大連市水資源承載力動態(tài)研究

劉雷雷

(遼寧師范大學城市與環(huán)境學院，遼寧 大連 116029)

大連市是我國北方水資源嚴重缺乏的地區(qū)之一，境內(nèi)人均水資源占有量388 m3，僅為全國人均占有量的1/5。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展、人口迅速膨脹和水環(huán)境污染的加劇，水資源短缺制約了大連市社會經(jīng)濟的發(fā)展，造成了水環(huán)境的日益惡化，水問題將成為大連市未來可持續(xù)發(fā)展中的突出問題。因此，正確評價水資源承載力對大連市社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。水資源承載力的研究，至今都還沒有形成一個系統(tǒng)的、科學的理論體系，且單項研究在國外較少，大多將其納入可持續(xù)發(fā)展理論研究中。水資源承載力研究涉及水資源系統(tǒng)和社會經(jīng)濟、環(huán)境系統(tǒng)組成的復雜大系統(tǒng)，常見的評價方法有模糊綜合評判法［1］、多目標決策分析法［2］、系統(tǒng)動力學方法［3］、主成分分析法等［4］。這些計算方法都有各自的優(yōu)點，但也均存在不同程度上的不足，各有適用范圍，在具體應用過程中應依據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H情況進行選擇。本旨在通過對大連市未來水資源承載能力變化趨勢的模擬，尋求提高大連市水資源承載力的最佳方案，采用擅長處理高度非線性、高階次、多變量、多重反饋及進行中長期預測的系統(tǒng)動力學方法，對大連市水資源承載力進行評價分析。

1 大連市水資源、社會經(jīng)濟現(xiàn)狀

1.1 水資源概況

大連市位于歐亞大陸東岸，中國東北遼東半島最南端，根據(jù)大連市第二次水資源評價成果，全市多年平均地表水資源量為32.70億m3，折合徑流深260.06 mm，地下水資源量為7.27億m3，境內(nèi)人均水資源僅為全國水平的1/5。受氣候影響，降水時空分布階段性明顯、時空分布不均，降水過程主要集中在6～8份，約占全年降水量的60% ～70%，容易形成春旱秋澇。地表徑流和降水量空間分布由西南向東北遞增，河流獨流入海，現(xiàn)有水利工程調(diào)蓄工程較少，目前大連市地表水的攔截率僅為24.5%，地表徑流利用率不高，每年絕大部分的水資源以汛期洪水方式白白流入渤海。

1.2 社會經(jīng)濟現(xiàn)狀

大連市國民經(jīng)濟持續(xù)快速增長，2009年全市實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值4 417.7億元。其中，第一產(chǎn)業(yè)增加值313.4億元;第二產(chǎn)業(yè)增加值2 314.8億元;第三產(chǎn)業(yè)增加值1 789.5億元，增長率分別為7.8%、16.5%、14.6%。三次產(chǎn)業(yè)構(gòu)成比例為7.1∶52.4∶40.5，對經(jīng)濟增長的貢獻率分別為 3.5% 、55% 和41.5%。按常住平均人口計算，全市人均生產(chǎn)總值由2008年的63 198元增加到71 833元。隨著綜合經(jīng)濟實力的持續(xù)增強，大連市用水效率明顯提高，人均用水量、萬元GDP用水量為、農(nóng)田灌溉畝均用水量、萬元工業(yè)增加值用水量，這些指標的用水效率均比全國平均水平低。

2 大連市水資源承載力模型建立

2.1 模型的建立

2.1.1 模型設計思路

大連是一個水資源嚴重短缺的城市之一，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對水資源的需求量持續(xù)增長，再加上干旱等自然災害頻繁發(fā)生，使已經(jīng)有限的水資源更加短缺。假設大連市城市化水平保持較快速度上升，對應的社會經(jīng)濟也高速發(fā)展，而其用水模式保持目前水平，如按萬元工業(yè)增加值用水量保持目前的下降趨勢，生活需水量和生態(tài)需水量保持目前的增加趨勢不變等。在這樣的前提下，預測大連市未來需水情況，然后與可供水資源量進行比較，得出未來大連市目前用水模式下，是否能承載社會經(jīng)濟的高速發(fā)展。

