北京市水资源供需平衡趋势分析

　　水资源是基础资源与战略资源,是人类赖以生存和发展的基本条件[1 ] 。随着社会经济的发展,我国工农业和城镇居民生活对水资源的需求量也日益增加,水资源问题越来越突出,水资源安全正成为可持续发展领域研究中的一个重点和热点问题[2-4 ] 。我国以往的水资源安全研究,主要是根据某一地区的社会经济发展格局研究该地区水资源供需状况及其变动趋势,并在此基础上寻找水资源安全对策,而缺少水资源安全约束因子对供需平衡的影响以及不同约束下水资源安全状况的动态研究[5-7 ] 。

　　北京是世界上最缺水的大城市之一,人均水资源不足300 m3 ,仅为世界平均水平的1/ 30 ,水资源短缺已严重制约北京市的可持续发展[8 ] 。分析影响北京市水资源供需平衡的因子的变化,动态模拟不同情景下北京市水资源供需平衡及利用效率,根据预测结果提出相关对策,能为北京市水资源开发利用提供科学的决策参考,亦可为其他水资源短缺的城市提供借鉴。

　　1 　研究区概况

　　北京属温带半干旱、半湿润性季风气候,多年平均降水量595 mm ,地表水资源量即地表径流多年平均为17.72 亿m3 ,地下水资源25.59 亿m3 ,扣除地表水地下水重复计算量5.92 亿m3 ,当地自产天然水资源总量为37.39 亿m3 。北京市人均水资源量不足300 m3 ,是全国人均占有量的1/ 8 ,是世界人均的1/ 30 ,远远低于国际公认的人均1 000 m3 的下限标准,属于严重缺水地区[9 ] 。

　　2000 年北京市用地表水13.25 亿m3 ,地下水27.15 亿m3 ,总用水量40.40 亿m3 ,其中农业用水16.49 亿m3 ,占总用水量的40.8 %; 工业用水10.52 亿m3 ,占总用水量的26.0 %; 生活用水13.39 亿m3 ,占总用水量的33.14 %[10 ] 。

　　2 　研究方法

　　水资源关联着整个社会经济环境系统的特性决定了可以用系统动力学方法来研究其安全变化[11 ] 。在对北京市水资源供需特征和驱动力因子分析的基础上,采用SD 方法构建北京市水资源动态预测模型,进而从整体上反映资源、人口和经济发展之间的相互关系,预测不同方案下北京市水资源供需平衡的变化。

　　2.1 　模型子系统分析

　　本文以水资源为核心,以整个北京市为研究对象,进行系统分析,确定与水资源相关的主要因素,进而划分系统边界。确定的系统边界并不是一个严格意义上的地理界限,而是根据建模目的,把与水资源供需问题有重要关联的变量包括进系统,如从周边地区调水等。由此,构建的模型共包含4 部分:工业、农业、人口和水资源供需子系统(见图1) 。

　　通过子系统分析,建立系统内部各因素之间的因果关系及其反馈回路图,并结合北京市历史数据,选择适当的参数和变量,在VENSIM软件平台上编写方程,建立流程图。限于篇幅,本文仅以水资源供需子系统流程图为例进行说明(见图2) 。

　　2.2 　模型核心方程

　　结合上文分析,对系统的主要变量及其方程概括如下。

　　1) 农业子系统

　　农业子系统有两个主要的状态变量,即农业总产值和农业用水总量,其计算公式为

　　GPVA = [ PPV (1 ±PPVR) ][ PA (1 ±PAR) ] +

　　WPV (1 ±WPVR) + FPV (1 ±FPVR) +

　　BLPV·BLN (1 + BLNR) + SLPV·SLN (1 + SLNR) (1)

　　GWC = [ PA (1 ±PAR) ][ PW(1 ±PWR) ] +

　　[ BLW(1 + BLWR) ][ BLN (1 + BLNR) ] +

　　[ SLW(1 + SLWR) ][ SLN (1 + SLNR) ] (2)

　　式中　GPVA 为农业总产值; PPV 为种植业单位面积产值初值; PPVR 为种植业单位面积产值变化率; PA 为种植业面积初值; PAR 为种植业面积变化率; WPV 为林业产值初值;WPVR 为林业产值变化率; FPV 为渔业产值初值; FPVR 为渔业产值变化率; BL PV 为单位大牲畜产值; BLN 为大牲畜数量初值; BLNR 为大牲畜数量变化率; SL PV 为单位小牲畜产值;SLN 为小牲畜数量初值; SLNR 为小牲畜数量变化率; GWC为农业需水总量; PW 为单位面积灌溉定额初值; PWR 为单位面积灌溉定额变化率; BLW 为单位大牲畜用水定额初值;BLWR 为单位大牲畜用水定额变化率; SLW 为单位小牲畜用水定额初值; SLWR 为单位小牲畜用水定额变化率。

