許雪婷 蔡冠清 郝芳華# 童 莉 劉志學(xué) 程紅光(.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，水環(huán)境模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 00875；.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心，北京 000)

水是人類賴以生存的物質(zhì)，雖然我國的水資源總量很豐富，位居世界第6，但土地畝均占有量為世界平均占有量的1/2，人均占有量僅為世界人均占有量的1/4[1-2]。近些年，我國人口數(shù)量急劇膨脹，產(chǎn)生水資源短缺、水質(zhì)惡化等問題；同時我國的水土資源分布不相匹配、水資源時間和空間的不均勻分布及水資源污染嚴(yán)重但處理率低等問題，使得水資源成為制約我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的一個越來越重要的因素[3-4]。而目前我國超過半數(shù)的城市在發(fā)展過程中受到水資源短缺的制約。因此，在不破壞生態(tài)與環(huán)境的前提下，對區(qū)域水資源承載力開展研究可實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源的持續(xù)發(fā)展，優(yōu)化配置，協(xié)調(diào)人與水環(huán)境之間的關(guān)系。水資源的量與社會經(jīng)濟(jì)規(guī)模的關(guān)系也一直是各專家研究的熱點(diǎn)[5-6]。目前我國對水資源承載力的研究以生態(tài)環(huán)境為對象，考慮通過各種手段實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置，提高水資源承載力。

在區(qū)域水資源承載力評價的過程中需要考慮區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)以及水環(huán)境等子系統(tǒng)的影響。系統(tǒng)動力學(xué)是系統(tǒng)科學(xué)的一個分支，是一種以反饋調(diào)節(jié)理論為基礎(chǔ)、將計算機(jī)手段與系統(tǒng)理論相結(jié)合的方法與理論[7]，主要用于研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的動態(tài)結(jié)構(gòu)與反饋機(jī)制，被廣泛應(yīng)用于社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、生態(tài)、軍事、能源等領(lǐng)域[8]。應(yīng)用此方法是對系統(tǒng)進(jìn)行仿真動態(tài)實(shí)驗(yàn)，并通過嘗試不同情境下所采用的不同措施模擬并觀察結(jié)果。這種模擬方法可用于處理周期性和長期性的問題，因?yàn)樗且环N因果機(jī)制性模型，其強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)制決定系統(tǒng)行為[9-10]。可解決高階非線性動態(tài)的經(jīng)濟(jì)社會問題，可充分展示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與變化趨勢，有利于區(qū)域環(huán)境、人口、資源以及社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展[11-13]。STELLA軟件為圖形導(dǎo)向的系統(tǒng)動力學(xué)模型，是最早用于動態(tài)模擬的軟件之一，因?yàn)檩^友好的圖形界面，在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用，在模擬過程中發(fā)揮巨大作用[14-15]。使用者只需了解所需模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和行為的動態(tài)變化過程，運(yùn)行后即可自行生成相應(yīng)的方程式，其結(jié)果以文本、表或曲線圖的形式呈現(xiàn)出來[16]。

山西省位于我國華北黃土高原東部，是我國煤炭產(chǎn)生的重要基地。作為煤炭依賴型的山西省，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展與煤炭開采息息相關(guān)[17]。煤炭是一種不可再生和可耗竭的資源，而其涸澤而漁的開采方式以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，使煤炭開采優(yōu)勢逐漸弱化[18]。煤炭開采對周圍水資源的水量及水質(zhì)均會產(chǎn)生嚴(yán)重影響，河川基流量衰減，含水層水位下降；同時煤炭開采是礦區(qū)河水及地下水化學(xué)性質(zhì)改變的重要原因[19]。開采成本高，環(huán)境污染大，導(dǎo)致該地區(qū)環(huán)境承載力脆弱，矛盾不斷激化，這是煤炭依賴區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可避免的問題[20]。因此，山西省水資源承載力的評價有利于水資源的合理配置，而這關(guān)乎到山西省未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1 研究方法

