基于WEI+的流域水资源短缺分析

范琳琳，王红瑞，刘凤丽，来文立，洪思扬

(1.长江科学院 农业水利研究所，武汉 430010； 2.北京师范大学 水科学研究院，北京 100875)

基于WEI+的流域水资源短缺分析

范琳琳1，王红瑞2，刘凤丽1，来文立2，洪思扬2

(1.长江科学院 农业水利研究所，武汉 430010； 2.北京师范大学 水科学研究院，北京 100875)

为了分析我国各流域的水资源短缺现状，引入欧盟开发改进的水资源开发利用系数(Water Exploitation Index Plus，简称WEI+)，以全国10个水资源一级区作为研究对象，计算2003—2012年各水资源一级区的水资源短缺情况。结果表明：①WEI+指数最小的是西南诸河区，其均值为1.9%；WEI+指数最大的是海河区，其均值为130%；且南方4区的WEI+指数均小于北方6区，说明我国北方比南方面临更为严重的水资源短缺问题。②南方4区的WEI+指数在2003—2012年间波动不大，而北方6区的WEI+指数波动剧烈；大部分地区的WEI+指数均呈现出下降趋势，这说明区域的水资源短缺情况有所缓解。③WEI+指数与流域水利水电开发利用程度在空间上的分布规律基本类似，这说明WEI+指数能够有效反映区域的水资源短缺情况。

水资源短缺；改进的水资源开发利用系数(WEI+)；水资源一级区；南方4区；北方6区

1 研究背景

水资源短缺指水资源相对不足，不能满足人们生产、生活和生态需要的状况[1-2]。目前，对水资源短缺的定义及评判标准并没有一个统一的界定，但水资源短缺的研究对象往往是一个区域(城市、流域、国家等)，涉及到的主体通常是人类，水资源短缺所带来的危害是影响社会经济的正常运作及人类的正常生活。

许多学者采用不同的定义来衡量水资源短缺。Falkenmark[3]以人均水资源量作为衡量一个国家或地区水资源供需关系是否紧张的指标，通常以人均年占有水资源量1 000 m3作为公认的缺水警戒线；於方等[4]用城市的人均综合用水量小于规划人均综合用水量作为城市缺水的衡量标准，用需水量与实际供水量的差值来计算城市缺水量；王海英等[5]将流域来水与用水的缺口作为流域的缺水量，分析了黄河沿岸地区发生水资源短缺的原因；李秀灵[6]认为地区缺水量等于需水量与供水量的差值，并根据河南省水资源现状及水资源供需平衡分析河南省水资源短缺现状、原因及相应对策；王红瑞等[7]利用人均水资源量表征水资源短缺程度，用农业用水量的变化反映农业用水短缺状况，并分析了水资源短缺对北京农业的不利影响。

许多学者通过构建指标体系来评价水资源短缺程度。1991年左东启[8]对水资源评价指标体系进行了初步研究。1996年左东启等[9]在进一步分析研究了水资源评价指标设计原则和评价指标体系的特点后，提出了47项评价指标，建立了4层次的递阶结构与指标的从属关系，选取国内7个县市为代表进行了试评价分析。这套指标体系是早期最为完善的一套指标体系。彭岳津等[10]建立了模糊多因素多层次综合评价数学模型，采用水资源、供水及工程、需水用水节水、人口社会经济、水质共5个方面16个指标，对全国270个主要缺水城市进行了综合评价。门宝辉等[11]采用主成分分析法，以人均水资源量、人均供水量、单位面积土地水资源占有量、万元GDP 占有水资源量为指标，综合衡量我国各省份(除台湾外)的缺水程度，并将全国划分为水资源丰富区、脆弱区、缺水区和严重缺水区4个等级。王耕等[12]选取区域干旱指数、人均水资源占有量、水资源开发强度、地下水开采模数、水资源利用率、产水模数、灌溉率、万元工业产值耗水量和农田灌溉亩均用水量9个指标，通过引入模糊二元对比分析法权重与熵权的组合权重，提出了一种新的兼顾主观与客观统一的水资源紧缺程度量化评价模糊模型，并将其应用于辽宁海岸城市水资源紧缺程度评价中。