　　2) 工业子系统

　　工业子系统有两个主要的状态变量,即工业总产值和工业用水总量,其计算公式为

　　式中　IPVA 为工业总产值; IPVi 为工业各行业总产值初值;IPVRi 为各行业总产值年变化率; IWC 为工业需水总量;WIWi 为各行业万元产值需水量初值; WIWRi 为各行业万元产值需水量年变化率; S PVA 为社会总产值; TPV 为第三产业产值初值; TPVR 为第三产业产值年变化率。

　　3) 人口子系统

　　人口子系统最主要的状态变量是大生活需水量,其计算公式为

　　LWC = TPU(1 ±TPUR) ( ALUW + EALUW -

　　PALUW) + TPR (1 ±TPRR) ALRW (6)

　　式中　LWC 为生活需水量; TPU 为非农业人口初值; TPUR为非农业人口变化率; ALUW 为非农业人口人均用水量;EALUW 为人均用水量随居民收入增长增加量; PALUW 为人均用水量随水价提高减少量; TPR 为农业人口初值; TPRR为农业人口变化率; ALRW 为农业人口人均用水量。

　　4) 水资源子系统

　　水资源子系统的两个主要状态变量是水资源可供应总量和需求总量,其计算公式为

　　WA = ( SW + IW - EW)η+ UW + RW (7)

　　WCA = IWC + GWC + LWC + TWC + EWC (8)

　　γ = WA/ WCA (9)

　　WS PVA = WCA/ S PVA (10)

　　式中　WA 为水资源可供应总量; SW 为多年平均自产水资源量; IW 为多年平均入境水资源量; EW 为多年平均出境水资源量; η为水资源开发利用系数; UW 为应急供水量; RW为再生水回用量; WCA 为水资源需求总量; WC 为旅游业需水量; EWC 为环境需水量; γ为水资源供求比; WS PVA 为万元社会总产值用水量。

　　3 　北京市水资源供需平衡趋势预测

　　3.1 　情景设计

　　根据对北京市水资源消耗特征的分析,有3 个核心的因子,即人口、产业结构和政策[12 ]约束着未来北京市的水资源供需平衡。人口增长带来生活用水量的变化; 产业结构,包括社会总产值中3 大产业产值的比重和工业总产值中高新技术产业与传统产业的比重,产业结构的优化带来用水结构的优化; 政策,如应急供水工程政策、再生水回用政策、工农业节水政策、水价政策等,其实施能增大水资源可供应量,并促进水资源利用效率的提高。

　　对以上3 个约束因子在未来的变化进行分析,将它们的变化趋势作为参数输入北京市水资源系统SD 模型中,依据可能存在的变化方向来改变系统参数,使模型在多种条件下运行,得到未来北京市水资源供需趋势变化的两种典型情景。情景1 是依照目前现行的政策、用水水平和经济增长速度,并结合北京市相关规划文件,系统保持惯性运行得出的结果;情景2 考虑到北京市水资源资源的现状,将提高资源利用效率,优化用水结构的倾向加入到模型中,在不影响经济发展速度的前提下,进行产业结构调整,并加大对水资源供需的政策管理,实施了更加严格的再生水回用政策、工农业节水政策和水价政策。

　　3.2 　需水预测

　　3.2.1 　农业需水预测

　　农业需水包括灌溉用水及牲畜饮水。农业需水量主要受农业灌溉面积、节水技术及作物种类的影响。在情景1 和2的预测中,农业均是北京市用水大户:情景1 中,畜牧业得到大力发展,但灌溉用地未得到有效保护; 情景2 在有效保护耕地的同时,开展节水农业,对农业灌溉节水率每年提高5 % ,并优化种植业结构,耗水型作物种植面积大幅度减少,单位面积灌溉定额不断降低。情景2 合理发展牲畜业,并不断降低单位牲畜用水定额。表1 表明了两种情景下北京市农业需水量变化。

