北京市水资源的可持续利用评价及其预测
2022-04-20李从欣向春雨
李从欣，向春雨
(河北地质大学经济学院，河北 石家庄 050000)
水资源作为一项基础性的自然资源和战略资源，对经济的可持续发展具有重要的影响，影响国家安全和人民生活的方方面面，保护水资源，实现水资源的可持续发展刻不容缓，因此计算水资源生态足迹并对水资源生态承载力进行核算具有十分重要的现实意义[1]。
Willlam和Wackernagel于1992年最早提出生态足迹概念——通过生物生产性土地面积来测算和定量评价一个地区或者区域的资源利用程度以及可持续发展状态[2-3]。2000年徐中民等[4]首次将生态足迹模型引入中国，并运用该模型对甘肃省1998年的生态足迹进行了实证计算和分析。目前，已有大量基于生态足迹的方法研究地区水资源的成果：吴隆杰[5]采用生态足迹指数对中国1962—2001年水资源的可持续发展进行动态评估；王文国等[6]根据水资源生态足迹的基本原理和计算模型，对四川省2001—2009年水资源生态足迹、生态承载力进行分析；刘玉邦等[7]运用水生态足迹计算模型分析成都市2000—2016年水生态足迹变化，并基于LMDI分解法分析成都市水生态足迹影响因素；位帅等[8]运用水资源生态足迹和可持续利用评价的分析方法对中山市2000—2017年的水资源相关数据进行分析，得出中山市开展节水工作后的水资源可持续发展情况；韩丽红等[9]基于水资源生态足迹模型，对云南省2008—2018年的水资源时空演化进行分析，以此来了解全省的水资源动态发展状况。但多数现有文献并没有对变化趋势做出预测，只有少数文献对未来水生态足迹进行了预测，谭秀娟等[10]构建水资源生态足迹和水资源生态承载力的计算模型，对中国水资源的可持续利用状况作出了客观的评价，并运用ARIMA模型对中国水资源生态足迹变动趋势进行了深入的研究；曹坤等[11]引入机器学习中的支持向量机SVR，对上海市2014—2016年生态足迹进行了预测；樊丞越等[12]以杭州市河口地区为例，构建水资源生态足迹模型，采用指数平滑模型，对2020—2025年水资源生态足迹、生态承载力和生态压力指数进行预测；朱高立等[13]以江苏盐城为例，综合运用生态足迹模型、生态足迹多样性指数、生态系统发展能力、灰色预测GM(1,1)模型评价了江苏省盐城市2005—2018年的生态系统可持续能力。
本文通过预测总用水量和人口数量来预测人均水资源生态足迹，因为城市用水系统和人口数量都是既含有已知信息，又含有未知以及未确定的灰色系统，要想准确预测其数值是非常困难的。相较于其他预测方法，灰色系统可以在信息不完整、统计数据少的情况下进行分析预测[14]，因此，本文基于北京市2000—2019年数据，对水资源生态足迹、生态承载力、负载指数等指标进行计算分析，评价研究区域的水资源的变化情况，并采用GM(1,1)模型对总用水量和人口数量进行预测，以此来确定人均水资源生态足迹的未来变化情况，以便于对研究区域的水资源可持续利用，以及合理配置水资源提供依据。
1 研究地区与数据来源
1.1 研究地区概况
北京市位于北纬39°56′、东经116°20′，总面积16 410.54 km2，其中平原面积6 338 km2，占总面积的38.6%；山区面积10 072 km2，占总面积的61.4%。北京没有天然湖泊，只有天然河道，分别为拒马河、永定河、北运河、潮白河、蓟运河。作为目前中国最缺水的城市之一，北京市在2019年的全市平均降水量为406.3 mm，水资源总量为24.6亿m3，总供水量为41.7亿m3，人均水资源量仅有114 m3。北京良好的就业环境吸引了大量的外来人口，2019年北京市的常住人口平均数为2 153.9万人。2014年南水北调工程开始启动，虽然稍微缓解了北京市的水资源供需不平衡的状况，但并不能从根本上解决北京市的水资源供大于需的现状。由此可以看出，北京市的水资源压力是非常大的。
