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地理科学 >

2012 , Vol. 32 >Issue 3: 342 - 347

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2012.03.342

粮食增产背景下松花江区水资源承载力分析

  • 张士锋 , 1 ,
  • 孟秀敬 1, 2
展开
  • 1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室, 北京 100101
  • 2.中国科学院研究生院, 北京 100049

作者简介:张士锋（1965-）,男,湖北省江陵县人,副研究员,研究方向为水文水资源。E-mail:

收稿日期: 2011-05-30

  要求修回日期: 2011-07-11

  网络出版日期: 2012-03-25

基金资助

中国科学院知识创新工程重要方向项目（KZCX2-YW-Q06-1-2）资助

收起

Water Resources Carrying Capacity of the Songhua River Under the Background of Grain Production Increases

  • ZHANG Shi-feng , 1 ,
  • MENG Xiu-jing 1, 2
Expand
  • 1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101,China
  • 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049,China

Received date: 2011-05-30

  Request revised date: 2011-07-11

  Online published: 2012-03-25

Copyright

本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
Fold

摘要

松花江区是中国粮食增产计划的重点地区,这势必对该区的水资源开发利用提出挑战。建立研究区水资源承载力的综合评价模型,选取社会经济指标、用水指标、水土资源对人口的承载指标、水资源供需指标和水环境等5类共10项指标组成评价指标体系,采用聚类分析、层次分析和模糊矩阵的方法进行计算。以2007年作为现状年,1999年为参照年份,得到各年份水资源承载力整体均处于安全状态的结论;结合研究区具体情况对水资源承载力的影响因素进行分析,预测粮食增产条件下研究区水资源承载力的变化趋势。

关键词： 松花江区; 粮食增产; 水资源承载力

本文引用格式

张士锋 , 孟秀敬 . 粮食增产背景下松花江区水资源承载力分析[J]. 地理科学, 2012 , 32(3) : 342 -347 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2012.03.342

Abstract

The Songhua River area was listed as one of the key areas of “China’s Plan for Expansion of Grain Production Capacity”. The grain production will increase 30% in 10 years according to this plan, this means that grain production will reach 6.5x1010kg in 2020. However, this plan will undoubtedly present a challenge to the local water resources development. In order to evaluate the impact of water development in this area, ten indexes, which were selected base on the analysis of relevant indicators including Socio-economic indicator, water use index, bearing capacity index of water and land resources to population, water supply and demand index and water quality indicators, were used to set up the comprehensive evaluation model of Water Resources Bearing Capacity (WRBC) using Cluster Analysis, Analytic Hierarchy Process (AHP) and Fuzzy Matrix. Firstly the AHP analyses of the indicators provide the weight of each indicator. Five clusters are thus classified to these 10 indicators as follows: water demand and supply 0.229 2, water and land capacity 0.225 7, water quality 0.199 3, water use 0.185 8, and social economic index 0.159 9. Secondly modeling analysis is undertaken to the water resource capacity status in different years. The year 1999 was set as reference year while 2007 was set as present situation. The result demonstrated that the water resources bearing capacity in every year was in the safe condition. Furthermore the influencing factors of the WRBC were analyzed in combination with the specific situation of the research area. Thirdly, the variation trends of WRBC under the condition of increasing grain production were also predicted. In the condition of water use index is 0.6 or less and the better water quality control, the WRBC in the year of 2020 will be safe in the rainfall frequency of 50% as well as in 75%. Further analysis shows that another important indicator-social economic indicator-will contribute greatly on the future water safe to the grain expansion plan. This research proves that it is reasonable to implement the plan for the expansion of grain production capacity in the Songhua River area. Also based on this result, we can draw resolutions that there are still grain increment potential in Songhua River area in the view of water capacity itself.

