水资源约束条件下包头市产业结构调整与水资源优化配置研究

丁超 胡永江 王振华 赵娜 王黎明

摘要：包头市属于水资源严重缺乏的城市，水资源短缺已成为制约经济社会发展的重要因素。文章从水资源高效利用的角度出发，认为通过产业结构的不断调整和经济增长方式的转变来合理配置水资源，是包头市未来发展的重要保障。本研究构建包头市水资源约束条件下产业结构优化的多目標规划模型，利用NSGA-II对模型进行求解给出包头市未来产业结构调整以及用水结构调整的方向，并指出影响包头市未来发展的关键因素。最后给出促进包头市水资源合理、有效利用的建议。

关键词：水资源约束;资源优化配置;产业结构调整;多目标规划;NSGA-II

中图分类号：X24

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020-04-019开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

The research on Baotou industrial structure adjustment and

the water resource optimal allocation under the limitedwater resources condition

DING Chao， HU Yongjiang， WANG Zhenhua， ZHAO Na， WANG Liming

（School of Civil Engineering， Inner Mongolia University of Science & Technology， Baotou 014010， China）

Abstract： Baotou City is  seriously lack of water resources. Water shortage has become an important factor hindering the  economic and social development. From the point of view of efficient utilization of water resources， through the industry structure of the continuous adjustment， the transformation of economic growth mode to reasonable allocation of water resources， this is the future development guarantee of Baotou. This research constructs a multi-objective programming model and uses NSGA-II pointing out the key factors influencing  the future development  of Baotou. Finally suggestions are given to promote  the  rational and effective use of water resources in Baotou.

Key words： water resources constraints; optimal allocation of resources; industrial restructuring; multi-objective planning; NSGA-II

伴随着社会经济、人口的增长，人民对高质量生活品质的追求，水资源的需求量大幅增长，过去100年间水资源需求增长已近8倍［1］。与此同时，人类对水资源的开发利用也对生态系统造成了极大的破环［2］。水资源限制已成为21世纪人类社会经济发展所必需要考虑的重要因素［3］。对于我国来说，水资源限制情况更为严重。虽然我国淡水资源总量为2.8万亿m3，位居世界第4，为全球总量的6％。但人均仅有2063m3，为世界的四分之一，是全球最贫水的13个国家之一［4］。我国经济的高速发展造成了对水资源的超负荷使用带来许多问题，如地下水超采造成的河流沿岸植被稀疏、形成局部地下水漏斗区和地面沉陷等［5］，使生态环境付出了沉重代价。因此，高消耗式的经济增长方式已难以为继，社会经济与水资源的协调、可持续发展成为各地区发展的共同目标。

水资源的研究有很多，目前众多学者注意力主要集中在水资源利用效率方面，如鲍超和方创琳分析了城镇化下水资源需求、用水结构等变化情况［6］。阚大学等解释了城镇化过程中水资源利用量和利用效率存在空间溢出效应［7］。钱文婧等研究水资源利用效率的区域差异，发现产业结构对水资源利用效率均有显著影响［4］。张兆方等对一带一路水资源利用效率进行分析，发现人均GDP对水资源利用效率具有显著正向作用，农业用水结构与水资源利用效率呈显著负相关［8］。钱堃等对辽宁省用水效率进行了研究，分4种情况讨论了到2020年辽宁省水资源的合理用量以及单位GDP水耗需降低情况［9］。同时，在扩大水资源量方面，再生水回用研究也较多。如刘晓君［10］、付汉良［11］等对再生水回用意愿研究，寻找扩大再生水利用的影响因素，从而扩大水资源的有效供给量。现有研究不足主要表现在，目前大部分研究主要关注水资源利用效率的评价以及寻找提高水资源效率的方法或者关键因素，是站在既有发展模式下寻找水资源利用的出路，但是对于我国一些地区来说（比如西北干旱缺水地区），水资源可利用总量以及水环境承载能力有限，在水资源利用、水环境保护以及社会经济发展的三重压力下，以水资源限制为约束条件，探讨经济结构合理调整以适应水资源利用、水环境保护以及社会经济发展的需要，可能具有更大的现实指导意义。因此，调整产业结构，优化水资源配置成为提高水资源承载力，保障社会经济可持续发展的一条出路。

