基于水壓力指數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展導致需水量增加，水資源浪費、用水效率低與水環境污染并存等等。因此，水資源利用狀況評估對區域水資源的合理開發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評估是在一定的時空尺度下，根據水壓力指數，對水資源數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進行了不同尺度的研究，主要包括國家、流域與區域3種尺度。國家尺度的水資源壓力指數評估方法的特點是具有高度的宏觀性與概括性，指標數目少，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[1]，水壓力指數[2,3]等。區域尺度的水資源壓力指數評估方法的特點是指標體系種類數目龐雜，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：系統層次法[4]，壓力狀態響應模型[5]等；但指標涉及的數據資料來源較困難，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評估方法，對水壓力指數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為典型例子，應用水壓力指數評估方法對該研究區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開發利用提供參考。

2 水壓力指數評估方法

水壓力指數評估方法是在大空間評價區一定的人口及生態環境質量下，結合當地供水工程技術開發條件以及人民生活、工農業生產與生態環境保護等用水需求，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 指數與水壓力指數兩類指數評估方法進行評述。

2.1 Falkenmark 指數

Falkenmark 指數(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，定義為人均水資源量[1]，其計算公式為：

(1)

式中：FI為Falkenmark指數；W為評價區內降水形成的年徑流量；P為評價區的人口數量。

Falkenmark指數直觀易行，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律，以度量區域人均年水資源豐富程度。Falkenmark指數的水資源壓力分區評判標準見表1。

表1 Falkenmark指數的壓力分區評判標準Tab.1 Water barrier differentiation proposed by Falkenmark

Falkenmark指數將水資源壓力區域分為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，表示評價區處于高壓力區；年人均水資源量為500～1 000 m3/(人·a)時，表示評價區處于水資源短缺狀態；當每年的人均水資源量小于500 m3/(人·a)時，表示評價區為高壓力區，水資源出現嚴重短缺。

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

2.2 水壓力指數

水壓力指數(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；S為評價區的供水量；W為評價區內降水形成的徑流量。

水壓力指數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。在評價區年徑流量充沛的情況下，供水量的確定不僅取決于該區域的用量，也取決于供水工程的取水規模，為這兩者的最小值。用水量按用戶特性分為生活用水、工業用水、農業用水和生態環境補水四大類，各類用水戶的水質狀況按《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)和《地下水質量標準》(GB/T 14848)規定的水質標準供水。徑流量即為水資源總量，根據《水資源公報編制規程》(GB/T 23598-2009)，水資源總量指評價區內當地降水形成的地表和地下產水總量。

水壓力指數是一個無量綱的值，度量區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律。水壓力指數的水資源壓力分區評判標準見表2。

表2 水壓力指數的壓力分區評判標準Tab.2 Water barrier differentiation via WSI

水壓力指數將水資源壓力區域分為4個等級，見表2，當指數小于0.1時，表示評價區水資源量豐沛，水資源壓力低；當指數為0.1～0.2時，表示評價區水資源壓力中等；當指數為0.2～0.4時，表示評價區水資源壓力較高；當指數大于0.4時，表示評價區水資源出現嚴重短缺，水資源壓力高。

水壓力指數結合生活、工業、農業和生態環境用水量的統計分析，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性，為一個區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，水壓力指數考慮了評價區的需水情況與取水工程的取水規模，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2006-2015年共10 a的水資源總量與用水量系列，數據來自《中國水資源公報》。依據《水資源公報編制規程》(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 全國水資源一級區的水資源總量時空分布

全國水資源一級區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區水資源量變化很小。

全國水資源一級區的水資源總量均值與離散系數見圖1(b)，全國水資源一級區水資源總量均值變化較大，其中南方的長江區水資源總量均值為9 424 億m3，而北方的海河區水資源總量均值為292 億m3。水資源一級區中60%的區域離散系數小于0.25，說明這些區域水資源的年際變化程度很小，如長江區離散系數為0.12，但其中的太湖流域離散系數為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 全國水資源一級區的用水量分布

全國水資源一級區2006-2015年總用水量如圖2(a)所示，年用水量大體呈現逐年增加趨勢，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%。

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

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

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 全國水資源一級區的水壓力指數

全國水資源一級區的水壓力指數均值與離散系數見圖3，全國水資源一級區水壓力指數均值變化較大，其中海河區水壓力指數均值最大，為1.33，根據表2的壓力分區評判標準，海河區為高壓力區；而西南諸河區水壓力指數均值最小，為0.07，根據表2，西南諸河區為低壓力區。水資源一級區中西南諸河區水壓力指數的離散系數為2.28，說明該區水壓力指數的年際變化劇烈；長江區水壓力指數的離散系數為為0.12，說明該區水壓力指數的年際變化程度很小；而長江區水壓力指數均值為0.21，屬于較高壓力區，其中，長江區的太湖流域水壓力指數均值為1.69，為高壓力區。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、較高壓力區與高壓力區的比例分別為10%、20%、21%和49%。

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

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

圖4 2015年全國水資源一級區水壓力分布圖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 指數與水壓力指數評價方法，基于數據資料的易獲得性與評價指標的綜合實用性，應用水壓力指數評估方法，對全國水資源一級區的水資源利用狀況進行了分析評價。結果表明，全國水資源一級區的水壓力指數在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、較高壓力區與高壓力區的比例分別為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。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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