黄河下游引黄灌区水资源短缺风险下承载力分析-2009.9

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 25 卷 　第 5 期 2009 年 9 月 地 理 与 地 理 信 息 科 学 Geography and Geo - Information Science Vol. 25 　No. 5 September 2009 　　收稿日期 :2009 - 03 - 03 ; 　修订日期 :2009 - 06 - 28 　　作者简介 :周长春 (1974 - ) ,男 ,博士研究生 ,讲师 ,主要从事农业用水管理研究。E - mail :zhouchchun @126. com 黄河下游引黄灌区水资源短缺风险下承载力分析 周 长 春 ( 曲阜师范大学地理与旅游学院 ,山东 曲阜 273165) 摘要 :通过主成分分析和灰色关联分析方法得到黄河下游引黄灌区各区域水资源短缺的风险因子 ,进而应用综合 评判分析方法评价水资源承载力状况 ;绝大多数地区的综合评分值在 014 左右 ,说明各地市水资源承载力较低。 建议采取提高水价、提高灌溉水利用率、建立节水投入补偿机制或奖励机制以及调整三次产业结构等措施 ,以期科 学合理地开发利用水资源。 关键词 :黄河下游 ;引黄灌区 ;水资源 ;短缺 ;风险 ;承载力 中图分类号 :S273 ; TV213 　　文献标识码 :A 　　文章编号 :1672 - 0504 (2009) 05 - 0089 - 04 0 　引言 近年来黄河流域降水较多年平均降水量偏少 10 %～20 % ,而中上游工农业用水量迅速增加 (上游 用水 123 亿 m3 ,中游用水 60 亿 m3 ) ,致使黄河下游 来水量大幅度减少。山东利津站 20 世纪 50 - 60 年 代年径流量为 490 亿 m3 ,70 年代为 311 亿 m3 ,90 年 代为 188 亿 m3 ,目前来水量已不足 50 - 60 年代的 40 %[1 ] 。而且 ,黄河河川径流年内分布不均 ,春季作 物需水季节可引水量很少。黄河下游豫鲁两省境内 (包括河南省的郑州、开封、洛阳、安阳、鹤壁、新乡、 焦作、濮阳、商丘和山东省的济南、淄博、东营、德州、 聊城、滨州、菏泽 16 个地市) 的引黄灌区已达 104 个 ,其中 2 万 m3 以上的灌区占 70 % ,涉及 70 余个县 (市) , 灌溉面积达 190 万 hm2 , 年引水量近 100 亿 m3 [2 ] 。由于水资源的供需矛盾日趋尖锐 ,给下游 地区的工农业生产、居民生活以及河流生态环境功 能的维护带来严重影响 ,黄河下游引黄灌区面临较 大的水资源短缺风险。 冯平将风险分析方法用于干旱期的水资源管 理 ,给出了风险、可靠性、恢复性和易损性等指标 ,并 应用于引滦供水系统的主要水源 ———潘家口水库 , 证明这些风险指标可从不同方面反映干旱的真实危 害程度[3 ] ;韩宇平利用水资源投入 - 产出宏观经济 模型 ,评估水资源短缺经济损失 ,提出基于 GIS 的水 资源短缺风险综合区划指标模型[ 4 ] ;阮本清等选取 区域水资源短缺风险程度的风险率、脆弱性、可恢复 性、重现期和风险度作为评价指标 ,研究水资源短缺 风险的模糊综合评价方法[ 5 ] ;张吉献等利用灌溉率、 水资源利用率、产水系数、供水模数、用水模数和人 均供水量 6 个主要指标评价河南各地市的水资源承 载潜力[6 ] ;范英英等分析北京市水资源承载力特征 及其影响政策 ,利用系统动力学 ( SD) 定量研究不同 政策对水资源承载力的影响[7 ] 。上述研究侧重于水 资源短缺风险及其后果或水资源的承载力 ,本文将 二者有机结合 ,利用数学方法找出导致黄河下游地 区水资源短缺的主要风险因子 ,利用风险因子进行 承载力分析 ,从而为制定相关的风险防范措施和对 策提供理论依据。 1 　水资源短缺风险指标体系的建立 水资源短缺风险主要源于自然、社会经济、工程 技术和政策 4 方面因素[6 ,8 - 11 ] 。1) 自然因素中降水 量是水资源的重要来源 ,当降水量减小时 ,水资源短 缺风险相应增大 ;蒸发量越大 ,区域可用水资源量越 少 ,从而增加水资源短缺风险 ;水源涵养指标以森林 覆盖率 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示 ,该值越大 ,表明涵养水源越好 ,能有效 降低水资源短缺风险。2)社会经济因素中人均 GDP 值越高 ,表示经济实力越强 ,可以对水资源的开发和 利用进行更大的投资 ,原则上能够降低水资源短缺 风险 ;万元 GDP 用水量、人口密度和人均日生活用 水量指标越大 ,越易造成水资源短缺 ;人均公共绿地 面积增大 ,能增加降雨的入渗 ,从而降低水资源短缺 风险。