　　3.2.2 　工业需水预测

　　工业需水是指工业各行业用于净化、洗涤、加工、制造、冷却等方面的用水。根据北京市工业各行业特点和用水驱动力因子分析,将工业分为高新技术产业(生物工程与医药制造、电子信息、汽车、装备制造和都市型工业) 和传统产业(电力、石化和冶金行业) 。在进行模型预测时,情景1 中工业各行业的发展速度保持《2001 年—2005 年北京工业发展规划》中的速度不变。情景2 中电子信息业、生物工程与医药产业等极低耗水的高技术密集型产业,其总产值年均增长率保持在15 %以上; 中低耗水的都市型工业、制造业和汽车行业的总产值年均增长率可保持在5 %～10 %左右; 石化、电力和冶金等高耗水行业的总产值年均增长率保持在1 %左右。从2005年到2010 年,可对工业中耗水量较大的冶金和电力行业的万元产值耗水量每年降低10 % ,石化产业每年降低5 %。表2反映了两种情景下北京市工业需水量变化。

　　3.2.3 　生活需水预测

　　生活需水量包括非农业人口和农业人口日常生活用水、住宅用水、公共设施用水以及城建用水等。情景1 和2 中人口的增长速度相同,均为1.4 %。两种情景下城市化率的变化也都是每年增加7 个百分点。但情景1 中水价增长率较小,为10 % ,水价调整后,北京市居民生活用水支出约占家庭收入的1 %。情景2 中水价增长的速率为情景1 的2 倍,2010年,北京市居民生活用水支出约占家庭收入的2 %。研究结果表明,当水费支出占居民家庭收入的2 %以下时,对居民心理影响很小,亦导致用水浪费现象发生; 占2 %～2.5 %时将引起重视,居民开始关心用水量[13 ] 。由于北京市水价起点较低,水价调整政策对北京市水资源承载力的影响较小,由此预测得到两种情景下生活需水量的变化见表3。

　　3.2.4 　旅游业需水预测

　　旅游业需水量是指游客在北京市旅游期间所需的水资源量。情景1 和2 的预测中均积极发展旅游业,但情景2 对游客人均用水量进行了控制。表4 反映了两种情景下北京市旅游业需水量变化。

　　3.2.5 　环境需水预测

　　环境需水主要是指河湖环境用水。情景1 和2 预测的北京市环境需水量变化相同,2005 年、2008 年和2010 年的值分别为44 600 万m3 、106 200 万m3 和106 000 万m3 。

　　3.3 　供水预测

　　水资源可供应量包括自产水资源可开发量、再生水回用量和应急供水量。情景1 和2 的预测中,北京市自产水资源可开发量均没发生变化,但情景2 实施了更为严格的再生水回用政策,并扩大了应急供水量,由此预测得到两种情景下水资源可供应量的变化见表5。

　　3.4 　水资源供需平衡及利用效率预测

　　根据SD 模型预测,两种情景下北京市水资源供需、用水结构及利用效率的变化见表6。情景1 中2005 —2010 年水资源供求比逐渐减少,2010 年仅为0.98。这说明情景1 中北京市水资源安全形势日益严峻,2010 年北京水资源需求总量将大于可供应总量。情景2 中随着调整工业产业结构,提高农业灌溉节水率等政策的实施,预测结果显示水资源供求比不断增大,2010 年增至1.15 ,水资源供求形式逐渐缓和。

　　如表6 所示,情景1 和2 中万元社会产值用水量均在减小,但情景2 减小的幅度较大。2010 年情景2 中万元社会产值用水量为17.06 m3 ,比情景1 小6.05m3 ,水资源利用效率更高。

　　4 　讨　论

　　由SD 模型预测结果可知,不同的产业结构和政策约束下,北京市水资源安全形势很不相同。如情景1 的预测结果所示,若不加强产业结构和政策的约束,北京市水资源供需将无法保持平衡。因此要想提高水资源利用效率,缓解北京市水资源危机,必须确保情景2 中与各项约束相关的政策的实施,主要如下。

　　1) 提高农业灌溉节水率,实施定额管理。据研究,作物产量与需水量存在非线性关系,灌溉节水的潜力50 %在管理方面。提高灌溉节水率对产量的实际影响不大,但能达到水资源高效利用的目的[14 ] 。因此可通过各种工程措施、技术措施和管理措施,提高农业灌溉节水率,发展节水型农业,降低农业需水量。

　　2) 调整产业结构,对水资源开展计划性利用。根据研究,产业结构调整是影响北京市水资源需求的核心要素[12 ] 。工业中,要大力发展电子信息业和生物工程与医药产业等极低耗水的高技术密集型产业,相应发展中低耗水的都市型工业、制造业和汽车行业,并限制向石油化工业、电力行业和冶金业等高耗水行业的投资。对于北京市的重点用水大户首都钢铁公司和燕山石化可考虑搬迁和转产,区域内亦不宜再建设火电厂。农业中,水田面积要逐渐减少至取消,调整需水量较大的蔬菜面积,加快退耕还林和种植结构调整。

