北京市水資源供需分析與預(yù)測(cè)研究

北京市水資源供需分析與預(yù)測(cè)研究

1評(píng)價(jià)方法與評(píng)價(jià)隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展和人口的大規(guī)模需求，中國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了中間缺水國(guó)家的行列。特別是，作為中國(guó)北方嚴(yán)重缺水的大城市，它對(duì)水資源的需求具有更緊迫的需求。在此形勢(shì)下,我國(guó)已著力實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度,將水資源、水環(huán)境工程總量控制作為我國(guó)治水的基本戰(zhàn)略,確保水資源的可持續(xù)發(fā)展。近年來(lái),隨著水資源可持續(xù)利用的重要性不斷突出,水資源綜合管理的方法與策略成為研究熱點(diǎn)。國(guó)外水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)研究主要包括國(guó)家、地區(qū)、流域三種研究尺度。2006年,AndreoB等采用水資源多時(shí)間尺度分析方法對(duì)伊比利亞半島南部水資源進(jìn)行了研究,結(jié)果認(rèn)為降水對(duì)水資源的供給量影響較大。2010年,RebeccaL等從生態(tài)系統(tǒng)角度的不同方面入手,研究提出了全球性水資源可持續(xù)利用管理的策略,但均沒有從整個(gè)流域的角度出發(fā),建立較為全面的評(píng)價(jià)體系對(duì)流域內(nèi)水資源綜合管理策略進(jìn)行研究。國(guó)內(nèi)水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)研究方法較多,多采用建立水資源可持續(xù)利用指標(biāo)體系的方法,2007年,陳守煜等采用可變模糊評(píng)價(jià)法對(duì)西安市水資源可持續(xù)利用情況進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),結(jié)果具有較好的適用性,但未能定量化的從宏觀層面開展評(píng)價(jià)。2010年,杜超等采用Bossel可持續(xù)評(píng)價(jià)的理論框架篩選出36個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)雙城市地下水資源可持續(xù)利用狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià),這些評(píng)價(jià)方法所采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)資料來(lái)源較困難,數(shù)據(jù)分析過(guò)程較為復(fù)雜。總結(jié)目前國(guó)內(nèi)外研究資料發(fā)現(xiàn),大部分研究集中于對(duì)水資源供給或水資源需求單一方面的研究,并未從水資源需求、供給雙向調(diào)節(jié)的角度,選定合適指標(biāo)對(duì)區(qū)域水資源動(dòng)態(tài)平衡開展分析,且不同區(qū)域的指標(biāo)體系也存在差異,難以形成可推廣使用的評(píng)價(jià)方法。以系統(tǒng)工程理論為科學(xué)基礎(chǔ),吳季松教授創(chuàng)建了水資源總量控制工程管理動(dòng)平衡態(tài)模型。本文以該水資源總量控制工程管理動(dòng)平衡態(tài)模型為理論基礎(chǔ),基于總量管理策略,以北京市水資源可持續(xù)發(fā)展能力為研究對(duì)象,開展北京市水資源動(dòng)態(tài)供需平衡應(yīng)用研究。通過(guò)對(duì)北京市水資源開發(fā)利用數(shù)據(jù)的分析,定量化地描述北京市水資源需求與供給之間的動(dòng)態(tài)供需矛盾關(guān)系,并進(jìn)行定量分析預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)。根據(jù)對(duì)形勢(shì)的發(fā)展預(yù)測(cè),提出了解決北京市水資源供給與需求矛盾的對(duì)策建議。2水資源動(dòng)態(tài)平衡模型根據(jù)系統(tǒng)工程的理論方法,開展水資源動(dòng)平衡態(tài)供需關(guān)系研究,應(yīng)當(dāng)從系統(tǒng)總體出發(fā),綜合考慮自然、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等因素的相互關(guān)系,明確發(fā)展目標(biāo),建立數(shù)學(xué)模型,采用合理的優(yōu)化計(jì)算方法,并對(duì)合理的開發(fā)利用方案進(jìn)行定量分析和綜合評(píng)價(jià),從而提出系統(tǒng)化的管理方案。