海河流域水资源承载能力演变分析

󰀁2008年6月

文章编号:0559󰀁9350(2008)06󰀁0647󰀁05

SHUILI󰀁󰀁XUEBAO

第39卷󰀁第6期

海河流域水资源承载能力演变分析

赵建世,王忠静,秦󰀁韬,李海红

1

1

2

3

(1󰀂清华大学水沙科学和水利水电工程国家重点实验室,北京󰀁100084;

2󰀂北方交通大学,北京󰀁100044;3󰀂中国水利水电科学研究院水资源研究所,北京󰀁100044)

摘要:在总结众多研究成果的基础上,明确了水资源承载能力的定义和内涵,提出了一个物理概念清晰、简单实用的水资源承载能力计算模型。并以海河流域为对象,应用该计算模型对海河流域近20年来的水资源承载能力演变进行了分析,结果表明,海河流域水资源整体上处于持续超载状态,且超载度呈现上升趋势;同时根据预测模型的计算,对海河流域未来水资源承载能力进行了趋势分析,并提出了提高海河流域承载能力的途径。关键词:水资源承载能力;计算模型;海河流域中图分类号:TV213

文献标识码:A

1󰀁研究背景

国际上水资源承载能力的理论研究成果较少,大多将其纳入可持续发展理论中。如Joardor等从

[2]

供水的角度对城市水资源承载力进行了相关研究,并将其纳入城市发展规划当中;RijibermanJ等在研究城市水资源评价和管理体系中将承载力作为城市水资源安全保障的衡量标准;JonathanMHarris等

[3][1]

将水资源作为其中重要的影响因素,把综合的土地承载力作为区域发展潜力的一项重要衡量标准;Olli

[4]

Varis等人以水资源开发利用为核心,参照不同地区发展历史把长江流域的社会经济现状同其水环境承载能力进行初步比较。

我国最早开展水资源承载能力研究是在1989年,新疆水资源软科学课题组首次对新疆的水资源承载能力和开发战略对策进行了研究。20世纪90年代以来,关于水资源承载能力的研究方兴未艾,众多学者纷纷提出相关的各种观点、概念、方法、评价指标体系和计算分析模型,但至今没有形成统一的认识,即便是关于区域水资源承载力的定义,国内也没有统一的认识,许多学者都提出了不同的观点

[5~8]

。

本文在总结了前人众多研究成果的基础上,在充分分析水资源承载能力内涵的基础上,给出了一个较为全面的定义,在此基础上,构建了一个简单的计算模型,为定量计算分析流域或者区域的水资源承载能力提供了一个工具,模型具有概念清晰、内涵丰富、简单实用等特点。同时,以我国水资源最为紧缺的海河流域为例,分析了其近20年水资源承载能力的演变过程,对未来的水资源承载能力进行了情景分析,并提出了提高水资源承载能力的具体途径。

2󰀁水资源承载能力的定义与计算模型

2󰀂1󰀁水资源承载能力的定义󰀁国内关于水资源承载能力的文献较多,其定义可以归纳为两种观点:一

收稿日期:2007󰀁10󰀁30

基金项目:河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放基金(2005406111);国家重点基础研究发展(973)计划

(2006CB403401)

作者简介:赵建世(1975-),男,河南济源人,博士,副教授,主要从事水文水资源研究。E󰀁mail:zhaojianshi@tsinghua.edu.cn

󰀂647󰀂种是水资源开发容量论或水资源开发规模论;另一种观点是水资源支持持续发展能力论。

水资源承载能力是资源承载能力的一个具体范畴,本文认为可借用联合国教科文组织提出的资源承载能力的概念,即:一个流域或地区的水资源承载能力,是指在可以预见的时期内,利用本地水资源及其他资源和智力、技术等条件,在保证其社会文化准则的物质生活水平条件下,所能持续供养的人口数量。

这一定义包含如下信息:(1)界定了水资源承载能力分析的时间尺度;(2)界定了水资源承载能力分析的空间尺度;(3)提出了水资源承载能力需要同本地其他资源进行匹配;(4)提出了水资源承载能力受社会、文化、风俗、生活水平等多因素影响;(5)突出了水资源承载能力研究的目的,即一定的水资源量可持续供养的区域人口数量。

2󰀂2󰀁水资源承载能力计算模型󰀁目前,许多学者提出了评价指标体系的方法来评估水资源承载能[10]

