李恒超，鄧英爾，2，史振環(huán)，宋 剛，鐘貴莉

(1.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610000；2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

自我國20世紀(jì)70年代末期大規(guī)模經(jīng)濟(jì)建設(shè)以后，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，一并帶來了水資源緊缺、污水排放不達(dá)標(biāo)生態(tài)系統(tǒng)破壞等社會(huì)性問題，迫使人們不得不認(rèn)真考慮水資源的承載能力問題。水資源承載力是在此之上引申出來的一個(gè)概念，強(qiáng)調(diào)水資源的最大開發(fā)規(guī)?；蛘咚Y源對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的支撐能力[1]。隨后，我國學(xué)者對(duì)此展開了一系列的研究，到21世紀(jì)初已經(jīng)形成了以模糊綜合評(píng)價(jià)法，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法，多目標(biāo)模型分析法為代表相對(duì)完善的應(yīng)用體系。其中模糊綜合評(píng)價(jià)法是應(yīng)用最多的一種之一。該方法是基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)標(biāo)方法。該綜合評(píng)價(jià)法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)。它具有結(jié)果清晰，系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好地解決模糊的、難以量化的問題[2]。

貢力等[3]應(yīng)用模糊綜合評(píng)判方法對(duì)蘭州市水資源承載力進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，研究了蘭州市未來政策施后水資源承載力的動(dòng)態(tài)變化過程。張忠學(xué)[2]等運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)綏化市北林區(qū)1996年到2012年的農(nóng)業(yè)水資源進(jìn)行承載力研究；高俊[4]從主體支撐力、調(diào)控力、客體壓力3個(gè)角度選擇15項(xiàng)典型指標(biāo)構(gòu)建水資源承載力評(píng)價(jià)體系，科學(xué)評(píng)價(jià)了呼和浩特市2015-2019年的水資源承載狀況。吳凡等[5]為定量評(píng)價(jià)新疆各地州水資源承載力狀況，在構(gòu)建了模糊集對(duì)評(píng)價(jià)模型基礎(chǔ)之上，結(jié)合五元減法集對(duì)勢(shì)對(duì)新疆15個(gè)地州水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)并診斷其發(fā)展態(tài)勢(shì)。馮書倉等[6]側(cè)重于持續(xù)發(fā)展質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，選用水資源條件、供水需水系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和生態(tài)環(huán)境狀況四個(gè)一級(jí)指標(biāo)和22個(gè)二級(jí)指標(biāo)，建立了基于模糊評(píng)價(jià)法的水資源可持續(xù)發(fā)展質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。國外學(xué)者直接以水資源承載力為主題的專項(xiàng)研究幾乎沒有，而是在探討水資源與生態(tài)承載力及人口承載力的歷程中提出了一些相似內(nèi)涵的概念，如礦區(qū)承載力(MAWRCC)[7]，水資源緊缺指數(shù)(water stress index)[8]等。

本次研究區(qū)位于河北省張家口市壩上地區(qū)，目前相關(guān)該地區(qū)的研究大多停留在大范圍上，對(duì)于該地區(qū)的精細(xì)化研究尚顯缺乏，本文將根據(jù)相關(guān)資料，根據(jù)模糊判別法建立水資源承載力評(píng)價(jià)體系，對(duì)該地區(qū)的水資源現(xiàn)狀及開發(fā)利用情況、當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件下的水資源人口承載力進(jìn)行探討，并對(duì)未來的水資源承載狀況做出預(yù)測(cè)，旨在對(duì)該地區(qū)未來水資源合理利用和布置及產(chǎn)業(yè)調(diào)整提供一定的理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

本區(qū)地處河北西北部，北京市西北方向，位于內(nèi)蒙古高原的“南緣”，俗稱“壩上”。地理坐標(biāo)東經(jīng)113°50′～116°04′，北緯40°44′～41°32′，占張家口市總面積的37.4%。包括張北縣、康?？h、沽源縣和尚義縣北部壩上部分及察北、塞北兩個(gè)管理區(qū)，總面積12 863 km2?？傆^其貌，北部及東南部為低山丘陵，最高峰冰山梁位于沽源縣東南部，海拔標(biāo)高2 211 m。壩上地區(qū)氣候明顯受內(nèi)蒙古高壓中心影響，夏季涼爽短促，雨量集中，冬季寒冷漫長、干燥；春秋兩季多風(fēng)、稍降雨，氣溫變化劇烈。氣候總體特征是干旱、少降水、多風(fēng)沙，屬于典型的寒溫帶半干旱大陸季風(fēng)氣候。