因此,本文應(yīng)用吳季松教授提出的水資源總量控制工程管理動(dòng)平衡態(tài)模型,從總量管理的角度開展北京市水資源動(dòng)態(tài)供需平衡應(yīng)用研究。該模型的理論結(jié)構(gòu)如下所述。根據(jù)水資源循環(huán)的規(guī)律,總量控制以年為時(shí)間單元,水資源動(dòng)態(tài)平衡有如下模型,見式(1):其中,水資源總供給WS包括地表水Wg、地下水Wu和再生水Wr,它們之間的關(guān)系如式(2)所示:根據(jù)以上公式可知,所建立的水資源動(dòng)態(tài)平衡模型即為供給總量與需求總量之間存在的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系,需求量要符合供給量才能夠保證年度內(nèi)水資源的利用達(dá)到平衡,才能保證水環(huán)境狀況在正常狀態(tài)下,動(dòng)態(tài)平衡模型如式(4)所示:在定量化描述動(dòng)態(tài)供需關(guān)系時(shí),需要綜合考慮影響水資源動(dòng)態(tài)平衡的因素,該模型中涉及因素的符號(hào)及意義見表1所示。本文所用數(shù)據(jù)均來(lái)自于2002~2012年《北京市水資源公報(bào)》《北京市統(tǒng)計(jì)年鑒》《北京市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》中公布的有關(guān)水資源的開發(fā)利用的官方數(shù)據(jù)。3北京水資源的供水量應(yīng)分析根據(jù)水資源的用途需求,可以將水資源需求從總體上分為三類:生活用水、生產(chǎn)用水和生態(tài)用水。3.1生活用水總量生活用水需水量包括居民的生活用水(包括第三產(chǎn)業(yè)(服務(wù)業(yè))等的用水),還包含居民用于生活環(huán)境所使用的水量。生活用水量Dl由居民總?cè)丝跀?shù)X和居民人均生活用水水量AD決定,之間存在正相關(guān)關(guān)系,計(jì)算關(guān)系如式(5)所示:在模型計(jì)算中,居民人口總數(shù)量是指該城市的年末統(tǒng)計(jì)的常住人口。同時(shí),實(shí)際計(jì)算中因第三產(chǎn)業(yè)用水和生活用水難以區(qū)分,故將第三產(chǎn)業(yè)用水統(tǒng)一劃入生活用水的計(jì)算中。從表2中所列的北京市生活用水總量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出,人均用水量相對(duì)基本穩(wěn)定,人均用水量在82.67m3.而隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,人口數(shù)量也在持續(xù)增加,2011年已經(jīng)突破了兩千萬(wàn)人,AD已從2001年的86.6m3/人·年降到2011年的77.3m3/人·年。如果人口繼續(xù)增加,人均供水還會(huì)下降,可能降到68m3/人·年的滿足舒適生活的需水線以下。人口數(shù)的增加直接導(dǎo)致了生活用水總量的增加。以2012年北京市常住人口為基點(diǎn),采用Leslie預(yù)測(cè)模型和灰色系統(tǒng)GM(1,1)模型,對(duì)2011~2050年北京市常住人口的自然增長(zhǎng)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果發(fā)現(xiàn)常住人口的自然發(fā)展結(jié)果呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),至2025年,北京市常住人口的數(shù)量達(dá)到最大,為2102.1萬(wàn)人。假定人均用水量不隨時(shí)間發(fā)生較大變動(dòng),可以發(fā)現(xiàn)在2025年前北京市生活用水量將呈現(xiàn)持續(xù)增加的形勢(shì),對(duì)水資源的需求量將不斷增加。在2025年后2050年前,由于人口老齡化問題,人口總量將會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),生活用水需求量將會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。3.2北京市農(nóng)業(yè)節(jié)水措施我國(guó)將三大產(chǎn)業(yè)分為第一產(chǎn)業(yè)———農(nóng)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)———工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)———服務(wù)業(yè)。為方便實(shí)際計(jì)算,第三產(chǎn)業(yè)用水已統(tǒng)一劃入生活用水中,因此,生產(chǎn)用水Dp的計(jì)算由兩部分組成:第一產(chǎn)業(yè)用水Dp1和第二產(chǎn)業(yè)用水Dp2,計(jì)算關(guān)系如式(6)所示:其中,第一產(chǎn)業(yè)用水Dp1=萬(wàn)元GDP產(chǎn)值用水量AG×第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值G1(萬(wàn)元);第二產(chǎn)業(yè)用水Dp2=萬(wàn)元GDP產(chǎn)值用水量AG×第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值G2(萬(wàn)元)。