山西省共11個地級市，運(yùn)城市因數(shù)據(jù)收集不完整，故本次研究選取10個地級市，分別為大同市、朔州市、忻州市、陽泉市、晉中市、長治市、晉城市、太原市、呂梁市、臨汾市。基于山西省各地市水資源供需現(xiàn)狀及開發(fā)利用程度的調(diào)查，主要參考了2012年《全國統(tǒng)計年鑒》及《山西省的國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，運(yùn)用STELLA軟件模擬2020年各地市水資源的供需平衡狀況。

首先對各地市供水基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查，并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)資料計算出各地區(qū)的供水量、需水量，繼而對水資源的現(xiàn)狀進(jìn)行總體評價；然后結(jié)合地表水、地下水，對水資源的開發(fā)利用程度進(jìn)行評價；最后依據(jù)建立的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)合STELLA軟件，模擬出未來水資源的供需平衡狀況。

1.1 水資源現(xiàn)狀評價

水資源評價可以理解為“定量地弄清楚某一特定地區(qū)水的可利用程度和社會生產(chǎn)、生活所需水資源的可滿足程度”[21]。因此，本次調(diào)查通過年鑒數(shù)據(jù)計算出當(dāng)?shù)厮Y源供需數(shù)量，從而對山西省水資源現(xiàn)狀進(jìn)行評價。

1.2 水資源承載力評價

水資源承載力指某一地區(qū)水資源在某一具體歷史發(fā)展階段下，以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維持生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)發(fā)展為條件，經(jīng)過合理優(yōu)化配置，對該地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大支持[22]。

水資源承載力評價需要涉及構(gòu)成影響要素的各個方面，僅采用一個或幾個指標(biāo)不能清晰地分析與評價某區(qū)域水資源對人口、社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境承載能力的關(guān)系，故需要建立一個水資源承載力協(xié)調(diào)性指標(biāo)體系。本研究利用STELLA軟件，從水環(huán)境、社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境4個方面對水資源承載力進(jìn)行綜合評價。

1.3 水資源承載力評價指標(biāo)體系構(gòu)建

在水資源復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中，水資源-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)-社會系統(tǒng)相互作用相互耦合形成一個系統(tǒng)[23]，并且系統(tǒng)中水資源、社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境任何一因素都是該系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，任一子系統(tǒng)的變化都會對其他子系統(tǒng)及整個復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響。因此，依據(jù)水資源承載力評價所需要解決的問題，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，從水資源系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)4個準(zhǔn)則層制定相應(yīng)的指標(biāo)。針對每一準(zhǔn)則層的具體問題收集相關(guān)的資料，提出相應(yīng)的評價目標(biāo)以及影響因素，通過這樣的逐層分解形成指標(biāo)結(jié)構(gòu)樹，再通過比較和分析各因素之間的關(guān)系進(jìn)行篩選，最后確定評價指標(biāo)體系。

1.4 基于STELLA軟件的水資源模型構(gòu)建

STELLA軟件是基于系統(tǒng)動力學(xué)環(huán)境的應(yīng)用軟件，采用“存量-流量”假定的形式來描述動態(tài)的過程。在構(gòu)建模型的過程中包括4個模塊：存量、流量、轉(zhuǎn)換器和連接器。存量為矩形，用于表示系統(tǒng)中各組成，可以用管道連接，表示能量、物質(zhì)、人口數(shù)量及生物量等方面的量；流量指材料或數(shù)量由一種狀態(tài)變量中提取并轉(zhuǎn)移到另一種狀態(tài)變量的過程；圓圈表示轉(zhuǎn)換器，通常代表以狀態(tài)變量的值為基礎(chǔ)而進(jìn)行計算的量或者常數(shù)；連接器是箭頭狀，表示將值由一種圖標(biāo)提供給另一個圖標(biāo)，但是僅傳達(dá)信息。流量可由各種公式進(jìn)行定義，但是存量只能由流量進(jìn)行改變，而無法由公式計算[24]。本研究基于Isee Systems公司2006年開發(fā)的STELLA 9.0.1版本為建模平臺。

