)算公式為
式中:Cu為給定承載水平下不含農(nóng)業(yè)的單位增加值產(chǎn)業(yè)用水量,即非農(nóng)產(chǎn)業(yè)用水效率,m3/萬元;AV,i為農(nóng)業(yè)以外不同行業(yè)的增加值,包括第二和第三產(chǎn)業(yè),億元;Ei為各行業(yè)的用水定額,m3/萬元。
不同承載水平下各行業(yè)的增加值根據(jù)其發(fā)展趨勢預(yù)測或參考相關(guān)規(guī)劃給定。
1.3.3 第三層次的計(jì)算
根據(jù)上述計(jì)算得出二、三產(chǎn)業(yè)可利用水資源量和綜合用水效率,疊加農(nóng)業(yè)增加值計(jì)算可承載的GDP,具體公式為
式中:Et為可承載的經(jīng)濟(jì)規(guī)模,即GDP,億元AV,agr為對應(yīng)承載水平下的農(nóng)業(yè)增加值,億元。
可承載的人口數(shù)量通過可承載經(jīng)濟(jì)規(guī)模和人均GDP得到,計(jì)算公式為
式中:P為可承載人口數(shù)量,萬人;Vp為人均GDP,萬元。
按照現(xiàn)有的三層次評價(jià)方法,可承載的人口數(shù)量需要通過試算校核得出。本次通過分析水量、效率、經(jīng)濟(jì)規(guī)模(GDP)和生活水平(人均GDP)之間的關(guān)系,推導(dǎo)可承載人口的直接計(jì)算公式,避免試算校核,推導(dǎo)過程如下:
可利用水資源量扣除農(nóng)業(yè)用水之后即為用于第二、三產(chǎn)業(yè)和生活的用水之和:
考慮農(nóng)業(yè)增加值占比較低,二、三產(chǎn)業(yè)用水近似采用非農(nóng)產(chǎn)業(yè)用水效率與GDP的乘積計(jì)算,即:
生活用水量為可承載人口數(shù)量與生活用水定額的乘積,計(jì)算公式同式(1)。
將式(8)、式(1)代入式(7),則:
根據(jù)可承載人口數(shù)量P與人均GDP計(jì)算得出可承載GDP,計(jì)算公式為
計(jì)算式(10)中,分子(Wv-War)是二、三產(chǎn)業(yè)和生活的可利用水量,分母是非農(nóng)產(chǎn)業(yè)用水效率和人均生活用水效率之和,即非農(nóng)用水量與非農(nóng)用水效率的商為可承載的人口數(shù)量。該計(jì)算公式表明,在農(nóng)業(yè)需要單獨(dú)保障的條件下,區(qū)域可承載的人口數(shù)量由可以支撐二、三產(chǎn)業(yè)和生活的水量與二者的用水效率決定,構(gòu)成了扣除農(nóng)業(yè)用水需求的承載能力主體和客體,其思路與現(xiàn)有的水資源承載能力三層次評價(jià)方法一致。
寧夏回族自治區(qū)位于黃河流域上游,總面積6.64萬km2,下轄銀川、石嘴山等5個(gè)地級市,地勢南高北低。寧夏全區(qū)屬于溫帶大陸性氣候,多年平均降水289 mm,多年平均水面蒸發(fā)量1 218 mm,水資源匱乏,生態(tài)環(huán)境脆弱敏感。降水南多北少、蒸發(fā)北高南低,平原區(qū)主要集中在北部沿黃河地帶,也是主要用水區(qū)。寧夏人均當(dāng)?shù)厮Y源量不足全國的1/10,量少質(zhì)差,開發(fā)利用難度大,90%的用水引自黃河干流,是依黃河而存、唯黃河而興的區(qū)域。全區(qū)綜合用水效率不高,取水總量已接近紅線,資源約束日趨緊張,已有研究表明[19]全區(qū)5個(gè)地級市中4個(gè)處于水資源超載狀態(tài)。因此,水資源承載能力分析對引導(dǎo)區(qū)域合理的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展布局十分重要。
2020年,寧夏全區(qū)常住人口為720.27萬人(第七次全國人口普查),地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)為3 920.55億元(《寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒2021》),其中第一產(chǎn)業(yè)增加值為338.01億元。根據(jù)2001—2020年各行業(yè)用水量(圖2數(shù)據(jù)源自《寧夏水資源公報(bào)》),由圖2可以看出:農(nóng)業(yè)是寧夏取水大戶,但用水量和占比均呈下降趨勢,用水量由2001年的78.23億m3減少到58.64億m3,用水占比由93%下降為83.5%,仍高于全國平均水平。
