西北地區(qū)水資源承載力預(yù)測分析

西北地區(qū)水資源承載力預(yù)測分析

中國西北部包括五個?。ㄗ灾螀^(qū)）：陜西、甘肅、青海、寧夏和新疆。大部分地區(qū)位于干旱和半干旱地區(qū)，降水量稀少，蒸發(fā)能力為降雨量的4.10倍。水資源短缺,生態(tài)環(huán)境脆弱是西北地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展面臨的主要問題。水資源供應(yīng)能否保證西北地區(qū)面臨的未來二三十年的社會經(jīng)濟高速增長,水資源承載能力(WRCC)能支撐多大的社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模和維持怎樣的生態(tài)環(huán)境保護標準,回答這個問題對于西北地區(qū)的未來開發(fā)建設(shè)十分重要。本文從面域尺度對西北地區(qū)WRCC進行了研究,主要研究內(nèi)容是:①對西北地區(qū)現(xiàn)狀和未來10年、20年水資源承載力總體狀況進行了宏觀預(yù)測評價,可為西北未來水資源開發(fā)、社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護宏觀決策提供依據(jù);②針對水資源承載力不確定性和動態(tài)性的特點,采用了大量定性和定量分析手段對西北地區(qū)未來情景環(huán)境進行預(yù)測;③以多目標情景分析模型和綜合評判模型為核心,并借助部門輔助模型探討了適用干旱半干旱區(qū)水資源承載力研究分析與評價方法的途徑。1學(xué)習(xí)方法1.1多目標績效分析1.1.1社會經(jīng)濟發(fā)展、供水、水質(zhì)狀況及影響因素分析以投資和水資源的分配作為主要的驅(qū)動力因子,考慮到投資是影響經(jīng)濟增長速度、環(huán)境保護和供水能力的主要因素;而社會經(jīng)濟發(fā)展用水擠占生態(tài)環(huán)境用水是導(dǎo)致目前西北地區(qū)生態(tài)和社會發(fā)展危機的根本原因,其中農(nóng)業(yè)用水,尤其是灌溉用水是用水主導(dǎo)部門,對社會經(jīng)濟用水總量有著決定性的影響。為此,我們從國民經(jīng)濟發(fā)展速度(以A表示)、生態(tài)環(huán)境保護規(guī)模和水資源開發(fā)利用水平(B)、灌溉面積發(fā)展規(guī)模(C)三個方面定義了西北地區(qū)未來發(fā)展的幾個關(guān)鍵情景,以1和2表示高、低發(fā)展情景。則由固定投資率和水、生態(tài)環(huán)境投資水平影響的社會經(jīng)濟、供用水和生態(tài)發(fā)展將有A1+B1,A1+B2,A2+B1,A2+B2四種情景方案,取A1+B1、A2+B2兩種情景作為典型研究,并將其與灌溉面積發(fā)展情景高、低方案C1和C2方案組合,探討在不同社會經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護標準、供水能力、灌溉面積變化情景下水資源承載力的變化。主要情景值描述如表1。1.1.2多目標決策模型水資源承載力多目標規(guī)劃模型的決策變量為:第一產(chǎn)業(yè)增加值(x1)、第二產(chǎn)業(yè)增加值(x2)、第三產(chǎn)業(yè)增加值(x3)、人口總量(x4)、城市化水平(x5)、草地增加面積(x6)、林地增加面積(x7)、灌溉面積中糧食作物種植面積比例(x8)。以經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益最佳為原則,確定模型目標函數(shù)為:人均國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)最大(f1)、污水處理達標率最大(f2)、林草覆蓋面積最大(f3)和人均糧食產(chǎn)量達到預(yù)期值(f4)為目標函數(shù),分別代表經(jīng)濟發(fā)展程度、對社會穩(wěn)定的影響及生態(tài)環(huán)境狀況。約束條件從水資源供需平衡、社會經(jīng)濟發(fā)展速度與結(jié)構(gòu)平衡、生態(tài)環(huán)境保護和土地資源約束3個方面構(gòu)建。模型結(jié)構(gòu)為:Maxg(x)={f1(x),f2(x),f3(x),f4(x)}(1)s.t.x∈S,x≥0(2)Μaxg(x)={f1(x),f2(x),f3(x),f4(x)}(1)s.t.x∈S,x≥0(2)多目標決策模型的求解過程實質(zhì)上是生成非劣解,現(xiàn)采用罰款模型求解,即尋找距理想點距離最近的可行解,其前提是每個目標函數(shù)決策者都能提出一個所期望的值作為理想值,同時需要確定一組權(quán)值來反映原問題中每個目標函數(shù)在總體目標中的權(quán)重。