可持续发展视角下基于水量供需平衡的水资源承载力分析
——以青海省大通县为例

张晨光，文 章*，龚 健，陈 晨，薛佩佩

(1.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430078；>2.中国地质大学(武汉)公共管理学院，湖北 武汉 430074)

水是地区经济建设和社会发展的重要自然资源和物质基础。在全球变暖和城市快速扩张的大背景下，我国北方地区水资源短缺、水环境污染等问题日益严重[1-2]，区域水资源承载力已经接近极限，水资源逐渐成为地区可持续发展的首要制约因素[3-4]。随着我国“一带一路”建设和新一轮西部大开发战略的实施，青海省西宁市作为兰西城市群和大西宁都市圈的战略重心，未来人口汇入和城市发展都离不开优质的水源。大通县作为本县和西宁市重要的供水水源地，承担西宁市总供水量60%的供水任务，有“西宁水塔”之称。对大通县水资源可持续利用能力及承载力进行分析评价，不仅能更好地支撑面向国土空间规划的“双评价”研究，对大通县水资源开发利用和分配、产业结构布局调整也具有现实意义。

1798年，Malthus[6]首次将承载力这一概念引入到资源与环境领域，随后Park等[7]依照土地资源承载力，提出了资源与环境承载力(RECC)的最终概念。水资源承载力(WRCC)作为RECC的重要组成部分，被应用于城市规划和农业生产管理等学科，是可持续发展的重要因素，但鲜有研究单独关注该方面的内容[8-9]。20世纪80年代，施雅凤等[10]提出有必要在我国开展水资源承载力评价。随着研究的不断深入，前期学者基于不同尺度，以水资源最大承载人口、最大开发规模为目标，采取常规趋势法、模糊分析法、主成分分析法、综合评价法、生态足迹法、系统动力学法等方法对不同地区的水资源承载力进行了分析评价[11-15]。如田杰[16]构建了基于水量配置的水资源承载力评价模型，分析了西部地区水资源承载力的现状；杨光明等[17]基于DPSIR(驱动力-压力-状态-影响-响应)概念框架，构建了重庆市水资源承载力SD模型，并提出了重庆市水资源可持续发展的绿色方案；刘志明等[18]将可持续发展综合指标测度引入到水资源承载力评价模型，对区域水资源承载力及可持续发展水平进行了综合评价。

然而，现有的涉及水资源承载力的研究主要从构建评价指标体系和评价承载力强弱等定性角度出发[19-20]，这显然满足不了指导国土空间规划和优化水资源配置的需求。再者，目前对水资源承载力的量化研究主要通过设定用水指标来计算水资源最大承载规模，如人口规模、经济规模等[21]，考虑水资源可持续开发利用能力及供需平衡的研究相对较少。因此，本文基于可持续发展理论，通过对青海省大通县水资源供需平衡进行分析，构建了可持续利用条件下区域供水规模的水资源承载力评价模型，定量分析了大通县未来15年水资源承载力，并获取了大通县水资源系统对人口和社会经济发展规模的最大容量，以期为大通县国土空间规划和水资源配置以及为西宁市调水规模的确定提供科学依据和决策参考。

1 研究区概况

大通回族土族自治县位于青海省东部河湟谷地，祁连山南麓，湟水上游北川河流域，介于东经100°51′～101°56′、北纬36°43′～37°23′之间(见图1)，面积约为3 090 km2。受西南季风的影响，大通县属于高原大陆性气候，多年平均降水量为523.3 mm，多年平均径流深为227.3 mm。全县水资源总量为6.71亿m3，其中地表水资源量为6.56亿m3，地下水资源量为4.21亿m3，平原区降水入渗补给量为1 485万m3，重复计算水资源量为3.91亿m3。该地区人均水资源量为1 470 m3，约为全国平均水平的66%，西宁市的2.56倍。全县水资源开发量约为2.17亿m3(包括向西宁市调出7 154万m3)，其中地表水供水量占47.5%，地表水水资源开发利用率为15.7%。位于大通县宝库乡的黑泉水库是青海省“引大济湟”水利工程的重要组成部分，对保障西宁市及周边地区的生产、生活和生态用水有重要作用。大通县在“引大济湟”跨流域调水工程中有很重要的战略地位，因此合理高效地配置水资源，对促进海东贫困地区脱贫致富和实现湟水流域可持续发展具有决定性作用。

