基于水壓力指數(shù)的水資源利用狀況評估

潘歡迎，付泳琪

(中國地質大學(武漢)環(huán)境學院，武漢 430074)

1 研究背景

水資源短缺問題是由自然原因或人類活動造成的，包括全球氣候變化，水資源的有限性與水資源時空分布不均，人口增長和社會經濟快速發(fā)展導致需水量增加，水資源浪費、用水效率低與水環(huán)境污染并存等等。因此，水資源利用狀況評估對區(qū)域水資源的合理開發(fā)高效利用和綜合管理具有重要意義。

水資源利用的水壓力指數(shù)評估是在一定的時空尺度下，根據(jù)水壓力指數(shù)，對水資源數(shù)量時空分布特征和利用狀況進行全面分析和評估的過程。很多學者對水資源壓力指數(shù)進行了不同尺度的研究，主要包括國家、流域與區(qū)域3種尺度。國家尺度的水資源壓力指數(shù)評估方法的特點是具有高度的宏觀性與概括性，指標數(shù)目少，計算指標所需資料的少、且資料較易獲取，因而指標可操作性強；如：Falkenmark 指數(shù)[1]，水壓力指數(shù)[2,3]等。區(qū)域尺度的水資源壓力指數(shù)評估方法的特點是指標體系種類數(shù)目龐雜，指標體系的構建從概念框架到指標選擇的理論分析很完善，如：系統(tǒng)層次法[4]，壓力狀態(tài)響應模型[5]等；但指標涉及的數(shù)據(jù)資料來源較困難，致使詳細的分項計算具有主觀性或可靠性較低，直接影響分析結果的客觀性與準確性。流域尺度的水資源壓力指數(shù)評估方法特點介于上述二者之間[6-8]。

本文對大時空尺度下水資源利用狀況進行了研究探討，提出了適合大空間尺度的水資源利用壓力指數(shù)評估方法，對水壓力指數(shù)評估方法中存在的一些具體的問題，如資料的獲取、具體操作等進行深入完善的闡述與說明，以全國水資源一級區(qū)為典型例子，應用水壓力指數(shù)評估方法對該研究區(qū)域的水資源利用狀況進行了評價分析，從而為我國水資源持續(xù)開發(fā)利用提供參考。

2 水壓力指數(shù)評估方法

水壓力指數(shù)評估方法是在大空間評價區(qū)一定的人口及生態(tài)環(huán)境質量下，結合當?shù)毓┧こ碳夹g開發(fā)條件以及人民生活、工農業(yè)生產與生態(tài)環(huán)境保護等用水需求，分別基于天然來水與人類取水的視角，定量評估人類對逐年更新的水資源利用程度的方法，揭示大空間尺度下水資源與人口及經濟技術之間的關系。參照大空間尺度水資源壓力指標，在充分考慮評價區(qū)水資源自然條件差異以及各類用水戶用水量不同的基礎上，選取Falkenmark 指數(shù)與水壓力指數(shù)兩類指數(shù)評估方法進行評述。

2.1 Falkenmark 指數(shù)

Falkenmark 指數(shù)(Falkenmark Index)是瑞典斯德哥爾摩國際水資源研究所Falkenmark教授提出的水資源壓力指數(shù)，定義為人均水資源量[1]，其計算公式為：

(1)

式中：FI為Falkenmark指數(shù)；W為評價區(qū)內降水形成的年徑流量；P為評價區(qū)的人口數(shù)量。

Falkenmark指數(shù)直觀易行，反映的是人口與水資源之間的關系，定量揭示了人口與逐年更新的天然水資源關系的地域變化規(guī)律，以度量區(qū)域人均年水資源豐富程度。Falkenmark指數(shù)的水資源壓力分區(qū)評判標準見表1。

表1 Falkenmark指數(shù)的壓力分區(qū)評判標準Tab.1 Water barrier differentiation proposed by Falkenmark

Falkenmark指數(shù)將水資源壓力區(qū)域分為4個等級，見表1，當每年的人均水資源量大于1 700 m3/(人·a)時，表示評價區(qū)水資源量富足，天然來水情況樂觀；年人均水資源量為700～1 000 m3/(人·a)時，表示評價區(qū)處于高壓力區(qū)；年人均水資源量為500～1 000 m3/(人·a)時，表示評價區(qū)處于水資源短缺狀態(tài)；當每年的人均水資源量小于500 m3/(人·a)時，表示評價區(qū)為高壓力區(qū)，水資源出現(xiàn)嚴重短缺。

Falkenmark指數(shù)取決于評價區(qū)水資源總量和人口總數(shù)2個變量，為一個區(qū)域在現(xiàn)有人口總數(shù)下，所能平均分配的逐年天然水資源量。Falkenmark指數(shù)分析水資源總量指標與人口指標之間的關聯(lián)性，水資源為自然資源，而社會是由人組成的，因此，F(xiàn)alkenmark指數(shù)為基于天然來水角度的社會水壓力指標。Falkenmark指數(shù)的不足在于沒有考慮取水設施的可取水量以及評價區(qū)的需水情況。