力。评价指标体系方法的优点在于涵盖的内容范围较广,对问题的描述较为全面,但同时也存在着三方面明显的不足:一是最终的评价结果的物理概念不清晰,阈值难以确定,无法对流域或者区域的承载状况进行简单明了的判断;二是在方法中需要确定指标的权重,导致方法客观性不强;三是数据量较大,获取不易。本文提出的双要素水资源承载能力计算模型对以上几个方面都有改进。

根据水资源承载能力定义,以及对水资源承载能力内涵的剖析,本文提出的水资源承载能力计算模型如下

Wn

Cw=q(t)

p

3

3

[9][10]

(1)

式中:Cw为水资源承载能力(人);Wn为经济社会可消耗水量(m);qp(t)为人均全员耗水量(m󰀁人)。

模型中,经济生活水资源可利用量反映了一个流域或区域的水资源禀赋条件、生态环境保护目标和水资源开发利用状况,包含了水资源承载主体特性、承载客体水平和承载主客体的相互作用关系;人均全员耗水量反映一个流域和地区的水资源开发利用水平、水资源生产力水平和受水资源禀赋的制约因素,同时隐含着相应条件下的流域人口总量、经济总量和人均生活水平,因此Cw包含了承载人口数量和这些人口的生活水平。式(1)中,qp(t)是随时间变化的量,代表不同年的水资源耗用和生产力水平,因此Cw也是一个随时间变化的量。

经济社会水资源可利用量,可用式(2)计算,即:

Wn=W-Wo+Wb

(2)

式中:W为当地水资源总量;Wo为生态环境需水量(指消耗量),包括本地的生态环境需水和下游流域的生态需水,包含了河道内生态需水和河道外生态需水;Wb为外流域调入的真实水量,包括过境水中取得实际水权的水资源量。

W和Wb均较容易得到,可参考水资源规划大纲。Wo的计算相对复杂,目前尚无标准。若水资源承载能力研究评价区有相应生态需水量研究计算成果,可直接引用。若研究评价区没有相应成果,本模型建议采用式(3)计算,即:

Wo=󰀁W

表1󰀁生态需水系数󰀁的选取

气候分区生态需水系数󰀁

干旱区0󰀂45~0󰀂55

半干旱半湿润区0󰀂55~0󰀂65

湿润区0󰀂75~0󰀂85

(3)

式中:󰀁为生态需水系数,与气候带及其生态环境生态类型和生态功能有关。目前可参照表1选取。

人均全员耗水量用式(4)计算,即

qp(t)=

Wec(t)

P(t)

(4)

式中:Wec(t)为t时刻流域(或区域)总耗水量;P(t)为该时刻对应的人口总量。

对于现状条件下,总耗水量和现时人口通过调查统计得到,现时状态的人均全员耗水量容易计算,󰀂648󰀂可参照水资源规划大纲或评价导则进行;对未来规划条件下的人均全员耗水量计算则较为复杂,可采取以下途径进行。(1)利用已有的水资源规划成果,得到相关数据,用式(4)直接求出未来规划水平年的qp(t)值。并对其合理性和实现途径进行校核分析;(2)采用宏观经济水资源模型等规划分析模型计算,得到未来规划水平年的qp(t)值,以及相应的经济规模总量和人均生活水平,同时也可描述出实现规划水平的人均全员耗水量水平的社会经济途径。

2󰀂3󰀁水资源承载能力评价标准󰀁根据上述计算模型,可定义直观评价水资源承载状态和承载潜力的指标:水资源超载度Pw。水资源超载度,用于表述超载流域的水资源超载状态,按式(5)计算:

Pw=

qp(t) P(t)

Wn

(5)

󰀁󰀁水资源超载度的实质,是人均实际全员耗水量与人均经济社会水资源可利用量之比,当Pw<1时,不超载,且值越小则承载潜力越大,此时用水资源宽松度描述;当Pw>1时,说明流域已处于超载状态,且值越大则超载越严重。

3󰀁海河流域水资源承载状态历史演变分析

根据海河流域所处气候带,其干旱指数介于1󰀂5~3󰀂0之间

[11]

,参考表1,生态需水系数一般取0󰀂55

~0󰀂65。考虑到海河流域地下水多年超采,多数河道已多年干涸,入海水量减少等已成实事的生态环境状况,评价中采用生态需水系数的低限0󰀂55。应用上述模型,采用全国水资源综合规划统计的数据,对近20年来海河流域的水资源承载能力和承载状态计算如表2和图1所示。