2 壩上地區(qū)水資源現(xiàn)狀分析

2.1 降雨量、地表水、地下水

壩上地區(qū)以內(nèi)陸河水系為主，無境外水量補(bǔ)給，水資源的形成主要靠流域內(nèi)有限的大氣降水補(bǔ)給，形成途徑單一。據(jù)多年降雨量變化分析，各縣的降水量趨勢(shì)性變化不明顯。八十年代尚義縣、沽源縣降水量明顯偏枯，其他縣與多年平均值接近；九十年代至本世紀(jì)，降水量接近平均值，但近幾年豐枯交替更加頻繁。綜合來看，該地區(qū)多年平均降水量380 mm，降水量年際變化大，且由東南向西北逐漸減少；多年平均蒸發(fā)量1 655 mm，是多年平均降水量的5倍。區(qū)內(nèi)河流較為發(fā)育，沽源縣內(nèi)灤河、潮白河、內(nèi)陸河三大水系貫穿四方，張北縣內(nèi)共有25條河流，總長度793 km，尚義縣為內(nèi)陸河流域，主要有大青溝和、二龍河，流域面積247 km2，唯康?？h境內(nèi)僅分布十幾條季節(jié)性小河流。1994年，地表水供水量1 615萬 m3，地下水供水量4 760萬 m3，今年內(nèi)由于壩上地區(qū)降水徑流減少，地表供水工程老化失修，供水保證率低，對(duì)地下水的開采量逐年上升，其在整個(gè)區(qū)域內(nèi)水資源利用量的比例也不斷提高。

2.2 水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

2000年以來，由于壩上地區(qū)大力發(fā)展農(nóng)業(yè)，以發(fā)展錯(cuò)季蔬菜為支柱產(chǎn)業(yè)的水澆地面積迅速擴(kuò)大，地下水開采量逐年加大，機(jī)井?dāng)?shù)量猛增，地下水位連年下降，深層水的開采利用率也逐年提高。全區(qū)現(xiàn)存數(shù)十座中小型水庫，機(jī)井?dāng)?shù)量已接近6萬眼。

該區(qū)地下水資源采補(bǔ)失調(diào)，在水資源利用效率上仍有較大提升空間，主要原因是農(nóng)業(yè)需求的擴(kuò)大，機(jī)井群遍布全區(qū)，在大片蔬菜種植區(qū)更是出現(xiàn)扎堆打井的現(xiàn)象，機(jī)井布局沒有合理規(guī)劃，再加上大部分節(jié)水工程年久失修或超過設(shè)計(jì)使用年限失去使用功能，灌溉效率低，水資源浪費(fèi)較為嚴(yán)重。另一方面由于多數(shù)農(nóng)供機(jī)沒有采取止水措施，造成多個(gè)含水層的水力連通，致使深、淺層水混用和混采，水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境問題逐步凸顯。

3 水資源承載力分析

3.1 評(píng)判方法

設(shè)評(píng)判指標(biāo)集合為U={u1,u2,u3…,um},評(píng)語集合為V={v1,v2,v3…,vn},u、v代表的是具體的變量意義，其中U代表的是綜合評(píng)判因素的集合，評(píng)判因素的選取因人而異，大多是根據(jù)研究區(qū)水資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)特定選定；V代表的是評(píng)語組成的集合。首先對(duì)評(píng)判指標(biāo)集合中的某一項(xiàng)指標(biāo)ui進(jìn)行單因素評(píng)判，確定其所對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)vj的隸屬度rij，這樣就得到第i個(gè)因素的單因素評(píng)判集合ri={ri1,ri2,ri3}，m個(gè)評(píng)判指標(biāo)的評(píng)價(jià)集構(gòu)造出評(píng)價(jià)矩陣R。

(1)

(2)

