基于水压力指数的水资源利用状况评估

潘欢迎，付泳琪

(中国地质大学(武汉)环境学院，武汉 430074)

1 研究背景

水资源短缺问题是由自然原因或人类活动造成的，包括全球气候变化，水资源的有限性与水资源时空分布不均，人口增长和社会经济快速发展导致需水量增加，水资源浪费、用水效率低与水环境污染并存等等。因此，水资源利用状况评估对区域水资源的合理开发高效利用和综合管理具有重要意义。

水资源利用的水压力指数评估是在一定的时空尺度下，根据水压力指数，对水资源数量时空分布特征和利用状况进行全面分析和评估的过程。很多学者对水资源压力指数进行了不同尺度的研究，主要包括国家、流域与区域3种尺度。国家尺度的水资源压力指数评估方法的特点是具有高度的宏观性与概括性，指标数目少，计算指标所需资料的少、且资料较易获取，因而指标可操作性强；如：Falkenmark 指数[1]，水压力指数[2,3]等。区域尺度的水资源压力指数评估方法的特点是指标体系种类数目庞杂，指标体系的构建从概念框架到指标选择的理论分析很完善，如：系统层次法[4]，压力状态响应模型[5]等；但指标涉及的数据资料来源较困难，致使详细的分项计算具有主观性或可靠性较低，直接影响分析结果的客观性与准确性。流域尺度的水资源压力指数评估方法特点介于上述二者之间[6-8]。

本文对大时空尺度下水资源利用状况进行了研究探讨，提出了适合大空间尺度的水资源利用压力指数评估方法，对水压力指数评估方法中存在的一些具体的问题，如资料的获取、具体操作等进行深入完善的阐述与说明，以全国水资源一级区为典型例子，应用水压力指数评估方法对该研究区域的水资源利用状况进行了评价分析，从而为我国水资源持续开发利用提供参考。

2 水压力指数评估方法

水压力指数评估方法是在大空间评价区一定的人口及生态环境质量下，结合当地供水工程技术开发条件以及人民生活、工农业生产与生态环境保护等用水需求，分别基于天然来水与人类取水的视角，定量评估人类对逐年更新的水资源利用程度的方法，揭示大空间尺度下水资源与人口及经济技术之间的关系。参照大空间尺度水资源压力指标，在充分考虑评价区水资源自然条件差异以及各类用水户用水量不同的基础上，选取Falkenmark 指数与水压力指数两类指数评估方法进行评述。

2.1 Falkenmark 指数

Falkenmark 指数(Falkenmark Index)是瑞典斯德哥尔摩国际水资源研究所Falkenmark教授提出的水资源压力指数，定义为人均水资源量[1]，其计算公式为：

(1)

式中：FI为Falkenmark指数；W为评价区内降水形成的年径流量；P为评价区的人口数量。

Falkenmark指数直观易行，反映的是人口与水资源之间的关系，定量揭示了人口与逐年更新的天然水资源关系的地域变化规律，以度量区域人均年水资源丰富程度。Falkenmark指数的水资源压力分区评判标准见表1。

表1 Falkenmark指数的压力分区评判标准Tab.1 Water barrier differentiation proposed by Falkenmark

Falkenmark指数将水资源压力区域分为4个等级，见表1，当每年的人均水资源量大于1 700 m3/(人·a)时，表示评价区水资源量富足，天然来水情况乐观；年人均水资源量为700～1 000 m3/(人·a)时，表示评价区处于高压力区；年人均水资源量为500～1 000 m3/(人·a)时，表示评价区处于水资源短缺状态；当每年的人均水资源量小于500 m3/(人·a)时，表示评价区为高压力区，水资源出现严重短缺。

Falkenmark指数取决于评价区水资源总量和人口总数2个变量，为一个区域在现有人口总数下，所能平均分配的逐年天然水资源量。Falkenmark指数分析水资源总量指标与人口指标之间的关联性，水资源为自然资源，而社会是由人组成的，因此，Falkenmark指数为基于天然来水角度的社会水压力指标。Falkenmark指数的不足在于没有考虑取水设施的可取水量以及评价区的需水情况。

2.2 水压力指数

水压力指数(Water stress indicator)定义为供水量与径流量之比[2,3]，其计算公式为：

(2)

式中：WSI为水压力指数；S为评价区的供水量；W为评价区内降水形成的径流量。

水压力指数反映的是年供水量与逐年更新的年径流量之间的关系。供水量包括各种水源为用水户提供的包括输水损失在内的水量，供水量的水源包括地表水源、地下水源和其他水源三大类，地表水源供水量为蓄水、引水、提水、调水4类工程的供水量，地下水源供水量为水井工程的开采量，其他水源供水量为污水处理再利用、雨水利用和海水淡化工程的供水量。在评价区年径流量充沛的情况下，供水量的确定不仅取决于该区域的用量，也取决于供水工程的取水规模，为这两者的最小值。用水量按用户特性分为生活用水、工业用水、农业用水和生态环境补水四大类，各类用水户的水质状况按《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)和《地下水质量标准》(GB/T 14848)规定的水质标准供水。径流量即为水资源总量，根据《水资源公报编制规程》(GB/T 23598-2009)，水资源总量指评价区内当地降水形成的地表和地下产水总量。

水压力指数是一个无量纲的值，度量区域实际供水量与年径流量的比例，揭示了水源工程供水量与逐年更新的天然水资源关系的变化规律。水压力指数的水资源压力分区评判标准见表2。

表2 水压力指数的压力分区评判标准Tab.2 Water barrier differentiation via WSI

水压力指数将水资源压力区域分为4个等级，见表2，当指数小于0.1时，表示评价区水资源量丰沛，水资源压力低；当指数为0.1～0.2时，表示评价区水资源压力中等；当指数为0.2～0.4时，表示评价区水资源压力较高；当指数大于0.4时，表示评价区水资源出现严重短缺，水资源压力高。