以上对水资源短缺的研究均采用构建指标体系的方法对水资源短缺程度进行评价，而指标体系的构建受到不同程度的人为主观影响，同时易受数据来源的制约。因此，本文采用在欧盟广泛使用的改进的水资源开发利用系数来分析全国水资源一级区的水资源短缺情况，以期为我国水资源短缺问题的研究提供新思路、新方法。

2 研究方法

改进的水资源开发利用系数(Water Exploitation Index Plus，简称WEI+)是由欧盟“水资源与干旱专家小组”在2012年对原水资源开发利用系数(Water Exploitation Index，简称WEI)的改进。WEI是由欧洲环境局在2010年提出的表征水资源短缺的指标，该指标的计算公式为

WEI=MATA/LAFR 。

(1)

式中：MATA(MeanAnnualTotalAbstractionofFreshWater)指多年平均新水抽取量；LAFR(Long-TermAverageFreshwaterResources)指多年平均水资源量。

根据水量平衡原理，多年平均水资源量可通过区域内多年平均降水量加上多年平均入境水量后减去多年平均蒸散发量得到。从式(1)可以看出，WEI的定义是多年平均新水抽取量与多年平均水资源量的比值，因此该指标可以反映出某一特定的区域人类活动所抽取的水资源量对自然水资源造成的压力。Faergemann[13](2012)及欧盟“水资源短缺与干旱专家小组”对WEI指数进行了改进，旨在更好地刻画可更新水资源量与水资源利用之间的平衡关系，以便在流域尺度评价水资源短缺程度。

2.1 计算公式

WEI+计算公式为

WEI+=(AB-RE)/RWR 。

(2)

式中：AB(Abstractions)表示从流域内抽取的水资源总量，包括地表水与地下水2部分；RE(Returns)表示被人类开发利用后又重新进入水文循环的水资源，它包括由用水户直接排放的水量(包括工业冷却水、矿产开采用水等)以及废水回收系统中损失的水量(如管道渗漏、溢流等)，值得一提的是，人工地下水补给在计算中也被认为是Returns的一部分；RWR(RenewableWaterResources)表示可更新水资源量，对于天然流域和受人类活动影响的流域，其计算方法各不相同，如下所示。

对于天然流域，有2种方法计算可更新水资源量，这2种方法的适用条件相同，可根据已获得数据选择计算方法。

方法1：RWR=ExIn+P-Eta-ΔS。

(3)

方法2：RWR=Qnat。

(4)

式中：ExIn(Actual External Inflow)表示从流域外流入的地表水及地下水水资源量；P(Precipitation)表示降水，包括降雨、降雨及冰雹等，通常由气象站点实测得到；Eta(Actual Evapotranspiration)表示实际蒸散发，指从地表、湿地及天然水体表面蒸发及植物蒸腾的水量总和，根据该定义，除雨养农业和林业外，其余由人为干扰引起的蒸散发量并不包含在其中，实际蒸散发量可通过不同公式进行计算，但必须与潜在蒸散发(Potential Evapotranspiration)区别清楚；ΔS(Change in Storage)表示流域内水资源储量的变化，当时间尺度为多年平均时可忽略ΔS；Qnat(Natural Runoff)表示流出流域的实际径流量，包括流入相邻流域的径流量及入海径流量。

对于受人类活动影响的流域，观测到的流域出口径流量并不是流域的可更新水资源量，因此在计算过程中需要进行还原计算。亦有2种计算方法，这2种方法的适用条件亦相同，具体计算过程中可根据已有数据选择更适合的计算方法。