式中a為綜合評(píng)判結(jié)果矩陣B的水資源承載力的綜合評(píng)分值，a值越高，代表該區(qū)域水資源承載力越大。為了突出占優(yōu)勢(shì)等級(jí)的作用，進(jìn)行區(qū)域水資源承載力的綜合評(píng)價(jià)與分析K值，本次研究區(qū)為干旱區(qū)，結(jié)合前人研究[11]，K取1。

3.2 評(píng)價(jià)因素的確定

與水資源承載力相關(guān)聯(lián)的評(píng)價(jià)指標(biāo)很多，為了研究的準(zhǔn)確性和針對(duì)性，在查閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上[2，12]，結(jié)合研究區(qū)自身特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，此次研究選取水資源開發(fā)率(u1)：75%頻率可供水總量與水資源總量之比，反映水資源現(xiàn)階段開發(fā)程度；水資源利用率(u2)：75%頻率可供水總量與可利用水資源總量之比；農(nóng)業(yè)水資源利用率(u3)：農(nóng)業(yè)水資源用量與可利用水資源用量之比，反映水資源對(duì)農(nóng)業(yè)的支持程度；人均水量(u4)：75%頻率可供水總量與當(dāng)?shù)乜側(cè)丝谥?；生活需水定額(u5)；耕地灌溉率(u6)6個(gè)因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。各評(píng)價(jià)指標(biāo)及其分級(jí)見表1。

此次將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為3級(jí)。其中V1級(jí)表示水資源承載力接近飽和值，進(jìn)一步開發(fā)發(fā)展?jié)摿π。瑧?yīng)及時(shí)調(diào)整農(nóng)牧業(yè)用水，提高水資源利用率，減少不必要浪費(fèi)。V3級(jí)表示水資源承載力良好，后續(xù)開發(fā)潛力大，可以適當(dāng)加大灌溉規(guī)模，增加農(nóng)業(yè)投入。V2級(jí)處于兩者之間，表示水資源開發(fā)已達(dá)到一定規(guī)模，但仍舊擁有一定的開發(fā)潛力，可酌情適當(dāng)開發(fā)。為了更定量反映研究區(qū)水資源承載力情況，對(duì)上述3個(gè)評(píng)語等級(jí)進(jìn)行1分制評(píng)分，即a1=0.05,a2=0.5，a3=0.95，這樣就將定性S描述水資源承載力的評(píng)判因素轉(zhuǎn)換成可以定量評(píng)價(jià)該地區(qū)的水資源情況的數(shù)值，數(shù)值越大表示水 資源承載力越強(qiáng)，后續(xù)可開發(fā)利用性更強(qiáng)。

表1 各評(píng)價(jià)指標(biāo)及其分級(jí)

3.3 評(píng)判矩陣的計(jì)算

根據(jù)上述6個(gè)評(píng)價(jià)因素的實(shí)際值，對(duì)照其分級(jí)指標(biāo)來推求評(píng)判矩陣的隸屬函數(shù)Uvi(ui)的值。操作過程中采用模糊化處理并構(gòu)建隸屬函數(shù)，使其值在各級(jí)間平滑過渡。對(duì)于評(píng)價(jià)因素 u1、u2、u3、u5、u6，各評(píng)語級(jí)隸屬函數(shù)計(jì)算公式如下：

對(duì)于評(píng)價(jià)因素u4，其評(píng)語及隸屬度計(jì)算公式如為：

上式中：評(píng)價(jià)等級(jí)V1與V2的臨界值為k1；評(píng)價(jià)等級(jí)V2與V3的臨界值為k3；評(píng)價(jià)等級(jí)V2的中點(diǎn)值為k2，即k2=(k1+k3)/2。

4 壩上地區(qū)水資源承載力綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)張家口市壩上地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件和水資源利用狀態(tài)，分別統(tǒng)計(jì)了壩上地區(qū)1993年、2003年、2013年6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。2023年為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，是根據(jù)該地區(qū)用水現(xiàn)狀并結(jié)合有關(guān)規(guī)劃資料，按供需量進(jìn)行預(yù)測(cè)得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算而成。由此計(jì)算得到6個(gè)評(píng)價(jià)因素的數(shù)值，具體見表2。按照上述隸屬度計(jì)算公式，計(jì)算出評(píng)價(jià)因素對(duì)應(yīng)不同評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度rij，從而構(gòu)造出整個(gè)評(píng)價(jià)矩陣。