根據(jù)表3中萬(wàn)元GDP水耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,每年萬(wàn)元GDP耗水量在逐年降低。在前一階段的發(fā)展過(guò)程中,北京市工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。農(nóng)業(yè)用水量的降低與開展農(nóng)業(yè)節(jié)水措施有很大的關(guān)系。根據(jù)歷年數(shù)據(jù),對(duì)萬(wàn)元GDP水耗的變化規(guī)律進(jìn)行指數(shù)模擬,并用于預(yù)測(cè)今后時(shí)期生產(chǎn)用水量的變化規(guī)律。研究認(rèn)為,在國(guó)家相關(guān)規(guī)劃方案的指引下,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,北京市的萬(wàn)元GDP的水耗將會(huì)持續(xù)降低,但是由于GDP的增長(zhǎng)速度大于萬(wàn)元GDP水耗的降低速度,因此在短期內(nèi),工業(yè)生產(chǎn)用水仍將增加,預(yù)計(jì)到到2020年左右達(dá)到峰值,需求量約為11.43億m3,但隨著北京非首都核心功能的疏解、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和科技水平的快速發(fā)展,萬(wàn)元GDP耗水量的降低幅度會(huì)逐步大于GDP增長(zhǎng)幅度,到2050年左右,生產(chǎn)過(guò)程的耗水量將會(huì)大幅降低,將導(dǎo)致生產(chǎn)用水總量開始減少,這將有利于后期北京市水資源的有效利用和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。3.3北京市生態(tài)需水資源生態(tài)用水量是針對(duì)具體的生態(tài)系統(tǒng),在保持其生態(tài)系統(tǒng)功能的前提下,以地帶性理論、水文循環(huán)、水量平衡、水力學(xué)理論、遙感等高新技術(shù)為基礎(chǔ)所計(jì)算出來(lái)的,在一定范圍內(nèi)存在和變化的構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的各項(xiàng)需水量的廣義和。生態(tài)用水De主要用于維持地下水埋深。從表4中歷年生態(tài)用水?dāng)?shù)據(jù)可以看出,北京市的生態(tài)用水自2002年的0.8億m3,僅用于公園和綠地用水,到2012年的生態(tài)用水增至5.7億m3,使北京從河道基本無(wú)水到水系初成,對(duì)修復(fù)北京生態(tài)系統(tǒng)起了重要作用,還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。從多年平均降雨量來(lái)看,北京市在2002~2012年處于降水偏枯年,水資源總量折合地表徑流深僅為138mm,達(dá)不到維系北京現(xiàn)有較好植被的200mm最低標(biāo)準(zhǔn)。由此可見,北京市對(duì)生態(tài)需水仍然具有較大需求。為了維護(hù)北京市生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展,假設(shè)生態(tài)用水補(bǔ)給地下水的需求仍然持續(xù)增加,恢復(fù)到北京歷史上“河湖縱橫、清泉四溢”的水鄉(xiāng)景象,通過(guò)對(duì)北京市生態(tài)用水的預(yù)測(cè)分析發(fā)現(xiàn),依據(jù)現(xiàn)在增長(zhǎng)速度,北京市對(duì)生態(tài)系統(tǒng)用水具有較大的需求量,在改善城市水系、綠化及相關(guān)市政工程的應(yīng)用等方面對(duì)生態(tài)水的需求量巨大,預(yù)計(jì)到2050年將達(dá)到26.54億m3,是目前生態(tài)用水量的5倍左右。4地表和地下水依據(jù)水資源分布的地理位置與來(lái)源途徑,水資源的供給可分為三個(gè)方面:地表水,地下水和再生水。分析三類供給途徑的開發(fā)現(xiàn)狀,可明確水資源供給中的主要來(lái)源,并為今后的合理化開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支持。4.1地表水資源量與年降雨y的關(guān)系地表水主要來(lái)自于降雨,地表水供水量受流域降雨量、流域入境水量、流域出境水量、地表水下滲水量和地表面揮發(fā)量等相關(guān)因素的影響。從數(shù)學(xué)關(guān)系方面分析,可以認(rèn)為地表水資源量與降雨量具有較高的正相關(guān)性。