图1 研究区概况图Fig.1 Geographical location of the study area

2 水资源可持续开发利用能力与承载力评价方法

2.1 水资源可持续开发利用能力评价

2.1.1 评价指标体系的建立

水资源可持续利用能力评价指标体系的建立遵循系统与局部相结合的原则，将社会、经济、自然、环境等诸多因素视为一个有机整体。在区域水资源可持续利用评价工作中，少量的参数无法系统地反映整体情况，而过多的参数又增加了工作的难度且并不能明显地提升评价结果的准确度[22]。因此，本文根据2015—2019年大通县实际水文条件、社会经济发展水平、供用水现状等情况，将研究区评价系统分为水资源禀赋条件、水资源开发利用水平、水资源与社会经济协调水平、水资源与生态环境协调水平4个部分共21项评价指标，构建了大通县水资源可持续开发利用能力评价指标体系，见图2。

图2 大通县水资源可持续开发利用能力评价指标体系Fig.2 Evaluation index system of sustainable development and utilization ability of water resources in Datong County

2.1.2 评价指标分级标准的确定

由于各项评价指标的原始数据并不隶属于同一量纲，需要通过等级划分对各项评价指标进行无量纲化处理，以此作为评价指标的等级划分依据。在大通县水资源可持续开发利用能力评价系统中，将各项评价指标分为“差I”、“较差II”、“中等III”、“良好IV”、“优V”5个评价等级，每个评价等级都有具体的数值范围作为衡量标准，评价指标的分级标准参考已有的国家标准并结合研究区实际情况[23-26]，具体分级标准见表1。

表1 水资源可持续开发利用能力评价指标的分级标准Table 1 Index classification and quantification standard for sustainability evaluation of water resources

2.1.3 评价指标权重的确定

层次分析(The Analytic Hierarchy Process，AHP)法由美国运筹学家Saaty于20世纪70年代提出，该方法是先将与决策有关的要素划分为目标层、准则层、方案层等层次，在此基础上对要素进行简单的比较计算与定量分析，从而确定要素的重要程度，具有系统、灵活的优点。AHP法的计算过程主要包括构建层次模型、构造判断矩阵、层次单排序及其一致性检验、层次总排序及其一致性检验4个步骤[27]，具体计算流程如下：

(1) 构造判断矩阵。根据图1建立的水资源可持续利用能力评价指标体系的层次结构模型，计算每一层次相对于上一层次的权重，并采用比例标度法将同一层次的所有要素进行两两比较，构造判断矩阵A=(aij)n×n.其中，n为本层次所含要素的个数；aij的赋值参见表2。

表2 指标重要性标度表Table 2 Weight of index significance

(2) 层次单排序及其一致性检验。构造判断矩阵后需要进行层次单排序，即计算判断矩阵中各因素针对其准则的相对权重，本文通过方根法进行计算，具体计算步骤如下：

①计算判断n阶矩阵各行元素的积Ai：

④计算判断矩阵A的最大特征值λmax：

权重向量wi的元素为同一层次所有因素对于上一层次相对重要性的权值。在实践中要求判断矩阵满足大体上的一致性，因此需对其进行一致性检验，具体检验步骤如下：

①计算一致性指标CI(consistency index)：

(1)

式中：λmax为判断矩阵的最大特征值；n为矩阵阶数。

②查表3确定平均随机一致性指标RI(random index)。

表3 平均随机一致性指标RITable 3 Average random consistency index RI

③计算一致性检验系数CR(consistency ratio)：

CR=CI/RI

如果CR<0.1，则认为该判断矩阵通过一致性检验；否则该判断矩阵不具有满意的一致性，需要重新进行上述工作。

(3) 层次总排序及其一致性检验。通过对所有要素进行层次总排序，即计算要素层各要素对目标层的权重大小，并通过一致性检验后，确定各要素相对目标层的权重W，各评价指标的权重及其一致性检验结果见表4。由表4可知，大通县水资源可持续开发利用能力4个子系统中，水资源开发利用水平子系统(B2)的权重最大，说明其在水资源可持续开发利用能力评价中最为重要。