Key words： Songhua River; grain production increases; Water Resources Carrying Capacity

东北松花江流域片是中国水土资源配置相对较为合理、资源冲突较少的地区,农业发展也具有一定潜力[1,2]。按照国家计划,到2020年,中国粮食计划增产500×108kg,其中东北吉林、黑龙江两省的粮食增产份额将承担国家粮食增产计划的1/3以上[3],粮食增产势必增加水资源的开发利用。在水资源学的研究领域,学术界对水资源承载力问题开展了大量研究,尤其是区域水资源承载力阈值分析[4]和水资源承载状况评价,至今仍是十分重要的研究领域。因此,粮食增产背景下松花江区水资源承载力状况如何,水资源的进一步开发是否会导致该地区的承载力下降,水资源开发的潜力如何,这些问题不仅关系到当地的水资源安全,也具有十分重要的研究意义。

1 资料与方法

1.1 研究区概况及数据来源

本文研究的松花江区位于中国东北地区北部,是中国水资源分区的10个大区之一,研究区面积93.48×104km2,多年平均降水量为505 mm。全区按照水资源分区包括嫩江、第二松花江、松花江、额尔古纳河、黑龙江干流、乌苏里江、绥芬河和图们江等8个二级区,横跨黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古4省区,2007年总人口为6 432万人。
本研究选取2007和1999年为研究的水平年份和对比年份。1999和2007年松花江区降水量分别为422和386 mm,按照频率分析,分别为该流域片70%~80%保证率下的降水量,可以作为偏枯年份条件下水资源承载力分析的典型年份。研究资料取自1999和2007年中国水资源公报以及由水利部松辽委编制的松花江区水资源综合规划。

1.2 研究方法

1） 水资源承载力评价指标体系。水资源承载力研究主要有以下2个方面,一是构建描述区域水资源承载力状况的指标体系,按照一定方法评价出一个区域的水资源承载状况是否合理;第二是构建包括人口、经济发展规模和生态环境等主要要素在内的水资源承载力多目标函数,以区域水量、各产业需水定额、排污水平等约束条件,计算区域最大发展潜力[5,6]。文章采用第一种研究方法,首先构造研究区水资源承载力评价指标体系,包括5个类别10个指标[7],具体如下：
社会经济指标1个：① 人均GDP（万元）：经济发展水平。
用水指标5个：② 人均用水量(m3/人);③ 万元工业增加值用水量（m3/万元）：经济用水水平;
④ 单位耕地用水量（m3/0.667hm2）：农业用水水平;⑤ 城市生活用水定额;⑥ 农村生活用水定额;
水土资源对人口的承载指标2个：⑦ 单位水量人口承载模数（人/104m3）：水资源本底指标,人均水资源量的倒数;⑧ 人口密度(人/km2)：反映人口承载指标,社会承载指标;
水资源供需指标一个：⑨ 水资源开发利用率(%)：水资源供需指标,一定程度上表征了水资源利用潜力,但是没有考虑客水资源;
水环境指标一个：⑩ 河道水质（%）：水质指标。
2） 水资源承载力综合评价模型。对于一个地区的水资源承载力状况,根据不同的指标体系,按照其对水资源系统的安全程度进行划分。这一划分通过模糊集合U来表示,模糊集合的评语从低到高一般包括不安全、较不安全、较安全和安全,而综合评判结果评语集U可以通过构建指标体系的指标权重集（W）与各指标对评语的隶属度集（R）的模糊积来表示：
U=[不安全,较不安全,较安全,安全]
U = u 1 , u 2 , u 3 , u 4 = W ∙ R = w 1 , w 2 , ... , w n ∙ r 11 r 12 ⋯ r 1 m r 21 r 22 ⋯ r 2 m ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ r n 1 r n 2 ⋯ r nm
式中,wi是各指标权重,rij是隶属度,采用各个指标与各相邻类中心的距离进行线性插值得到[8]。

2 水资源承载力综合评价指标体系的建立

2.1 层次分析计算各指标权重

根据建立的评价模型,首先需要计算各项指标的权重值。采用层次分析（AHP法）方法[9]得到10个指标的权重值见表1。
Table 1 Weights of indexes obtained by the method of AHP

表1 层次分析得到各指标权重

指标 权重 指 标 权重
人均GDP 0.1599 农村生活用水定额 0.0298
工业用水定额 0.035 人口密度 0.081
灌溉定额 0.0427 单位水量人口承载模数 0.1447
人均用水量 0.0491 水资源开发率 0.2292
城市生活用水定额 0.0292 水质 0.1993
结果显示,权重最大的是水资源供需指标为0.229 2,其次是水土资源对人口承载指标0.225 7,第3是水环境指标0.199 3,排在第4位的是用水指标0.185 8,最后是社会经济指标0.159 9。

