水資源短缺風(fēng)險綜合評價模型

范子靜

（華南師范大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，廣東廣州，510631）

水資源短缺風(fēng)險綜合評價模型

范子靜

（華南師范大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，廣東廣州，510631）

旨在設(shè)計北京市水資源短缺風(fēng)險綜合評價模型：通過對北京市近幾年水資源概況數(shù)據(jù)的搜集，根據(jù)其水資源的入境水量、出境水量，以及生活用水、工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等的水資源消耗量，進而分析導(dǎo)致北京市水資源短缺的主要因素，從中汲取教訓(xùn)做出相關(guān)政策和號召，使水資源緊缺得到緩解，進一步促進經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

水資源；風(fēng)險因子；降水量；人口規(guī)模

一、問題重述

（一）基本情況

北京是世界上水資源嚴重缺乏的大都市之一，多年平均降水585mm，年均降水總量98.28億立方米，形成地表徑流17.72億立方米，地下水資源25.59億m3，當(dāng)?shù)刈援a(chǎn)一次水資源總量37.39億立方米。其人均水資源占有量不足300m3，為全國人均的1/8，世界人均的1/30，屬重度缺水地區(qū)，境內(nèi)五大水系除北運河發(fā)源于本市外，其他四條水系均發(fā)源于境外的河北、山西和內(nèi)蒙古。多年平均入境水量16.06億立方米，出境水量14.52億立方米?？梢?，北京市水資源緊缺已成為制約經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的第一瓶頸。

（二）問題的由來

雖然北京市政府采取了一系列補救措施，如加大污水處理力度，南水北調(diào)工程建設(shè)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等。但是，隨著氣候變化和社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，水資源短缺風(fēng)險因子始終存在。如何相對準(zhǔn)確地對水資源風(fēng)險的主要因子進行識別，對風(fēng)險造成的危害等級進行合理的劃分，對不同風(fēng)險因子采取相應(yīng)的有效措施規(guī)避風(fēng)險或減少其造成的危害，這對經(jīng)濟社會的穩(wěn)定以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的穩(wěn)步實施具有重要意義。

本文旨在給出北京市水資源短缺風(fēng)險等級劃分，對主要風(fēng)險因子進行分析其如何進行調(diào)控，使得風(fēng)險降低。

二、簡化問題，抓住研究重點

要求對北京市水資源短缺風(fēng)險進行綜合評價，目的是為了對風(fēng)險等級劃分并陳述理由，對主要風(fēng)險因子進行調(diào)控，使得風(fēng)險降低。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)北京市水資源短缺的具體情況為：

2009年全市平均降水量448mm，比2008年同期降水量638mm少30%，比多年平均年降水量585mm少23%。

近年來北京城市供水及工農(nóng)業(yè)用水逐年緊張，成為北京及其周邊地區(qū)發(fā)展的制約因素。特別應(yīng)注意與其他城市的對比研究，如氣候背景的差異、城市污染程度的差異、污染物成分的差異、主要天氣系統(tǒng)的差異、城市下墊面狀況的差異、地形地貌的差異等。

三、實例分析

1.研究區(qū)概況依據(jù)北京市過去30年的可利用水資源量、用水總量、地下水位埋深、工農(nóng)業(yè)用水量、湖水排放總量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來研究北京市水資源短缺風(fēng)險及變化。

北京市境處于華北平原與太行山脈、燕山山脈的交接部位。東距渤海150公里。它的東南部為平原，屬于華北平原的西北邊緣區(qū)；西部山地，為太行山脈的東北余脈；北部、東北部山地，為燕山山脈的西段支脈。 由于受氣候環(huán)境（季風(fēng)）影響，雨量季節(jié)分配極不均勻，夏季降水量約占全年的70%以上，全市多年平均降水量575㎜。屬海河流域，從西到東分布有大清河、永定河、北運河、潮白河、薊運河五大水系。北京是當(dāng)今世界上嚴重缺水的大城市之一，當(dāng)?shù)刈援a(chǎn)水資源量僅39.99億立方米，多年平均入境水量16.50億平方米，多年平均出境水量11.60億平方米，當(dāng)?shù)厮Y源的人均占有量約300平方米，約占世界人均的1/30，遠遠低于國際公認的人均1000立方米的下限，屬重度缺水城市。因此，水資源短缺已成為影響和制約北京經(jīng)濟建設(shè)的主要因素。

2.北京市水資源影響因子分析 。北京市水資源開發(fā)利用中存在的問題主要有：（1）上游來水衰減趨勢相對比較明顯；（2）地下水位下降（由于長期超采地下水）；（3）周邊水污染加重了城市水危機；（4）城市化發(fā)展和人口膨脹加重了生活用水需求等。因此，導(dǎo)致北京市水資源短缺的主要原因有資源型缺水和水質(zhì)型缺水等。影響北京市水資源短缺風(fēng)險的因素可歸納為以下兩個方面：