本次研究基于上述水資源承載力評價指標(biāo)體系，山西省水資源供需模型分為水環(huán)境、社會、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境4個子系統(tǒng)。以水資源供需的差額為最終結(jié)果，將模型分為供水量與需水量兩大部分。水環(huán)境子系統(tǒng)構(gòu)成模型的供水量模塊，模型的需水量模塊由社會、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)組成。在現(xiàn)狀情境下，研究2020年山西省各地市水資源供給狀況。

(1) 水環(huán)境子系統(tǒng)

本次的模型構(gòu)建中，水環(huán)境子系統(tǒng)僅考慮水資源的供給，包括自然水資源和人工水資源兩部分。自然水資源指江、河、湖、海等可供使用的地表水與地下水；人工水資源在本次研究主要為水利工程外調(diào)水量及污水的回收利用量。2013年山西省的地表水總量約為81億m3，地下水為96.9億m3，水資源總量為126.6億m3，位居全國倒數(shù)第五位。1993年，山西省萬家寨“引黃入晉”工程開始實(shí)施：一期工程經(jīng)總干線、南干線及聯(lián)接段實(shí)現(xiàn)向太原年引水3.2億m3；二期工程經(jīng)總干線、北干線向朔州、大同年引水5.6億m3和最終實(shí)現(xiàn)向太原年引水6.4億m3，調(diào)水量為水資源承載力的重要組成部分。在污水處理部分，涉及各地市生活污水以及第二、第三產(chǎn)業(yè)污水量，并結(jié)合各地污水處理狀況進(jìn)行分析。

(2) 社會子系統(tǒng)

社會子系統(tǒng)指標(biāo)的選擇應(yīng)選取與人口這一水資源承載力主體相關(guān)的因素。因此，社會系統(tǒng)的需水量從人口結(jié)構(gòu)和生活用水效率兩個方面，分別計算出城鎮(zhèn)人口和農(nóng)村人口的用水量，兩者之和即為社會子系統(tǒng)需水量。2009—2013年，山西省城鎮(zhèn)人口比例由2009年的45.90%上升到2013年的52.56%；全省的自然增長率則由0.489%變?yōu)?.524%，提高了7.2%。由此可見，社會子系統(tǒng)的水資源量是一個不斷變化的動態(tài)過程，且為需水量中不可缺少的重要組成部分。本次模擬將人口密度與自然增長率相結(jié)合。

(3) 經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)

經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)為水資源支撐的主體，各類經(jīng)濟(jì)活動對水質(zhì)產(chǎn)生的改變會影響水資源的承載力。故將該系統(tǒng)細(xì)分為第一(農(nóng)業(yè))、第二(工業(yè))、第三產(chǎn)業(yè)3個子系統(tǒng)，通過3個產(chǎn)業(yè)在各研究區(qū)的生產(chǎn)總值和單位生產(chǎn)值的耗水量來分析與預(yù)測該系統(tǒng)對水資源的需求量。依據(jù)統(tǒng)計資料顯示，2009年山西省的第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)的比例為6.1∶53.9∶40.0，到2013年的3個產(chǎn)業(yè)比例為6.5∶54.6∶38.9；山西省的人均GDP也由2009年的21 544元，到2013年變?yōu)?4 815元，提高了61.6%。4年間，山西省的經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)無論從結(jié)構(gòu)還是生產(chǎn)總產(chǎn)值都存在巨大的變化，并且這種變化仍在持續(xù)。因此，該模塊對需水量的預(yù)測極為重要，同時在本次模擬的過程中考慮未來科技對水資源需求的影響，如工農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)等。

(4) 生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)

生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)需水量是保證社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分，是保證社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的要素。生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)需水量由生態(tài)環(huán)境的結(jié)構(gòu)和功能決定，這也是影響水資源承載力的要素。本研究選取了城市生態(tài)環(huán)境需水的兩個主要指標(biāo)：綠化需水和河道需水。