3)工程技术因素中灌溉水利用系数、生活污 水处理率、工业废水处理率越高 ,水资源短缺风险越 小 ;地表水控制率、渠系水利用系数值越大 ,则水资 源利用率越高 ,水资源短缺风险越小。4) 政策因素 中工业用水重复利用率值越高 ,则水资源短缺风险 越小 ;工业产值比例越高 ,则水污染越严重 ,从而加 大水资源短缺风险 ;灌溉水价的提高可提高水的利 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 用率 ,从而降低水资源短缺风险。 通过对水资源短缺风险因素的分析 ,建立相应 的风险指标体系 ,该指标体系分为 4 个层次 ,由 16 个指标组成。降水数据为各地市 1956 - 2000 年数 据 ,蒸发数据为各地市 1951 - 2000 年数据 ,其他指 标数据为 1984 - 2008 年数据。 2 　风险敏感因子的确定 采用不同的数学方法进行计算 ,并将其结果相 互对比和验证 ,可得出较为准确的结果。因此 ,本文 采用主成分分析法和灰色关联度法进行指标筛选。 2. 1 　利用主成分分析方法确定风险敏感因子 主成分分析法可对高维变量系统进行最佳综合 与简化 ,同时客观地确定各个指标的权重 ,从而筛选 出权重大的指标 ,确定风险敏感因子。对黄河下游 引黄灌区 16 个区域的风险因子值进行主成分分析 , 得到如下结果 :水资源短缺风险中第一、二、三、四、 五、六主成分的累计贡献率高达 881675 % ,所以取 m = 6。在获得特征值和特征向量后 ,计算正交旋转后 的主因子载荷矩阵 (表 1) 。分析可知 ,资源短缺风险 中载荷较大的指标为 :人均 GDP、工业用水重复利用 率、工业产值比例、森林覆盖率、地表水控制率、人均 日生活用水量、万元 GDP 用水量、生活污水处理率、 渠系水利用系数。 表 1 　水资源短缺风险正交旋转后的主因子载荷矩阵 Table 1 　The principle component load matrix after orthogonal circumgyration of water resource scarcity risk factors 因子 主成分 1 2 3 4 5 6 x1 - 0. 528 　0. 637 　0. 125 　0. 170 - 0. 029 　0. 088 x2 - 0. 134 0. 071 - 0. 780 - 0. 540 0. 012 0. 055 x3 0. 036 0. 868 0. 144 - 0. 143 0. 202 0. 066 x4 0. 817 - 0. 001 0. 165 0. 001 - 0. 138 0. 273 x5 0. 040 - 0. 024 0. 153 0. 878 0. 080 - 0. 292 x6 - 0. 390 0. 145 - 0. 337 0. 261 0. 736 0. 007 x7 - 0. 018 0. 319 0. 843 - 0. 021 - 0. 011 - 0. 108 x8 0. 666 - 0. 434 0. 330 - 0. 244 0. 232 0. 233 x9 0. 279 - 0. 007 - 0. 033 - 0. 345 0. 229 0. 768 x10 0. 208 0. 182 0. 131 0. 003 0. 911 0. 121 x11 0. 446 0. 465 0. 165 0. 559 0. 453 - 0. 038 x12 0. 197 0. 940 0. 054 0. 011 0. 091 0. 026 x13 - 0. 007 0. 096 - 0. 104 - 0. 024 - 0. 012 0. 918 x14 0. 877 0. 149 - 0. 304 - 0. 011 - 0. 024 - 0. 135 x15 0. 903 0. 131 0. 203 0. 184 0. 106 0. 084 x16 0. 343 0. 234 0. 449 - 0. 554 - 0. 454 - 0. 166 2. 2 　利用灰色关联方法筛选风险敏感因子 首先 ,选择参考系列 ,由于人均水资源量越小 , 水资源短缺风险越大 ,所以选定人均水资源量作为 参考序列 ;其次 ,确定比较序列 ,将风险因子表中的 因子组成的序列作为比较序列 ;再次 ,在分析过程中 对数据进行均值化变换 ,即分别求出各序列的平均 值 ,用其去除对应序列中各个原始数据所得新数据 序列即为均值化序列 (其分辨系数取 011 ,参数⊿min 取 0) 。