方法1：RWR= ExIn+P- Eta-ΔSnat。

(5)

方法2：RWR=Outflow+(AB-RE)- ΔSart。

(6)

式中：ΔSnat表示天然环境中水资源储量的变化，包括河床、湖泊、地表以下(土壤水和深层地下水)水资源储量的变化；ΔSart表示在调控的湖泊或人工水库中水资源储量的变化；Outflow表示流出流域的实际径流量，以此与天然流域的出流量Qnat进行区分。

从WEI与WEI+的计算公式中可以看出，虽然二者的定义大致相同，都能够表征水资源利用对自然系统造成的压力，但WEI仍存在一定的缺陷，它计算的是多年平均的情况，因此不能从时间尺度上反映年际、年内变化规律；同时，欧盟建议使用WEI分析时计算单元为国家，因此WEI不能从空间尺度上反映国家内不同区域或不同流域的变化情况。而WEI+不仅在计算公式中增加了回用水量，同时克服了WEI在时间尺度及空间尺度上的缺陷，因而能够更科学、合理地分析水资源短缺问题。

2.2 相关概念

WEI+指数对WEI指数的更新在于加入了Returns这一部分经过人类利用又重新进入水循环的水量，因此，需要厘清相关概念的意义与区别。

(1) 新水抽取量(Freshwater Abstraction)：指不考虑人工调蓄和水量回流，暂时性或长久性的从地表或地下开采利用的水资源量。在计算WEI+指数的过程中，工业用水中用于冷却的水量抽取需要计算在内，而用于水力发电的水量并不需要计算在内。

(2) 需水量(Water Demand)：人类活动所需的水资源量，可用于饮用、灌溉等目的，对水质有一定的要求。对需水量的计算或估算不受水资源可利用量的控制，因此需水量实际上是一个理想的理论值。

(3) 用水量(Water Use)：与供水量(Water Supply)相对应，指最终由用水户使用的水量，一般情况下对这部分水量的使用需要缴费。需要注意的是，在相同时段同一区域重新返回水循环及再利用的水量并不包括在内。

以上3个概念意义相近但反映的具体内涵却有所不同。新水抽取量能够表征人类活动对自然系统所造成的压力；用水量能够反映从水循环中被利用又重新回到大气的水量；需水量中可能包括由于资源有限而未被满足的一部分水量，根据不同的水资源可利用量，可以设置不同的情景，从而得到不同的需水量。因此，从水资源管理者的角度来说，需水量更有意义。在计算WEI+指数表征区域水资源短缺程度时，新水抽取量则更有意义，因为它能够反映对自然系统的压力。

表1 全国水资源一级区WEI+指数Table 1 Values of WEI+ for first-grade districts of water resources in China

2.3 阈 值

对WEI指数，通常将警戒阈值设定为40%，以此来判别区域是否受到人类活动的压力[14-15]。若WEI指数超过40%，说明该区域在水资源利用方面会产生一定的竞争，但不必然造成水危机。有些专家认为水资源的可开发利用程度更高，将WEI指数的阈值设定为40%太低，他们提出可将阈值设定为60%。但另一些专家认为，尽管水资源的开发利用程度可以更高，但WEI指数若超过40%，则整个自然生态系统就不能保持健康的状态[16]。

目前，WEI+指数的阈值仍按照WEI指数的阈值来确定。因此，在本文中WEI+指数的阈值为40%，并划分为<10%，[10%，20%)，[20%，40%)及≥40%这4个等级。

3 应用实例

3.1 流域概况

根据《全国水资源综合区划导则》，水资源分区是以水资源及其开发利用的特点为主，综合考虑地形地貌、水文气象、自然灾害、生态环境及经济社会发展状况，结合流域和区域进行分区划片。从保持我国大江大河的完整性的角度将全国划分为松花江区、辽河区、海河区、黄河区、淮河区、长江区、珠江区、西南诸河区、西北诸河区、东南诸河区10个水资源一级分区。其中北方6区包括松花江区、辽河区、海河区、黄河区、淮河区及西北诸河区，南方4区包括长江区、珠江区、西南诸河区及东南诸河区。