圖2 2001—2020年各行業(yè)用水量Fig.2 Water consumption by industry from 2001 to 2020
寧夏是西北地區(qū)重要的商品糧基地,有“塞上江南”的美譽(yù),確保糧食生產(chǎn)也是寧夏服務(wù)于黃河生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展的責(zé)任。由于寧夏降水少,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對灌溉的依賴程度高,農(nóng)業(yè)用水保障十分重要??紤]農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在寧夏的重要地位,結(jié)合“四水四定”原則,采用改進(jìn)方法分析評價(jià)水資源承載能力,為區(qū)域發(fā)展布局決策提供更有效的參考。
2.2.1 水資源可利用量
根據(jù)第三次水資源調(diào)查評價(jià)成果,寧夏全區(qū)1956—2016年多年平均當(dāng)?shù)氐乇硭Y源量為9.056億m3,不重復(fù)地下水資源量為3.059億m3,當(dāng)?shù)厮Y源總量為12.115億m3。由于寧夏自身水資源條件薄弱,主要水源為黃河干流引水。根據(jù)最嚴(yán)格水資源管理要求(國辦發(fā)〔2013〕2號),按取水口徑分配給寧夏的總量控制指標(biāo)為73.27億m3,將其作為承載能力計(jì)算中的水資源可利用量。
2.2.2 水資源承載水平
根據(jù)水資源承載水平分級標(biāo)準(zhǔn)和寧夏現(xiàn)狀經(jīng)濟(jì)水平,以全面小康(人均1萬美元)、基本現(xiàn)代化(人均2萬美元)作為承載水平[40],對應(yīng)的人均GDP標(biāo)準(zhǔn)分別是68 974元、137 948元(均為2020年可比價(jià))。由于改進(jìn)方法中農(nóng)業(yè)增加值不再與計(jì)算關(guān)聯(lián),分析各承載水平下的二、三產(chǎn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。寧夏的第二產(chǎn)業(yè)中工業(yè)占比大且重型化明顯[41],正處于傳統(tǒng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級期,因此未來工業(yè)增加值還將增加,但比重隨著三產(chǎn)上升而下降,第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,占比逐年增加[42]。兩個(gè)承載水平下的二、三產(chǎn)結(jié)構(gòu)見表1。
表1 二、三產(chǎn)結(jié)構(gòu)預(yù)測[42]Tab.1 Forecast of secondary and tertiary industrial structure%
2.2.3 用水效率
參考《寧夏回族自治區(qū)水安全保障“十四五”規(guī)劃》等規(guī)劃成果,得到寧夏各承載水平的用水定額指標(biāo),見表2。其中,產(chǎn)業(yè)用水定額隨著技術(shù)進(jìn)步而下降,居民生活用水定額隨著生活水平提高而上升。
表2 用水效率預(yù)測Tab.2 Forecast of water use efficiency
2.2.4 水資源承載結(jié)果
根據(jù)二、三產(chǎn)業(yè)用水效率、產(chǎn)業(yè)比例,可得到不含農(nóng)業(yè)的萬元產(chǎn)業(yè)增加值用水量Cu,其中,全面小康水平為14.2 m3/萬元,基本現(xiàn)代化水平為8.7 m3/萬元。寧夏的農(nóng)業(yè)用水包括耕地灌溉(水田、水澆地)、園地灌溉(釀酒葡萄、枸杞、其他園地)、人工草地灌溉和冬灌,結(jié)合現(xiàn)狀不同灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)、種植結(jié)構(gòu)和灌溉規(guī)模,計(jì)算出全區(qū)農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀用水量為61.43億m3??鄢F(xiàn)狀農(nóng)業(yè)用水后得到可用于二、三產(chǎn)業(yè)和生活的可利用水量(Wv-War)為11.84億m3?;谏鲜鰞?nèi)容得到可承載人口計(jì)算公式(10)中的所需數(shù)據(jù),計(jì)算得出全面小康水平可承載人口數(shù)量為903.7萬人,基本現(xiàn)代化水平為681.5萬人。按照現(xiàn)有的三層次評價(jià)法得出全面小康水平、基本現(xiàn)代化水平可承載人口分別為763.5萬人、771.5萬人。兩種方法結(jié)果對比見表3。