由于糧食生產(chǎn)目標可以給出一個可供選擇的范圍,故可作為約束條件而排除出目標組進入約束條件組中。這樣原多目標規(guī)劃問題就轉(zhuǎn)換為單目標規(guī)劃問題如式(3),該模型可以直接采用單純形法求解。MinZ(x)=∑i=13{(λi)2*[f?i(x)?fi(x)]2[f?i(x)?f′i(x)]2}1/2(3)ΜinΖ(x)=∑i=13{(λi)2*[fi*(x)-fi(x)]2[fi*(x)-f′i(x)]2}1/2(3)f*i(x)、f′i(x)分別為第i個目標函數(shù)理想值和最差值;λi為第i個目標的權(quán)重。1.2可承載隸屬度計算水資源承載力綜合評價方法采用模糊數(shù)學(xué)中的“隸屬度”構(gòu)建水資源承載力綜合指數(shù),對水資源承載力基本狀況進行評價。從水資源、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟三個方面選取水資源承載力評價指標體系如表2。指標權(quán)重值以層次分析法得到,并借鑒國際國內(nèi)權(quán)威可持續(xù)發(fā)展相關(guān)指標值確定各單項指標評價標準值。水資源承載力綜合指數(shù)的計算過程如下:第一步,計算單指標的可承載隸屬度,設(shè)第i個子系統(tǒng)第j個指標Cij值為xij,其可承載臨界值和理想值分別為Vij1和Vij2,其可承載隸屬度μij計算函數(shù)為:μij=?????????1xij?Vij1Vij2?Vij10xij＜Vij2Vij2≤xij≤Vij1xij＞Vij1(4)μij={1xij＜Vij2xij-Vij1Vij2-Vij1Vij2≤xij≤Vij10xij＞Vij1(4)或μij=?????????1xij?Vij1Vij2?Vij10xij>Vij2Vij1≤xij≤Vij2xij<Vij1(5)μij={1xij>Vij2xij-Vij1Vij2-Vij1Vij1≤xij≤Vij20xij<Vij1(5)前者適應(yīng)于指標越大,可承載程度越小的情況;后者適應(yīng)于指標越大,可承載程度越大的情況。第二步,對多指標反映的子系統(tǒng)可承載程度LCi可表示為:LCi=∏j=1mμijaij(6)LCi=∏j=1mμijaij(6)其中,m表示子系統(tǒng)有m個指標被考慮是否可承載;aij表示第j指標的指數(shù)權(quán)重。據(jù)此可分別計算水資源子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)和社會經(jīng)濟子系統(tǒng)的可承載隸屬度。第三步,計算整個系統(tǒng)的可承載隸屬度,即水資源承載力綜合指數(shù):LC=∑i=1nαiLCi(7)LC=∑i=1nαiLCi(7)其中,n為子系統(tǒng)數(shù)量,αi為第i個子系統(tǒng)的權(quán)重。系統(tǒng)可承載隸屬度LC或水資源承載力綜合指數(shù)是衡量水資源可承載程度或承載質(zhì)量綜合性指標,根據(jù)LC值的大小對“可承載”程度進行分級為:0為不可承載,0～0.2為準不可承載,0.2～0.6為可承載,0.6～0.8為良好可承載,0.8～1.0為理想可承載。水資源承載力綜合指數(shù)從0～1的變化過程反映了水資源承載力從臨界極限狀態(tài)向理想狀態(tài)的變化過程。2研究結(jié)論2.1解決了經(jīng)濟發(fā)展的平衡據(jù)預(yù)測(表3),西北地區(qū)未來水資源承載力基本狀況為:2010年、2020年人口總規(guī)模將分別達到1.0億和1.1億元。高方案下2010國內(nèi)生產(chǎn)總值將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上翻一番,人均GDP接近1萬元;2020年人均GDP達到1.5萬元。農(nóng)業(yè)在三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中的比重將由目前的18%下降到2010年的12%和2020年的8%左右的水平;第二產(chǎn)業(yè)比重變化不大,總體維持在目前的40%左右的水平;第三產(chǎn)業(yè)比重到2020年將上升到近50%。