3.2 资料来源

本文选取这10个水资源一级区作为研究对象，所采用的数据均来源于相应年份的全国水资源公报。由于水利部公布的水资源公报中，2003年以前均将松花江区和辽河区合并为松辽区进行统计，因而不能得到松花江区与辽河区单独的数据，因此本文所选取的计算时段为2003—2012年。

4 结果与讨论

4.1 总体变化

根据WEI+指数的计算公式，计算全国10个水资源一级区2003—2012年WEI+指数，计算结果如表1所示。

从表1中可以看出，全国的WEI+指数在20%上下浮动，并未超过40%的警戒阈值。南方4区的WEI+指数在15%上下浮动，比全国的WEI+指数偏低，而北方6区的WEI+指数在50%上下浮动，已经超过40%的警戒阈值，这说明北方6区比南方4区面临更加严重的水资源短缺问题。

WEI+指数最大的是海河区，该区指数均值为130%，不仅大于警戒阈值40%，更>100%。根据WEI+指数的定义，若该值>100%，说明该区被抽取的水资源量大于区域的可更新水资源量，即该区域的可更新水资源量已经不能满足区域人类活动的需求，必须从其他流域调水。海河流域是我国七大江河中水资源最为紧缺的地区，我国的特大型城市如北京、天津均位于海河流域，人口不断增加和经济的快速发展使得人类活动对水资源的需求量越来越大，水资源短缺问题也越来越严重。WEI+指数最小的是西南诸河区，该区指数均值为1.9%。西南诸河区涵盖云南、广西、青海、西藏等省的部分区域，该区域地势高、峡谷多，水力势能丰富，但水资源开发利用难度较大，加之人口较少，对水资源的需求较低，因此WEI+指数很小。

4.2 时间变化

为分析各水资源一级区WEI+指数的年际变化情况，将各区WEI+指数绘制成折线图，如图1所示。其中，北方6区用实线表示，南方4区用虚线表示。

图1 2003—2012年全国水资源一级区WEI+指数变化Fig.1 Variations of WEI+ for first-grade districts of water resources in China from 2003 to 2012

从图1可以看出，南方4区的WEI+指数均小于警戒阈值40%，且年际间变化幅度不大，基本在其均值上下浮动，且变化规律基本类似。而北方6区中，除松花江区的WEI+指数均值<40%，其余各区均>40%，且年际间变化幅度较大，变化幅度最大的是海河区。北方6区中，WEI+指数基本都在2006年达到一个较大值，这是由于2006年北方6区的面平均降水量为308.8 mm，比常年值偏少5.9%，且东北地区发生了较为严重的干旱事件，这导致北方6区水资源总量为4 761亿m3，比常年值偏少9.5%。除淮河区之外，北方6区中的其他5个区的WEI+指数在近些年来都呈现出一定的下降趋势，特别是海河区，WEI+指数下降的幅度较大，这说明海河区的水资源过度开发利用情况有所缓解，水资源短缺情况亦有所缓解。

4.3 空间变化

为分析各水资源一级区WEI+指数的空间变化规律，将WEI+指数划分为<10%，[10%，20%)，[20%，40%)及≥40% 4个等级。<10%表示不短缺，[10%，20%)表示轻度短缺，[20%，40%)表示中度短缺，≥40%表示重度短缺。利用ArcGIS软件绘制2003—2012年全国水资源一级区WEI+指数空间分布图，如图2所示。

图2 全国水资源一级区WEI+指数空间分布Fig.2 Spatial distribution of WEI+ for first-grade districts of water resources in China

