北京水资源论文

北京水资源短的保护与利用

摘要：风险，是指某一特定危险情况发生的可能性和后果的组合。水资源短缺风险，泛指在特定的时空环境条件下，由于来水和用水两方面存在不确定性，使区域水资源系统发生供水短缺的可能性以及由此产生的损失。近年来，我国特别是北方地区水资源短缺问题日趋严重，水资源成为焦点话题。本文以北京地区水资源短缺风险问题及北京市水资源短缺情况数据来进行综合评价，通过建立模糊概率模型对北京市水资源短缺的主要风险因子进行分析，选取风险率、脆弱性、可恢复性、重现期和风险度几个评价指标衡量北京水资源短缺的风险程度, 研究了水资源短缺风险的模糊综合评价方法,以确定北京水资源短缺风险所达到的程度,并给出解决方案。首先构造隶属函数以评价水资源系统的模糊性;其次利用Logistic回归模型模拟和预测水资源短缺风险发生的概率;而后建立了基于模糊概率的水资源短缺风险评价模型;最后利用判别分析识别出水资源短缺风险敏感因子。作为对北京市1979— 2008年的水资源状况研究表明 ,水资源总量、 工业用水量、 农业用水量以及生活用水量是北京市水资源短缺的主要致险因子。再生水回用和南水北调工程可使北京地区未来五年各种情景下的水资源短缺均降至低风险水平。

关键字：北京；水资源短缺；风险因子；模糊概率；Logistic回归模型；判别分析

一． 问题重述

近年来 ,受气候变化和经济社会不断发展的影响 ,水资源短缺问题日趋严重 ,对水资源短缺风险的研究已引起了广泛的重视。北京,作为我国的首都,其经济社会的发展建设因人口、资源、环境的制约和各种社会矛盾的影响,体现出从未有过的复杂性、综合性和动态性。北京属于严重缺水城市由于干旱少雨,十分有限的地下水资源成为城市供水系统的支柱。然而,长期以来,北京恶性膨胀的城市规模、快速增长的城市人口、高速发展的城市经济,使得海河流域的地下水资源因为持续开采已逐渐枯竭,从而强烈地改变着水的自然循环。由于自然生态系统的正常循环机制被打破,自然来水量日益减少,城市耗水量剧增,过去六十年来北京经历了数次“水危机”。日益增长的水资源需求和有限供给之间的矛盾趋于尖锐,水资源短缺以及过度开发造成的环境问题,已成为制约北京市社会、经济与环境协调发展的主要因素之一,成为影响首都可持续发展的突出问题,而且将长期存在。因此,构建水资源约束下的城市经济发展思路,对实现在自政府采取了一系列措施, 如南水北调工程建设, 建立污水处理厂,产业结构调整等。但是，气候变化和经济社会不断发展，水资源短缺风险始终存在。如何对水资源风险的主要因子进行识别，建立水资源短缺风险评价的数学模型，从用水量，用水结构，水资源存量几个方面对北京市未来五年水资源进行预测，对不同风险因子采取相应的有效措施减少其造成的危害。

二． 基本假设

（1）假设题中所给数据基本真实有效；

（2）假设没有重大的自然灾害发生如干旱等；

（3）假设北京地区人口流动正常；

（4）假设南水北调及其它工程正常运行；

三． 问题分析

1、水资源短缺风险评价指标

水资源系统是一个复杂的大系统, 广泛存在着随机性和模糊性,由于随机性是因果律的破缺、 模糊性是排中率的破缺,所以应在水资源短缺风险评价模型的设计中同时考虑这两种因素的影响。我们将根据影响供水和需水的各因素所占的比例和各因素的风险来评价北京水资源短缺的风险。