表4 大通县水资源可持续开发利用能力评价指标层次单排序、层次总排序及其一致性检验结果Table 4 Hierarchical single sort and total sort calculation results of the index layer factors and the consistency inspection result of sustainable development and utilization capacity of water resources in Datong County

2.1.4 水资源可持续开发利用能力评价模型的建立

本文结合大通县水资源开发利用现状及发展规划目标要求，在AHP法的基础上，采用多目标线性加权函数法建立了大通县水资源可持续开发利用能力计算的数学模型，综合计算大通县水资源可持续开发利用能力综合评价指数E，具体表达式如下[22]：

(2)

(3)

式中:m、n分别为评价模型中准则层和指标层要素的个数;Pi、Ei分别为准则层指标i的权重值及评价指数值；Wj、Rj分别为指标层指标j的权重值及评价指数值。

2.2 水资源供需平衡分析

2.2.1 水资源需水量计算

利用水资源可持续利用能力评价指标体系，在分析大通县近5年用水的基础上，以定额法为基本方法，综合考虑大通县经济社会发展规划，在保证生态平衡的基础上，对规划年大通县各用水部门的需水量进行了预测。大通县有4大用水部门，分别为居民生活用水(WP)、工业用水(WI)、农业用水(WA)、生态用水(WE)和其他用水(WM)，大通县水资源总需求量(WD，m3)的具体计算公式为

WD=WP+WI+WA+WE+WM

(4)

其中,居民生活需水量WP(m3)根据人口P(人)和用水定额QP[L/(人·d)]按下式计算：

WP=P×QP×365/1 000

(5)

工业需水量WI(m3)根据万元工业增加值IVA(元)和万元GDP用水量Qg(m3/万元)按下式计算：

WI=IVA×Qg

(6)

农业需水量WA(m3)由灌溉用水量Wa1(m3)和畜牧业用水量Wa2(m3)组成。其中，灌溉用水量根据不同作物实际灌溉面积Sa(hm2)和平均灌溉定额Qa(m3/hm2)按下式计算：

Wa1=Sa×Qa

(7)

畜牧业需水量根据牲畜数量m(头)和单位用水量Qc(m3/头)按下式计算：

Wa2=m×Qc

(8)

生态需水量WE(m3)根据城市绿地面积Se(hm2)和城市公共绿地生态用水定额Qe(m3/hm2)按下式计算：

WE=Se×Qe

(9)

生态需水量需在计算可利用水资源量时扣除，故不再计算河道内需水量。其他需水量包括林地、自然保护区内用水量，根据往年数据进行计算。

2.2.2 可利用水资源量计算

大通县境内北川河流域为地表水主要集水区，在东峡河、宝库河、黑林河汇入北川河干流后，于黄家寨镇康家村流出大通县。北川河多年平均流量为20.1 m3/s，多年平均径流量为6.56亿m3，受降雨的影响较大，北川河径流量与大气降雨和蒸发量之间属强正相关关系[28]，其二元回归方程为

Y=a+b1X1+b2X2

(10)

式中：X1为年降雨量(mm)；X2为年蒸发量(mm);Y为北川河年径流量(亿m3/s);a为常数，b1、b2为回归系数，通过收集大通县1990—2019年的水文气象资料(见图3)，计算得到a为-14.91、b1为0.06、b2为0.002 6，其中b1为主要因素，故大气降雨量为影响大通县径流量的主要因素，而蒸发量对大通县径流量的影响不大。

图3 大通县水文气象条件Fig 3 Hydrological and meteorological conditions in the study area

按照多年平均径流量百分数法(即Tennant法)确定生态需水量的比例，在水权保证前提下，区域最大可利用水资源量WS的计算公式为

WS=WO+WG

(11)