水压力指数结合生活、工业、农业和生态环境用水量的统计分析，分析水源工程供水量指标与逐年更新的天然水资源量指标之间的关联性，为一个区域年更新的天然水资源总量下，水源工程所能提供的实际供水量。因此，水压力指数考虑了评价区的需水情况与取水工程的取水规模，为基于人类取水角度的技术水压力指标。

3 基于水压力指数的全国水资源利用状况评估

本文分析资料为全国水资源一级区2006-2015年共10 a的水资源总量与用水量系列，数据来自《中国水资源公报》。依据《水资源公报编制规程》(GB/T23598-2009)，以1956-2000 年的水资源总量平均值作为多年平均值。

3.1 全国水资源一级区的水资源总量时空分布

全国水资源一级区的水资源总量的时间分布见图1(a),从全国尺度看，2006-2015年水资源量变化较小，与多年平均值(27 711 亿m3)相比，仅2009-2011这3 a的变化幅度超过了10%。南方4区的水资源量变化趋势与全国水资源量变化趋势大体一致，北方6区水资源量变化很小。

全国水资源一级区的水资源总量均值与离散系数见图1(b)，全国水资源一级区水资源总量均值变化较大，其中南方的长江区水资源总量均值为9 424 亿m3，而北方的海河区水资源总量均值为292 亿m3。水资源一级区中60%的区域离散系数小于0.25，说明这些区域水资源的年际变化程度很小，如长江区离散系数为0.12，但其中的太湖流域离散系数为1.71，说明太湖流域水资源的年际变化剧烈。

图1 2006-2015年全国水资源总量变化分析Fig.1 Variation analysis of national gross amount of water resources from 2006 to 2015

3.2 全国水资源一级区的用水量分布

全国水资源一级区2006-2015年总用水量如图2(a)所示，年用水量大体呈现逐年增加趋势，2010-2015年的用水总量均高于10 a平均值(6 013 亿m3)，相邻年份之间的用水量增长率不同，除了2014年的用水总量较2013年减少了1.4%。

全国水资源一级区的总用水量均值与离散系数见图2(b)，全国水资源一级区总用水量均值变化较大，其中长江区总用水量最大，为1 986 亿m3，占总用水量的33%；而西南诸河区总用水量最小，为165 亿m3，占总用水量的3%。水资源一级区中西南诸河区的用水量离散系数为1.11，说明该区用水量的年际变化剧烈；东南诸河区与珠江区的用水量离散系数分别为0.42和0.31，说明这南方的这2个区用水量的年际变化程度中等；剩下的70%一级区离散系数小于0.25，说明这些区域水资源的年际变化程度很小。

根据《中国水资源公报》，用水量按用户特性分为生活用水、工业用水、农业用水和生态环境补水四大类统计，其中全国农业用水所占总量最大，为63%；其次分别为工业用水和生活用水，占总量的22%和13%。各用水类型所占的比例如图2(c)所示，其中西北诸河区农业用水比例最大，为该区总用水量的93%；长江区的太湖流域农业用水比例最小，占该区总用水量的22%。工业用水中，长江区的太湖流域工业用水比例最大，占该区总用水量的61%；西北诸河区工业用水比例最小，占该区总用水量的3%。生活用水比例在3%～20%之间变化，最小生活用水比例在西北诸河区，最大生活用水比例在东南诸河区。

图2 2006-2015年用水量变化分析Fig.2 Variation analysis of water consumption from 2006 to 2015

3.3 全国水资源一级区的水压力指数

全国水资源一级区的水压力指数均值与离散系数见图3，全国水资源一级区水压力指数均值变化较大，其中海河区水压力指数均值最大，为1.33，根据表2的压力分区评判标准，海河区为高压力区；而西南诸河区水压力指数均值最小，为0.07，根据表2，西南诸河区为低压力区。水资源一级区中西南诸河区水压力指数的离散系数为2.28，说明该区水压力指数的年际变化剧烈；长江区水压力指数的离散系数为为0.12，说明该区水压力指数的年际变化程度很小；而长江区水压力指数均值为0.21，属于较高压力区，其中，长江区的太湖流域水压力指数均值为1.69，为高压力区。从2006-2015年共10 a平均值来看，全国水资源利用的低压力、中等压力、较高压力区与高压力区的比例分别为10%、20%、21%和49%。

图3 全国水资源一级区水压力指数的均值和离散系数Fig.3 Mean value and discrete coefficient of WSI of first-grade districts of water resources in China

选择 2015 年水资源一级区的水压力指数来进行分析，见图4，处于水资源高压力区的区域占全国的比例为50%，为辽河区、海河区、黄河区、淮河区与西北诸河区；松花江区为水资源较高压力区，长江区、东南诸河区和珠江区为水资源中等压力区，西南诸河区为低压力区。

图4 2015年全国水资源一级区水压力分布图Fig.4 A water stress indicator distribution map of first-grade districts of water resources in China in 2015

4 结 语

本文探讨了大空间尺度下水资源安全利用的Falkenmark 指数与水压力指数评价方法，基于数据资料的易获得性与评价指标的综合实用性，应用水压力指数评估方法，对全国水资源一级区的水资源利用状况进行了分析评价。结果表明，全国水资源一级区的水压力指数在2006-2015年尽管有波动，从10 a平均值来看，全国水资源利用的低压力、中等压力、较高压力区与高压力区的比例分别为10%、20%、20%和50%。说明水资源安全利用压力较大，存在50%的超载区。本研究对大空间尺度的水资源安全利用评价只是初步的探索性研究，围绕水资源安全利用有待进一步深入的完善和推广研究。

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参考文献：

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