2、北京市水资源短缺因子

（1）近20 年北京市农作物播种面积和有效灌溉面缩小，节水技术进步使农业用水量降低，但目前北京市参考作物腾发量呈上升趋势 ,将加大农业灌溉用水压力。

（2）北京人口增长过快，工农业发展迅速，加剧了水资源紧张程度。

（3）居民生活用水的污染和地表水资源急剧减少，水浪费依然存在。

四． 符号说明

V0 气候降水量

V1 南水北调

V2 地下水

Q1 农业用水

Q2 工业用水

Q3 第三产业用水

Q4 水污染

Q5 水浪费

W1 各影响总水资源的风险系数

W2各影响总用水资源的风险系数

M1 总水资源

M2 总用水量

F 风险

五． 模型的建立与求解

北京市水资源状况

年份 总用水

量

1979 42.92

1980 50.54

1981 48.11

1982 47.22

1983 47.56

1984 40.05

1985 31.71

1986 36.55

1987 30.95

1988 42.43

1989 44.64

1990 41.12

1991 42.03

1992 46.43

1993 45.22

1994 45.87

1995 44.88

1996 40.01

1997 40.32

1998 40.43

1999 41.71

2000 40.4

2001 38.6

2002 33.8

2003 34.2

2004 34

2005 33.4

2006 32.7

2007 32.1

2008 31.9

农业用工业用水 水 24.18 14.37 31.83 13.77 31.6 12.21 28.81 13.89 31.6 11.24 21.84 14.376 10.12 17.2 19.46 9.91 9.68 14.01 21.99 14.04 24.42 13.77 21.74 12.34 22.7 11.9 19.94 15.51 20.35 15.28 20.93 14.57 19.33 13.78 18.95 11.76 18.12 11.1 17.39 10.84 18.45 10.56 16.49 10.52 17.4 9.2 15.5 7.5 13.8 8.4 13.5 7.7 13.2 6.8 12.8 6.2 12.4 5.8 12 5.2 第三产业 总量 4.37 38.23 4.94 26 4.3 24 4.52 36.6 4.72 34.7 4.017 39.31 4.39 38 7.18 27.03 7.26 38.66 6.4 39.18 6.45 21.55 7.04 35.86 7.43 42.29 10.98 22.44 9.59 19.67 10.37 45.42 11.77 30.34 9.3 45.87 11.1 22.25 12.2 37.7 12.7 14.22 13.39 16.86 12 12.9 10.8 16.1 13 18.4 12.8 21.4 13.4 23.2 13.7 24.5 13.9 23.8 14.7 34.2

预测：依据北京数据表明农业有平稳下降的趋势，工业也呈现平稳下降的趋势，预测几年之后第三产业将超过农业和工业成为最大用水量的产业。

1、 水资源短缺风险评价指标

1.1风险率

1.2脆弱性

1.3重现期

1.4可恢复性

2、基于模糊概率的水资源短缺风险评价模型的建立

2．1 基于模糊概率的水资源短缺风险

2．2 水资源短缺风险的模拟概率分布

2．3 Logistic 回归模型拟合度检验和系数检验

2．4 基于聚类分析的水资源短缺风险分类

2．5 判别分析

3、实例分析

3．1 研究区概况

依据北京市 1979— 2005 年的可利用水资源量、 地下水位埋深、 用水总量、 工农业用水量、 污水排放总量等基础资料来研究北京水资源短缺风险及其变化。北京位于华北平原西部 ,属暖温带半干旱半湿润性季风气候 ,由于受季影响 ,雨量年际季节分配极不均匀 ,夏季降水量约占全年的70 %以上 ,全市多年平均降水量 575mm。属海河流域 ,从东到西分布有蓟运河、 潮白河、 北运河、 永定河、 大清河五大水系 。北京是世界上严重缺水的大城市之一 ,当地自产水资源量仅39199亿m3,多年平均入境水量16150亿m3,多年平均出境水量 11160 亿 m3,当地水资源的人均占有量约300m3,是世界人均的1/ 30 ,远远低于国际公认的人均 1000m3的下限 ,属重度缺水地区。水资源短缺已成为影响和制约首都社会和经济发展的主要因素。

3．2 北京市水资源短缺风险影响因子分析

北京市水资源开发利用中存在的问题主要有: (1)上游来水衰减趋势十分明显;