一般的計(jì)算方法是,地表水資源量Wtg=降水總量×(1-水的蒸發(fā)系數(shù))=(年降雨量Y×江水流域面積)×(1-水的蒸發(fā)系數(shù)),從這個(gè)計(jì)算數(shù)量關(guān)系可以看出,地表水資源量Wtg與降雨量Y的關(guān)系是線性的,通過(guò)對(duì)歷年數(shù)據(jù)的分析可以獲得更為詳細(xì)的數(shù)量關(guān)系。而地表水供給量Wg與地表水資源量具有復(fù)雜的計(jì)算關(guān)系,與降與量、入境水量、出境水量、地表水下滲水量和水揮發(fā)量相關(guān)。為維系生態(tài)系統(tǒng),對(duì)地表水的利用必須加以控制。表5所示為北京市歷年地表水供給數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表。將北京市歷年地表水資源量與歷年的年平均降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析發(fā)現(xiàn),地表水資源量與降雨量呈現(xiàn)了較好的線性關(guān)系,得到地表水資源量Wt與年降雨量Y存在的線性關(guān)系如式(7)所示,線性方程的回歸系數(shù)R2=0.913。通過(guò)建立的線性模擬模型,可以有效地預(yù)測(cè)北京市今后時(shí)期的地表水資源量。通過(guò)預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn),在今后一段時(shí)間內(nèi)北京市的地表水供水總量持續(xù)緩慢下降,到2020年之后地表水供給量將低于3.5億m3,若不加以控制,到2050年,地表水供給量更是將降低到2億m3左右,都會(huì)對(duì)北京市的水資源開發(fā)利用造成嚴(yán)重影響。4.2北京市地下水資源量與降雨的關(guān)系地下水補(bǔ)給的直接來(lái)源是地表水的滲流,間接來(lái)源就是降雨。而地表水滲流的多少與地表水資源量Wg成正相關(guān)關(guān)系,因此地下水供給量Wu與降雨量Y也呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。在地表水下滲漏的過(guò)程中與地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地表水量大小、降雨量大小等諸多因素有關(guān),呈現(xiàn)出多因素影響下的非線性關(guān)系。表6中為北京市地下水供給數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表,從表中數(shù)據(jù)可以看出,降雨量的增多有利于地下水資源量的提高,進(jìn)而提高了地下水供給量。通過(guò)對(duì)歷年地下水資源量Wtu與降雨量Y的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),Wtu與Y的關(guān)系不是簡(jiǎn)單的線性或指數(shù)的關(guān)系,而是呈現(xiàn)多項(xiàng)式的關(guān)系,得到的地下水資源量與降雨量的關(guān)系如式(8)所示。分析原因認(rèn)為是由于地下水資沾的總量還有地質(zhì)特點(diǎn)等諸多因素有關(guān)。資料表明,北京市由于地下水的過(guò)度開采,地下水位下降極為嚴(yán)重,已經(jīng)導(dǎo)致了很多湖泊干涸、河流斷流的情形。根據(jù)表6中的官方數(shù)據(jù),從目前趨勢(shì)來(lái)看,地下水供給量正呈現(xiàn)逐年降低的趨勢(shì)。通過(guò)預(yù)測(cè)分析發(fā)現(xiàn),若以現(xiàn)有的速度無(wú)序超采,地下水資源持續(xù)降低,到2040~2050年期間,北京市地下水資源將消耗殆盡,那時(shí)的生態(tài)系統(tǒng)將遭到毀滅性的破壞。為了保持生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展,對(duì)地下水的開采必須加以合理控制。4.3水資源供給量預(yù)測(cè)再生水資源作為現(xiàn)在北京市生態(tài)用水的主要供給方,保障了北京市的生態(tài)綠化環(huán)境用水。再生水是解決目前北京市水資源短缺的一個(gè)重要途徑。再生水主要是指將生活污水、工業(yè)廢水和污水處理廠出水等喪失原有使用價(jià)值的非傳統(tǒng)水源回收之后,經(jīng)過(guò)特定的處理過(guò)程使水質(zhì)達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn),并在與標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)的范圍內(nèi)重復(fù)使用的水。再生水的使用量Wr由三個(gè)因素決定,即污水排放總量Q、城鎮(zhèn)污水的處理率p以及城鎮(zhèn)再生水的利用率q.