1.2 数据来源
本文数据来源于北京市统计年鉴、北京市水资源公报和北京市《国民经济和社会发展统计年报》，选取已经公布的2000—2019年数据作为研究数据。
2 研究方法
2.1 水资源生态足迹模型
水资源生态足迹概念是在生态足迹模型的基础上提出的，已成为度量水资源可持续利用的重要指标[18]。根据北京市的水资源特征，将水资源生态足迹分为以下4个方面：生活用水、工业用水、环境用水和农业用水生态足迹。相关模型[7]如下：
(1)
(2)
式中i——水资源用水类型；EFi——第i种用水类型的水资源生态足迹，hm2；N——区域人口数量，万人；efi——第i种用水类型的水资源人均生态足迹，hm2；W——水资源用水量，亿m3；γ——水资源全球均衡因子，采用世界自然基金会2002年确定的水资源均衡因子5.19；Pw——水资源全球平均生产能力，根据已有的参考文献可取为3 140 m3/hm2。
2.2 水资源生态承载力模型
水资源生态承载力是指研究期内某研究区最大水资源供应量对该地区资源、环境和社会可持续发展的支撑能力。水资源生态承载力计算见式(3)：
ECw=N×ecw=0.4γφQ/Pw
(3)
式中 ECw——水资源生态承载力，hm2；ecw——人均水资源生态承载力，hm2；N——人口数；φ——区域水资源产量因子，参考门宝辉研究[1]取0.77；Q——区域水资源总量，亿m3。
2.3 水资源可持续利用评价指标
2.3.1万元GDP水生态足迹
万元GDP水生态足迹指的是该区域特定时段内水资源生态足迹与该区域GDP总值的比值，其数值的大小在一定程度上反映用水效率，数值越小则用水效率越高，反之，利用效率则越低。计算公式见式(4)：
万元GDP水生态足迹=EF/GDP总值
(4)
2.3.2水生态盈余(赤字)
根据现有的研究可以看出，水资源生态盈余或生态赤字可以表示该地区的水资源开发利用程度。若ECw
水生态盈余(赤字)=ECw-EF
(5)
2.3.3水资源生态压力指数模型
水资源生态压力指数的大小可以反映区域间水资源可持续利用情况和生态环境承受的压力强度的相对大小，见式(6)：
EP=ECw/EF
(6)
式中，EP为水资源生态压力指数，参照已有研究对水资源生态压力指数等级进行划分，当EP<0.5时，表示该区域水资源开发利用处于安全状态；当0.8≤EP≤1时，是较为安全状态；当0.5≤EP<0.8时，是临界状态；当EP>1时，是不安全状态。
2.3.4水资源负载指数
用水资源负载指数可以反映出水资源在未来的开发潜力，也可以反映出该区域的水资源利用程度与当地的经济发展水平和人口之间的关系。根据水资源负载指数分级的划分标准(表1)，数值越大，水资源利用程度就越高，但是相应的水资源开发潜力也就越小，见式(7)：
(7)
式中c——水资源负载指数；N——总人口，万人；G——国内生产总值，亿元；Q——水资源总量，亿m3；k——与降水有关的系数。
k的取值如下：
(8)
表1 水资源负载指数级别划分
3 结果分析
3.1 北京市水资源生态足迹计算结果
北京市2000—2019年各用水方式的水资源生态足迹趋势见图1，可以看出，用水总量生态足迹呈现出先下降之后缓慢上升的趋势，2019年有比之前更快速度的上升趋势；生活用水生态足迹呈现出与总用水生态足迹相似的增长趋势，都是先减少后缓慢上升的变化趋势，原因在于随着北京市的经济发展，北京常住人口数量一直在不断的增加，人们的生活用水需求量增大，进而增加了北京市生活用水压力；环境用水生态足迹也呈现增长的变化趋势，尤其是近6年呈现出快速增长趋势，原因在于北京市对环境保护的投入力度在不断增大，开展一系列保护环境的措施，如植树造林、退耕还林等；相反，农业用水生态足迹和工业用水生态足迹呈现出连年下降的趋势，原因在于工业产业结构调整，整改了许多高耗能高耗水高污染的产业，以及农业采取科学种植和科学灌溉等措施，减少了水资源的浪费。