除宁夏外，内蒙古是我国最为贫水的省区［12］。而包头市是内蒙古最重要的重工业城市，2017年常住人口287.8万，GDP总量3 448亿元，位列内蒙第二位，但人均水资源量仅为252.26m3，是全国平均水平的12.23％，属于严重缺水地区［13-15］。因此，論文选取包头市为研究对象，从水资源高效利用的角度出发，通过产业结构的不断调整，转变经济增长方式，提升再生水的利用规模，合理配置水资源，进而建设节水型社会，这对包头市的经济、社会发展具有重要现实意义。

1 包头市水资源利用现状分析

1.1 包头市水资源总量及利用情况

包头市自产多年平均水资源总量7.26亿m3，其中地表水资源量为2.13亿m3，地下水资源量为6.13亿m3，重复计算量为1.00亿m3［15］，约占内蒙古的1.79％。包头市水资源可利用总量为6.14亿m3，其中地表水资源可利用量为1.03亿m3，地下水资源可开采量为5.12亿m3，地表水资源可利用量与地下水资源可开采量之间的重复计算量为0.01亿m3。黄河取水指标5.5亿m3［15］。2017年，包头市水资源取用水总量10.58亿m3，地表水源供水量为6.3亿m3，占总供水的59.6％;地下水源供水量3.77亿m3，占总供水的35.6％;再生水0.51亿m3，占总供水的4.8％［15］。对比分析可以发现，包头市可利用水资源量以及实际用水总量已经逼近水资源总量（见表1），地下水开采系数K=0.73，尚有部分开发潜力［16］。

2017年，包头市各行业用水总量1 058亿m3。农业用水在各行业中仍居首位，为6.64亿m3，占总水量的62.78％;工业用新水量2.66亿m3，占总水量的25.16％，工业重复用水量21.32亿m3，总用水量23.98亿m3;城镇生活、社会综合用水量1.28亿m3，占总水量的12.06％［15］。由表2可见，虽然包头市是重工业城市，但是农业用水仍占新水量的大头，农业以62.78％的用水量创造了3.2％的GDP，工业主要依靠复用来满足生产需要。

1.2 包头市水资源利用中存在的问题

虽然包头市在建设节水型社会的过程中取得了一些成绩，但是长期形成的用水结构性矛盾和粗放型用水的方式还没有得到根本转变，资源短缺、供需矛盾日益突出，在经济增长的压力下，水资源与水环境付出的代价较大，社会各界对实行最严格水资源管理制度的认识和重视程度有待提高。其主要问题为：

1）资源性缺水且用水技术落后。包头市人均水资源量远远低于500m3的国际绝对缺水线，虽然通过引水工程保障了城市居民用水，但是资源性缺水的现状并没有改变，可利用水资源量以及实际用水总量已经逼近水资源总量，缺水成为制约城市可持续发展的主要瓶颈。同时，包头市的企业生产工艺比较落后，尽管资源重复利用率达到88.9％，但是除了火电行业和包钢水重复利用率超过95％，其他行业的重复利用程度还较低，乡镇企业的水重复利用程度更低。灌溉水利用系数仅为0.56，虽然近年来通过加强节水措施，灌溉用水定额有所下降，但在全国水平来说仍属于较低水平。

2）水资源污染严重，黄河出现水环境危机。黄河贯穿整个呼包鄂地区，流域内人口密集，工业发达。作为呼包鄂地区的排污河，黄河干流进入包头市后综合污染指数持续升高，水质持续变差。同时黄河入境水量不断减少，污径比增大，自净能力下降，丧失了自然稀释净化能力，已经不能作为饮用水源，作为农业水也受到严重威胁，在资源性缺水的情况下又造成水质性缺水，加剧了水资源危机［17］。

3）水资源需求与供给差距拉大。包头市多年平均水资源总量为12.76亿m3（包含5.5亿m3黄河取水量），但2017年包头市实际用水量就已经达到水资源总量的82.92％，达到可利用总量的90.89％，地表水、地下水的取用压力已经很大，除非增加黄河调水量，否则水资源量的供给将逼近极限。目前包头市万元工业增加值用水为14.8m3，农业用水效率偏低，第三产业用水快速增长，按照《包头市水资源十三五规划》和《包头市城市总体规划（2011—2020年）》的要求，到2020年，包头市中心城区常住人口人口控制在260万，主城区面积在302km2，若以现在的经济结构和增长方式，到第一个一百年2021年时，包头市总用水量将可能达到12.6亿m3，已超可利用总量，经济增长难以为继。