2 結(jié)果與分析

2.1 水資源現(xiàn)狀供需分析

本次水資源的現(xiàn)狀評價從需水量和供水量兩個方面著手。利用統(tǒng)計年鑒提供的數(shù)據(jù)，從城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境對水資源需求進(jìn)行評價。2012年山西省基地水資源供需現(xiàn)狀分析見表1。由表1可以看出，2012年山西省整體上處在水資源供不應(yīng)求的境況，并且所提供的水資源主要用在農(nóng)業(yè)，其次為工業(yè)。目前的調(diào)查中雖然只有太原市處在供過于求的狀況，但是總供水量與總需水量之間的差額較小。

隨著人們對水資源需求的日益增加，需水量有增無減。根據(jù)2013年《全國統(tǒng)計年鑒》顯示，2012年全國人均水資源占有量為2 186.1 m3，而山西省的人均水資源占有量僅為295.0 m3，不到平均水平的1/7，水資源短缺使當(dāng)?shù)厮Y源供應(yīng)非常緊張。而2012年山西省的人均用水量高達(dá)203.7 m3，可再利用的水資源非常有限，在此基礎(chǔ)上水資源需求增加則會進(jìn)一步加劇供與需的矛盾，水資源的合理使用與分配迫在眉睫。

表1 2012年山西省基地水資源供需現(xiàn)狀分析Table 1 Analysis of the current situation of water resources’ supply and demand in Shanxi province bases in 2012 億m3

表2 2020年山西省各地市供水量預(yù)測Table 2 Prediction of water supply quantity of prefecture-level cities in Shanxi province in 2020 億m3

2.2 水資源承載力評價

(1) 2020年山西省各地市供水量預(yù)測

基于STELLA軟件預(yù)測的2020年山西省各地市供水量見表2。2020年供水量較多的前5位分別為太原市、大同市、晉中市、臨汾市和朔州市。同時，將STELLA軟件模擬得出的數(shù)據(jù)結(jié)果與2012年實(shí)際供水量相比發(fā)現(xiàn)，到2020年山西省各地市可供應(yīng)的水資源量整體略有一定的上升，其中太原市、朔州市和大同市的上升幅度較大，其到2020年增加的總供水量分別為2.89億、2.57億、2.59億m3，增加率依次為43.01%、70.99%、48.41%。到2020年，山西省各地的地表水、地下水供應(yīng)量整體呈下降趨勢。其中太原市地表水、地下水供應(yīng)量下降明顯，地表水供應(yīng)量由2012年的2.69億m3下降到2020年的0.62億m3，而地下水供應(yīng)量則由2012年的4.03億m3下降到2020年的2.59億m3，兩者總下降3.51億m3。

(2) 需水量預(yù)測

采用STELLA軟件預(yù)測的2020年山西省各地市的需水量見表3。由表3可知，2020年山西省需水量最多的為太原市，總需水量達(dá)到13.95億m3，而需水量最少的為陽泉市，總需水量僅為4.70億m3，兩者相差近3倍。其中太原市社會、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境模塊的需水量所占比例分別為16.06%、74.55%、9.39%，并且經(jīng)濟(jì)模塊中的農(nóng)業(yè)需水量占37.40%，工業(yè)需水量占45.78%。2012年經(jīng)濟(jì)模塊的需水量占總需水量的65.09%，可見經(jīng)濟(jì)模塊的需水量仍為需水量的主體部分，且呈現(xiàn)上升的趨勢。社會模塊2020年的需水量與2012年相比，除太原市由1.99億m3(表1中太原市城鎮(zhèn)與農(nóng)村生活需水量之和)上升為2.24億m3，其余各地市均存在不同程度的下降。

(3) 供需平衡分析

運(yùn)用STELLA軟件模擬2020年山西省各地市水資源的供需平衡分析結(jié)果見表4。由表4顯示，通過比較各地區(qū)總供水量與總需水量的差額發(fā)現(xiàn)，到2020年山西省將處在水資源供不應(yīng)求的狀態(tài)，且水資源供與需的差額正在不斷擴(kuò)大。與2012年相比可知，總供水量波動并不是特別大，總體保持相同的水平，但是總需水量急劇增加，陽泉市與朔州市分別增加了1.47、1.43倍，而增加最少的臨汾市也增加了0.46倍。2012年水資源差額最大的是長治市，兩者相差2.74億m3，其2020年的差額達(dá)到6.95億m3。到2020年水資源差額最大的為太原市，為7.32億m3，但其2012年總供水量大于總需水量。所研究的10個地級市中，2012—2020年水資源差額變化最大的是大同市，由0.30億m3擴(kuò)大到3.69億m3。