2.2 聚类分析获得类中心

为较直观显示各类指标的优劣,可利用聚类分析方法进行研究。快速样本聚类（Quick Cluster）就是常用方法之一。首先把全国31个省市自治区用水指标进行聚类分析,得到不安全、较不安全、较安全和安全4个类别。
以现状年为基础（2007）,全国31个省市自治区及平均值32个样本,用快速聚类法,按4个类中心进行聚类分析,得到各个指标类中心值（表2）。
Table 2 Clustering core of each index

表2 各指标类中心

聚类中心
不安全 较不安全 较安全 安全
人均GDP 1.43 2.49 3.77 6.23
工业用水定额 408 270 160 56
平均灌溉用水/hm2 16380 11700 7125 3705
人均用水量 2498 1234 581 281
城市生活用水定额 338 246 199 136
农村生活用水定额 200 118 79 48
人口密度 2175 701 354 115
单位水量人口承载模数 64 51.3 26.5 4.8
本项研究设计的10个指标中,以上聚类方法可以给出其中8个指标的类中心,另外两个参数类中心的获得方法是：水资源开发利用率的4个类中心分别为80%,60%,40%和20%,这样较为符合中国水资源开发的现状水平[4]。水质的4个类中心分别以各种河道水质的比例来代表,本项目研究由于较多考虑农业用水,因此可以把劣5类作为不安全,4类和5类合并为较不安全类,3类为较安全类,1类和2类合并为安全类,由此可以得到水质参数指标的4个类中心。

3 水资源承载力计算结果与分析

采用上述方法对1999及2007年数据进行计算,并对2020年水资源利用情况进行预测,得到相应的计算结果。

3.1 1999与2007年指标对比分析

以松花江片2007年为现状年份,1999年为对照参考年份,进行指标对比分析计算。计算资料来源于中国水资源公报（1999,2007）[10,11]。
Table 3 Comparative analysis of indexes of 2007 and 1999 of Songhua River Region

表3 松花江区2007与1999年指标比较

松花江片指标 2007年 1999年 比较
人均GDP 1.87 0.75 +149%
工业用水定额 147 369 -60%
农田灌溉公顷平均用水 6915 8100 -15%
人均用水量 623 620 +5%
城市生活用水定额 157 155 +1%
农村生活用水定额 52 90 -42%
人口密度 69 62 +11%
单位水量人口承载模数 4.96 4.51 +10%
水资源开发利用率 0.309 0.316 -2%
2007与1999年相比,人均GDP有较大上升;人均用水量、人口密度、单位水量人口承载模数等3个指标也有一定程度的增加;工业用水定额、农田灌溉亩均用水、农村生活用水定额等3个指标有明显下降,其余指标变化不大。

3.2 1999与2007年水资源承载力结果比较分析

利用1式进行计算,其中Rij是隶属度,采用各个指标与各相邻类中心的距离进行线性插值得到。W是各个指标的权重值,根据表1取值如下：
W = ( 0.1599,0.035,0.0427,0.0491,0.0292,0.0298 , 0.081,0.1447,0.2292,0.1993 )
根据以上数据计算2007年结果：
U 2007 = W ∙ R = W ∙ 0.586 0.414 0 0 0 0 0.875 0.125 0 0 0.939 0.061 0 0.064 0.936 0 0 0 0.333 0.667 0 0 0.129 0.871 0 0 0 1 0 0 0.007 0.993 0 0 0.545 0.455 0.193 0.337 0.324 0.146 = 0.132 0.137 0.321 0.410
1999年计算结果：
U 1999 = W ∙ R = W ∙ 1 0 0 0 0.715 0.285 0 0 0 0.213 0.787 0 0 0.060 0.940 0 0 0 0.302 0.698 0 0.282 0.718 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0.580 0.420 0.087 0.506 0.293 0.114 = 0.202 0.131 0.301 0.365
以上计算结果显示,1999年不安全和较不安全系数分别为0.202和0.131,到2007年分别变为0.132和0.137,安全与较安全系数之和分别为0.666、0.731,表明水资源情况总体安全,且安全系数呈上升趋势,也就是说系统由于社会经济指标的提高、用水量定额的下降等,水资源承载力状况有所改善,水资源系统变得更加安全。对比分析表3和表2,发现也存在单个指标不安全的情况,人均GDP、水质状况和工业用水定额在研究年份对水资源承载力的影响突出。