从图2可以看出，我国北方的大部分区域属于水资源中度或重度短缺，而南方区域属于中度或轻度短缺，只有西南诸河区始终处于不短缺的状态。水资源重度短缺的区域分布在以海河区、淮河区为中心的黄淮海区域。该区域天然水资源量较少，但人口密度大，农业耕地多，重工业集中，水资源需求量大。南方4区的水资源短缺情况在轻度缺水与中度缺水中波动变化，以中度缺水的年份居多。其中，2010年是全国重度缺水区域最小的年份，这是因为2010年北方6区面平均降水量为365.8 mm，比常年值偏多11.5%；南方4区面平均降水量为1 280.2 mm，比常年值偏多6.7%。

水资源综合开发强度也能够从一定程度上反映区域水资源的短缺情况。为验证WEI+指数的有效性，将WEI+指数与水资源综合开发程度进行比较。采用文献[17]中2008年全国流域水利水电资源开发程度值，将其与2008年WEI+进行对比，如表2所示。从表2中可以看出，WEI+指数的空间变化趋势与流域水利水电开发利用程度大致相符，这说明WEI+能够较为准确地反映流域的水资源短缺程度。

表2 2008年水利水电开发利用程度与WEI+指数对比Table 2 Comparison between WEI+ and degrees of water conservancy development and utilization in 2008 %

对于水资源管理者而言，可以利用WEI+从时间尺度、空间尺度2个方面探讨水资源短缺问题。从时间尺度来说，水资源管理者可根据历年WEI+变化及WEI+计算公式中各要素的变化，分析造成水资源短缺的原因(气象因素或人为因素)，并结合水资源短缺变化趋势，提出适宜的应对措施；从空间尺度来说，可根据不同流域或不同省份WEI+的差异，分区制定相应的水资源短缺应对措施，做到科学、合理、有效地缓解水资源短缺问题。

5 结 论

本文采用欧盟“水资源与干旱专家小组”在2012年提出的WEI+指数对全国水资源一级区2003—2012年水资源短缺情况进行分析，结论如下：

(1) WEI+指数最小的是西南诸河区，其均值为1.9%；WEI+指数最大的是海河区，其均值为130%。南方4区的WEI+指数均未超过警戒阈值40%，北方6区除松花江区外均超过警戒阈值40%，这说明我国北方面临较为严重的水资源短缺问题，特别是海河区。

(2) 南方4区的WEI+指数在2003—2012年间波动不大，而北方6区的WEI+指数波动剧烈。除淮河区外，其余地区的WEI+指数均呈现出一定的下降趋势，这说明区域的水资源短缺情况有所缓解。

(3) WEI+指数与流域水利水电开发利用程度在空间上的分布规律基本类似，这说明WEI+指数能够有效反映区域的水资源短缺情况。

WEI+指数作为一个简单明晰的水资源短缺指数，具有一定的物理意义，在我国水资源一级区的利用能够较好地反映流域的水资源短缺情况，因此可以推广到全国的水资源二级区、三级区或省级区进行应用。水资源管理者可根据WEI+的变化情况，分时段、分区域制定相应的措施以缓解水资源短缺问题。但在应用的过程中需要考虑数据的可获得性及准确性，同时可根据区域的实际情况重新确定警戒阈值。

[1] RIJSBERMAN F R. Water Scarcity: Fact or Fiction?[J]. Agricultural Water Management，2006，80(1)：5-22.

[2] 许应石，李长安，张中旺，等.湖北省水资源短缺风险评价及对策[J].长江科学院院报，2012，29(11)：5-10.

[3] FALKENMARK M. The Massive Water Scarcity Threatening Africa—Why Isn’t It Being Addressed？[J]. Ambio，1989，18(2)：112-118.

[4] 於 方，过孝民，张 强.城市污染型缺水的界定及其经济损失的计算[J].中国环境科学，2003，23(1)： 100-104.

[5] 王海英，董锁成.黄河沿岸地带水资源短缺的症结与对策探讨[J].自然资源学报，2002，17(5)：590-596.