式中:WO为扣除天然生态需水量后的可利用水资源量(亿m3);WG为地区可开采水资源量(亿m3)。

经计算，可得到大通县多年平均可利用水资源量，见表5。

表5 大通县可利用水资源量(单位：亿m3)Table 5 Available water resources in Datong County (unit:108 m3)

2.3 水资源承载力计算

本文引入水资源承载力平衡指数来反映区域水资源承载力状态。通过分析大通县近5年(2015—2019年)的水资源承载力平衡指数，并结合规划年(2025年、2035年)需水量预测，对大通县水资源承载力进行了计算。水资源承载力平衡指数(IWSD)的计算公式为

(12)

当IWSD>0时，说明水资源为正平衡，表明可利用水资源量能够满足当地社会经济发展的需水量；反之，则可利用水资源量不能满足当地社会经济发展的需水量。

3 评价结果与分析

3.1 水资源可持续开发利用能力评价结果分析

3.1.1 水资源可持续开发利用能力综合评价指数计算

依照公式(2)和(3)，对大通县近5年(2015—2019年)水资源可持续开发利用能力综合评价指数E和各子系统的评价指数Ei进行了计算，并绘制了其变化曲线，见图4。

图4 大通县近5年(2015—2019)水资源可持续开发 利用能力综合评价指数E和各子系统评价指数 Ei的变化曲线Fig.4 Diagram of comprehensive evaluation index and subsystem evaluation indexes of sustainable development and utilization degree of water resources in Datong County in recent 5 years (2015-2019)

通过对照区域水资源可持续开发利用能力综合评价指数的分级标准(见表6)可知，大通县近5年水资源可持续开发利用能力综合评价指数E和各子系统评价指数Ei均在0.6～0.8之间，处于可持续利用状态，且整体有变好的趋势。

表6 区域水资源可持续开发利用能力综合评价指数分级标准Table 6 Classification standard for evaluation indexes of sustainable utilization capacity of regional water resources

3.1.2 评价结果分析

大通县水资源可持续开发利用能力评价指标体系中，准则层中4个子系统均处在可持续或基本可持续利用状态,且大通县近5年各子系统水资源可持续开发利用能力综合评价指数整体呈上升趋势(见图4)，这说明大通县水、自然、社会的关系更为和谐，用水结构更为合理。具体分析如下：

(1) 水资源禀赋条件子系统(B1)中,敏感因子为地表水水质类型C2(w=0.445 0)。地表水的水质类型极大程度地决定了可利用水资源量的多少。大通县整体地表水水质类型为I、II类水，各河流水质稳定，水资源质量高，造成该子系统的水资源可持续开发利用能力综合评价指数较高且稳定。

(2) 水资源开发利用水平子系统(B2)中，敏感因子为人均用水量C12(w=0.266 0)、单位灌溉面积用水量C11(w=0.192 0)、工业用水比C9(w=0.143 0)、地下水开发利用率C5(w=0.123 0)。大通县各项用水指标均高于全国平均水平，此外该县的供水水源主要为地下水，造成了其地下水开发利用率偏高。

(3) 水资源与社会经济协调水平子系统(B3)中，各评价指标的权重相当，表明大通县城镇化及工业化的发展对水资源开发利用结构的影响不容忽略。大通县城镇化率从2015年的42.6%增长至2019年的46%，增速较慢，造成该子系统水资源可持续开发利用能力综合评价指数较为稳定。

(4)水资源与生态环境协调水平子系统(B4)中，各评价指标均与水资源质量有着密切关系。2015年以来，大通县森林覆盖率及生态用水比例不断上升，从2015年的38.1%、0.5%上升至2019年的43.3%、1.6%，污水径流比不断下降，从2015年的0.59%下降到2019年的0.35%，造成该子系统水资源可持续开发利用能力综合评价指数不断上升。