图1󰀁海河流域近20年水资源承载状态演变

从表2和图1中可以看出:(1)海河流域近20年来整体上一直处于超载状态,且超载度呈现上升的趋势;(2)二级流域中,海河南系超载最为严重,海河北系也长期处于超载状态,而滦河平原及冀东沿海诸河承载状况较为乐观,但依然处于超载的边缘,徒骇马颊河流域由于引黄条件便利,水资源条件较好;(3)流域的人均全员耗水量近20年来维持在一个稳定的水平,因此,流域的承载能力也维持在一个稳定的水平,即1亿人左右。但由于流域实际人口的不断增加,导致流域的承载状况不断恶化;(4)由于本次计算采用的是海河流域1956~2000年系列的水资源总量数据,而这一系列中后半段1980~2000年的水资源总量比前半段1956~1979年平均减少21%,即近些年来海河流域水资源总量衰减的趋势明显,因此,上述计算结果是相对偏于乐观的。

海河流域水资源持续整体上处于承载状态,从本文对承载能力的定义和计算模型可以看出,提高流域水资源承载能力的直接途径有两个:(1)提高流域的经济社会可消耗水量Wn,对应外流域调水措施;(2)降低流域的人均全员耗水量qp(t),对应节水和产业结构调整等措施。

从这两个方面入手提高海河流域的水资源承载能力、降低承载度、改善承载状态,是海河流域水资源可持续利用的必由之路。

󰀂649󰀂表2󰀁海河流域近20年水资源承载能力和承载状态计算

水资源

水平年

滦河冀东海河北系海河南系徒骇马颊河流域合计滦河冀东海河北系海河南系徒骇马颊河流域合计滦河冀东海河北系海河南系徒骇马颊河流域合计滦河冀东海河北系海河南系徒骇马颊河流域合计滦河冀东海河北系海河南系徒骇马颊河流域合计

20052000199519901985

总量󰀁亿m363󰀂2089󰀂30178󰀂6039󰀂30370󰀂4063󰀂2089󰀂30178󰀂6039󰀂30370󰀂4063󰀂2089󰀂30178󰀂6039󰀂30370󰀂4063󰀂2089󰀂30178󰀂6039󰀂30370󰀂4063󰀂2089󰀂30178󰀂6039󰀂30370󰀂40

外调水量󰀁亿m30󰀂000󰀂002󰀂0045󰀂0047󰀂000󰀂000󰀂002󰀂0045󰀂0047󰀂000󰀂000󰀂002󰀂0045󰀂0047󰀂000󰀂000󰀂002󰀂0045󰀂0047󰀂000󰀂000󰀂002󰀂0045󰀂0047󰀂00

经济可用水资源量󰀁亿m328󰀂4440󰀂1982󰀂3762󰀂69213󰀂6828󰀂4440󰀂1982󰀂3762󰀂69213󰀂6828󰀂4440󰀂1982󰀂3762󰀂69213󰀂6828󰀂4440󰀂1982󰀂3762󰀂69213󰀂6828󰀂4440󰀂1982󰀂3762󰀂69213󰀂68

实际人口󰀁万人919󰀂082142󰀂575928󰀂321416󰀂5310406󰀂51990󰀂902346󰀂176577󰀂181580󰀂3211494󰀂571030󰀂962424󰀂816909󰀂511643󰀂5612008󰀂831040󰀂462532󰀂777227󰀂711663󰀂2112464󰀂161057󰀂792764󰀂777513󰀂031675󰀂2313010󰀂81

人均经济水资源量󰀁m309󰀂44187󰀂5538󰀂9412󰀂53205󰀂33287󰀂0171󰀂28125󰀂2416󰀂66185󰀂90275󰀂865󰀂729󰀂211󰀂407󰀂94273󰀂348󰀂663󰀂96376󰀂89171󰀂44268󰀂86145󰀂35109󰀂64074󰀂19164󰀂23

耗水量󰀁亿m321󰀂2552󰀂64124󰀂8437󰀂78236󰀂5123󰀂0554󰀂39125󰀂2446󰀂33249󰀂0129󰀂2457󰀂79136󰀂1650󰀂10273󰀂2925󰀂5653󰀂64134󰀂3547󰀂64261󰀂1826󰀂0654󰀂68136󰀂9748󰀂57266󰀂28

人均全员耗水󰀁(m3󰀁人)231󰀂17245󰀂71210󰀂59266󰀂70227󰀂28232󰀂57231󰀂83190󰀂42293󰀂18216󰀂63283󰀂60238󰀂33197󰀂07304󰀂80227󰀂57245󰀂65211󰀂77185󰀂88286󰀂45209󰀂55246󰀂34197󰀂78182󰀂31289󰀂94204󰀂66

