水资源短缺风险综合评价模型

范子静

（华南师范大学数学科学学院，广东广州，510631）

水资源短缺风险综合评价模型

范子静

（华南师范大学数学科学学院，广东广州，510631）

旨在设计北京市水资源短缺风险综合评价模型：通过对北京市近几年水资源概况数据的搜集，根据其水资源的入境水量、出境水量，以及生活用水、工业用水和农业生产等的水资源消耗量，进而分析导致北京市水资源短缺的主要因素，从中汲取教训做出相关政策和号召，使水资源紧缺得到缓解，进一步促进经济社会的可持续发展。

水资源；风险因子；降水量；人口规模

一、问题重述

（一）基本情况

北京是世界上水资源严重缺乏的大都市之一，多年平均降水585mm，年均降水总量98.28亿立方米，形成地表径流17.72亿立方米，地下水资源25.59亿m3，当地自产一次水资源总量37.39亿立方米。其人均水资源占有量不足300m3，为全国人均的1/8，世界人均的1/30，属重度缺水地区，境内五大水系除北运河发源于本市外，其他四条水系均发源于境外的河北、山西和内蒙古。多年平均入境水量16.06亿立方米，出境水量14.52亿立方米。可见，北京市水资源紧缺已成为制约经济社会可持续发展的第一瓶颈。

（二）问题的由来

虽然北京市政府采取了一系列补救措施，如加大污水处理力度，南水北调工程建设，优化产业结构等。但是，随着气候变化和社会经济的不断发展，水资源短缺风险因子始终存在。如何相对准确地对水资源风险的主要因子进行识别，对风险造成的危害等级进行合理的划分，对不同风险因子采取相应的有效措施规避风险或减少其造成的危害，这对经济社会的稳定以及可持续发展战略的稳步实施具有重要意义。

本文旨在给出北京市水资源短缺风险等级划分，对主要风险因子进行分析其如何进行调控，使得风险降低。

二、简化问题，抓住研究重点

要求对北京市水资源短缺风险进行综合评价，目的是为了对风险等级划分并陈述理由，对主要风险因子进行调控，使得风险降低。经调查发现北京市水资源短缺的具体情况为：

2009年全市平均降水量448mm，比2008年同期降水量638mm少30%，比多年平均年降水量585mm少23%。

近年来北京城市供水及工农业用水逐年紧张，成为北京及其周边地区发展的制约因素。特别应注意与其他城市的对比研究，如气候背景的差异、城市污染程度的差异、污染物成分的差异、主要天气系统的差异、城市下垫面状况的差异、地形地貌的差异等。

三、实例分析

1.研究区概况依据北京市过去30年的可利用水资源量、用水总量、地下水位埋深、工农业用水量、湖水排放总量等基础数据来研究北京市水资源短缺风险及变化。

北京市境处于华北平原与太行山脉、燕山山脉的交接部位。东距渤海150公里。它的东南部为平原，属于华北平原的西北边缘区；西部山地，为太行山脉的东北余脉；北部、东北部山地，为燕山山脉的西段支脉。 由于受气候环境（季风）影响，雨量季节分配极不均匀，夏季降水量约占全年的70%以上，全市多年平均降水量575㎜。属海河流域，从西到东分布有大清河、永定河、北运河、潮白河、蓟运河五大水系。北京是当今世界上严重缺水的大城市之一，当地自产水资源量仅39.99亿立方米，多年平均入境水量16.50亿平方米，多年平均出境水量11.60亿平方米，当地水资源的人均占有量约300平方米，约占世界人均的1/30，远远低于国际公认的人均1000立方米的下限，属重度缺水城市。因此，水资源短缺已成为影响和制约北京经济建设的主要因素。

2.北京市水资源影响因子分析 。北京市水资源开发利用中存在的问题主要有：（1）上游来水衰减趋势相对比较明显；（2）地下水位下降（由于长期超采地下水）；（3）周边水污染加重了城市水危机；（4）城市化发展和人口膨胀加重了生活用水需求等。因此，导致北京市水资源短缺的主要原因有资源型缺水和水质型缺水等。影响北京市水资源短缺风险的因素可归纳为以下两个方面：