另外，2005年以前农业用水生态足迹最大，之后一直在不断减少，也反映出当时的经济还不够发达，农业用水比重较大，之后随着经济与社会的发展，第二、三产业在快速发展，农业用水生态足迹一直不断减少，到2019年时，农业用水生态足迹与工业用水生态足迹基本持平。
3.2 北京市水资源生态承载力计算结果分析
通过计算得到北京市2000—2019年的水资源生态承载力，其变化情况见图2。
图2 2000—2019年北京市水资源承载力变化
由图2可知，北京市水资源生态承载力一直比较低且呈现波动变化，其值在81.86万～178.69万hm2之间变化，比用水量生态足迹567万～689万hm2范围的值小得多，表明水资源需水量远超供应量。2002年水资源生态承载力最低，2012年水资源生态承载力最高，主要原因是2002年平均降水量仅为370.4 mm，远低于2000—2019年的平均降水量500.1 mm；2012年的平均降水量为733.2 mm，降水量偏多。
根据图3、4可知，人均水资源生态承载力跟当年的降雨量有一定的关系，降雨量多的年份，人均水资生态源承载力相应的也会增大；降雨量少的年份，人均水资源生态承载力也会减小。
图3 2000—2019年北京市年平均降水量变化
图4 2000—2019年北京市人均水资源承载力变化
3.3 水资源可持续利用评价分析
北京市2000—2019年万元GDP水资源生态足迹和水资源生态压力指数见表2。可以看出：北京市万元GDP水资源生态足迹在整体上呈现出下降的趋势，说明北京市的水资源利用效率在逐年提高，用水效率在不断提升，还有可持续利用的空间；水资源生态压力指数最大的达到7，最小的也到2.95，呈现出波动变化，表明北京市的水资源一直处于需大于供，生态不安全的状态，不利于水资源的可持续开发利用。但2014年南水北调工程水源进京，北京市的水资源生态压力指数有较为明显的下降，在一定程度上缓解了北京市水资源压力，未来情况将逐渐好转。
表2 北京市2000—2019年万元GDP水资源生态足迹和水资源生态压力指数
通过对北京市水资源负载指数的计算，得出结果见图5，可以看出北京市的水资源负载指数很高，负载指数的级别一直处于一级，最小也是89.84，最大达到282.72，远远超过了一级边缘值10，表明北京市的水资源利用程度很高，潜力很小，严重威胁北京市的用水安全，未来水资源继续开发利用的难度非常大，因此急需从外流域调水，来缓解当地用水压力。
图5 水资源负载指数变化
从图6可以看出，北京市的水资源一直供小于求，处在赤字状态，反映了北京市用水紧张的现状，说明北京市的水资源开发利用并不能满足现有的需求，应从外部调水来缓解水资源的紧张状态。可以看出2000—2008年水资源生态赤字在连年减少，之后一直呈现波动变化，2014年南水北调水源进京后，水资源生态赤字有下降的趋势，之后2019年数值突然骤增，结合降水量分析，原因是2019年降水量骤减，仅有406.3 mm，比2018年的平均降水量546.5 mm减少了1/4，使得北京市水资源赤字骤增，用水状况更加紧张。
图6 水资源生态赤字变化
4 人均水资源生态足迹预测
参考现有文献，灰色预测模型在水资源预测和人口数量短期预测具有广泛应用，GM(1,1)模型在预测短期中常表现出良好的准确性，康可[15]运用GM(1,1)对北京市需水量进行预测，预测出未来3年的需水量，预测效果较好。邓绍云等[16]建立基于灰色理论的区域水资源需水量预测模型。吴琼等[17]用灰色GM(1,1)模型分析历年人口总数，并用该模型预测未来几年陕西省的人口总数。因此，本文选取GM(1,1)模型对用水量和人口数量进行预测。
4.1 灰色系统模型