2.2 水壓力指數(shù)

水壓力指數(shù)(Water stress indicator)定義為供水量與徑流量之比[2,3]，其計算公式為：

(2)

式中：WSI為水壓力指數(shù)；S為評價區(qū)的供水量；W為評價區(qū)內降水形成的徑流量。

水壓力指數(shù)反映的是年供水量與逐年更新的年徑流量之間的關系。供水量包括各種水源為用水戶提供的包括輸水損失在內的水量，供水量的水源包括地表水源、地下水源和其他水源三大類，地表水源供水量為蓄水、引水、提水、調水4類工程的供水量，地下水源供水量為水井工程的開采量，其他水源供水量為污水處理再利用、雨水利用和海水淡化工程的供水量。在評價區(qū)年徑流量充沛的情況下，供水量的確定不僅取決于該區(qū)域的用量，也取決于供水工程的取水規(guī)模，為這兩者的最小值。用水量按用戶特性分為生活用水、工業(yè)用水、農業(yè)用水和生態(tài)環(huán)境補水四大類，各類用水戶的水質狀況按《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838-2002)和《地下水質量標準》(GB/T 14848)規(guī)定的水質標準供水。徑流量即為水資源總量，根據(jù)《水資源公報編制規(guī)程》(GB/T 23598-2009)，水資源總量指評價區(qū)內當?shù)亟邓纬傻牡乇砗偷叵庐a水總量。

水壓力指數(shù)是一個無量綱的值，度量區(qū)域實際供水量與年徑流量的比例，揭示了水源工程供水量與逐年更新的天然水資源關系的變化規(guī)律。水壓力指數(shù)的水資源壓力分區(qū)評判標準見表2。

表2 水壓力指數(shù)的壓力分區(qū)評判標準Tab.2 Water barrier differentiation via WSI

水壓力指數(shù)將水資源壓力區(qū)域分為4個等級，見表2，當指數(shù)小于0.1時，表示評價區(qū)水資源量豐沛，水資源壓力低；當指數(shù)為0.1～0.2時，表示評價區(qū)水資源壓力中等；當指數(shù)為0.2～0.4時，表示評價區(qū)水資源壓力較高；當指數(shù)大于0.4時，表示評價區(qū)水資源出現(xiàn)嚴重短缺，水資源壓力高。

水壓力指數(shù)結合生活、工業(yè)、農業(yè)和生態(tài)環(huán)境用水量的統(tǒng)計分析，分析水源工程供水量指標與逐年更新的天然水資源量指標之間的關聯(lián)性，為一個區(qū)域年更新的天然水資源總量下，水源工程所能提供的實際供水量。因此，水壓力指數(shù)考慮了評價區(qū)的需水情況與取水工程的取水規(guī)模，為基于人類取水角度的技術水壓力指標。

3 基于水壓力指數(shù)的全國水資源利用狀況評估

本文分析資料為全國水資源一級區(qū)2006-2015年共10 a的水資源總量與用水量系列，數(shù)據(jù)來自《中國水資源公報》。依據(jù)《水資源公報編制規(guī)程》(GB/T23598-2009)，以1956-2000 年的水資源總量平均值作為多年平均值。

3.1 全國水資源一級區(qū)的水資源總量時空分布

全國水資源一級區(qū)的水資源總量的時間分布見圖1(a),從全國尺度看，2006-2015年水資源量變化較小，與多年平均值(27 711 億m3)相比，僅2009-2011這3 a的變化幅度超過了10%。南方4區(qū)的水資源量變化趨勢與全國水資源量變化趨勢大體一致，北方6區(qū)水資源量變化很小。

全國水資源一級區(qū)的水資源總量均值與離散系數(shù)見圖1(b)，全國水資源一級區(qū)水資源總量均值變化較大，其中南方的長江區(qū)水資源總量均值為9 424 億m3，而北方的海河區(qū)水資源總量均值為292 億m3。水資源一級區(qū)中60%的區(qū)域離散系數(shù)小于0.25，說明這些區(qū)域水資源的年際變化程度很小，如長江區(qū)離散系數(shù)為0.12，但其中的太湖流域離散系數(shù)為1.71，說明太湖流域水資源的年際變化劇烈。

圖1 2006-2015年全國水資源總量變化分析Fig.1 Variation analysis of national gross amount of water resources from 2006 to 2015

3.2 全國水資源一級區(qū)的用水量分布

全國水資源一級區(qū)2006-2015年總用水量如圖2(a)所示，年用水量大體呈現(xiàn)逐年增加趨勢，2010-2015年的用水總量均高于10 a平均值(6 013 億m3)，相鄰年份之間的用水量增長率不同，除了2014年的用水總量較2013年減少了1.4%。