2.1.2 模型結(jié)構(gòu)及流圖分析

結(jié)合系統(tǒng)動力學研究問題的主要特點和大連市的實際情況，將系統(tǒng)邊界定在大連市土地面積范圍內(nèi)，對重要用水環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)分析后，采用SD專用模型Vensim建立包含生活、經(jīng)濟、環(huán)境和資源4個子系統(tǒng)的大連市水資源承載力SD流圖。

1)生活子系統(tǒng)

生活需水包括農(nóng)村、城鎮(zhèn)生活需水和環(huán)境需水。本文環(huán)境用水包括全市綠化用水、

市區(qū)及城近郊沖刷道路用水及河湖系統(tǒng)最小生態(tài)環(huán)境需水量［12］，生活用水由人口數(shù)量、人均生活用水定額確定。主要反饋關(guān)系為:

總?cè)丝跀?shù)→+城鎮(zhèn)人口→+城鎮(zhèn)生活需水量→+生活需水總量→+總需水量→+缺水量→－城市化率→－人口增長→－人口總數(shù)

2)經(jīng)濟子系統(tǒng)

經(jīng)濟子系統(tǒng)需水包括第一、第二和第三產(chǎn)業(yè)需水，其中第一產(chǎn)業(yè)主要是農(nóng)業(yè)，第二產(chǎn)業(yè)指工業(yè)。以工業(yè)為例，模型通過工業(yè)總產(chǎn)值和萬元工業(yè)增加值用水量預測工業(yè)需水量。主要反饋關(guān)系為:

工業(yè)需水量→+總需水量→+缺水量→－工業(yè)增長→+工業(yè)總產(chǎn)值→+工業(yè)用水量→+工業(yè)需水量

3)水污染子系統(tǒng)

城市污水總量由生活污水和工業(yè)廢水排放量組成。污水總量由城市污水排放量與排污系數(shù)決定，選取污水處理率和污水回用率作為不同的政策輸入。主要反饋關(guān)系為:

污水回用量→－缺水量→+工業(yè)增長→+工業(yè)總產(chǎn)值→+工業(yè)用水量→+工業(yè)廢水排放量→+城市污水排放總量→+污水回用量

4)水資源子系統(tǒng)

水資源量主要包含地表水供水量、地下水供水量、雨水、海水淡化供水量。

2.1.3 模型調(diào)試

模型直觀檢驗和運行檢驗由軟件自動完成，以2004年為基準年，模擬步長為1年，將2005～2009年的仿真結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)相比較進行一致性檢驗，若誤差小于5% ，則認為模型正確，否則對模型進行修改或調(diào)整。由表1可以看出模擬結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)擬合誤差均小于5%，表明模型結(jié)構(gòu)合理，能反映大連市水資源承載力的特征，能夠模擬實際系統(tǒng)，有較高的可信度。

圖1 大連市水資源承載力SD流圖

表1 模型正確性檢驗結(jié)果

2.2 方案設計和結(jié)果分析

2.2.1 方案設計

為了比較和探討未來25年大連市水資源承載力在不同策略下的動態(tài)演變過程，本文設計了4種方案。

方案1:現(xiàn)狀延續(xù)型。即不采取任何措施，保持現(xiàn)有狀況不變。方案中各決策變量指標值維持現(xiàn)有發(fā)展趨勢。

方案2:經(jīng)濟發(fā)展型。強調(diào)經(jīng)濟發(fā)展的重要性，把工業(yè)產(chǎn)值增長速度一度調(diào)整到大連市2001～2009年工業(yè)產(chǎn)值增長率的最快值23%，把2025年的城市化率提高到85%，其他參數(shù)與方案一相同。

方案3:節(jié)水型。在方案1的基礎上，降低經(jīng)濟發(fā)展速度，抑制城市人口的過快增長，提高污水處理及回用率，降低居民生活用水量及農(nóng)田灌溉用水定額，增加農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉面積。根據(jù)預測，2025年工業(yè)產(chǎn)值增長率控制在10% ，城市化率提高至75%，工業(yè)用水重復利用率提高到95%，污水處理率提高至100%，污水回用率提高至70%。節(jié)水灌溉增長率提高至9%，其他參數(shù)指標維持不變。