水资源短缺风险因子灰色关联分析排序如表 2 ,与水资源短缺风险相关性较大的指标有农业水 价、工业用水重复利用率、降水量、森林覆盖率、蒸发 量、人均日生活用水量、灌溉水利用系数、渠系水利 用系数、工业产值比例 (关联系数均大于 0151) 。 表 2 　水资源短缺风险因子灰色关联分析排序 Table 2 　The result of gray associate analysis on water resources scarcity risk factors 风险因子 人均水资源量关联度 风险因子 人均水资源 量关联度 农业水价 0. 65077 渠系水利用系数 0. 54122 工业用水重复利用率 0. 64849 工业产值比例 0. 51223 降水量 0. 62495 人口密度 0. 49123 森林覆盖率 0. 62406 人均公共绿地面积 0. 48941 蒸发量 0. 61770 工业废水处理率 0. 46614 人均日生活用水量 0. 60018 生活污水处理率 0. 41526 万元 GDP 用水量 0. 59461 人均 GDP 0. 36927 灌溉水利用系数 0. 5946　 地表水控制率 0. 23420 　　取上述两种分析方法所得因子的交集 ,则黄河 下游引黄灌区水资源短缺风险敏感因子为 :工业用 水重复利用率、森林覆盖率、人均日生活用水量、渠 系水利用系数和工业产值比例。上述因子均受人为 因素影响 ,而人为因素完全可以调控。因此应对风 险敏感因子进行调控 ,以期最大限度降低水资源短 缺风险。 3 　基于模糊综合评判方法的水资源短缺风险 下承载力分析 3. 1 　模糊综合评判模型[12 ] 设给定两个有限论域 u = { u1 , u2 , ⋯, um } , v = { v1 , v2 , ⋯, vm } ,其中 u 代表综合评判的因素所组成 的集合 , v 代表 评语 评语下载剧本评语下载小学第一学期期末评语免费下载小学一年级学生评语考生思想政治品德考核评语 所组成的集合 ,则模糊综合评判 为下列模糊变换 B = A 3 R , A 为 u 上的模糊子集 , 而评判结果 B 是 v 上的模糊子集 ,可表示为 : A = ( a1 , ⋯, am ) ,0 ≤ai ≤1 ; B = ( b1 , ⋯, bm ) ,0 ≤bi ≤1 其中 : ai 为 u i 对 A 的隶属度 ,它表示单因素 ui 在总 评定因素中所起作用大小的变量 ,也在一定程度上 代表根据单因素 ui 评定等级的能力 ; bi 则为等级 v i 对综合评定所得模糊子集 B 的隶属度 ,它们表示综 合评判的结果 ,评判矩阵为 : R = r11 r21 … rm1 r12 r22 … rm2 ⋯ ⋯ … ⋯ r1n r2n … rmn 式中 : rij 表示因素 u i 的评价对 v j 的隶属度 ,因而矩 阵 R 中第 i 行 R i = ( ri1 , ri2 , ⋯, rin ) 即为对第 i 个因 素 u i 的单因素评判结果。 页09第 地 理 与 地 理 信 息 科 学 　　　　 　　　　　　　　　　　第 25 卷 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 5 期 　 　　 周长春 :黄河下游引黄灌区水资源短缺风险下承载力分析 在评价计算中 , A = ( a1 , a2 , ⋯, am ) 代表各个因 素对综合评判重要性的权系数 ,满足 ∑ m i = 1 ai = 1 ;同时 模糊变换 A 3 R 也即退化为普通矩阵计算 ,即 bj = min{1 ,Σ m i = 1 ai r ij } 。 3. 2 　评判因素的分级与评分 按照 5 个风险敏感因子评价指标对流域水资源 承载力的影响程度 ,借鉴水资源的一些评价 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 [ 13 ] 和专家的建议 ,将其分为 3 个等级 (表 3) ,其中 v1 、 v2 、v3 及 a 值的确定参考文献[ 14 ]。 表 3 　综合评价指标的分级 Table 3 　Classif ication of comprehensive evaluation index 评价因素 v1 v2 v3 森林覆盖率 ( %) < 15 15～20 > 20 渠系水利用系数 ( %) < 45 45～55 > 55 工业用水重复利用率 ( %) < 65 65～70 > 70 人均日生活用水量 (L) > 160 160～120 < 120 工业产值比例 ( %) > 45 45～40 < 40 3. 