天津市水資源承載力的變化及驅(qū)動(dòng)力研究

席銳超，李繼清，王 勇

（華北電力大學(xué)可再生能源學(xué)院，北京 102206）

1 天津市水資源開發(fā)利用及存在的主要問題

天津市多年平均地表水資源量10.55億m3，地下水資源量 8.32億 m3，重復(fù)計(jì)算量 0.708億m3，多年平均水資源總量18.16億m3[1]。2008年天津市全市總供水量22.33億m3，其中地表水供水量15.96億m3，包含引灤水量6.14億m3；地下水供水量6.25億 m3； 再生水 0.08億 m3； 海水淡化 0.04億 m3。2008年天津市總用水量22.33億m3，其中生產(chǎn)用水18.57億m3，生活用水3.11億m3，生態(tài)用水0.65億m3；生產(chǎn)用水中，第一、第二和第三產(chǎn)用水量分別為13.21億、 4.02億m3和1.34億m3[2]。

由于城市污水排放和農(nóng)藥污染，加之各河流水量逐年減少，水體自凈能力降低，河流水體污染嚴(yán)重，水質(zhì)惡化。天津境內(nèi)19條河流大多數(shù)為Ⅴ類或劣Ⅴ類水質(zhì)。隨著上游地區(qū)及水庫周邊經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、污染源的增多，引灤水質(zhì)也受到了嚴(yán)重威脅。

地下水嚴(yán)重超采。地下水超采致使地下水位持續(xù)下降，最深已達(dá)90 m。長(zhǎng)期超采，還導(dǎo)致地面沉降，沉降區(qū)域范圍約7 300 km2。天津市水資源供需矛盾嚴(yán)重；但用水又十分浪費(fèi)。一些工業(yè)產(chǎn)品單位用水定額偏高，城市供水漏失嚴(yán)重，傳統(tǒng)的大水漫灌仍為主要灌溉方式，渠系綜合利用系數(shù)偏低。

天津市2008年人均水資源量?jī)H187 m3左右，遠(yuǎn)低于聯(lián)合國規(guī)定的人均水資源警戒線1 700 m3/人[3]，水資源供需矛盾突出。提高天津市的水資源承載能力，成為保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵。為此，本文將影響天津市水資源承載力變化的7個(gè)驅(qū)動(dòng)因子歸納為經(jīng)濟(jì)動(dòng)態(tài)壓力、社會(huì)壓力和環(huán)境壓力三類，通過主成分分析[4]，得到影響水資源承載力的主要因子，進(jìn)而通過回歸分析建立多元線性回歸模型，預(yù)測(cè)出2020年及2030年的用水總量，并結(jié)合天津市水資源現(xiàn)狀提出相關(guān)的建議和措施。

2 天津市水資源承載力變化的驅(qū)動(dòng)力分析

20世紀(jì)80年代，聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）明確提出了“資源承載力”的概念[5]，接著就相繼出現(xiàn)了土地、礦產(chǎn)資源和水資源承載能力研究等。當(dāng)前，對(duì)水資源承載力的定義為 “在一定的水資源開發(fā)利用階段，滿足生態(tài)需求的可利用水量能夠維系有限發(fā)展目標(biāo)的最大的社會(huì)-經(jīng)濟(jì)規(guī)模[6]”，“利用本地的可用水源，在保證人類生物學(xué)用水需要、生態(tài)良性發(fā)展的前提下，在保護(hù)符合其社會(huì)文化準(zhǔn)則的生活水平下所能持續(xù)供養(yǎng)的最大人口數(shù)量[7]”。

從對(duì)水資源承載力的影響看，其影響因子又可分為正相關(guān)因素 （如降水量增加、加大地下水的開發(fā)利用及發(fā)展節(jié)水型農(nóng)業(yè)等）和負(fù)相關(guān)因素 （如干旱天氣、工業(yè)用水加大和生活用水量增多等）[8]。這些因素不僅與水資源量之間存在著相關(guān)關(guān)系，而且相互之間也存在著關(guān)聯(lián)。從近年來的天津市水資源變化的實(shí)際情況看，主要影響因素是人類的活動(dòng)。因此，著重分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)天津市水資源承載力變化的影響。

