天津市水资源承载力的变化及驱动力研究

席锐超，李继清，王 勇

（华北电力大学可再生能源学院，北京 102206）

1 天津市水资源开发利用及存在的主要问题

天津市多年平均地表水资源量10.55亿m3，地下水资源量 8.32亿 m3，重复计算量 0.708亿m3，多年平均水资源总量18.16亿m3[1]。2008年天津市全市总供水量22.33亿m3，其中地表水供水量15.96亿m3，包含引滦水量6.14亿m3；地下水供水量6.25亿 m3； 再生水 0.08亿 m3； 海水淡化 0.04亿 m3。2008年天津市总用水量22.33亿m3，其中生产用水18.57亿m3，生活用水3.11亿m3，生态用水0.65亿m3；生产用水中，第一、第二和第三产用水量分别为13.21亿、 4.02亿m3和1.34亿m3[2]。

由于城市污水排放和农药污染，加之各河流水量逐年减少，水体自净能力降低，河流水体污染严重，水质恶化。天津境内19条河流大多数为Ⅴ类或劣Ⅴ类水质。随着上游地区及水库周边经济的发展、污染源的增多，引滦水质也受到了严重威胁。

地下水严重超采。地下水超采致使地下水位持续下降，最深已达90 m。长期超采，还导致地面沉降，沉降区域范围约7 300 km2。天津市水资源供需矛盾严重；但用水又十分浪费。一些工业产品单位用水定额偏高，城市供水漏失严重，传统的大水漫灌仍为主要灌溉方式，渠系综合利用系数偏低。

天津市2008年人均水资源量仅187 m3左右，远低于联合国规定的人均水资源警戒线1 700 m3/人[3]，水资源供需矛盾突出。提高天津市的水资源承载能力，成为保障经济社会协调发展的关键。为此，本文将影响天津市水资源承载力变化的7个驱动因子归纳为经济动态压力、社会压力和环境压力三类，通过主成分分析[4]，得到影响水资源承载力的主要因子，进而通过回归分析建立多元线性回归模型，预测出2020年及2030年的用水总量，并结合天津市水资源现状提出相关的建议和措施。

2 天津市水资源承载力变化的驱动力分析

20世纪80年代，联合国教科文组织（UNESCO）明确提出了“资源承载力”的概念[5]，接着就相继出现了土地、矿产资源和水资源承载能力研究等。当前，对水资源承载力的定义为 “在一定的水资源开发利用阶段，满足生态需求的可利用水量能够维系有限发展目标的最大的社会-经济规模[6]”，“利用本地的可用水源，在保证人类生物学用水需要、生态良性发展的前提下，在保护符合其社会文化准则的生活水平下所能持续供养的最大人口数量[7]”。

从对水资源承载力的影响看，其影响因子又可分为正相关因素 （如降水量增加、加大地下水的开发利用及发展节水型农业等）和负相关因素 （如干旱天气、工业用水加大和生活用水量增多等）[8]。这些因素不仅与水资源量之间存在着相关关系，而且相互之间也存在着关联。从近年来的天津市水资源变化的实际情况看，主要影响因素是人类的活动。因此，着重分析社会经济因素对天津市水资源承载力变化的影响。

通过查阅1991年～2008年天津市统计年鉴和水利年鉴，从中选取7个因子：X1为总人口数，万人；X2为国内生产总值，亿元；X3为工业用水量，亿m3；X4为生活用水量，亿m3；X5为农业用水量，亿m3；X6为工业总产值，亿元；X7为万元工业产值用水量，亿 m3；Y为总用水量，亿 m3。应用SPSS统计软件进行主成分分析，结果见表1～3。

表1 水资源承载力变化承载力变量相关系数矩阵

由表1可以看出，在影响水资源承载力的7个驱动因子之间存在着不同程度的相关性，其中X1与X2、X6； X2与 X6之间具有较大的相关性，其相关系数分别为0.982、0.983和0.945。