在得到評(píng)價(jià)矩陣B和權(quán)重矩陣A的基礎(chǔ)上，按照公式B=AR計(jì)算得出張家口市水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣B，各年各指標(biāo)隸屬度矩陣R結(jié)果如下：

表2 壩上地區(qū)評(píng)價(jià)因素指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

綜上，1993年壩上地區(qū)水資源承載力最終評(píng)價(jià)矩陣B計(jì)算過程如下：

表3 張家口市壩上地區(qū)多年水資源承載力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

從表3可以看出，1993-2023年這40 a間張家口市壩上地區(qū)水資源承載力綜合評(píng)分值對(duì)V1的隸屬度顯著高于V3和V2的隸屬度，且對(duì)V1的隸屬度逐年上升，而對(duì)V2及V3的隸屬度則不斷下降，說明該地區(qū)水資源開發(fā)利用率已接近極限，繼續(xù)開發(fā)潛力較小。在不同年份的綜合評(píng)分中，承載力評(píng)分分值均小于0.5，評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)V1的隸屬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于V3的隸屬度，預(yù)測(cè)年份2013年對(duì)V1的隸屬度竟高達(dá)0.581，說明在不斷地社會(huì)發(fā)展中，該地區(qū)水資源承載已接近飽和，后期應(yīng)注重調(diào)整農(nóng)牧業(yè)結(jié)構(gòu)，提高水資源利用率。

對(duì)隸屬度矩陣R的計(jì)算結(jié)果分析可以得出，壩上地區(qū)在1993-2023年這40 a間，水資源利用率u2、人均水量u4、生活需水定額u5對(duì)V1的隸屬度都在逐年增加，而對(duì)V2的隸屬度大體上都有逐年下降的趨勢(shì)，說明隨著社會(huì)、生活的不斷向前進(jìn)步，人們對(duì)水資源的需求量也翌日劇增 ，這一切都迫使水資源的開發(fā)進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展期，大量的水資源被開發(fā)，被利用；水資源開發(fā)率u1、農(nóng)業(yè)水資源利用率u3、耕地灌溉率u6對(duì)V3的隸屬度高于對(duì)V1和V2的隸屬度，且大體上對(duì)V3的隸屬度有不斷下降的走勢(shì)，這說明隨著農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展，尤其是農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，灌溉面積的加大對(duì)水資源的需求量不斷增加，該地區(qū)的水資源開發(fā)利用率正逐步迫近極限，這同樣側(cè)面佐證了上述推論。

5 結(jié)語

(1)通過以上計(jì)算，河北省張家口市壩上地區(qū)，1993-2013年這30 a間水資源承載力綜合得分?jǐn)?shù)值一直處于不斷下降的趨勢(shì)，從1993年的0.437下降到2013年的0.226，且對(duì)V1的隸屬度遠(yuǎn)大于對(duì)V2和V3的隸屬度，都說明隨著該地區(qū)大力發(fā)展農(nóng)牧業(yè)，對(duì)水資源的需求量不斷增大，導(dǎo)致地下水超采，水資源承載已接近飽和，后續(xù)開發(fā)潛力較小。

(2)通過2023年預(yù)估數(shù)據(jù)對(duì)壩上地區(qū)進(jìn)行水資源承載力評(píng)價(jià)，綜合評(píng)分?jǐn)?shù)值為0.188，對(duì)V1和V2的隸屬度大致相似，表明若照目前這個(gè)用水趨勢(shì)，后期有極大可能遭遇水資源供給不足，水資源無法承載當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的情形。

(3)應(yīng)采取適當(dāng)措施緩解水資源壓力，從而提高水資源承載力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。筆者認(rèn)為應(yīng)從用水方式，取水手段兩方面來考慮：

壩上地區(qū)以農(nóng)業(yè)為支柱產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)用水量在全年地下水開采量中的占比高達(dá)80%以上，故應(yīng)創(chuàng)新農(nóng)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)，推廣耐旱節(jié)水品種，提倡高效節(jié)水種植和澆灌方式，提高水資源利用率。

大力推進(jìn)河北省南水北調(diào)工程、引黃工程建設(shè)及其配套水廠及輸送網(wǎng)管工程建設(shè)，引入長江、黃河水進(jìn)行灌溉，從而大幅度緩解本地水資源壓力。