3.2 水资源承载力评价结果分析

3.2.1 水资源承载力现状分析

根据公式(12)，本文计算了大通县近5年(2015—2019年)水资源承载力平衡指数(ISWD)，并绘制了其变化曲线，见图5。

图5 大通县近5年(2015—2019年)水资源承载力 平衡指数(ISWD)的变化曲线Fig.5 Change of carrying capacity of water resources in Datong County in recent 5 years (2015 to 2019)

由图5可知：大通县近5年水资源承载力平衡指数(ISWD)呈上升趋势，且其值均大于0，说明大通县的水资源开采量小于补给量，水资源可利用量能够满足当地社会经济发展的需水量；IWSD值从2015年的0.04上升到2018年的0.16，又下降至2019年的0.09，这主要是由于大通县人均水资源量的减少(2015年人均水资源量为1 281 m3、2018年为1 991 m3、2019年为1 470 m3[见图6(a)]所致。

图6 大通县近5年(2015—2019年)供用水量的变化Fig.6 Water supply and consumption of Datong County in recent 5 years (2015 to 2019)

此外，结合大通县2015—2019年的供、用水情况[见图6(b)、(c)]来看，大通县近5年的总用水量变化不大，但水资源承载力却有了明显上升，主要原因是工农业用水量有轻微下降，从2015年的1.14×108m3下降到2019年的1.06×108m3，下降幅度约为7%，而生活用水量和生态用水量均有略微的上升。大通县水资源补给主要为大气降雨和河流入渗，经计算，大通县多年平均地下水资源量为4.21×108m3，量为1.61×108m3。此外，大通县总供水量呈下降趋势，供水类型主要为地下水类型，地下水供水量多年平均占比为51.4%(含四、六水源地)，地表水供水量多年平均占比为48.6%，地表水开采利用程度较低。受新建设水源地的影响，大通县2015—2019年间共新建了5处地下水型水源地，地下水年供水量为2.72×108m3，造成地下水开采量不减反增，这也验证了前面所得结论，即在水资源可持续开发利用能力评价指标体系中，地下水开发利用率(B2)逐年上升，导致了水资源开发利用水平子系统综合评价指数的逐年下降(2015—2017年、2018—2019年)(见图4)。

3.2.2 水资源承载力预测

依据水资源可持续开发利用能力评价指标体系，以2019年为现状年，按照不同保证率计算大通县近、远景规划年(2025年、2035年)可利用水资源量及各用水部门的需水量，并对大通县水资源供需平衡进行分析，其计算结果见图7，其余规划年的水资源供需数据可经线性差值获得。

图7 大通县水资源供需平衡预测分析图Fig.7 Forecast of supply and demand balance of water resources in Datong County注：大通县不同保证率的可利用水资源量差距不大，全县自产的可利用水资源总量为67 135万m3，水资源开发利用率为32.8%。

由图7可知：规划年2025年在保证率P分别为50%、75%、95%时，大通县可利用水资源量即水资源供水量均有盈余，供水量的盈余量分别占总需水量的30.52%、19.72%、9.39%，根据“引大济湟”和“引黄济宁”工程可行性研究报告，到2035年大通县外调水资源可供水量为1.23×108m3/a，按最低配置要求，生活三产供水量为0.14×108m3，工业供水量为0.39×108m3，农业灌溉供水量为0.7×108m3；规划年2035年在保证率P分别为50%、75%、95%时，大通县可利用水资源量均有盈余，水资源供水量的盈余量大于2025年，水资源供水量的盈余量分别占总需水量的40.08%、30.58%、21.49%，且水资源需求量均小于西宁市下达的用水量指标2.53×108m3(2035年)。

采用定额法对大通县在规划年2025年、2035年各用水部门的需水量进行了预测。

(1) 按照大通县现有发展模式及人口增长规律并结合大通县相关规划进行预测，规划年2025年、2035年大通县人口分别增长至5.27万人、5.75万人，较2019年现状年分别增长了0.27万人、0.75万人，城镇人口分别占50.3%、59%，规划年2025年、2035年居民生活用水量分别占总用水量的19.72%、19.00%。按照青海省用水定额地方标准，确定大通县城镇和农村用水定额分别为120 L/d、80 L/d，经计算，可得到大通县各乡镇居民生活用水量分布，见图8。