表2 特征值及主成分贡献率

表3 主成分载荷矩阵

由表2可知，第一、第二和第三主成分的累计贡献率已达到96.905%，符合分析要求，由此进一步得出主成分载荷矩阵（表3）。主成分载荷是主成分与变量之间的相关系数。从第一主成分可以看出，X1、 X2和 X6之间有很大的正相关，X5与第二主成分具有较大的正相关， X3与第三主成分有较大的正相关。据此，天津市水资源承载力变化驱动因子可归纳为以下三类因素：

（1）社会因素。构成第一主成分的主要因子之一是人口。人口作为一种持续的外界压力，对水资源承载力的变化起着重要作用。人口增长、人均生活用水量的提高，以及城市环境建设是带动生活用水迅速递增的主要驱动因素。

（2）经济发展因素。构成第一主成分的主要因子的其他两个方面为—国内生产总值GDP和工业总产值，都是经济发展因素，对水资源承载力变化的影响尤为显著。从数据上看，天津市GDP从1991年到2008年间的变化呈现快速增长的势头。另外，经济发展水平的提高，也使得需水量大大增加。按照天津市发展规划，未来天津市的工业依然会保持较高的发展速度，而2008年天津市工业循环水重复利用率已经达到94%[9]，要进一步提高非常困难，未来工业用水继续保持负增长势态不太可能。但是，根据首都经济圈的发展定位，未来产业结构的调整将进一步深化，从而促使工业综合用水定额大幅度下降；同时，随着市场机制的健全，对环境质量要求的提高，合理水价和更严格的环境标准也将限制工业取水量的增加。因此，预计未来短时期内工业用水量仍将在原有的基础上略有增加。

（3）环境因素。由于天津市污水排放和农药污染，加之各河流水量逐年减少，水体自净能力降低，各河水体污染严重，水质恶化十分严重，给原本短缺的水资源造成了新的负担和难题。

3 天津市水资源承载力变化分析

3.1 水资源承载力变化驱动因子的多元线性回归模型

通过以上主成分分析可知，天津市1991年～2008年的水资源量 （因变量Xn）与其承载力 （自变量Y）之间存在线性关系，可对引起水资源承载力变化的各种因子进行多变量的回归分析，以便确定水资源承载力变化的原因。采用逐步回归方法（Stepwise）， 即按全部的自变量 X1， X2， …， Xn对Y贡献值的大小进行比较，并通过F检验法，选择偏回归平方和显著的变量进入回归方程。当一个变量被引入后，对原已引入回归方程的变量，逐个检验其偏回归平方和；如果引入新的变量使得已进入方程的变量变为不显著时，则及时从偏回归方程中剔除该变量；只有当回归方程中的所有自变量对Y都有显著影响而不需要剔除时，在考虑从未选入方程的自变量中，挑选对Y有显著影响的新的变量进入方程。不断重复这一过程，直到无法剔除已引入的变量，也无法再引入新的自变量时，逐步回归过程结束。通过这种方法进行的回归分析，得到三种组合模型，其相应的模型拟合度值如表4所示。

表4 模型拟合度及回归方程

由表4可以看到，模型2、3的拟合度都能满足要求 （>90%），模型2的自变量包括工业用水量和农业用水量，而模型3的自变量不仅包括这两个用水量，还包括了人口，且模型3的拟合度为0.957高于模型2的0.936。因此，选择模型3为本文水资源承载力变化的多元模型。其回归方程为

由式 （1）的逻辑关系分析，天津市总用水量的增加主要由两部分引起：一是用水人口增加导致用水规模的增加，引起用水量的增加；二是工业用水量和农业用水量的增加。所以，在回归方程中能反映此两方面的因素是比较合理的。