水资源超载度0󰀂751󰀂311󰀂520󰀂601󰀂110󰀂811󰀂351󰀂520󰀂741󰀂171󰀂03

1󰀂441󰀂650󰀂801󰀂280󰀂901󰀂331󰀂630󰀂761󰀂220󰀂921󰀂361󰀂660󰀂771󰀂25

承载能力󰀁万人1230󰀂291635󰀂493911󰀂402350󰀂369401󰀂821222󰀂871733󰀂414325󰀂712138󰀂139863󰀂731002󰀂83

1686󰀂104179󰀂842056󰀂629389󰀂611157󰀂771897󰀂604431󰀂412188󰀂3610197󰀂211154󰀂522031󰀂774518󰀂182161󰀂9810440󰀂70

生活水平(人均GDP)󰀁万元0󰀂080󰀂160󰀂090󰀂090󰀂110󰀂180󰀂300󰀂170󰀂150󰀂200󰀂580󰀂820󰀂500󰀂390󰀂561󰀂001󰀂370󰀂820󰀂730󰀂931󰀂712󰀂041󰀂421󰀂091󰀂53

4󰀁海河流域水资源承载能力演变趋势分析

根据海河流域水资源综合规划及南水北调受水区规划,海河流域在继续维持使用黄河47亿m的

3

情况下,2010年南水北调中线一期和东线一期将分别向海河流域分水69󰀂6和13󰀂26亿m,外调水总量

33

将达到82󰀂86亿m。取生态需水系数0󰀂55,则社会经济可用水量为296󰀂58亿m。

在流域社会经济发展现状数据的基础上,本文应用宏观经济水资源模型,分析了流域在水资源约束条件下,未来经济社会发展和水资源利用情景。经过计算分析,得到在大力节水、调整产业结构和水资源优化配置的情景下,海河流域按正常经济发展水平,到2010、2020和2030年的总人口将分别达到14208󰀂4、15250.3和15766󰀂4万人。与此对应,社会经济发展(GDP)也将达到31212󰀂2、68090󰀂1和127521󰀂5亿元,人均GDP分别达到2󰀂2、4󰀂5和8󰀂1万元,进入全面小康和中等富裕的初级阶段,同时可以得到该情景下的耗水量数据(见表3)。在此基础上,对海河流域未来水资源承载能力演变的趋势计算如表3所示。从表3可以看出:(1)2010年南水北调工程的通水,将使得海河流域的水资源承载能力得到较大的提高,承载状态得到改善,整个流域可以达到承载的临界值;(2)海河南系由于现状超载较严重,依然将处于超载状态;(3)随着节水措施的实施,以及经济社会发展导致的产业结构调整,人均全员耗水量不断下降,流域的承载能力不断提高,承载状态不断改善,从2010年以后,流域在该情景下可以持续维持不超载的状态。

海河流域的水资源承载能力不断得到提高,除了南水北调工程的实施,其中主要的原因是流域人均全员耗水量的不断下降,在经济不断增长,社会不断进步的前提下,这意味着水资源利用效率的大幅度提高。根据宏观经济水资源模型的分析过程来看,必须借助先进的科学技术提高水资源利用的效率和效能,加快产业结构调整、大力节水、严格治污和逐渐停止地下水超采应成为水资源高效利用模式的核󰀂650󰀂[12]

3

心,由于这些措施的采用,将使水资源承载能力提高。而水资源承载能力的提高和承载状态的改善,将有利于海河流域缓解地下水超采和生态环境恶化的趋势。

表3󰀁海河流域水资源承载能力和承载状态演变趋势计算分析

水资源

水平年

滦河冀东海河北系海河南系徒骇马颊河流域合计滦河冀东海河北系海河南系徒骇马颊河流域合计滦河冀东海河北系海河南系徒骇马颊河流域合计

203020202010

总量󰀁亿m363󰀂2089󰀂30178󰀂6039󰀂30370󰀂4063󰀂2089󰀂30178󰀂6039󰀂30370󰀂4063󰀂2089󰀂30178󰀂6039󰀂30370󰀂40

外调水量󰀁亿m30󰀂0023󰀂2048󰀂4058󰀂30129󰀂900󰀂0023󰀂2048󰀂4058󰀂30129󰀂900󰀂0023󰀂2048󰀂4058󰀂30129󰀂90

经济可用水资源量󰀁亿m328󰀂4463󰀂39128󰀂7775󰀂99296󰀂5828󰀂4463󰀂39128󰀂7775󰀂99296󰀂5828󰀂4463󰀂39128󰀂7775󰀂99296󰀂58

实际人口󰀁万人1128󰀂003135󰀂008174󰀂001771󰀂0014208󰀂001216󰀂003512󰀂008668󰀂001854󰀂0015250󰀂001231󰀂003802󰀂008877󰀂001856󰀂0015766󰀂00

