山西大水网建设对水资源承载能力的影响研究

陈向东 刘 扬 刘家宏

（中国水利水电科学研究院 北京 100038）

1 研究背景

随着社会经济的高速发展，水资源的重要性越来越显著，但过高的水资源开发利用也导致河道断流、湿地萎缩、植被退化、水环境恶化等一系列生态环境问题。然而社会经济的发展对水资源的需求还在不断增长，水资源的供需矛盾还在加剧。为使社会经济与生态环境协调发展，以水定城、以水定地、以水定人、以水定产已成为新形势下社会经济发展必须坚持的原则，因此研究区域水资源对经济社会发展的支撑作用与承载能力是十分必要的。

目前水资源承载力的研究方法可大体分成两大类[1]：一是评价方法，综合评判水资源对某种发展规模的支撑程度，研究方法主要有模糊综合评价法、主成分分析法等；二是规划方法，直接计算不同社会经济发展方案下水资源的最大支撑规模。

2011年山西省启动了“两纵十横、六河连通”的大水网建设，其中通过大水网的建设来解决山西省目前地表水配置能力不足、地下水超采严重的问题，大水网建成后山西省的供水能力将会显著提高。在此背景下，本次研究将基于山西大水网进行水资源承载能力的分析计算，研究大水网建成后山西省的水资源能够支撑的经济规模、社会人口，分析大水网建设对山西省水资源承载能力的影响与变化，为山西的社会经济与生态环境的和谐发展提供科学依据。

2 研究区概况

山西省水资源地域分布不均，年际变化大。根据全省第二次水资源评价成果，1956～2000年系列全省多年平均降水量为508.8 mm，多年平均水资源总量123.79亿m3。山西省地表水资源总体属于中等开发利用水平，开发利用比较适度，但空间上不均衡。地下水作为山西省的主要供水水源，开发利用程度普遍较高，盆地区已出现了大量的超采区。改革开放以来，山西省的国民经济有了快速发展，2011年山西省总人口3 593万人，全省地区生产总值11 237.55亿元，人均地区生产总值31 274元。

3 承载能力研究

3.1 水资源支撑规模计算方法

本次水资源承载能力计算即在一定的水资源可供水量、用水技术水平、福利水平等约束条件下，优化计算区域水资源可以承载的最大人口数量[2]。

在一定的水资源可供水量下，同时保证生产、生活、生态用水，则水量平衡约束如下：

式中，Ws为年可供水量（万m3），WP为年生活用水量（万m3），WI为年生产用水量（万m3），WE为年生态用水量（万m3）。

在一定的生活福利标准约束下，即在特定阶段可以接受的一定的人均GDP等生活标准。

式中，P为总人口（万人），GDP为年地区生产总值（亿元），PGDP为人均GDP需求标准（万元/人）。

在一定经济技术水平约束下，即与区域发展阶段相对应的特定的产业结构和用水效率水平。

式中，qI为万元GDP用水量（m3/万元），qP为居民生活用水定额（L/（人×日）），qE为人均生态用水定额（m3/人）。

根据以上约束，得到水资源承载人口P*为

3.2 水资源承载力综合评价方法

本次研究采用AHP-Fuzzy方法对水资源承载力进行综合评价。模糊评判B=A·R，式中评判结果B=[b1，b2，…bm]（0≤bi≤1）是等级V对综合评判所得模糊子集B的隶属度，表示综合评判的结果。A=[a1，a2，…，an]（0≤ai≤1）代表了各因素对综合评判重要性的权重系数。本次研究通过层次分析法（AHP）计算权重系数A，通过建立层次结构模型，构造两两比较判断矩阵，再由判断矩阵确定各要素的相对权重，然后计算各层因素对系统目标的合成权重，同时可对各因素或准则对系统目标实现程度的作用（相对权重）进行总排序。

对于评判矩阵R有：

式中：rij表示第i个因素Ci的评价对等级vj的隶属度。

本研究构建了水资源、社会、经济、生态4个子系统，每个子系统含指标若干，4个子系统共计16个指标Ci（i=1…16）。将上述16个评价指标划分为v1、v2和v3三个等级，则n=16，m=3。其中，v1表示水资源复合承载力较高，开发潜力较大；v3表示水资源承载力很低，极易发生水资源短缺、环境恶化等问题；v2则为介于v1与v3之间，表示可持续利用度一般，水资源承载能力适中的状态。令v1与v2级的临界值为k1，v2与v3二个等级的临界值为k3，v2等级区间中点值为k2，k2=（k1+k3）/2。对不一致指标（C4、C8、C9、C11、C13、C14）相对隶属度函数rij的计算公式为[4]：

对其余一致指标相对隶属度函数的计算公式仅需“≤”改为“≥”、“＜”改为“＞”，计算式不变。为更好地反映水资源承载能力的情况，对三个等级进行0-1之间的评分，即y1=0.95、y2=0.50、y3=0.05。数值越高，表明水资源承载能力越强。则基于综合评判结果B的综合评分值α为