2 水资源约束条件下产业结构优化的多目标规划模型

2.1 模型建立的基本思路

在经济和环境的协调发展中，需要考虑水资源系统、社会经济系统以及环境系统的协调发展［18］。2011年中央1号文件提出“最严水资源管理制度”，建立了用水总量控制、用水效率控制和水功能区限制纳污“三项制度”，相应地划定了用水总量、用水效率和水功能区限制纳污“三条红线”。而三条红线的划定是为了保证社会经济在资源限制条件下与自然和谐发展，因此，发展的最主要目标为：如何在水资源约束的条件下实现经济增长的最大化;即如何通过结构调整、用水分配以及效率目标以保证总用水量在总资源量范围内（至于效率红线，其实质影响的是总量，因此可合并到总量目标中去）;如何通过合理的制定各部门的排放指标如化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）排放量等，以缓解水环境压力，修复水自然生态系统［19］。基于这3个目标，建立水资源、社会经济以及环境相关联的多目标规划模型，以供水量、用水规模以及产值COD排放水平等作为模型的入口数据，以此研究不同水平下水资源的承载能力，调整产业结构，优化水资源配置，促进经济、社会与环境协调发展［20］。

2.2 多目标规划模型

在现实世界中，越来越多问题的解决需要同时实现多个目标，因此单目标决策方法逐渐难以满足人们的需求。作为数学规划的一个分支，多目标规划（multi-objective programming，MOP）主要研究的是多个目标函数在一定区域范围内的最优化，因此得到人们重视，逐渐形成了完整的理论体系［21］。

2.2.1 设定决策变量 决策变量是对实际系统模型中的状态以及发展趋势的一种描述。对于产业结构的优化调整，其反映的是一、二、三产业之间的比重关系，因此这种关系可以用产业产值来表述。

3 基于包头市的实证研究

以包头市为研究对象，选取2017年为分析的现状年，根据《包头市城市总体规划（2011—2020年）》、《包头市水资源“十三五”规划》、《包头市水污染综合治理实施方案（2015—2020年）》确定包头市2025年作为未来规划年，利用已建立的多目标规划模型进行分析。

3.1 基本假设条件

1）在不同水文保证率下，每年可利用水资源量不同，参考包头市2013年（保证率25％）、2016年（保证率50％）、2017年（保证率75％）的水文数据，为简便计算，在此取多年平均水资源量和可利用总量估算。

2）生态环境需水量，地表水开发强度控制在85％以下，地下水开采系数要小于1，为环境用水留有余量。

3）由于包头市经济总量挤水份，2018年GDP为2 223亿元，比2017年减少767.23亿元，减少25.66％。因此，由于虚增GDP的影响，原有用水量效率指标均失真，在此以2018年GDP数据进行修正。

3.2 指标参数确定

1）包头市未来发展的GDP目标。经济的发展存在一定范围内的上下波动，根据《包头市国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》以及《包头市城市总体规划（2011—2020年）》中的经济发展规划，并结合我国经济增长目标区间，确定amax为6.5％，amin为6％。由此计算各产业远期2025年GPD的上下限。VGDP1∈［84.56，90.5］，VGDP2∈［1243.36，1329.07］，VGDP3∈［1924.16，2054.25］，VGDP∈［3252.08，3473.83］。

2）多目标规划模型的主要变量与参数估计。根据上文所选择的相关变量及主要参数，确定相关数据。详细数据见表3。

根据相关规划，确定模型中计算部分的约束条件与参数指标，详见表4。

3.3 计算分析

根据上文建立的模型以及相关数据参数进行求解，求解过程进行编程计算，程序采用Python3.6利用Geatpy库的相关遗传算法函数可直接进行计算。

3.3.1 现有参数不变、无资源限制情况

假定在各项限制性条件参数不变，维持现有水平的情况下，2025年包头市经济发展水平约为3 362.95亿元，第一、二、三产业的比重为2.61％∶38.26％∶59.14％（见图2）。