在適度發(fā)展灌溉面積的前提下,到2020年人均糧食產(chǎn)量可維持在目前的350kg/人左右;嚴格控制灌溉面積發(fā)展,人均糧食產(chǎn)量也可接近300kg/人,但由于肉乳類產(chǎn)品的增加,居民膳食結(jié)構(gòu)改變,不會導(dǎo)致糧食安全問題。通過退耕還林還草生態(tài)建設(shè)工程等措施,西北地區(qū)林草覆蓋率將由2000年的20%提高到2010的35%左右,到2020進一步提高到40%以上。西北地區(qū)社會經(jīng)濟用水量仍將繼續(xù)增長,但增長幅度有限。據(jù)預(yù)測,西北地區(qū)2010年用水需求總量為800億～849億m3,年均增長率在0.004%～0.064%之間;2010-2020年用水需求增長進一步趨于平緩,到2020年總用水量約為768億～861億m3,在經(jīng)濟低增長方案下用水總量甚至趨于停滯和減少。西北地區(qū)實現(xiàn)用水總量增長控制的主要潛力在于農(nóng)田灌溉用水。在農(nóng)田灌溉面積不變的情況下,通過提高灌溉水利用效率,農(nóng)田灌溉用水量到2020年可較現(xiàn)狀水平節(jié)水147億～185億m3。而工業(yè)用水和生活用水量將明顯增加,其占總用水的比例將有較大幅度的上升。據(jù)估計,到2020年,農(nóng)業(yè)用水比例將由目前的近90%降低到80%左右,工業(yè)用水比例則將由6.3%增長到10%,生活用水比例也將由不足5%增長到8%～9%。用水供需地區(qū)極不平衡。高方案下陜西用水量將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加34億m3,達到113億m3;甘肅將增加33億m3,達到156億m3,未來20年水資源供需矛盾依然突出。寧夏和新疆是節(jié)水潛力最大的地區(qū),由于灌溉用水效率的提高,兩區(qū)社會用水總量可望在未來20年內(nèi)基本維持在現(xiàn)狀水平甚至略有下降。2.2水資源承載水平從水資源承載力綜合評價結(jié)果看,影響西北地區(qū)水資源承載狀況的最主要制約因素是水資源開發(fā)利用率、用水效益和人口自然增長率,降低水資源開發(fā)利用率,提高用水效益和控制人口增長是提高水資源承載水平的關(guān)鍵。水資源承載力綜合指數(shù)2000年為0.10,已瀕于極限不可承載的邊緣;2010年為0.16,仍屬于準不可承載的范圍;2020年達到0.26,屬于可承載范疇。這表明西北地區(qū)水資源承載狀況將逐步改善,但中短期內(nèi)仍難以達到良好可承載水平。其中以A1+B2+C2方案水資源承載力綜合指數(shù)值(0.34)為最高,說明采取較高經(jīng)濟增長速度、嚴格控制灌溉面積發(fā)展、適度退耕還林還草工程措施情景方案可取得最佳的社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境發(fā)展綜合效益。3西北水資源開發(fā)的重點和方向本文以多目標情景分析法和綜合評判方法為核心,并借助于部門輔助模型探討了4種不同情景方案下西北地區(qū)的水資源承載力問題。分析結(jié)果表明:西北地區(qū)的用水增長在經(jīng)歷了20世紀80年代以前的高速增長階段后,于90年代進入了低速增長期。未來西北地區(qū)用水需求增長速度將進一步減緩,這與世界和我國用水增長的基本規(guī)律是一致的;二是盡管目前西北地區(qū)出現(xiàn)了水資源緊缺現(xiàn)象,但西北地區(qū)的缺水不是資源型缺水,而是工程型和管理型缺水。西北地區(qū)未來用水矛盾不會更加激化,而應(yīng)該能夠通過最合理的方式得以解決。明確了這一點,有利于把握今后西北地區(qū)水資源開發(fā)利用的重點和方向。解決西北地區(qū)水資源供需矛盾的根本出路應(yīng)立足于本區(qū)域水資源的合理開發(fā)利用上,而不是一味強調(diào)“南水北調(diào)”等耗時長,工程量大的大型區(qū)域性調(diào)水工程。西北地區(qū)應(yīng)該將重點放在大力發(fā)展節(jié)水技術(shù),調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和加強水資源管理上,尤其要通過建立高效節(jié)水農(nóng)業(yè)體系,控制灌溉面積增長,控制高耗水量工農(nóng)業(yè)項目來抑制用水量的高速增長,以解決社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護的矛盾,這才是長遠的可持續(xù)發(fā)展道路。需要指出的是,本文是從