3 　评判矩阵的计算方法 对于评价因素 u4 、u5 ,各评语级隶属函数的计算 式可参考文献[14 ] ;对于评价因素 u1 、u2 、u3 ,只需将 其计算式右端 ui 区间号“≥”改为“≤”、将“< ”改为 “> ”,然后采用同样的计算式即可。 3. 4 　黄河下游引黄灌区水资源承载力分析 根据所选各个评判因素的指标特征 ,按照上述 计算 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 可以分别计算河南、山东各地市每个评判 因素对各个等级的隶属度 rij 。其中 : ri1 = uv1 ( ui ) , ri2 = uv2 ( ui ) , ri3 = uv3 ( ui ) ,从而求出整个综合评价矩阵 R 的值。 灰色系统理论提出了关联度分析的概念 ,其目 的是通过一定的方法理清系统中各因素间的主要关 系 ,找出影响最大的因素。如果人均水资源量作为 母序列 ,其他各因子与其关联度代表各因子对水资 源短缺影响的重要性程度 ,也可以作为各评判因素 对水资源承载力的影响权重。运用灰色关联分析确 定的权重具有客观性 ,在 D EA 模型中建立灰色关联 约束锥 ,对权重进行约束 ,为解决信息不充分时的赋 权问题提供了一种新思路[ 15 ] 。 通过计算得到向量 W = ( 0162406 , 0154122 , 0164849 ,0160018 ,0151223) ,归一化后 ,得到权重 A = (01213268 ,01184958 ,01221617 ,01205107 ,01175051) , 再根据求出的 R 矩阵计算出最终的评判结果矩阵 B ,即 B = A 3 R。黄河下游引黄灌区各地市的计算 结果见表 4。从表 4 可以看出 ,多数地区的综合评分 值在 014 左右 ,说明黄河下游引黄灌区的水资源开 发利用已达相当规模 ,但各地区有一定的差别。淄 表 4 　黄河下游各地区水资源承载力综合评价 Table 4 　Comprehensive evaluation of water resources carrying capacity in each region in irrigation region of the lower Yellow River v1 v2 v3 综合评分值 a 郑州 0. 3169 0. 4849 0. 1982 0. 4466 开封 0. 5190 0. 3455 0. 1355 0. 3274 洛阳 0. 4939 0. 3205 0. 1855 0. 3612 安阳 0. 4541 0. 2256 0. 3203 0. 4398 鹤壁 0. 5147 0. 4342 0. 0512 0. 2915 新乡 0. 1330 0. 6127 0. 2543 0. 5546 焦作 0. 1584 0. 6350 0. 2066 0. 5217 濮阳 0. 6083 0. 3490 0. 0427 0. 2455 商丘 0. 3777 0. 2233 0. 3990 0. 5096 济南 0. 4434 0. 4174 0. 1393 0. 3632 淄博 0. 1642 0. 2160 0. 6198 0. 7050 东营 0. 4888 0. 3266 0. 1846 0. 3631 德州 0. 2641 0. 5452 0. 1907 0. 4670 聊城 0. 2381 0. 5849 0. 1770 0. 4725 滨州 0. 3754 0. 4797 0. 2475 0. 4397 菏泽 0. 2303 0. 6119 0. 1578 0. 4674 博市综合评分值最高 ,表明淄博市的水资源承载潜 力最大 ,但并不说明淄博市的水资源非常丰富。淄 博市大力发展以大田喷灌、蔬菜滴灌和经济园林微 灌为重点的节水灌溉工程建设 ,2002 年底全市发展 节水灌溉面积 1215 万 hm2 ,年节水近 1 亿 m3 ,被列 为全国节水灌溉示范市。淄博市工业节水也走在全 国的前列 ,该市制定了 2 000 余种主要工业产品的用 水定额 ,累计推广节水器具 16 万件 (套) ,为实现用 水 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 管理和定额控制奠定了基础。目前 ,全市工 业用水重复利用率达 90 %以上 ,万元产值取水量降 到 68 m3 ,取得了连续 17 年工业增产不增水的佳 绩[ 16 ] 。综合评分值最低的是濮阳市 ,说明其水资源 承载潜力较低 ,今后要发展经济、保护环境 ,必须在 合理用水、节水上做更多的工作。 具体归纳如下 :1) 在对 v1 的隶属度上 ,开封、洛 阳、安阳、鹤壁、濮阳、济南、东营相对较高 ,水资源承 载力接近饱和。