[6] 李秀灵.河南省水资源短缺现状及对策[J].水电能源科学，2009，27(6)：32-33.

[7] 王红瑞，刘昌明，毛广全，等.水资源短缺对北京农业的不利影响分析与对策[J].自然资源学报，2004，19(2)：160-169.

[8] 左东启.初论建立水资源评价指标体系[J]. 水利经济，1991，(2)：1-6.

[9] 左东启，李鸿业.水资源评价指标体系研究[J].水科学进展，1996，7(4)：367-373.

[10]彭岳津，黄永基，郭孟卓. 全国主要缺水城市缺水程度和缺水类型的模糊多因素多层次综合评价法[J].水利规划，1996，(4)：20-24，34.

[11]门宝辉，赵燮京，梁 川.我国北方地区水资源可持续利用状况评价[J].南水北调与水利科技，2003，1(4)：24-27.

[12]王 耕，吴 伟.辽宁海岸城市水资源紧缺程度量化评价方法研究[J].海洋开发与管理，2008，25(9)：68-71.

[13]FAERGEMANN H.Update on Water Scarcity and Droughts Indicator Development[R].Denmark：Water Director’s Meeting，2012.

[14]RASKIN P，GLEICK P，KIRSHEN P，etal. Comprehensive Assessment of the Freshwater Resources of the World[R].Sweden：Stockholm Environmental Institute，1997.

[15]LANE M E，KIRSHEN P H，VOGEL R M. Indicators of Impacts of Global Climate Change on US Water Resources[J].Journal of Water Resources Planning and Management，1999，125(4)：194-204.

[16]ALCAMO J，HENRICHS T，RÖSCH T. World Water in 2025: Global Modeling and Scenario Analysis for the World Commission on Water for the 21st Century[R]. Germany：Center for Environmental Systems Research，University of Kassel，2000.

[17]张 雷，鲁春霞，吴映梅，等.中国流域水资源综合开发[J].自然资源学报，2014，29(2)：295-303.

(编辑：罗 娟)

Water Scarcity Analysis of River Basins in ChinaBased on Water Exploitation Index Plus

FAN Lin-lin1, WANG Hong-rui2, LIU Feng-li1, LAI Wen-li2, HONG Si-yang2

(1.Agricultural Water Conservancy Department, Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010, China; 2. College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

In the aim of assessing the water scarcity situation of river basins in China, Water Exploitation Index Plus (WEI+) developed by European Union was introduced to compute the water scarcity situations from 2003 to 2012 in ten first-grade districts of water resources in China. Results show that the WEI+ in rivers basin in Southwest China is the smallest, with the average value of 1.9%, and that of Haihe River Basin is the largest, with the average value of 130%. The WEI+ values of six basins in the North are larger than those of four basins in the South, indicating a severe water scarcity situation in North China. The WEI+ values of four basins in the South changed little during 2003-2012, while those of six basins in the North fluctuated greatly. Moreover, the WEI+ values of most river basins displayed a downward trend, showing the alleviation of water scarcity situation. In addition, the spatial distribution pattern of WEI+ is generally similar with that of water conservancy development and utilization degree, which indicates that WEI+ could effectively reflect the regional water scarcity situation in China.

water scarcity; Water Exploitation Index Plus(WEI+); first-grade districts of water resources; four basins in South China; six basins in North China

2016-01-11；

2016-02-22

国家自然科学基金项目(51279006，51479003)

范琳琳(1990-)，女，湖北丹江口人，助理工程师，硕士，研究方向为水资源系统分析，(电话)15527691023(电子信箱)fll901023@163.com。

王红瑞(1963-)，男，河南南阳人，教授，博士，研究方向为水文水资源，(电话)13520733486(电子信箱)henrywang@bnu.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20160023

2017,34(4):9-14

TV211.1

A

1001-5485(2017)04-0009-06