通過查閱1991年～2008年天津市統(tǒng)計(jì)年鑒和水利年鑒，從中選取7個(gè)因子：X1為總?cè)丝跀?shù)，萬人；X2為國內(nèi)生產(chǎn)總值，億元；X3為工業(yè)用水量，億m3；X4為生活用水量，億m3；X5為農(nóng)業(yè)用水量，億m3；X6為工業(yè)總產(chǎn)值，億元；X7為萬元工業(yè)產(chǎn)值用水量，億 m3；Y為總用水量，億 m3。應(yīng)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見表1～3。

表1 水資源承載力變化承載力變量相關(guān)系數(shù)矩陣

由表1可以看出，在影響水資源承載力的7個(gè)驅(qū)動(dòng)因子之間存在著不同程度的相關(guān)性，其中X1與X2、X6； X2與 X6之間具有較大的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)分別為0.982、0.983和0.945。

表2 特征值及主成分貢獻(xiàn)率

表3 主成分載荷矩陣

由表2可知，第一、第二和第三主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率已達(dá)到96.905%，符合分析要求，由此進(jìn)一步得出主成分載荷矩陣（表3）。主成分載荷是主成分與變量之間的相關(guān)系數(shù)。從第一主成分可以看出，X1、 X2和 X6之間有很大的正相關(guān)，X5與第二主成分具有較大的正相關(guān)， X3與第三主成分有較大的正相關(guān)。據(jù)此，天津市水資源承載力變化驅(qū)動(dòng)因子可歸納為以下三類因素：

（1）社會(huì)因素。構(gòu)成第一主成分的主要因子之一是人口。人口作為一種持續(xù)的外界壓力，對(duì)水資源承載力的變化起著重要作用。人口增長(zhǎng)、人均生活用水量的提高，以及城市環(huán)境建設(shè)是帶動(dòng)生活用水迅速遞增的主要驅(qū)動(dòng)因素。

（2）經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素。構(gòu)成第一主成分的主要因子的其他兩個(gè)方面為—國內(nèi)生產(chǎn)總值GDP和工業(yè)總產(chǎn)值，都是經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素，對(duì)水資源承載力變化的影響尤為顯著。從數(shù)據(jù)上看，天津市GDP從1991年到2008年間的變化呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭。另外，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高，也使得需水量大大增加。按照天津市發(fā)展規(guī)劃，未來天津市的工業(yè)依然會(huì)保持較高的發(fā)展速度，而2008年天津市工業(yè)循環(huán)水重復(fù)利用率已經(jīng)達(dá)到94%[9]，要進(jìn)一步提高非常困難，未來工業(yè)用水繼續(xù)保持負(fù)增長(zhǎng)勢(shì)態(tài)不太可能。但是，根據(jù)首都經(jīng)濟(jì)圈的發(fā)展定位，未來產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整將進(jìn)一步深化，從而促使工業(yè)綜合用水定額大幅度下降；同時(shí)，隨著市場(chǎng)機(jī)制的健全，對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求的提高，合理水價(jià)和更嚴(yán)格的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)也將限制工業(yè)取水量的增加。因此，預(yù)計(jì)未來短時(shí)期內(nèi)工業(yè)用水量仍將在原有的基礎(chǔ)上略有增加。

（3）環(huán)境因素。由于天津市污水排放和農(nóng)藥污染，加之各河流水量逐年減少，水體自凈能力降低，各河水體污染嚴(yán)重，水質(zhì)惡化十分嚴(yán)重，給原本短缺的水資源造成了新的負(fù)擔(dān)和難題。

3 天津市水資源承載力變化分析

3.1 水資源承載力變化驅(qū)動(dòng)因子的多元線性回歸模型

通過以上主成分分析可知，天津市1991年～2008年的水資源量 （因變量Xn）與其承載力 （自變量Y）之間存在線性關(guān)系，可對(duì)引起水資源承載力變化的各種因子進(jìn)行多變量的回歸分析，以便確定水資源承載力變化的原因。采用逐步回歸方法（Stepwise）， 即按全部的自變量 X1， X2， …， Xn對(duì)Y貢獻(xiàn)值的大小進(jìn)行比較，并通過F檢驗(yàn)法，選擇偏回歸平方和顯著的變量進(jìn)入回歸方程。當(dāng)一個(gè)變量被引入后，對(duì)原已引入回歸方程的變量，逐個(gè)檢驗(yàn)其偏回歸平方和；如果引入新的變量使得已進(jìn)入方程的變量變?yōu)椴伙@著時(shí)，則及時(shí)從偏回歸方程中剔除該變量；只有當(dāng)回歸方程中的所有自變量對(duì)Y都有顯著影響而不需要剔除時(shí)，在考慮從未選入方程的自變量中，挑選對(duì)Y有顯著影響的新的變量進(jìn)入方程。不斷重復(fù)這一過程，直到無法剔除已引入的變量，也無法再引入新的自變量時(shí)，逐步回歸過程結(jié)束。通過這種方法進(jìn)行的回歸分析，得到三種組合模型，其相應(yīng)的模型擬合度值如表4所示。