图8 大通县各乡镇居民生活用水量分布图Fig.8 Distribution of household water consumption in towns and villages of Datong County

(2) 根据大通县2025—2035年国土空间规划，大通县现状产业为有色金属冶炼及压延加工，未来以先进装备制造及镁铝合金为中心，万元工业增加值用水量目标指标不断下降，从2019现状年的73 m3/a，分别下降至规划年2025年、2035年的60 m3/a、50 m3/a，规划年2025年、2035年的工业用水量分别为0.34×108m3、0.38×108m3。

(3) 依据大通县发展规划，未来该县将发展特色农牧业、农副产品加工业等，“引大济湟”工程配套北干渠为大通县配置农业用水量0.7×108m3/a，能大幅增加大通县的农业灌溉面积，农林渔畜用水比重将会增大。2019年现状年农林渔畜用水量为0.77×108m3，占总用水量的61.20%。按照青海省农林渔畜用水定额地方标准，确定大通县农林渔畜用水定额为480 m3/亩，经计算，可得到规划年2025年、2035年农林渔畜用水量分别占总用水量的62.91%、63.64%。大通县各乡镇农业灌溉用水量分布，见图9。

图9 大通县各乡镇农业灌溉用水量分布图Fig.9 Distribution of water consumption for agricultural irrigation in towns and villages of Datong County

(4) 生态用水量只计算城市公共绿地及市政需水量，按照青海省城市绿化用水定额，经计算,可得到大通县2025年、2035年生态用水量分别为0.2×108m3、0.29×108m3。

大通县2015—2019年人均用水量为460～480 m3/(人·a)，全国人均用水量及青海省人均用水量指标为430～445 m3/(人·a)。根据大通县2010—2019年各级水资源公报，随着节水设施的普及和相关政策的实施，十年间人均用水量下降约5%，根据此发展趋势，通过设置人均用水量高、中、低3个水平[分别为445 m3/(人·a)、430 m3/(人·a)、410 m3/(人·a)]经计算，可得到大通县现有水资源最大可承载人口规模为78.93～85.66万人。

4 结 论

本文通过建立水资源可持续开发利用能力评价指标体系，对大通县近5年(2015—2019年)水资源可持续开发利用程度进行了动态评价，并在此体系约束下，基于水资源供需平衡分析了该地区2015—2019年的水资源承载力，预测了不同规划年(2025年、2035年)的水资源承载情况，并计算了水资源最大可承载人口规模,主要得到如下结论：

(1) 基于AHP法构建了3层递阶评价指标体系，建立了多目标线性加权的水资源可持续开发利用能力评价模型。结果表明：评价子系统中显著影响大通县水资源可持续开发利用能力的影响因素为地表水水质类型C2(w=0.445 0)、人均用水量C12(w=0.266 0)、人均GDPC16(w=0.311 0)、污水径流比C18(w=0.260 0)；大通县近5年(2015—2019年)水资源可持续开发利用能力综合评价指数分别为0.62、0.62、0.64、0.65、0.64，均处于可持续利用的良好状态。

(2) 大通县近5年(2015—2019年)水资源承载力平衡指数(IWSD)从2015年的0.04上升到2018年的0.16，又下降至2019年的0.09，主要原因为大通县人均水资源量的减少和地下水型水源地的新建；IWSD值均大于0，说明大通县水资源处于正均衡，表明可利用水资源量能够满足地区社会经济持续发展的需水量。

(3) 在考虑各调水工程水量分配的条件下，规划年(2025年、2035年)在保证率分别为P=50%、75%、95%下大通县可利用水资源量即水资源供水量均有盈余，2025年水资源供水量的盈余量分别占总需水量的为30.52%、19.72%、9.39%,2035年水资源供水量的盈余量分别占总需水量的40.08%、30.58%、21.49%。通过设置人均用水量高、中、低3个水平，预测得到大通县现有水资源最大可承载人口规模为78.93～85.66万人。