通过计算结果表明，在现有水平下，在各项水利用情况及水利用系数不变，COD排放水平不变的情况下，若2025年实现GDP目标，用水总量将达到13.07亿m3，用水缺口1.43亿m3。因地表水开发强度控制在85％以下，地下水开采系数要小于1，所以地表水最大可利用量0.88亿m3，地下水最大可利用5.11亿m3，若保持黄河取水5.5亿m3不变的话，只能通过扩大再生水利用量来弥补缺口，再生水利用量最少提高至1.58亿m3，比2017年增长1.07亿m3，再生水占总供水比重最少要提升到12.09％，比2017年增长7.27％。以目前再生水利用及推广程度来看的话，实现难度较大，因此极有可能挤占生态用水。通过图3可以看出，2025年COD排放水平为2017年1.13倍，是国家一级A标准的1.48倍，国家一级B标准的1.23倍，其中生活污水排放增长最大，为26.15％。同时可以看出，第一、二、三产业的产业结构为2.61％∶38.26％∶59.14％，而其用水结构为62.52％∶27.16％∶10.32％，呈现倒挂的情形。因此，以这样的水平发展，仅仅通过调整结构即不能够解决水资源的问题，也不能满足环境要求，经济与环境不可持续发展。

3.3.2 参数改变及限定条件下的帕累托（Pareto）解集

根据相关约束条件及发展目标，采用NSGA-II进行计算，当帕累托前沿点个数大于200个时即停止搜索。

由图4可以看出，GDP总量最终维持在3376.25亿元的平均水平，第一、二、三产业的产值结构为2.43％∶36.31％∶61.26％。

1）由图5可知，2025年包头市需水总量约为10.06亿m3，为2017年的95.05％，基本相當。整体为可利用水资源量的86.39％，保持在资源红线以下。同时，在此经济规模和结构下，能够保持不新增黄河取水量，地表水和地下水的开采有所减轻，保证了部分生态用水需求，缓解了生态压力。其中地表水利用强度约为48.54％，地下水开发强度为0.65，能够缓解部分地区地下水超采的情况。其最主要用水结构变化一是由用水效率提高带来的节水效果，二是扩大再生水的利用面，再生水利用量扩大2 300万m3，占总供水的比重由4.8％提升至7.3％。总体来说实现难度不大。在此水平下，三次产业用水结构为57.21％∶30.25％∶12.54％，结构更加合理。

2）通过计算，在此结构下COD排放标准仅只需比2017年水平下降15％，总排放量为69 271t，能够满足国家一级B类排放标准。要想进一步缩减排放规模，在现有技术及发展水平下，可能要削减经济规模，因此未来发展的关键还需要进一步提高产业技术水平。

4 结论与建议

在调整产业结构上，包头市应按照节水型社会的要求调整三大产业的比重，才能在保障经济发展的基础上减少水资源消耗量以及污染排放量。2017年包头市三次产业比重为3.2％∶41.1％∶55.7％，用水比重为62.82％∶25.17％∶12.01％。经过计算，到2025年包头市经济规模约为3 376.25亿元，人口约为298.18万人，三次产业结构为2.43％∶36.31％∶61.26％，用水结构为57.21％∶30.25％∶12.54％。最终取得帕累托较优时的几个关键参数为：2025年农业灌溉系数需达到0.6，工业用水重复利用率达到9％，污水再生回用率达到7.3％，COD排放系数在现有水平上下降15％。综合表4来看，在满足资源红线和排放红线的条件下，经济规模和产业结构为帕累托较优，而且相关参数指标实现的难度也不大。因此，为实现经济可持续发展、水资源合理利用以及水环境状况改善的目标，在城市发展过程中，需要注意以下方面：

1）进一步压缩第一产业比重，降低总用水量。2017年，农业用水占总用水的62.82％。农业作为用水大户，在未来的发展上一定要以提高利用率为主，大力发展节水型现代农业，统筹农业发展与有机废弃物资源化利用，生活污水集中收集处理，改善农村水环境。