（1）自然因素：城市人口数；入境水量；水资源总量；地下水位埋深。

（2）社会经济环境因素：污水处理率；污水排放总量；农业用水量；生活用水量；COD排放总量。

从地理学来讲，应该从三个方面来分析：第一，从大环境来讲：水资源问题主要就是一个开源节流的问题，在开源方面，首先合理地开发水资源和制定相应的水资源保护法律法规是必须的，同时从水土保持来讲也要注意整个水资源存在环境的保护。至于节流，首先是不能再水资源地大肆破坏，其次在水资源的使用上，可以对水资源的使用采用大地域分割法，严禁污染。 第二，从中尺度来讲：对于区域水资源问题，要采用科技手段，适当地调节水平衡，比如我国的南水北调；同时，在区域水资源的使用上，可以采用配给制，这种方法在西欧已经得到了广泛推广，效果明显，措施主要也是分为开源和节流来说，开不足之源，节多余之流，这其中科技手段很重要。第三，从小尺度上讲：就要针对不同的行业产业和水资源使用渠道而采用不同的方法。如农业用水，除了适当的科技使用外，在适当的地域种植适当的作物也是必须的，因为作物的需水量是不同的，其次要严禁浪费，杜绝污染。

四、模型假设

建立一个数学模型对北京市水资源短缺风险进行综合评价时需要考虑的因素很复杂，并且有很多因素是随机的。为了抓住重点，简化模型以及方便求解，需要作一定的简化假设，假定如下：北京市近几年气候条件波动保持在调查研究中的误差范围之内，水利工程设施几乎不存在损坏和使用的间断，工业污染的严重程度处于误差范围之内，农业用水的渠道保持稳定，管理制度以及人口规模稳定在研究所得的数据之上。

五、模型结果分析

风险等级风险因子I 第三产业以及生活用水II 环境用水Ⅲ地下水资源Ⅳ工业污染Ⅴ水源水质污染的治理原因从统计出的回归图中可以看出，首先，从1992—2009年北京市第三产业以及生活用水呈现上升趋势；此外，随着北京经济的发展，以及城市化进程的加快，第三产业和生活用水会逐年增加。另外，城市化会影响北京的降水量，进而间接影响水资源量。中国水环境污染严重，主要超标项目是有机物和氨氮，这与中国城镇生活污水没得到有效处理有关。可见，用于环境治理的是水资源在逐年增加。地下水水质严重超标，特别是浅层水，全市符合Ⅲ类水质的面积仅占平原总面积的52%。数据显示：2009年全市污水排放总量为13.65亿m3。污水处理量10.97亿m3，污水处理率80%。2009年城八区污水排放总量为9.10亿m3。污水处理量8.58亿m3，污水处理率94%。大量的工业污水的治理成为北京市水资源的另一大去向。目前我们能够测出并研究其对人类健康影响的水中有机物才数百种，随着分析测定方法与分析仪器的发展、提高，能被测出的有机物将越来越多，而这些有机物对人的危害的全面研究也需时日，所以当我们尚未认识它们的危害前，对其总量（也即宏观上）进行一定的控制，对中国人民未来健康是必要的。

图1 北京市1992-2009用水情况分析

六、模型的改进方向

模型没有考虑到水资源的紧缺的特殊状况，如果农村用水维持现状，城市用水按相对比较低的年平均增长率1.5～2.5%，2010年增长7～13亿m3，如将目前平均超采的地下水量2亿m3考虑在内，2012年缺水9～15亿m3，如再考虑官厅和密云两大水库上游来水有可能衰减，或遇到持续干旱的年景，则面临的缺水将更为严峻。

七、模型的评价

随着社会经济的发展，组成社会经济体系各单元之间的联系日益紧密和复杂，各种各样影响因子的汇集使得水资源系统的风险也与日俱增，目前这方面的知识还相当匮乏，需要进行扎实的基础研究：依照《中华人民共和国水法》，加强水资源管理；搞好水资源预测工作，制定全国和各个地区的中长期供水规划；广泛深入地开展节约用水工作，建立节水型社会；城市和工业的发展必须考虑到受水资源制约的问题；合理调整水价，利用经济杠杆促进节约用水；保护水源，控制污染的继续发展。

［1］ 姜启源，谢金星，叶俊.数学模型［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［2］ 王文平.运筹学［M］.北京：科学出版社，2007.

［3］ 陈汝栋，于延荣.数学模型与数学建模［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［4］ 严蔚敏，吴伟民.数据结构（C语言版）［M］.北京：清华出版社，2008.

［5］ 王兵团.数学建模基础［M］.北京：清华大学出版社，2004.

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A

范子静（1990-），女，本科，研究方向为偏微分方程以及非线性科学。