表3 2020年山西省各地市需水量預(yù)測Table 3 Prediction of water requirement of prefecture-level cities in Shanxi province in 2020 億m3

表4 2020年山西省各地市水資源的供需平衡分析1)Table 4 Water resources supply-demand balance analysis of prefecture-level cities in Shanxi province in 2020 億m3

注：1)差額表示總需水量與總供水量的差值。

2.3 水資源承載力分析及對策建議

2012年，通過對山西省各基地的水資源現(xiàn)狀調(diào)查可知，除太原市外，各地水資源處于較高的開發(fā)利用狀態(tài)，但山西省水資源供需仍呈供不應(yīng)求的狀態(tài)。太原市雖供大于求，但是供水與需水之間的差額較小，而伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水資源需求的增長，會進(jìn)一步縮小供水與需水之間的差額?？紤]到山西省資源性缺水、工程性缺水和水質(zhì)性缺水[25]的特征，僅依靠地表水供應(yīng)量和地下水供應(yīng)量很難滿足當(dāng)?shù)貙λY源的需求。

在短時間內(nèi)難以改變水資源供給的條件下，為保證水資源的可持續(xù)性，可采取如下措施：

(1) 各地可以在現(xiàn)有的工業(yè)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上優(yōu)化工業(yè)用水結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“工業(yè)節(jié)水體系”[26]。加大污水處置力度，提高污水的回收利用效率；逐步淘汰水資源消耗性工業(yè)、對環(huán)境和生態(tài)污染較嚴(yán)重的工業(yè)，鼓勵并積極引進(jìn)新型環(huán)保型和新型能源工業(yè)[27]。

(2) 山西省生態(tài)環(huán)境脆弱，為了可持續(xù)發(fā)展，需要加強(qiáng)政府對企業(yè)排放污染物的治理與監(jiān)督力度。但是受我國地域遼闊的限制，政府的管理與監(jiān)管是有限的，因此應(yīng)嚴(yán)格控制未經(jīng)處理的工業(yè)廢水的排放，同時需要群眾參與到監(jiān)督過程中，設(shè)置完善的群眾監(jiān)督機(jī)制[28]。

(3) 調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，從現(xiàn)有的需水量狀況及預(yù)測結(jié)果中不難看出，經(jīng)濟(jì)模塊的需水量最大，并且這些水資源主要用于農(nóng)業(yè)需求。管理者可以逐步削減農(nóng)業(yè)用水量，減少農(nóng)業(yè)發(fā)展，通過進(jìn)口糧食作物，一方面減少當(dāng)?shù)貙λY源的需求量，減少施肥過程中非點(diǎn)源污染對水資源的污染；另一方面通過外貿(mào)實(shí)現(xiàn)虛擬水交易[29]過程。

(4) 在適合的地區(qū)建設(shè)生態(tài)小水電站和植樹造林。小水電作為綠色能源，在小水電豐富區(qū)廣泛推廣有利于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)[30]。而植樹造林可減少水土流失，涵養(yǎng)水源，進(jìn)一步提高水資源利用效率和承載力[31]。

3 結(jié) 論

(1) 目前山西省整體上處在水資源供不應(yīng)求的境況，并且所提供的水資源主要用在農(nóng)業(yè)，其次為工業(yè)。

(2) 通過STELLA軟件模擬到2020年山西省將處在水資源供不應(yīng)求的狀態(tài)，且水資源的供與需的差額不斷擴(kuò)大。

(3) 為緩解山西省水資源短缺的狀況，可以通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，并在適合的地區(qū)建設(shè)生態(tài)小水電站和植樹造林，以提高水資源利用效率和承載力。

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