大连市水资源承载力动态研究

2011-04-19刘雷雷

地下水 2011年4期

刘雷雷

(辽宁师范大学城市与环境学院，辽宁大连 116029)

大连市是我国北方水资源严重缺乏的地区之一，境内人均水资源占有量388 m3，仅为全国人均占有量的1/5。随着经济的高速发展、人口迅速膨胀和水环境污染的加剧，水资源短缺制约了大连市社会经济的发展，造成了水环境的日益恶化，水问题将成为大连市未来可持续发展中的突出问题。因此，正确评价水资源承载力对大连市社会经济发展具有重要意义。水资源承载力的研究，至今都还没有形成一个系统的、科学的理论体系，且单项研究在国外较少，大多将其纳入可持续发展理论研究中。水资源承载力研究涉及水资源系统和社会经济、环境系统组成的复杂大系统，常见的评价方法有模糊综合评判法［1］、多目标决策分析法［2］、系统动力学方法［3］、主成分分析法等［4］。这些计算方法都有各自的优点，但也均存在不同程度上的不足，各有适用范围，在具体应用过程中应依据研究区域实际情况进行选择。本旨在通过对大连市未来水资源承载能力变化趋势的模拟，寻求提高大连市水资源承载力的最佳方案，采用擅长处理高度非线性、高阶次、多变量、多重反馈及进行中长期预测的系统动力学方法，对大连市水资源承载力进行评价分析。

1 大连市水资源、社会经济现状

1.1 水资源概况

大连市位于欧亚大陆东岸，中国东北辽东半岛最南端，根据大连市第二次水资源评价成果，全市多年平均地表水资源量为32.70亿m3，折合径流深260.06 mm，地下水资源量为7.27亿m3，境内人均水资源仅为全国水平的1/5。受气候影响，降水时空分布阶段性明显、时空分布不均，降水过程主要集中在6～8份，约占全年降水量的60% ～70%，容易形成春旱秋涝。地表径流和降水量空间分布由西南向东北递增，河流独流入海，现有水利工程调蓄工程较少，目前大连市地表水的拦截率仅为24.5%，地表径流利用率不高，每年绝大部分的水资源以汛期洪水方式白白流入渤海。

1.2 社会经济现状

大连市国民经济持续快速增长，2009年全市实现地区生产总值4 417.7亿元。其中，第一产业增加值313.4亿元;第二产业增加值2 314.8亿元;第三产业增加值1 789.5亿元，增长率分别为7.8%、16.5%、14.6%。三次产业构成比例为7.1∶52.4∶40.5，对经济增长的贡献率分别为 3.5% 、55% 和41.5%。按常住平均人口计算，全市人均生产总值由2008年的63 198元增加到71 833元。随着综合经济实力的持续增强，大连市用水效率明显提高，人均用水量、万元GDP用水量为、农田灌溉亩均用水量、万元工业增加值用水量，这些指标的用水效率均比全国平均水平低。

2 大连市水资源承载力模型建立

2.1 模型的建立

2.1.1 模型设计思路

大连是一个水资源严重短缺的城市之一，随着社会经济的发展，人们对水资源的需求量持续增长，再加上干旱等自然灾害频繁发生，使已经有限的水资源更加短缺。假设大连市城市化水平保持较快速度上升，对应的社会经济也高速发展，而其用水模式保持目前水平，如按万元工业增加值用水量保持目前的下降趋势，生活需水量和生态需水量保持目前的增加趋势不变等。在这样的前提下，预测大连市未来需水情况，然后与可供水资源量进行比较，得出未来大连市目前用水模式下，是否能承载社会经济的高速发展。

2.1.2 模型结构及流图分析

结合系统动力学研究问题的主要特点和大连市的实际情况，将系统边界定在大连市土地面积范围内，对重要用水环节进行系统分析后，采用SD专用模型Vensim建立包含生活、经济、环境和资源4个子系统的大连市水资源承载力SD流图。

1)生活子系统

生活需水包括农村、城镇生活需水和环境需水。本文环境用水包括全市绿化用水、

市区及城近郊冲刷道路用水及河湖系统最小生态环境需水量［12］，生活用水由人口数量、人均生活用水定额确定。主要反馈关系为:

总人口数→+城镇人口→+城镇生活需水量→+生活需水总量→+总需水量→+缺水量→－城市化率→－人口增长→－人口总数

2)经济子系统

经济子系统需水包括第一、第二和第三产业需水，其中第一产业主要是农业，第二产业指工业。以工业为例，模型通过工业总产值和万元工业增加值用水量预测工业需水量。主要反馈关系为:

工业需水量→+总需水量→+缺水量→－工业增长→+工业总产值→+工业用水量→+工业需水量

3)水污染子系统

城市污水总量由生活污水和工业废水排放量组成。污水总量由城市污水排放量与排污系数决定，选取污水处理率和污水回用率作为不同的政策输入。主要反馈关系为:

污水回用量→－缺水量→+工业增长→+工业总产值→+工业用水量→+工业废水排放量→+城市污水排放总量→+污水回用量

4)水资源子系统

水资源量主要包含地表水供水量、地下水供水量、雨水、海水淡化供水量。

2.1.3 模型调试

模型直观检验和运行检验由软件自动完成，以2004年为基准年，模拟步长为1年，将2005～2009年的仿真结果与历史数据相比较进行一致性检验，若误差小于5% ，则认为模型正确，否则对模型进行修改或调整。由表1可以看出模拟结果与历史数据拟合误差均小于5%，表明模型结构合理，能反映大连市水资源承载力的特征，能够模拟实际系统，有较高的可信度。

图1 大连市水资源承载力SD流图

表1 模型正确性检验结果

2.2 方案设计和结果分析

2.2.1 方案设计

为了比较和探讨未来25年大连市水资源承载力在不同策略下的动态演变过程，本文设计了4种方案。

方案1:现状延续型。即不采取任何措施，保持现有状况不变。方案中各决策变量指标值维持现有发展趋势。

方案2:经济发展型。强调经济发展的重要性，把工业产值增长速度一度调整到大连市2001～2009年工业产值增长率的最快值23%，把2025年的城市化率提高到85%，其他参数与方案一相同。

方案3:节水型。在方案1的基础上，降低经济发展速度，抑制城市人口的过快增长，提高污水处理及回用率，降低居民生活用水量及农田灌溉用水定额，增加农业节水灌溉面积。根据预测，2025年工业产值增长率控制在10% ，城市化率提高至75%，工业用水重复利用率提高到95%，污水处理率提高至100%，污水回用率提高至70%。节水灌溉增长率提高至9%，其他参数指标维持不变。

方案4:协调发展型。综合考虑以上3种方案各自的特点，兼顾经济和环境的协调发展。污水处理率、回用率、重复利用率、废水排放系数等均与方案2相同，城市化水平、经济、灌溉面积适度增长。2010年到2015年工业增速为12%，其后保持5%的增速，其他参数指标维持不变。

2.2.2 结果分析

选取模型中的城镇人口、工业总产值、污水排放总量、水资源供需差额4个主要变量进行不同方案的对比。根据不同方案下4个主要变量的模拟结果(表3)，比较4种仿真方案，选取可提高大连市水资源承载力的优化方案。

表2 四种方案下大连市资源承载力

在方案1的模式下，2025年大连市总需水量达到36.93亿 m3，可供水量为17.43亿 m3，水资源供需差额达19.48亿 m3，污水总量为16.42亿 m3，此时水资源短缺问题、环境污染问题将严重影响大连市的社会经济发展，如何合理开发和利用水资源、提高污水处理及回用率是解决问题的关键。

方案2的模式下，工业总产值增速大于其他3种方案，2025年工业总产值模拟值达到2 2053.36亿元，城市人口达到513.013万，工业总产值及人口数量的增加不仅加大了对水资源的需求量，工业废水、生活污水排放量也急剧增加。由于污水治理投资的限制，2025年大连市总需水量达41.38亿 m3，水资源供需差额达23.94亿 m3，污水总量达19.31亿m3。环境污染严重，大连市的缺水形势更加严峻，水资源承载力更加脆弱，此方案也不可取。

在方案3模式下，减缓工业产值增长速度，降低万元工业增加值用水量，提高工业用水重复利用率，使得工业生产对水资源的需求量大幅度降低;对环境保护的投资加大，2025年污水处理率和污水回用率分别达到100%和80%;居民人均生活用水量及农田灌溉亩均用水量的降低，也使得生活需水量及农业需水量大大减少，到2025年大连市总需水量仅为16.89亿 m3，可供水量大于总需水量，水资源盈余0·54亿 m3;污水总量减少至8.34亿 m3，同时工业生产总值到达到7489.23亿元。可见方案3中大连市的水资源基本上得到了合理开发和利用。

在方案4的模式下，按照协调发展原则，不以环境的牺牲换取发展的经济，适当限制经济增长速度，同时加大污水处理、污水回用的投资力度，在建设节水型城市前提下，努力提高污水利用率。到2025年大连市总需水量为18.74亿 m3，可供水量为18.86亿 m3，缺水量仅0.106亿 m3，基本实现水资源供需平衡，大连市不会出现严重的缺水现象。虽然方案4与方案3，都可保证大连市到2025年不会出现严重的缺水问题，但方案4的工业产值可达到8521.08亿元，污水总量仅为7.25亿 m3，表明方案4是提高大连市水资源承载力的最可行方案。