人均经济水资源量󰀁m3252󰀂13202󰀂19157󰀂54429󰀂05208󰀂74233󰀂88180󰀂48148󰀂56409󰀂84194󰀂48231󰀂03166󰀂71145󰀂06409󰀂40188󰀂11

耗水量󰀁亿m330󰀂8059󰀂30153󰀂1055󰀂90299󰀂1030󰀂1057󰀂30142󰀂9053󰀂90284󰀂2031󰀂7056󰀂70140󰀂9050󰀂80280󰀂10

人均全员耗水󰀁(m3󰀁人)273󰀂05189󰀂15187󰀂30315󰀂64210󰀂52247󰀂53163󰀂15164󰀂86290󰀂72186󰀂36257󰀂51149󰀂13158󰀂72273󰀂71177󰀂66

水资源超载度1󰀂080󰀂941󰀂190󰀂741󰀂011󰀂06

0󰀂901󰀂110󰀂710󰀂961󰀂110󰀂891󰀂090󰀂670󰀂94

承载能力󰀁万人1041󰀂573350󰀂966875󰀂022407󰀂3214088󰀂291148󰀂94

3884󰀂967810󰀂912613󰀂6615914󰀂301104󰀂414250󰀂268112󰀂782776󰀂1416693󰀂61

生活水平(人均GDP)󰀁万元2󰀂502󰀂802󰀂101󰀂502󰀂204󰀂505󰀂504󰀂402󰀂804󰀂508󰀂0010󰀂407󰀂804󰀂808󰀂10

5󰀁结语

水资源承载能力是衡量人与自然协调程度的重要指标之一,是水资源评价与规划的核心概念。本文通过总结众多学者的研究成果,提出了包括水资源承载能力的定义、内涵、计算模型和评价指标在内的完整理论体系,同时具有物理概念清晰、简单实用的特点。结合海河流域的情况,对海河流域水资源承载能力和承载状态的历史演变进行了分析,并在预测模型的基础上,对海河流域的水资源承载能力和承载状态演变趋势进行了分析,提出了提高水资源承载能力的途径。参󰀁考󰀁文󰀁献:

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Damagediagnosisofspillwayguidewallbasedonsupportvectormachineandmodalparameteridentification

LIANJi󰀁jian,LISong󰀁hui

(TianjinUniversity,Tianjin󰀁300072,China)

Abstract:Theguidewallofspillwayinhydroprojectissubjecttolong󰀁termcomplicatedloads,suchasalternativewaterpressureandwindpressure,whichmayleadtothedamageofstructures.ThegeneticidentificationmethodforstructuremodalparameteranalysisofinducedvibrationresponseiscombiningwithFEManalysisandsupportvectormachineapproachtodeterminethepositionofdamageandevaluatethedamagesituation.Theapplicationtoanalysisoftheguidewallofaspillwayshowsthattheproposemethodcanpreciselyidentifythemodalparametersanddeterminethedamagepositionoftheguidewall.Thedamagesituationcanbeevaluatedaccordingtothevariationofthesquareofstructuralvibrationfrequency.

Keywords:guidewall;modalparameter;identification;damagediagnosis;supportvectormachine

(责任编辑:李福田)(上接第651页)

AnalysisonevolutionofwaterresourcescarryingcapacityofHaiheRiverbasin

ZHAOJian󰀁shi,WANGZhong󰀁jing,QINTao,LIHai󰀁hong

1

1

2

3

(1󰀂TsinghuaUniversity,Beijing󰀁100084,China;2󰀂BeijingJiaotongUniversity,Beijing󰀁100044,China;

3󰀂ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing󰀁100044,China)

Abstract:Basedontheresearchfindingsofpredecessorsthedefinitionandconnotationofwaterresourcescarryingcapacityareinvestigatedandamodelforcalculatingthiscapacityisproposed.ThemodelisappliedtoanalyzethewaterresourcescarryingcapacityevolutionofHaiheRiverbasininlast20years.TheresultshowsthatthewaterresourcesinHaiheRiverbasinisoverexploitedandthissituationtends

worsencontinuously.Themeasuresforelevatingthewaterresourcescarryingcapacity,suchasreducingthepercapitawaterconsumptionandconstructionofSouth󰀁to󰀁NorthWaterTransferProject,aresuggestedconsequently.

Keywords:waterresourcescarryingcapacity;calculationmodel;overexploited;HaiheRiverbasin

(责任编辑:王成丽)

󰀂658󰀂