根據(jù)再生水的定義知,再生水量的計(jì)算公式如式(9)所示:通過(guò)以上假定,分析得到水資源供給量的計(jì)算公式如式(10)所示:表7所列的是北京市歷年來(lái)再生水資源利用量統(tǒng)計(jì),通過(guò)表7中數(shù)據(jù)可以看出,為了保證北京市水資源供給滿足需求,北京市幾年來(lái)一直加大對(duì)再生水資源的開發(fā)利用,保障在城市綠化、工業(yè)冷卻水、農(nóng)田灌溉等方面的用水需求。根據(jù)歷年來(lái)污廢水的排放數(shù)據(jù),假定今后各年的污廢水排放量均以每年3%左右持續(xù)增加,同時(shí)結(jié)合國(guó)家目前有關(guān)污廢水處理的相關(guān)政策文件,假定北京市污水處理率p年均上漲1%,最終上漲到95%,大量的再生水資源得到利用,將成為水資源供給的作要來(lái)源。預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)北京市再生水量將持續(xù)增加。污水再生利用是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn),針對(duì)于污水中存在的難降解有機(jī)物、病菌、重金屬等的處理已經(jīng)成為污水處理行業(yè)的重點(diǎn)研究方向。處理后的污水在經(jīng)過(guò)深度凈化達(dá)到相關(guān)更加嚴(yán)格的處理標(biāo)準(zhǔn)后,再生水就可以用作農(nóng)業(yè)用水或生活用水。因此,隨著污水凈化技術(shù)的發(fā)展,再生水資源供水量將會(huì)逐年增加,將對(duì)水資源的供給將產(chǎn)生更大的作用。5水資源供給總量分析根據(jù)北京市水資源歷年數(shù)據(jù),對(duì)北京市今后時(shí)期水資源需求與供給的發(fā)展形勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè),在不考慮從流域外調(diào)水情況下,預(yù)測(cè)結(jié)果如圖1所示。從圖1中的數(shù)據(jù)關(guān)系可見,北京市的水資源供需矛盾在今后一個(gè)時(shí)期將更為嚴(yán)峻,2015年以后,水資源總量動(dòng)平衡態(tài)關(guān)系將被打破,水資源供給將不能滿足水資源需求量。水資源的短缺將會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響,一方面,由于水資源短缺,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將會(huì)受到較大限制,生活用水供給將受到制約,同時(shí),水環(huán)境系統(tǒng)也會(huì)因?yàn)橘Y源短缺而受到破壞,另一方面,由于水資源短缺會(huì)減弱水生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力,水質(zhì)惡化,導(dǎo)致可利用的水資源量進(jìn)一步減少,形成惡性循環(huán),生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展將受到嚴(yán)重影響。圖2所示為北京市歷年水資源供給總量的占比關(guān)系,從圖中可以看出,地下水供給是目前北京市水資源的主要來(lái)源,但是隨著地下水的過(guò)度開采,所占比重呈現(xiàn)整體下降趨勢(shì)。地表水資源受降雨量的影響較大,從圖中可以看出,地表水資源供給量也呈現(xiàn)整體下降趨勢(shì),而隨著污廢水處理及再生利用程度的加大,再生水資源所占比重呈現(xiàn)快速增加的趨勢(shì)。綜合目前發(fā)展形勢(shì),認(rèn)為地下水供給仍將是水資源供給的主要方面,再生水資源供給量將超過(guò)地表水供給,成為水資源供給的第二大來(lái)源。根據(jù)前面對(duì)水資源需求的論述,從雙向調(diào)節(jié)的角度考慮,生態(tài)用水需求量的增加,主要用于提高地下水資源量,保障今后水資源的供給,另一方面,生態(tài)需水量的增加,將會(huì)提高對(duì)地表水和再生水供給的需求,因此,加大地表水供給和再生水供給對(duì)于實(shí)現(xiàn)水資源動(dòng)平衡態(tài)關(guān)系具有重要意義。2014年,南水北調(diào)中線工程將全面通水,根據(jù)規(guī)劃,平均每年向北京市供水約10億m3,不僅能明顯增加北京的地表水供給總量,而且能減少對(duì)地下水的超采,使地下水得到補(bǔ)充和涵養(yǎng),多方位緩解北京工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活和生態(tài)系統(tǒng)用水需求。渤海是距離北京最近的海域,曹妃甸等海域的海水水質(zhì)常年穩(wěn)定,目前凈化后的水質(zhì)達(dá)到國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)施渤海水淡化調(diào)水入京工程,在成本方面,由于凈化、調(diào)水成本的不斷降低,加上政府補(bǔ)貼及階梯水價(jià)等價(jià)格調(diào)節(jié),成本可逐漸為市民接受。在調(diào)水效果方面,如日產(chǎn)100萬(wàn)噸淡化海水,每年可為北京供