　　3) 合理制定水价,充分发挥其杠杆作用。根据北京市1990 —2000 年的有关数据分析,水价每提高1 % ,在其他条件不变下生活用水量下降0.366 %; 居民人均可支配收入提高1 % ,用水量提高0.532 %[9 ] 。因此只有水价的增长幅度明显高于人均收入增长,才能维持北京市居民人均生活用水量不变或缓慢增长。研究结果表明,特大城市家庭可承受的水费支出占家庭可支配收入的比率可达3 %。目前北京的年人均水费支出仅占可支配收入的1 %左右,因此还有很大的上调空间[15 ] 。

　　4) 实施保护性开发,确保长期安全。确保平谷、张坊、怀柔应急供水工程安全运行,积极实施南水北调京石段应急供水工程,并在实施时注意“先节水,后调水; 先治污,后通水;先环保,再用水”。加快管网建设,大力推进再生水回用,确保达到《北京市区城市污水处理厂再生水回用总体规划》目标,2008 年北京市污水处理率应达到90 %以上,再生水回用率达到50 %以上。加大雨洪利用,部分替代地表和地下水资源。北京市每年雨洪出境量有7.00 亿m3 (扣除过境水量) ,应深度开发这部分雨洪,增加可用水资源量[8 ] 。在降水量大,地表水资源丰富的年份,应优先利用地表水和雨洪,避免开采地下水,使其在水资源短缺时作为备用水源。

　　5) 普及节水意识,建设节水型社会。根据预测,在北京市未来的发展过程中,生活用水将成为北京市最大的水资源支出项。因此要减少居民的人均用水量,通过广泛、深入、持久的宣传,转变落后的用水观念和用水习惯,提高居民的节水意识; 通过舆论监督,对浪费水,破坏水的行为公开曝光,最终形成全社会共同参与,群策群力,共同缓解北京市水资源紧张的局面。

　　5 　结　论

　　1) 人口、产业结构和政策3 个约束因子对北京市水资源供需平衡有很大影响。根据模型模拟,若保持现有政策和技术水平,北京市水资源安全形势日益严峻,2010 年水资源供求比为0.98 ; 若加强人口、产业结构和政策等几项因子的约束,北京市水资源供需形式可逐渐缓和,2010 年水资源供需比增至1.15。

　　2) 根据模拟结果,若要提高水资源利用效率,缓解北京市水资源危机,必须确保提高农业灌溉节水率,调整产业结构,制定合理水价,实施保护性开发以及普及节水意识等政策的实施。

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　　Forecasting and analysis of balance between water resources supply and actual demand in Beijing City

　　FAN Ying-ying , LIU Yong , GUO Huai-cheng

　　(College of Environmental Sciences , Peking University , Beijing 100871 , China)

　　Abstract : This paper aims at analyzing the major factors restricting the water supply security and simulating the effects of such restrictions on the balance between the supply and demand in Beijing urban areas so as to bring about some countermeasures based on the result of the simulation. In order to preserve and utilize the present water resources , it is of great urgency to provide a more comprehensive and accurate analysis of current supply and demand situation of the City effectively , which involves at least three main factors , that is , the potential of water resources , the population policy and industrial structure. Based on the research of these restrictions , the paper has developed a System Dynamics model for water resources (SDWR) of the City. Next , the authors have provided a simulation on the original data input , the various velocities of variables , the effects of the constraints concerned on the water resources balance by SDWR. Then ,software VENSIM is used for quantitative analysis of the model. The simulation results indicate that : (1) the situation of water resources in Beijing City will be getting worse and worse under the existing policy and technology levels if there were no more strong countermeasures , the ratio of supply and demand will fall to 0198 in 2010 ; (2)if the constraints of population , industrial structure and policies are under the most favorable condition , the ratio of supply and demand of water resources in Beijing City will rise to 1115 in 2010 , and the water using efficiency will also increase. According to the simulation , it will be of great importance to strengthen the constraints and implement water resource management policies. To deal with the above critical situations , the present authors are willing to suggest the following countermeasures : insisting on the adjustment of industrial structure , reinforcing the water conservation agriculture , creating water resources allocation and distribution system by relying on the joint efforts to combine the roles of government and market , strengthening the protective development of the urgent supply of water resources projects so as to creating a water2saving society and insure water resources security in the future.

　　Key words : environmental science ; constraints ; water resources security ; policies ; Beijing City

　　CLC number : TV213 　　　Document code : A

　　Article ID : 1009-6094 (2006) 01-0116-05

　　作者简介: 范英英,硕士研究生,从事水环境规划与水资源管理研究; 郭怀成,教授,从事环境规划与管理研究。