方案4:協(xié)調(diào)發(fā)展型。綜合考慮以上3種方案各自的特點，兼顧經(jīng)濟和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。污水處理率、回用率、重復利用率、廢水排放系數(shù)等均與方案2相同，城市化水平、經(jīng)濟、灌溉面積適度增長。2010年到2015年工業(yè)增速為12%，其后保持5%的增速，其他參數(shù)指標維持不變。

2.2.2 結(jié)果分析

選取模型中的城鎮(zhèn)人口、工業(yè)總產(chǎn)值、污水排放總量、水資源供需差額4個主要變量進行不同方案的對比。根據(jù)不同方案下4個主要變量的模擬結(jié)果(表3)，比較4種仿真方案，選取可提高大連市水資源承載力的優(yōu)化方案。

表2 四種方案下大連市資源承載力

在方案1的模式下，2025年大連市總需水量達到36.93億 m3，可供水量為17.43億 m3，水資源供需差額達19.48億 m3，污水總量為16.42億 m3，此時水資源短缺問題、環(huán)境污染問題將嚴重影響大連市的社會經(jīng)濟發(fā)展，如何合理開發(fā)和利用水資源、提高污水處理及回用率是解決問題的關(guān)鍵。

方案2的模式下，工業(yè)總產(chǎn)值增速大于其他3種方案，2025年工業(yè)總產(chǎn)值模擬值達到2 2053.36億元，城市人口達到513.013萬，工業(yè)總產(chǎn)值及人口數(shù)量的增加不僅加大了對水資源的需求量，工業(yè)廢水、生活污水排放量也急劇增加。由于污水治理投資的限制，2025年大連市總需水量達41.38億 m3，水資源供需差額達23.94億 m3，污水總量達19.31億m3。環(huán)境污染嚴重，大連市的缺水形勢更加嚴峻，水資源承載力更加脆弱，此方案也不可取。

在方案3模式下，減緩工業(yè)產(chǎn)值增長速度，降低萬元工業(yè)增加值用水量，提高工業(yè)用水重復利用率，使得工業(yè)生產(chǎn)對水資源的需求量大幅度降低;對環(huán)境保護的投資加大，2025年污水處理率和污水回用率分別達到100%和80%;居民人均生活用水量及農(nóng)田灌溉畝均用水量的降低，也使得生活需水量及農(nóng)業(yè)需水量大大減少，到2025年大連市總需水量僅為16.89億 m3，可供水量大于總需水量，水資源盈余0·54億 m3;污水總量減少至8.34億 m3，同時工業(yè)生產(chǎn)總值到達到7489.23億元。可見方案3中大連市的水資源基本上得到了合理開發(fā)和利用。

在方案4的模式下，按照協(xié)調(diào)發(fā)展原則，不以環(huán)境的犧牲換取發(fā)展的經(jīng)濟，適當限制經(jīng)濟增長速度，同時加大污水處理、污水回用的投資力度，在建設節(jié)水型城市前提下，努力提高污水利用率。到2025年大連市總需水量為18.74億 m3，可供水量為18.86億 m3，缺水量僅0.106億 m3，基本實現(xiàn)水資源供需平衡，大連市不會出現(xiàn)嚴重的缺水現(xiàn)象。雖然方案4與方案3，都可保證大連市到2025年不會出現(xiàn)嚴重的缺水問題，但方案4的工業(yè)產(chǎn)值可達到8521.08億元，污水總量僅為7.25億 m3，表明方案4是提高大連市水資源承載力的最可行方案。

3 結(jié)語與建議

要提高大連市水資源承載力，使大連市未來可以實現(xiàn)走上水資源可持續(xù)發(fā)展的道路，就必須建立起以水資源保障為基礎、以建設節(jié)水型社會為核心、以水生態(tài)環(huán)境保護為根本、以非常規(guī)水充分利用為重點的“循環(huán)水務”體系。

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