3.3 承载力计算边界条件

本次水资源承载能力边界条件研究主要是对未来水平年2020年山西省的需水和供水进行预测。需水分居民生活、工业、农业灌溉、建筑及三产、林牧渔业、生态6个行业进行预测。其中居民生活、工业、农业与生态按照定额法进行预测。建筑及三产业需水基于历史资料建立建筑及三产用水与城市居民生活用水量之间的相关关系进行预测。林牧渔业需水按灌溉需水的趋势比例计算。根据预测结果，2020年预计全省需水97.95亿m3，各行业需水预测结果与相关流域水资源综合规划结果的对比见图1。

图1 需水预测结果与相关规划结果对比

在2011年现有工程可供水量的基础上，根据山西大水网规划的重点水源工程方案预测未来水平年的地表水新增可供水量。根据现状地下水实际开采量，结合重点超采区域的地下水压采方案，进行地下水供水量预测。同时考虑山西省用水总量控制指标的刚性约束进行供水预测。2020年山西省预计可供水量92.29亿m3。与现状相比，通过大水网建设本地地表水与黄河水将得到充分利用。本地地表水供水将增长到27.94亿m3；引黄水量将增长到30.24亿m3。

为分析大水网建设对山西省水资源承载力的影响，本次水资源承载研究考虑两种供水方案。方案1（2020（1））：实施大水网建设，并对地下水进行压采。方案2（2020（2））：不实施大水网建设，地下水开发利用保持现状水平。两方案的供水量Ws见图2，人均GDP为标准见图3。

图2 两种方案的各市供水量Ws

图3 各市人均GDP标准

构建的具有多层递阶结构的水资源承载力评价指标体系、各指标基于AHP的权重系数、各指标的分级见表1。

3.4 结果分析

通过水资源支撑规模计算得到未来水平年2020年全省水资源可承载的人口数量与经济规模。在一定的经济发展水平下，2020年完成大水网建设后（2020（1）），全省水资源可承载人口4 199万、区域生产总值20650亿元；在未实施大水网重点工程建设的情景下（2020（2）），全省水资源可承载人口3 357万、区域生产总值16 408亿元。其中，方案1支撑的人口数量与经济规模分别比方案2提高25.08%、25.85%；与现状年2011年相比，则分别提高16.9%、83.8%。可以看到，通过大水网的建设，全省水资源所能承载、支撑的人口数量与经济规模均得到大幅提高。各市的水资源支撑的人口、经济规模见图4、图5。

表1 山西省水资源承载力评价指标体系

图4 各市水资源承载人口规模

图5 各市水资源承载经济规模

从图3、图4可以看出，在中部引黄、小浪底调水以及引黄南北干线等利用黄河水源的大水网重点工程的覆盖区域，如吕梁、运城、临汾、太原等市，其水资源承载社会经济规模有明显提高。但主要利用本地地表水源的大水网重点工程覆盖区域，如晋中、忻州等市水资源承载的社会经济规模在两种方案中变化不大，如晋中市建设有大水网重点工程-东山供水工程，能够明显提高晋中市地表水的配置能力与可供水量，但由于该市2020年用水总量控制指标与现状用水相差不大，在水资源开发利用红线的约束下，两方案总供水量没有太大变化，但通过地表水的开发将加大对地下水的置换，优化了该市的供水结构，有利于生态环境的改善。水资源支撑规模计算却无法体现这些因素的变化，因此本研究还进行了水资源承载力的综合评价，综合评价是在对区域水资源特征、开发利用情况、工农业生产水平、人民生活水平、生态环境状态等方面的综合分析，经过多因素、多层次地综合评价、更全面地反映区域水资源承载能力的状态。各市水资源承载力的综合评价结果见图6，可以看出，通过水资源承载能力综合评价，方案1的水资源承载能力明显优于方案2，晋中、忻州等市通过改进用水结构、改善生态环境，水资源承载能力也得到大幅提高。

图6 各市水资源承载力综合评价结果

4 结论

本文一是建立了水资源支撑规模量化模型，以市为单元，研究了在一定的可供水量、经济发展水平、用水效率的约束下，山西省水资源可以承载的最大人口数量与经济规模。二是建立了AHP-Fuzzy模型对水资源承载能力进行了综合评价。在此基础上分析了大水网建设对山西省水资源承载能力的影响。大水网建设使山西省水资源承载能力大幅提高，通过大水网建设可承载的人口与经济规模比未实施大水网的情景提高约25%。对于水资源支撑规模变化不大的市，由于其大力压采地下水，用水结构得到优化，生态环境将得到改善，水资源开发利用更具可持续性，水资源承载能力同样得到大幅提高。

[1]段春青，刘昌明，陈晓楠，等.区域水资源承载力概念及研究方法的探讨[J].地理学报，2010，65(1):82-89.

[2]孙富行.水资源承载力分析与应用[D].博士学位论文，河海大学，2006.

[3]王忠静，廖四辉，吴晓峰，等.大同市水资源承载能力分析[J].南水北调与水利科技，2007，5(3):47-50.

[4]闵庆文，余卫东，张建新.区域水资源承载力的模糊综合评价分析方法及应用[J].水土保持研究，2004，11(3):14-16.