灰色预测的主要特点是模型使用的不是原始数据序列，而是生成的数据序列。其预测原理是：对某一数据序列用累加的方式生成一组趋势明显的新数据序列，按照新的数据序列的增长趋势建立模型进行预测，然后再用累减的方法进行逆向计算，恢复原始数据序列，进而得到预测结果。GM(1,1)建模步骤如下。
步骤二定义灰导数方程：
d(k)=x(0)(k)=x(1)(k)-x(1)(k-1)
步骤三定义数列x(1)(k)的紧邻均值：
则称新数列z(1)=(z(1)(2),z(1)(3),z(1)(n))为x(1)的紧邻均值数列。
步骤四定义GM(1,1)的灰微分方程。定义GM(1,1)的灰微分方程为一阶线性微分方程： d(k)+az(1)(k)=b,故x(0)(k)+az(1)(k)=b,其中，x(0)(k)称为灰导数，a称为发展系数，z(1)(k)称为白化背景值，b称为灰作用量。将k=2,3,…,n代入上式，有：
在这里，令Y=(x(0)(2),x(0)(3),…,x(0)(n))T,u=(a,b)T
4.2 预测结果分析
利用灰色预测对2000—2019年的用水总量和人口数量进行研究，其预测结果见表3、4。
表3 总用水量GM(1,1)预测结果
续表3 总用水量GM(1,1)预测结果
表4 人口数量GM(1,1)预测结果
由于2000—2003年数据不能通过级比检验，故使用2003—2019年数据，由表3可以看出，GM的相对误差均未超过5%，且后验差比值p=1，大于0.95，模型预测精度较好，故用GM(1,1)对总用水量进行预测的拟合效果不错。
为了与用水量保持一致，也采用2003—2019年数据，由表4可以看出，预测精度较总用水量预测稍有下降，但后验差比值p=1，大于0.95，证明使用GM(1,1)模型预测效果尚可，故可以采用GM(1,1)模型对人口数量进行预测。
由于已经预测出总用水量和人口数量，故对2020—2022年的人均水资源生态足迹的预测分别为0.281 2、0.275 1、0.271 2 hm2/人。
将2020—2022年预测值与2000—2019年数值结合分析，见图7，可以看出未来3年北京市人均水资源生态足迹有下降的趋势，人均用水量将会有所减少，有利于城市的健康可持续发展，这跟北京市多年来对水资源规划利用的优化调整政策分不开。
图7 人均水资源生态足迹变化
5 结论
从水资源生态足迹来看，北京市的水资源生态足迹在2000—2019年整体上处于缓慢上升的趋势，表明北京市对水资源的需求量在不断增加，其中对总水资源生态足迹的贡献大小依次为生活用水、环境用水、农业用水、工业用水，这符合目前北京市的发展现状。为了实现可持续发展，北京市近些年一直在不断提高环境用水，提高农业用水效率，减少工业用水，以此来谋求环境与经济的同步发展。但是从水资源生态足迹的4个账户的贡献大小，可以看出生活用水生态足迹贡献最大，表明北京市的水资源消耗主要还是来源于生活用水，因此可以发展北京市临近区域的经济，增加就业机会，以此来减小北京市的人口压力，同时提倡居民节约用水，提高生活用水效率，尽可能降低生活用水量。从万元GDP水资源生态足迹来看，可以看出北京市的水资源利用效率是比较高的，并且其数值也在逐年提高，但是水资源生态压力指数表明北京市长期处于生态不安全状态，不利于水资源的可持续发展；从水资源生态赤字和负载指数来看，北京市处于水资源严重匮乏的状态，长期处于供小于需的状态，水资源继续开发利用难度非常大，当前水资源远远不够当地生产生活的需水量，必须通过外流域调水来缓解用水压力。自2014年南水北调调水进京以来，备用水源地取水量和当地供水量减少，有利于水源地的涵养及水资源生态承载力的提高，并在一定程度上缓解了北京市的用水压力。
根据预测结果显示，未来3年北京市将继续处于水资源紧张的状态，但是人均水资源生态足迹有所降低，表明之前采取的一系列措施初见成效，可以预见未来北京市的水资源利用效率和利用水平有所提高，将会朝着一个好的趋势发展，有利于北京市水资源的可持续发展。