表4 模型擬合度及回歸方程

由表4可以看到，模型2、3的擬合度都能滿足要求 （>90%），模型2的自變量包括工業(yè)用水量和農(nóng)業(yè)用水量，而模型3的自變量不僅包括這兩個(gè)用水量，還包括了人口，且模型3的擬合度為0.957高于模型2的0.936。因此，選擇模型3為本文水資源承載力變化的多元模型。其回歸方程為

由式 （1）的邏輯關(guān)系分析，天津市總用水量的增加主要由兩部分引起：一是用水人口增加導(dǎo)致用水規(guī)模的增加，引起用水量的增加；二是工業(yè)用水量和農(nóng)業(yè)用水量的增加。所以，在回歸方程中能反映此兩方面的因素是比較合理的。

3.2 水資源承載力變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

由于天津市近年采取了節(jié)水政策，因此生活及農(nóng)業(yè)用水量的變化并不呈線性、單一的遞增或遞減。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，假設(shè)以1991年數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)點(diǎn)，工業(yè)用水量和農(nóng)業(yè)用水量的增長(zhǎng)率分別為3.56%和2.05%。由多元線性回歸模型采用滑動(dòng)平均值法可以預(yù)測(cè)出，2020年和2030年天津市總用水量分別為35.70億m3和41.74億m3；而假設(shè)并未采取節(jié)水開源措施，則可供水量可認(rèn)為保持不變，約為22億m3。由此得出，可供水量滿足不了需水量要求，2020年和2030年天津市將缺水13.70億m3和19.74億m3，缺水較嚴(yán)重。

4 天津市水資源承載力變化情況下的政策措施

天津市的水資源短缺是資源性的，單靠節(jié)約用水不能從根本上解決問題，所以要實(shí)行開源和節(jié)流并重的政策。

“開源”方面，主要寄希望于南水北調(diào)中線工程。南水北調(diào)中線一期工程實(shí)施后，引江中線水源將從天津市的西部河泵站入津，成為天津市中心城區(qū)新開河水廠、芥園水廠、凌莊子水廠的主要水源之一[10]。配套西干線工程建成后，中心城區(qū)可實(shí)現(xiàn)引江、引灤雙水源供水，從而改善天津市區(qū)水資源短缺局面，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供可靠水源保障。

“節(jié)流”方面具體有以下幾種形式：①通過減少水的無效和低效損耗，提高農(nóng)業(yè)用水水資源利用效率。結(jié)合生態(tài)農(nóng)業(yè)的理念實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)利用，以達(dá)到節(jié)水的目的。②通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整和科學(xué)配置水資源提高單方耗水的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)產(chǎn)出量。在工業(yè)取水總量零增長(zhǎng)或微增長(zhǎng)的情況下，保證工業(yè)產(chǎn)值的快速增長(zhǎng)。③開發(fā)利用替代性水源，以減少一次性淡水用量。如，利用再生水替代水源等。④通過虛擬水貿(mào)易，減少當(dāng)?shù)赜盟枨?。⑤提高?jié)水意識(shí)，推廣節(jié)水器具，降低天津市人口生活用水的綜合定額。

5 結(jié)論

天津市水資源嚴(yán)重短缺并且是資源性缺水，用水需求已大大超過水資源的承載力。通過主成分分析，將影響天津市水資源承載力變化的7個(gè)因子歸納為經(jīng)濟(jì)動(dòng)態(tài)壓力、社會(huì)壓力和環(huán)境壓力三類。從單個(gè)因子來看，生活用水量、農(nóng)業(yè)用水量和人口是影響水資源承載力變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。在驅(qū)動(dòng)力分析基礎(chǔ)上，建立多元回歸模型，預(yù)測(cè)出2020年和2030年天津市總用水量分別為35.70億m3和 41.74億m3。天津市的資源性水資源短缺，單靠節(jié)約用水不能從根本上解決問題，需實(shí)行開源和節(jié)流并重的政策。

［1］ 張凱.關(guān)于天津市水資源價(jià)值與水價(jià)值的研究［D］.天津：天津大學(xué)管理學(xué)院，2006.

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