3.3 不同水平年下2020年承载力评价

按照水利部松辽委编制的《松花江区水资源综合规划报告》的有关成果,可以获得松花江区2020年的人均GDP、工业用水定额、农田亩均灌溉用水定额、人均用水量、城市生活用水定额、农村生活用水定额等指标并同时计算出人口密度、水量人口模数,由此可以预测出水资源开发利用率①(① 松辽水利委员会.松花江区水资源综合规划报告[R].长春:松辽水利委员会,2008.)。至于水环境指数则假定可以完全将劣5类水质水体改善为4~5类水质水体,因此得到2020年50%来水频率和75%来水频率下的10个指标见下表。
Table 4 The indexes of 2020 at different runoff frequencies

表4 2020年不同来水频率下的指标值

松花江片
2020-50%		 松花江片
2020-75%
人均GDP 4.4 4.4
工业用水定额 72 72
农田灌溉公顷平均用水 6240 6240
人均用水量 812 888
城市生活 148 148
农村生活 79 79
人口密度 72 72
水量人口模数 5.21 5.21
水资源开发利用率 0.423 0.463
按照同样的研究方法可以得到50%来水频率和75%来水频率下的水资源承载力评价结果。
U 2020 - 50 % = W ∙ R = W ∙ 0 0 0.744 0.256 0 0 0.154 0.846 0 0 0.741 0.259 0 0.354 0.646 0 0 0 0.190 0.810 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0.019 0.981 0 0.115 0.885 0 0 0.53 0.324 0.146 = 0 0.149 0.493 0.357
同理计算2020年75%来水频率下的水资源评价结果为 0 0.201 0.442 0.357 。在2020年50%和75%来水水平下,研究区水资源承载力计算结果略有差异,安全系数都在0.8左右,表明水资源承载力总体处于安全状态。与1999和2007年相比,2020年的单个指标也呈现向好趋势：人均GDP有了很大提高,处于较安全和安全之间,工业和农田灌溉用水定额下降。人均用水量和农村、城市生活用水量增加,这主要是经济技术发展和人民生活水平提高的影响[12]。人口密度和水资源开发利用率也呈现缓慢上升趋势,与当地人口增长和经济发展对水资源的需求增加关系密切。

4 松花江区水资源承载力影响因素与潜力分析

4.1 研究区水资源承载力影响因素及指标变化

水资源承载力的影响因素很多,影响程度较大的主要包括研究区水资源条件及其开发利用程度,研究区的生产力水平、社会消费水平与结构、以及科学技术及其他资源利用潜力等[13,14]。
对比表3和表2,1999年人均GDP水平处于不安全状态,2007年也处于较不安全与不安全之间。人均GDP反映了研究区的经济发展水平,在层次分析中的权重（0.155 9）也较高。经济发达,技术水平必然有所提高,市场经济和法律体系也会比较健全,人们对生活质量的要求也会有所增加,有条件提高用水效率和污水处理率。随着经济水平的发展,到2020年规划人均GDP值为4.4万元,对计算结果影响在较安全范围内。
随着研究区发展规划以及社会经济的发展,对水资源的科学管理、统筹规划和合理调配,用水指标中的工业用水定额、亩均用水、城市生活用水以及农村生活用水量呈现下降趋势,人口密度、单位水量人口承载模数以及水资源开发利用率呈较缓慢的增加趋势。表1显示其各自权重值较低,对区域水资源承载力预测影响不显著。
人均用水量在层次分析中的指标权重为0.049 1,权重值较少,研究年份人均用水量水平在较安全和较不安全之间,但其值有增大的趋势,对区域水资源承载力产生较不安全影响,故在承载力计算中应给予考虑。
水资源开发利用率与河道水质在层次分析中的权重分别为0.229 2和0.199 3,占有权重值较高。随着经济社会发展对水资源需求的增大,越来越多的水资源被开发利用,水资源开发利用率必然有所增加。随着社会经济和技术水平的发展、用水效率和污水处理率的提高,从1999年到2007年,以及规划中的2020年,河道水质呈现向好趋势。
通过以上分析,在区域水资源承载力的潜力分析中,主要考虑人均用水量、水质和水资源开发利用率的影响。