（1）自然因素：城市人口數(shù)；入境水量；水資源總量；地下水位埋深。

（2）社會經(jīng)濟環(huán)境因素：污水處理率；污水排放總量；農(nóng)業(yè)用水量；生活用水量；COD排放總量。

從地理學(xué)來講，應(yīng)該從三個方面來分析：第一，從大環(huán)境來講：水資源問題主要就是一個開源節(jié)流的問題，在開源方面，首先合理地開發(fā)水資源和制定相應(yīng)的水資源保護法律法規(guī)是必須的，同時從水土保持來講也要注意整個水資源存在環(huán)境的保護。至于節(jié)流，首先是不能再水資源地大肆破壞，其次在水資源的使用上，可以對水資源的使用采用大地域分割法，嚴禁污染。 第二，從中尺度來講：對于區(qū)域水資源問題，要采用科技手段，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)水平衡，比如我國的南水北調(diào)；同時，在區(qū)域水資源的使用上，可以采用配給制，這種方法在西歐已經(jīng)得到了廣泛推廣，效果明顯，措施主要也是分為開源和節(jié)流來說，開不足之源，節(jié)多余之流，這其中科技手段很重要。第三，從小尺度上講：就要針對不同的行業(yè)產(chǎn)業(yè)和水資源使用渠道而采用不同的方法。如農(nóng)業(yè)用水，除了適當(dāng)?shù)目萍际褂猛猓谶m當(dāng)?shù)牡赜蚍N植適當(dāng)?shù)淖魑镆彩潜仨毜?，因為作物的需水量是不同的，其次要嚴禁浪費，杜絕污染。

四、模型假設(shè)

建立一個數(shù)學(xué)模型對北京市水資源短缺風(fēng)險進行綜合評價時需要考慮的因素很復(fù)雜，并且有很多因素是隨機的。為了抓住重點，簡化模型以及方便求解，需要作一定的簡化假設(shè)，假定如下：北京市近幾年氣候條件波動保持在調(diào)查研究中的誤差范圍之內(nèi)，水利工程設(shè)施幾乎不存在損壞和使用的間斷，工業(yè)污染的嚴重程度處于誤差范圍之內(nèi)，農(nóng)業(yè)用水的渠道保持穩(wěn)定，管理制度以及人口規(guī)模穩(wěn)定在研究所得的數(shù)據(jù)之上。

五、模型結(jié)果分析

風(fēng)險等級風(fēng)險因子I 第三產(chǎn)業(yè)以及生活用水II 環(huán)境用水Ⅲ地下水資源Ⅳ工業(yè)污染Ⅴ水源水質(zhì)污染的治理原因從統(tǒng)計出的回歸圖中可以看出，首先，從1992—2009年北京市第三產(chǎn)業(yè)以及生活用水呈現(xiàn)上升趨勢；此外，隨著北京經(jīng)濟的發(fā)展，以及城市化進程的加快，第三產(chǎn)業(yè)和生活用水會逐年增加。另外，城市化會影響北京的降水量，進而間接影響水資源量。中國水環(huán)境污染嚴重，主要超標(biāo)項目是有機物和氨氮，這與中國城鎮(zhèn)生活污水沒得到有效處理有關(guān)?？梢?，用于環(huán)境治理的是水資源在逐年增加。地下水水質(zhì)嚴重超標(biāo)，特別是淺層水，全市符合Ⅲ類水質(zhì)的面積僅占平原總面積的52%。數(shù)據(jù)顯示：2009年全市污水排放總量為13.65億m3。污水處理量10.97億m3，污水處理率80%。2009年城八區(qū)污水排放總量為9.10億m3。污水處理量8.58億m3，污水處理率94%。大量的工業(yè)污水的治理成為北京市水資源的另一大去向。目前我們能夠測出并研究其對人類健康影響的水中有機物才數(shù)百種，隨著分析測定方法與分析儀器的發(fā)展、提高，能被測出的有機物將越來越多，而這些有機物對人的危害的全面研究也需時日，所以當(dāng)我們尚未認識它們的危害前，對其總量（也即宏觀上）進行一定的控制，對中國人民未來健康是必要的。

圖1 北京市1992-2009用水情況分析

六、模型的改進方向

模型沒有考慮到水資源的緊缺的特殊狀況，如果農(nóng)村用水維持現(xiàn)狀，城市用水按相對比較低的年平均增長率1.5～2.5%，2010年增長7～13億m3，如將目前平均超采的地下水量2億m3考慮在內(nèi)，2012年缺水9～15億m3，如再考慮官廳和密云兩大水庫上游來水有可能衰減，或遇到持續(xù)干旱的年景，則面臨的缺水將更為嚴峻。

七、模型的評價

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，組成社會經(jīng)濟體系各單元之間的聯(lián)系日益緊密和復(fù)雜，各種各樣影響因子的匯集使得水資源系統(tǒng)的風(fēng)險也與日俱增，目前這方面的知識還相當(dāng)匱乏，需要進行扎實的基礎(chǔ)研究：依照《中華人民共和國水法》，加強水資源管理；搞好水資源預(yù)測工作，制定全國和各個地區(qū)的中長期供水規(guī)劃；廣泛深入地開展節(jié)約用水工作，建立節(jié)水型社會；城市和工業(yè)的發(fā)展必須考慮到受水資源制約的問題；合理調(diào)整水價，利用經(jīng)濟杠桿促進節(jié)約用水；保護水源，控制污染的繼續(xù)發(fā)展。

［1］ 姜啟源，謝金星，葉俊.數(shù)學(xué)模型［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［2］ 王文平.運籌學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［3］ 陳汝棟，于延榮.數(shù)學(xué)模型與數(shù)學(xué)建模［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

［4］ 嚴蔚敏，吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（C語言版）［M］.北京：清華出版社，2008.

［5］ 王兵團.數(shù)學(xué)建?；A(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

TV213

A

范子靜（1990-），女，本科，研究方向為偏微分方程以及非線性科學(xué)。