潘歡迎，付泳琪

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)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(jīng)濟快速發(fā)展導(dǎo)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(xué)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(biāo)數(shù)目少，計算指標(biāo)所需資料的少、且資料較易獲取，因而指標(biāo)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(biāo)體系種類數(shù)目龐雜，指標(biāo)體系的構(gòu)建從概念框架到指標(biāo)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(yīng)模型[5]等；但指標(biāo)涉及的數(shù)據(jù)資料來源較困難，致使詳細(xì)的分項計算具有主觀性或可靠性較低，直接影響分析結(jié)果的客觀性與準(zhǔn)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(yīng)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(zhì)量下，結(jié)合當(dāng)?shù)毓┧こ碳夹g(shù)開發(fā)條件以及人民生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(jīng)濟技術(shù)之間的關(guān)系。參照大空間尺度水資源壓力指標(biāo)，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(chǔ)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(nèi)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(guān)系，定量揭示了人口與逐年更新的天然水資源關(guān)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(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 Falkenmark指數(shù)的壓力分區(qū)評判標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(dāng)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(yán)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(biāo)與人口指標(biāo)之間的關(guān)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(biāo)。Falkenmark指數(shù)的不足在于沒有考慮取水設(shè)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(nèi)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(guān)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(nèi)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(diào)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(nóng)業(yè)用水和生態(tài)環(huán)境補水四大類，各類用水戶的水質(zhì)狀況按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)和《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848)規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)當(dāng)?shù)亟邓纬傻牡乇砗偷叵庐a(chǎn)水總量。

水壓力指數(shù)是一個無量綱的值，度量區(qū)域?qū)嶋H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(guān)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(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 水壓力指數(shù)的壓力分區(qū)評判標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(dāng)指數(shù)為0.1～0.2時，表示評價區(qū)水資源壓力中等；當(dāng)指數(shù)為0.2～0.4時，表示評價區(qū)水資源壓力較高；當(dāng)指數(shù)大于0.4時，表示評價區(qū)水資源出現(xiàn)嚴(yán)重短缺，水資源壓力高。

水壓力指數(shù)結(jié)合生活、工業(yè)、農(nóng)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(biāo)與逐年更新的天然水資源量指標(biāo)之間的關(guān)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(shù)水壓力指標(biāo)。

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(nóng)業(yè)用水和生態(tài)環(huán)境補水四大類統(tǒng)計，其中全國農(nóng)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(nóng)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(nóng)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(biāo)準(zhǔn)，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)的年際變化程度很小；而長江區(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(jié) 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(biāo)的綜合實用性，應(yīng)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(jié)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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