表3 承載能力計(jì)算結(jié)果對比Tab.3 The bearing capacity calculation results of improved and existing methods
從表3可以看出,隨著用水效率提升,可承載經(jīng)濟(jì)規(guī)模增大,但相應(yīng)生活水平提高,可承載人口能否增加取決于用水效率提升和人均GDP提高的增速對比。在全面小康水平下,改進(jìn)方法的萬元產(chǎn)業(yè)增加值用水量為118.1 m3,小于現(xiàn)有方法的139.0 m3,承載人口903.7萬人高于現(xiàn)有方法的763.5萬人。基本現(xiàn)代化水平下改進(jìn)方法可承載人口數(shù)量比現(xiàn)有方法少90.0萬人。
2.2.5 行業(yè)用水量對比與結(jié)果差異原因分析
上述結(jié)果表明,兩種方法計(jì)算得出的可承載GDP均隨承載水平提升而增加,但可承載人口趨勢變化不同,改進(jìn)方法計(jì)算所得可承載人口數(shù)量減少,而現(xiàn)有方法的可承載人口數(shù)量基本不變。其原因在于改進(jìn)方法計(jì)算中設(shè)定了農(nóng)業(yè)用水不變化,二、三產(chǎn)業(yè)不能擠占農(nóng)業(yè)用水,而現(xiàn)有方法隨著綜合效率提升,農(nóng)業(yè)用水減少并轉(zhuǎn)移到其他產(chǎn)值更高的行業(yè)。根據(jù)兩種方法計(jì)算出的可承載人口數(shù)量反算各行業(yè)用水量,見表4。
表4 兩種方法計(jì)算出的可承載人口數(shù)量反算的各行業(yè)用水量Tab.4 Water consumption by industry in both methods 單位:億m3
現(xiàn)有方法中農(nóng)業(yè)用水量隨效率與農(nóng)業(yè)增加值提高而變化,全面小康水平下農(nóng)業(yè)用水量為63.21億m3,高于現(xiàn)狀實(shí)際農(nóng)業(yè)用水量61.43億m3。而改進(jìn)方法農(nóng)業(yè)用水與現(xiàn)狀相同,將扣除現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)用水后的可利用水量作為二、三產(chǎn)業(yè)用水,因此綜合用水效率更高,可承載的GDP與人口數(shù)量均高于現(xiàn)有方法得出的結(jié)果。在基本現(xiàn)代化水平下,現(xiàn)有方法分配給農(nóng)業(yè)的水量為59.91億m3,小于現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)用水量,意味著農(nóng)業(yè)用水轉(zhuǎn)移到了效率更高的二、三產(chǎn)業(yè),因此可承載的GDP和人口數(shù)量提高。而改進(jìn)方法仍維持現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)用水,二、三產(chǎn)業(yè)用水效率的提升不足以支撐人均GDP的增長,因此可承載人口數(shù)量下降。綜上所述:現(xiàn)有方法中農(nóng)業(yè)用水效率隨著整體經(jīng)濟(jì)水平變化,缺少結(jié)合機(jī)理規(guī)律或?qū)嶋H決策條件的支撐,存在農(nóng)業(yè)用水是否可有效保障的問題;而改進(jìn)方法可分析保障農(nóng)業(yè)用水條件下的水資源承載狀況,揭示水資源管控的邊界條件對綜合用水效率和承載狀況的影響。
根據(jù)可承載人口計(jì)算公式(10),可利用水資源量Wv一般為確定值,生活用水定額Edo也相對較穩(wěn)定,主要影響因素就是農(nóng)業(yè)用水量War、人均GDPVp,以及二、三產(chǎn)業(yè)用水效率Cu,本文嘗試通過調(diào)整此3項(xiàng)因素探究其對于水資源承載能力的影響。
寧夏實(shí)例分析表明,在農(nóng)業(yè)用水固定的條件下,可承載人口會隨著承載水平的提高而減少。實(shí)際上,在農(nóng)業(yè)規(guī)?;蛏a(chǎn)目標(biāo)保持不變的條件下,隨著用水效率提升農(nóng)業(yè)用水會逐步減少并轉(zhuǎn)移到效率更高的二、三產(chǎn)業(yè),可以提高承載能力。因此,通過分析調(diào)整農(nóng)業(yè)用水后的承載能力變化,可為調(diào)控決策提供支持。