全國水資源一級區(qū)的總用水量均值與離散系數(shù)見圖2(b)，全國水資源一級區(qū)總用水量均值變化較大，其中長江區(qū)總用水量最大，為1 986 億m3，占總用水量的33%；而西南諸河區(qū)總用水量最小，為165 億m3，占總用水量的3%。水資源一級區(qū)中西南諸河區(qū)的用水量離散系數(shù)為1.11，說明該區(qū)用水量的年際變化劇烈；東南諸河區(qū)與珠江區(qū)的用水量離散系數(shù)分別為0.42和0.31，說明這南方的這2個區(qū)用水量的年際變化程度中等；剩下的70%一級區(qū)離散系數(shù)小于0.25，說明這些區(qū)域水資源的年際變化程度很小。

根據(jù)《中國水資源公報》，用水量按用戶特性分為生活用水、工業(yè)用水、農業(yè)用水和生態(tài)環(huán)境補水四大類統(tǒng)計，其中全國農業(yè)用水所占總量最大，為63%；其次分別為工業(yè)用水和生活用水，占總量的22%和13%。各用水類型所占的比例如圖2(c)所示，其中西北諸河區(qū)農業(yè)用水比例最大，為該區(qū)總用水量的93%；長江區(qū)的太湖流域農業(yè)用水比例最小，占該區(qū)總用水量的22%。工業(yè)用水中，長江區(qū)的太湖流域工業(yè)用水比例最大，占該區(qū)總用水量的61%；西北諸河區(qū)工業(yè)用水比例最小，占該區(qū)總用水量的3%。生活用水比例在3%～20%之間變化，最小生活用水比例在西北諸河區(qū)，最大生活用水比例在東南諸河區(qū)。

圖2 2006-2015年用水量變化分析Fig.2 Variation analysis of water consumption from 2006 to 2015

3.3 全國水資源一級區(qū)的水壓力指數(shù)

全國水資源一級區(qū)的水壓力指數(shù)均值與離散系數(shù)見圖3，全國水資源一級區(qū)水壓力指數(shù)均值變化較大，其中海河區(qū)水壓力指數(shù)均值最大，為1.33，根據(jù)表2的壓力分區(qū)評判標準，海河區(qū)為高壓力區(qū)；而西南諸河區(qū)水壓力指數(shù)均值最小，為0.07，根據(jù)表2，西南諸河區(qū)為低壓力區(qū)。水資源一級區(qū)中西南諸河區(qū)水壓力指數(shù)的離散系數(shù)為2.28，說明該區(qū)水壓力指數(shù)的年際變化劇烈；長江區(qū)水壓力指數(shù)的離散系數(shù)為為0.12，說明該區(qū)水壓力指數(shù)的年際變化程度很?。欢L江區(qū)水壓力指數(shù)均值為0.21，屬于較高壓力區(qū)，其中，長江區(qū)的太湖流域水壓力指數(shù)均值為1.69，為高壓力區(qū)。從2006-2015年共10 a平均值來看，全國水資源利用的低壓力、中等壓力、較高壓力區(qū)與高壓力區(qū)的比例分別為10%、20%、21%和49%。

圖3 全國水資源一級區(qū)水壓力指數(shù)的均值和離散系數(shù)Fig.3 Mean value and discrete coefficient of WSI of first-grade districts of water resources in China

選擇 2015 年水資源一級區(qū)的水壓力指數(shù)來進行分析，見圖4，處于水資源高壓力區(qū)的區(qū)域占全國的比例為50%，為遼河區(qū)、海河區(qū)、黃河區(qū)、淮河區(qū)與西北諸河區(qū)；松花江區(qū)為水資源較高壓力區(qū)，長江區(qū)、東南諸河區(qū)和珠江區(qū)為水資源中等壓力區(qū)，西南諸河區(qū)為低壓力區(qū)。

圖4 2015年全國水資源一級區(qū)水壓力分布圖Fig.4 A water stress indicator distribution map of first-grade districts of water resources in China in 2015

4 結 語

本文探討了大空間尺度下水資源安全利用的Falkenmark 指數(shù)與水壓力指數(shù)評價方法，基于數(shù)據(jù)資料的易獲得性與評價指標的綜合實用性，應用水壓力指數(shù)評估方法，對全國水資源一級區(qū)的水資源利用狀況進行了分析評價。結果表明，全國水資源一級區(qū)的水壓力指數(shù)在2006-2015年盡管有波動，從10 a平均值來看，全國水資源利用的低壓力、中等壓力、較高壓力區(qū)與高壓力區(qū)的比例分別為10%、20%、20%和50%。說明水資源安全利用壓力較大，存在50%的超載區(qū)。本研究對大空間尺度的水資源安全利用評價只是初步的探索性研究，圍繞水資源安全利用有待進一步深入的完善和推廣研究。

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