3.2 水资源承载力变化趋势预测

由于天津市近年采取了节水政策，因此生活及农业用水量的变化并不呈线性、单一的递增或递减。为了简化计算，对数据进行初步处理，假设以1991年数据为基准点，工业用水量和农业用水量的增长率分别为3.56%和2.05%。由多元线性回归模型采用滑动平均值法可以预测出，2020年和2030年天津市总用水量分别为35.70亿m3和41.74亿m3；而假设并未采取节水开源措施，则可供水量可认为保持不变，约为22亿m3。由此得出，可供水量满足不了需水量要求，2020年和2030年天津市将缺水13.70亿m3和19.74亿m3，缺水较严重。

4 天津市水资源承载力变化情况下的政策措施

天津市的水资源短缺是资源性的，单靠节约用水不能从根本上解决问题，所以要实行开源和节流并重的政策。

“开源”方面，主要寄希望于南水北调中线工程。南水北调中线一期工程实施后，引江中线水源将从天津市的西部河泵站入津，成为天津市中心城区新开河水厂、芥园水厂、凌庄子水厂的主要水源之一[10]。配套西干线工程建成后，中心城区可实现引江、引滦双水源供水，从而改善天津市区水资源短缺局面，为经济社会可持续发展提供可靠水源保障。

“节流”方面具体有以下几种形式：①通过减少水的无效和低效损耗，提高农业用水水资源利用效率。结合生态农业的理念实现水的循环利用，以达到节水的目的。②通过产业结构优化调整和科学配置水资源提高单方耗水的经济和生态产出量。在工业取水总量零增长或微增长的情况下，保证工业产值的快速增长。③开发利用替代性水源，以减少一次性淡水用量。如，利用再生水替代水源等。④通过虚拟水贸易，减少当地用水需求。⑤提高节水意识，推广节水器具，降低天津市人口生活用水的综合定额。

5 结论

天津市水资源严重短缺并且是资源性缺水，用水需求已大大超过水资源的承载力。通过主成分分析，将影响天津市水资源承载力变化的7个因子归纳为经济动态压力、社会压力和环境压力三类。从单个因子来看，生活用水量、农业用水量和人口是影响水资源承载力变化的主要驱动因子。在驱动力分析基础上，建立多元回归模型，预测出2020年和2030年天津市总用水量分别为35.70亿m3和 41.74亿m3。天津市的资源性水资源短缺，单靠节约用水不能从根本上解决问题，需实行开源和节流并重的政策。

［1］ 张凯.关于天津市水资源价值与水价值的研究［D］.天津：天津大学管理学院，2006.

［2］ 2008 年天津市水资源公报［EB/OL］.（2009-10-29） http://tjsw.giv.cn/pub/tjwcb/hangyegb/shuiziyg/200910/t.20091029.22700.html.

［3］ 姚慧，郑新奇.多元线性回归和Bp神经网络预测水资源承载力——以济南市为例［J］.资源开发与市场，2006，22（1）:17-19.

［4］ 欧建锋，叶健，程吉林.主成分分析法在江苏水利现代化评价中的应用［J］.人民长江， 2010， 41（2）:97-100.

［5］ UNESCO,FAO.Carrying Capacity Assessment with a Pilot Study of Kenya:A Resource Accounting Methodology for Sustainable Development［R］.Pariand,1985.

［6］ 夏军，朱一中.水资源安全的度量：水资源承载力的研究与挑战［J］.自然资源学报， 2002， 17（3）:262-269.

［7］ 王传武.对水资源承载力几个基本问题的新认识［J］.水文2009，29（2）:24-26.

［8］ 孟凡德，王晓燕.北京市水资源承载力的变化趋势及承载力研究［EB/OL］.（2004-09-07） http://www.chinawater.net.cn/Journal/cwr/200409/07.htm.

［9］ 张岩，金晖，王志伟.天津市工业用水现状及节水措施分析［J］.现代商贸工业， 2010（24）:62-63.

［10］ 南水北调中线一期天津市内配套工程天津干线分流井至西河泵站输水工程初步设计报告通过审批［EB/OL］.（2010-01-04）http://www.tjnsbd.gov.cn/Item/404.aspx.