按照寧夏適水發(fā)展的總體思路,嚴(yán)格控制高耗水農(nóng)業(yè)和能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模是實(shí)現(xiàn)區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展的必由之路[43]。根據(jù)“四水四定”要求,將寧夏全區(qū)水稻種植面積從現(xiàn)狀的6.07萬hm2壓縮至1.33萬hm2,定額采用《寧夏回族自治區(qū)有關(guān)行業(yè)用水定額(修訂)》(寧政辦規(guī)發(fā)〔2020〕20號),水稻常規(guī)灌溉定額為15 750 m3/hm2,灌溉水利用系數(shù)取0.55,計(jì)算得出未來寧夏農(nóng)業(yè)用水量將減少13.6億m3。因此,將農(nóng)業(yè)用水由61.43億m3均勻減少至47.83億m3,各承載水平下的人口數(shù)量與GDP變化見圖3。可見,可承載人口數(shù)量和GDP隨農(nóng)業(yè)用水量減少均呈直線上升趨勢。對于基本現(xiàn)代化水平,若農(nóng)業(yè)用水量由61.43億m3減少至47.83億m3(減少22.1%),區(qū)域可承載人口數(shù)量由681.5萬人增加至1 488.9萬人(增加118%),GDP由9 322.9億元增長至19 769.5億元(增長112%),人口增幅高于GDP增幅。
圖3 農(nóng)業(yè)用水量與可承載人口、GDP變化關(guān)系Fig.3 Charts of the relationship between agricultural water use,bearable population and GDP
根據(jù)公式(10)和(11),其中的Wc、Vp、Cu、Edo在各承載水平下均為定值,因此可承載人口與GDP和(Wv-War)呈正比關(guān)系,減少農(nóng)業(yè)用水量War意味著生活和二、三產(chǎn)業(yè)可利用水量提高,帶來可承載人口和GDP的線性上升。
為了探求人均GDP變化對區(qū)域可承載GDP、人口數(shù)量的影響,將人均GDP設(shè)置±50%的波動范圍,全面小康和基本現(xiàn)代化變化范圍分別是3.3萬元~9.9萬元、6.9萬元~20.7萬元,各承載水平的可承載人口數(shù)量與GDP隨人均GDP增減變化見圖4。由圖4可知,區(qū)域可承載人口隨人均GDP升高呈下降趨勢,可承載GDP呈上升趨勢。對于基本現(xiàn)代化水平,區(qū)域可承載人口數(shù)量由1 024.5萬人減少到510.6萬人,可承載GDP由6 880.3億元增加到10 666.9億元。
圖4 人均GDP與可承載人口、GDP變化關(guān)系Fig.4 Charts of the relationship between per capita GDP and bearable population and GDP
根據(jù)公式(10),在Wv、War、Cu、Edo保持不變條件下,可承載人口P與人均GDP水平Vp呈反比關(guān)系,生活水平提高導(dǎo)致可承載的人口數(shù)量減少。公式(12)表明Vp增大帶來可承載GDP增加,即在農(nóng)業(yè)用水量不變的情況下,人均GDP水平提高使得可承載人口數(shù)量減少,但用于生產(chǎn)的水量相應(yīng)增加,因此可承載GDP略有增長。
根據(jù)公式(10)、(11),二、三產(chǎn)業(yè)用水效率與承載規(guī)模呈反比關(guān)系,用水效率提高(數(shù)值降低),可承載人口數(shù)量與GDP增加。將二、三產(chǎn)業(yè)用水效率設(shè)置±50%的波動范圍,可承載人口數(shù)量與GDP隨用水效率增減變化見圖5。對于基本現(xiàn)代化水平,當(dāng)二、三產(chǎn)業(yè)用水效率從13.1 m3/萬元提高到4.4 m3/萬元時(shí),區(qū)域可承載人口數(shù)量由510.6萬人增加到1 024.5萬人,可承載GDP由7 111.2億元增長到13 760.6億元。
圖5 二、三產(chǎn)業(yè)用水效率與可承載人口數(shù)量、GDP變化關(guān)系Fig.5 Charts of the relationship between water use efficiency and bearable population and GDP