今后要提高水资源利用率 ,工农业 及整个经济类型应以节水型为主 ,进一步提高水资 源管理水平。2)在对 v2 的隶属度上 ,郑州、新乡、焦 作、德州、聊城、滨州、菏泽水资源开发初具规模 ,开 发方式由初始的广度开发逐渐向深度开发转变 ,经 济类型必须由耗水型逐步向节水型过渡 ,并应注重 水资源的综合管理[17 ] 。3)在对 v3 的隶属度上 ,只有 淄博明显偏高 ,说明淄博节水工作做得很好 ,也说明 下游地区水资源承载潜力均不大。各地市要保持经 济社会的可持续发展 ,需充分考虑水资源的开发潜 力 ,构筑与水资源承载力相适应的经济体系。 4 　建议 (1)提高水价 ,降低人均日生活用水量 ;提高灌 页19第 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 溉水利用率 ,建立节水投入补偿或奖励机制 ;积极调 整经济结构 ,提高工业用水重复利用率 ;加强各地区 的植被建设 ,增加森林覆盖率。我国农业用水占总 用水量的绝大部分 ,所以提高灌溉水利用率是基础 ; 鉴于生活用水量在总用水量的比重不断上升 ,所以 降低人均日生活用水量是根本 ;目前我国处于社会 主义初级阶段 ,工业在国民经济中占有较大比重 ,所 以调整经济结构 ,提高工业用水重复利用率是重点。 要采取灌溉节水优先、降低生活用水量为本、调整经 济结构为重点的水资源利用战略。针对日益严峻的 水资源短缺问题 ,政府出台和实施一系列的节水、用 水政策非常必要。 (2)虽然黄河下游引黄灌区水资源开发利用程 度已较高 ,但不少地区仍有潜力 ,可合理提高地下 水、雨水、污水处理回用、微咸水利用、海水利用等 ; 同时 ,必须加强管理 ,对各种水资源进行统一规划和 合理配置 ,如地表水和地下水的合理配置调度、农业 灌溉采取井渠结合等 ,都可以挖掘潜力 ,缓解缺水程 度和影响。 (3)随着南水北调工程的逐步实施 ,应及时调整 水资源的配置和水量分配。东、中线投入运营后 ,应 尽可能置换黄河下游各地区的引黄水量 ,以改善黄 河下游及河口地区的生态环境 ,并使黄河径流更多 地满足上、中游流域的需求 ,促进这些地区的经济发 展、环境保护和群众脱贫。 5 　结论 通过主成分分析和灰色关联分析相结合的方 法 ,得到影响黄河下游引黄灌区水资源短缺的主要 风险因子 :工业用水重复利用率、森林覆盖率、人均 日生活用水量、渠系水利用系数和工业产值比例。 采用模糊综合评判方法 ,得到黄河下游引黄灌区的 水资源承载力状况 :开封、洛阳、安阳、鹤壁、濮阳、济 南、东营相对较高 ,水资源承载力已接近饱和值 ;郑 州、新乡、焦作、德州、聊城、滨州、菏泽水资源开发利 用已达相当规模 ,但仍有潜力 ;淄博在节水方面做得 很好。黄河下游引黄灌区的综合评分值多在 014 左 右 ,说明区域水资源开发利用已达相当规模 ,水资源 承载潜力较小。 在水资源短缺条件下 ,一个区域、流域或一个城 市的水资源承载力评价 ,成为制定区域发展规划的 基础性尺度和指标。然而 ,水资源短缺风险研究与 水资源承载力研究长期处于隔离状态 ,本文利用主 成分分析和灰色关联分析方法找出影响水资源短缺 的风险因子 ,再结合模糊综合评判方法分析各地市 的水资源承载力 ,实现了二者的有机结合。 参考文献 : [1 ] 　姜丙州 ,张霞. 黄河下游引黄灌区水资源可持续利用分析 [J ] . 人民黄河 ,2000 ,22 (9) :42 - 43. 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Based on sustainable utilization of water resources ,exploring and using the water resources in irrigation region should adopt reasonable measures as raising water price and utilization efficiency of irrigation water ,establishing compensation or re2 ward mechanism ,adjusting three indust rial st ructures and so on. Key words :the lower Yellow River ;the Yellow River irrigation region ;water resources ;scarcity ;risk ;carrying capacity 页29第 地 理 与 地 理 信 息 科 学 　　　　 　　　　　　　　　　　第 25 卷