4.2 松花江区水资源承载力潜力分析

通过对1999、2007和2020年的指标对比可以发现,随着研究区社会经济和技术水平的发展,以及政府在相关方面的规划,单个指标的安全状态越来越高,不存在处于不安全状态下的情况。故在未来潜力趋势分析中,我们假定制定以下评价标准：当单个指标未处于不安全范围内时,综合计算指标以0.5为界,具体判定标准见表5。
Table 5 The criterion of comprehensive evaluation index

表5 综合指标评价标准

综合预测结果 单个指标所处状态
不安全 较不安全 较安全 安全
安全 <0.5 >0.5
不安全 >0.5 <0.5
预测过程中主要考虑人均用水量、水质和水资源开发利用率的影响。按照预测指标标准,在2020年数据基础上,如果假定人均GDP、工业用水定额、灌溉定额、城市生活用水定额、农村生活用水定额、人口密度和水人口密度都在安全范围内;人均用水量从目前的623 m3/人增加到1 234 m3/人,为较不安全的最大取值;而水资源开发利用率从目前的30.9%增加到最大限度,即开发利用率为60%;由于多考虑农业用水,我们假定在经济和技术支持条件下,预测年份水质最低为5类,不存在劣5类水。采用本评价模型中的标准,根据以上数据进行预测,综合指标计算结果为：不安全系数0.477 6,安全系数为0.522 3。由此可见,松花江区的水资源开发还有较大潜力,但那时水资源综合判别指标将接近于不安全状态。

5 结论与讨论

本文通过对松花江区水资源承载力状况研究,得出以下结论：
1) 文章选用5类10个指标组成水资源评价指标体系,采用聚类、层次分析和模糊矩阵方法建立了研究区水资源承载力评价模型。以1999年为参照年,2007年为现状年,不同来水频率下的2020年为预测年计算了各年水资源承载力状况,安全系数的计算结果分别为：0.666 4、0.731 2、0.850 5（50%来水频率）、0.799 0（75%来水频率）,大大超过0.5这个中间值,表明各年份水资源承载力整体均处于安全状态。而且所建立的水资源承载评价模型的单个指标与综合指标的判断结果一致,所使用的研究方法能够较好的计算与估计该区水资源承载力状况。
2) 相对于1999年,2007和2020年水资源承载力的安全系数增大。对比各单项指标发现,人均GDP和各项用水指标呈现向好趋势。其中起决定作用的是经济指标人均GDP,其在层次分析中的权重值也较高。人均GDP的增加是社会经济发展的表现,随着经济发展就有更多资金用于水资源的科学管理、统筹规划和合理调配,使水资源利用率提高,水质有所改善,从而增强研究区水资源的承载力[15]。粮食增产促进经济发展,人均GDP的增加对水资源承载力起到改善作用,两者是相互影响的。
3) 通过对水资源承载力影响因素的分析,以及在2020年数据基础上进行的进一步预测显示,松花江区水资源承载力存在一定潜力。在经济和技术发展条件下,为满足粮食增产需要,当人均用水量最大为1 234 m3/人,水质最低为5类,以及水资源开发利用率从目前的30.9%增加到最大限度60%时,研究区水资源承载力逼近极限安全值0.5。故应加强对该区水资源承载力起决定作用的人均用水量、水资源开发利用率和水质方面的研究与科学规划[16]。
为满足粮食增产背景下松花江区水资源的可持续发展,在水资源供需动态平衡中,要充分发挥节约的作用,并改进水资源利用方式,提高利用效率[17],寻求开发与保护、开源与节流、供水与治污间的协调[18],从而使水质和水资源开发利用率都保持在较安全范围内,为该区水资源的可持续利用提供可能,为经济发展提供良好的资源环境。

The authors have declared that no competing interests exist.

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