從公式(10)和(11)可以看出,在Wv、War、Vp、Edo保持不變條件下,Cu與可承載人口P和GDP呈反比關(guān)系,用水效率提升可提高水資源承載能力。
上述討論表明,在區(qū)域水資源約束確定的情況下,農(nóng)業(yè)用水控制目標(biāo),二、三產(chǎn)業(yè)用水效率和生活水平是影響水資源承載能力的主要因素,改進(jìn)方法計(jì)算公式可以直接分析不同因素變化對承載結(jié)果的影響作用。幾種因素中,農(nóng)業(yè)用水對于區(qū)域水資源承載能力影響最為顯著。上述因素自身也存在相互影響關(guān)系,且同步變化。因此,需要綜合評價(jià)區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間、生活水平提升需求、用水效率提升空間等多類因素,提出水資源承載能力提升的有效途徑。
通過改進(jìn)現(xiàn)有的水資源承載能力三層次評價(jià)方法并進(jìn)行驗(yàn)證研究,結(jié)果表明:改進(jìn)方法可以解決萬元GDP產(chǎn)業(yè)用水量受農(nóng)業(yè)影響大導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確的問題,更準(zhǔn)確反映農(nóng)業(yè)保障目標(biāo)下的水資源承載能力結(jié)果,適應(yīng)“四水四定”要求下的水資源承載能力分析評價(jià);通過推導(dǎo)得出可承載人口數(shù)的直接計(jì)算公式,避免試算校核提高計(jì)算效率與準(zhǔn)確性,同時(shí)通過公式可以量化反映不同影響因素對承載能力結(jié)果的作用機(jī)制,適應(yīng)不同情景分析需求;寧夏實(shí)例驗(yàn)證表明,以現(xiàn)狀合理農(nóng)業(yè)用水作為農(nóng)業(yè)保障目標(biāo),現(xiàn)有方法在全面小康和基本現(xiàn)代化兩個(gè)承載水平下比改進(jìn)方法可承載人口數(shù)量分別偏低140.2萬人和偏高90.0萬人。進(jìn)一步分析表明:現(xiàn)有方法農(nóng)業(yè)用水分配量由綜合用水效率確定,在兩個(gè)承載水平下農(nóng)業(yè)用水量分別為63.21億m3和59.91億m3,與現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)用水量61.43億m3存在差異,隨著承載水平提升農(nóng)業(yè)用水被轉(zhuǎn)移到了效率更高的二、三產(chǎn)業(yè),不能體現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水的合理保障,改進(jìn)方法給出明確的農(nóng)業(yè)保障目標(biāo)下的承載結(jié)果,更能反映實(shí)際決策需求;通過情景分析反映農(nóng)業(yè)用水量,人均GDP,二、三產(chǎn)業(yè)用水效率3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)變化對可承載人口數(shù)量與GDP的影響,結(jié)果顯示農(nóng)業(yè)用水量影響最大。
考慮主體、客體和主客體關(guān)系三層次涉及因素多,未來還需深化研究,進(jìn)一步識別各層次影響因素及其關(guān)系,使方法更科學(xué)合理并便于應(yīng)用。一是承載主體方面,隨著非常規(guī)水利用提升、外調(diào)水增加,可利用水源增加,有必要進(jìn)一步探討其提高承載能力的作用機(jī)制和效果,包括結(jié)合水文隨機(jī)性和供水條件影響下的可利用水量識別分析;二是承載客體方面,應(yīng)進(jìn)一步精準(zhǔn)分析綜合用水效率,目前用水效率只進(jìn)行了二、三產(chǎn)業(yè)的劃分,還較為粗略,可借助大數(shù)據(jù)分析等手段挖掘細(xì)分的行業(yè)用水效率,更真實(shí)反映產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對綜合用水效率的影響;三是在主客體關(guān)系上,可進(jìn)一步研究承載水平的表達(dá)方式,避免單一的人均GDP作為衡量依據(jù)對承載水平反映不夠全面。此外,本研究選擇了農(nóng)業(yè)用水占比大的寧夏作為典型研究區(qū)域,針對其他類型的地區(qū)應(yīng)評價(jià)方法適應(yīng)性,分析改進(jìn)辦法。