2）重点关注中小企业，进一步提高水复用率。包头是重工业城市，具有非常好的工业基础，因此在包头市工业的发展中，大力推进节水技术，突出节水降耗，着重打造稀土、新型冶金、现代装备制造等主导产业。重点培育壮大高端新材料、新能源汽车、节能电机、脱硫脱硝设备等节能环保技术装备新兴制造业，要以高新技术来改造传统产业，利用先进技术增加水循环利用次数。同时，在二次产业内部进行结构调整，压缩造纸等高耗水、高污染产业的规模，坚持以水定产和生态红线，严格控制现代煤化工总量规模，着力采用先进适用技术，大力发展煤化工下游精深加工产品。

3）进一步提高再生水的利用规模。包头市的城市规划较超前，中水管网建设相对较好，因此具有进一步提高再生水利用率的基础。由研究可以发现，扩大再生水的利用规模，是包头市水资源有效利用的关键所在。

4）在2025年远景规划中，包头市人口将达到298.18万人。同时，随着生活水平的提高，生活用水的增长不容忽视。为有效控制生活用水的增长，需要综合采取节水措施，普及节水器具，推广中水应用以及一水多用等，并通过价格杠杆合理调节用水需求。加快城市水环境基础设施建设，利用符合当地实际的生活污水集中式、分散式处理技术与设备，改进现有技术的处理流程，实现污水再生利用。

5）在环境保护上，要进一步提高污水处理率，并进一步提高处理标准。在产业内部调整结构，限制高污染行业发展，努力实现COD排放水平的大幅度削减［23］。大力开展再生水宣传教育，提高公众对再生水了解程度，通过正确的教育，引导公众对于再生水回用产生科学正确的认识。

6）开源节流是提高水资源承載力的重要手段。本文未将雨水考虑为可利用水资源。面对水资源不足的情况，今后可进一步推进雨水利用，提高水资源可利用总量。

参考文献：

［1］ VELDKAMP T I E， WADA Y， AERTS J C J H， et al. Water scarcity hotspots travel downstream due to human interventions in the 20th and 21st century［J］. Nature Communications， 2017，8（1）：1.

［2］ LU S B， ZHANG X L， BAO H J， et al. Review of social water cycle research in a changing environment［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2016，63：132-140.

［3］ BAO C， CHEN X J. The driving effects of urbanization on economic growth and water use change in China： A provincial-level analysis in 1997—2011［J］. Journal of Geographical Sciences， 2015，25（5）：530-544.

［4］ 钱文婧， 贺灿飞. 中国水资源利用效率区域差异及影响因素研究［J］. 中国人口·资源与环境， 2011，21（2）：54-60.

QIAN W Q，HE C F. Study on Regional Differences and Influencing Factors of Water Use Efficiency in China ［J］.Population， Resources and Environment of China， 2011，21（2）： 54-60.

［5］ 李芸， 张楠. 昆明盆地地下水超采区水资源评价［J］. 长江科学院院报， 2017，34（6）：35-38.

LI Y， ZHANG N. Evaluation of water resources in groundwater overexploitation area of Kunming Basin ［J］. Journal of Yangtze Academy of Sciences， 2017， 34（6）： 35-38.

［6］ BAO C， FANG C L. Water resources flows related to urbanization in China： Challenges and perspectives for water management and urban development［J］. Water Resources Management， 2012，26（2）：531-552.

［7］ 阚大学， 吕连菊. 中国城镇化对水资源利用的影响［J］. 城市问题， 2018（7）：4-12.

KAN D X， LYU L J. The Impact of Urbanization on Water Resources Utilization in China ［J］. Urban Issues， 2018（7）： 4-12.

［8］ 张兆方， 沈菊琴， 何伟军， 等. “一带一路”中国区域水资源利用效率评价——基于超效率DEA-Malmquist-Tobit方法［J］. 河海大学学报（哲学社会科学版）， 2018，20（4）：60-66.

ZHANG Z F， SHEN J Q， HE W J， et al. Evaluation of water resources utilization efficiency in China′s "one belt along the way"： Based on super efficiency DEA-Malmquist-Tobit method ［J］. Journal of Hohai University （Philosophy and  Social Sciences）， 2018，20（4）： 60-66.

［9］ 钱堃， 朱显成. 水资源效率模型及以辽宁省为例的实证研究［J］. 大连工业大学学报， 2008，27（2）：188-190.

QIAN K， ZHU X C. Water resource efficiency model and empirical study taking Liaoning Province as an example ［J］. Journal of Dalian University of Technology， 2008，27（2）：188-190.

［10］刘晓君， 付汉良. 西北干旱缺水城市污水再生利用系统决策优化［J］. 环境工程学报， 2017，11（1）：211-217.

LIU X J， FU H L. Decision-making optimization of wastewater reuse system for arid and water-deficient cities in Northwest China ［J］.Journal of Environmental Engineering， 2017，11（1）： 211-217.

［11］付汉良， 刘晓君. 再生水回用公众心理感染现象的验证及影响策略［J］. 资源科学， 2018，40（6）：1222-1229.

FU H L， LIU X J. Verification and impact strategies of public psychological infection in recycled water reuse ［J］. Resource Science， 2018， 40 （6）： 1222-1229.

［12］高海明. 内蒙古水资源供需问题对策研究［D］. 北京： 中國农业科学院， 2007.

［13］内蒙古自治区水利厅. 2017年内蒙古水资源公报［R］. 呼和浩特： 内蒙古自治区水利厅， 2017.

［14］内蒙古自治区统计局. 内蒙古自治区2017年国民经济和社会发展统计公报［R］. 呼和浩特： 内蒙古自治区统计局， 2017.

［15］包头市水务局. 2017年包头市水资源利用公报［R］. 包头： 包头市水务局， 2017.

［16］师幸生. 太原市地下水资源开发利用程度分析［J］. 中国水利， 2008（13）：33-34，52.

SHI X S. Analysis of the degree of exploitation and utilization of groundwater resources in Taiyuan ［J］. China Water Resources， 2008 （13）： 33-34，52.

［17］白妙馨， 石蕾， 魏敬铤， 等. 内蒙古重点流域污染防治对策研究［J］. 北方环境， 2012，24（6）：108-112.

BAI M X， SHI L， WEI J T， et al. Study on pollution prevention and control strategies in key watersheds of Inner Mongolia［J］.North Environment， 2012， 24（6）：108-112.

［18］王建华， 姜大川， 肖伟华， 等. 水资源承载力理论基础探析：定义内涵与科学问题［J］. 水利学报， 2017，48（12）：1399-1409.

WANG J H， JIANG D C， XIAO W H， et al. Theoretical analysis of water resources carrying capacity： definition and scientific issues ［J］. Journal of Water Resources， 2017， 48（12）： 1399-1409.

［19］冯颖， 李晓宁， 屈国俊， 等. 中国水环境污染与经济增长关系研究［J］. 西北农林科技大学学报（社会科学版）， 2017，17（6）：66-74.

FENG Y， LI X N， QU G J， et al. Study on the relationship between water environmental pollution and economic growth in China ［J］.Journal of Northwest University of Agriculture and Forestry Science and Technology （Social Science Edition），2017，17（6）： 66-74.

［20］XIONG Y， LI J Z， JIANG D L. Optimization research on supply and demand system for water resources in the Chang-Zhu-Tan urban agglomeration［J］. Journal of Geographical Sciences， 2015，25（11）：1357-1376.

［21］林闯， 陈莹，黄霁崴， 等. 服务计算中服务质量的多目标优化模型与求解研究［J］. 计算机学报， 2015，38（10）：1907-1923.

LIN C， CHEN Y， HUANG J W， et al. Multi-objective optimization model and solution of service quality in service computing ［J］. Journal of Computer Science，2015，38（10）： 1907-1923.

［22］李莉. 基于遗传算法的多目标寻优策略的应用研究［D］. 无锡： 江南大学， 2008.

［23］李建伟， 刘科伟， 郭岩岩. 基于空间扩张视角城市新区用地规模预测方法［J］. 西北大学学报（自然科学版）， 2017，47（4）：608-612.

LI J W， LIU K W， GUO Y Y.Prediction method of land use scale in new urban areas from the perspective of spatial expansion ［J］. Journal of Northwest University （Natural Science Edition）， 2017， 47 （04）： 608-612.

（编 辑 亢小玉）