(2)长期超采地下水导致地下水位下降; (3)水污染加重了水危机; (4)人口膨胀和城市化发展加大了生活用水需求等。因此 ,导致北京水资源短缺的主要原因有 资源型缺水和水质型缺水等。影响北京水资源短缺风险的因素可归纳为以下两个方面: (1) 自然因素: ①人口数; ② 入境水量; ③ 水资源总量; ④地下水位埋深; (2)社会经济环境因素: ① 污水排放总量; ②污水处理率; ③COD 排放总量; ④ 生活用水量; ⑤ 农业用水量。

3．3 北京水资源短缺风险评价

3．3.1 Logistic 回归模型的建立 建立Logistic 回归模型 ,将1979 — 2008年的用水总量、 可利用水资源总量等系列代入模型 ,模拟缺水系列的概率分布。对构建的模型进行 Hosmer2 Losmer检验 ,检验结果见表 ,模型的预测效果见表 2,模型中各变量的相关统计量

3．3.2 水资源短缺风险评价过程

(1)水资源短缺风险计算分析。根据式(3) 、 式(6)以及式(15)建立水资源短缺风险评价模型 ,得到北京市1979 — 2008年水资源短缺风险的计算结果如图3所示。其中缺水发生的概率 ,是由Logistic 回归模型计算得到 ,水资源短缺风险值是由基于模糊概率的水资源短缺风险评价模型计出来的。

3.3.4 南水北调对北京市水资源保障的情景分析 南水北调中线调水工程 ,是从资源性角度缓解北京市水资源不足的重大举措 ,目前京石段已通水 ,年调水量 3亿m3。在此设计 3 种情景:一是南水北调工程调水为零 ,即无南水北调工程条件;二是南水北调工程源水端汉江流域发生连续干旱 ,调水量为设计调水量的 80 % ,即814亿m3;三是按南水北调工程规划调水 ,即2010年调水1015亿

m3,2020 年 1015 亿 m3,2030 年来水 14 亿m3。 2010、 2020年分别调水1015亿m3后北京市水资源短缺风险评价结果。

3．4 讨论

水资源总量、 污水排放总量、 农业用水量、 生活用水量是北京水资源短缺的主要致险因子 ,其中生活用水是不可压缩的 ,随着北京都市化进程的不断加快 ,人口增长与人民生活水平的不断提高 ,生活用水量会进一步加大。2007年北京市污水处理率已达 7612 % ,2010、 2020 年的污水处理率会进一步增加 ,污水排放总量会进一步减少 ,扩大再生水利用和南水北调工程均扩大了北京地区的水资源总量。北京农业用水量占北京总用水量的 40 %左右,采用文献中提出的节水措施可进一步降低北京农业用水量 ,但由于受到基本农田保护制度的政策的制约 ,进一步大幅度压缩农业用水的可能性不大。近年来北京年均农产品虚拟水输入量为 2137 亿 m3,这相当于北京市年产水资源总量的5193 %。虚拟水战略不失为间接缓解北京地区水资源短缺风险的途径 ,值得进一步探讨。 4 结论

(1)本文基于模糊概率建立了水资源短缺风险评价模型 ,同时考虑到水资源系统的随机不确定性和模糊不确定性 ,可对水资源短缺风险发生的概率和影响程度给予综评价 ,1979 — 2008年的北京市水资源短缺风险的实例分析 ,表明了模型的适用性; (2)水资源总量、 污水排放总量、 农业用水量以及生活用水量是北京市水资源短缺的主要致险因子; (3)再生水回用和南水北调工程可使北京地区 2010 和 2020年各类规划水平年的水资源短缺均降至低风险水平。所以 ,在加快南水北调进京工程的同时 ,大力发展再生水回用 ,是解决北京地区水资源短缺风险的根本措施。

针对我们所建立的北京水资源风险模糊概率模型、多元线性回归模型以及灰色系统预测模型，为了有效地缓解北京市水资源严重短缺现象，我们对北京市水行政主管部门写了一下报告：

关于有效缓解北京市水资源短缺风险的报告

我们通过对北京市气候条件、水利工程设施、工业用水、农业用水、第三产业及其他用水、人口规模、生态用水量、降水量、园林绿化覆盖率、废水治理设施数、工业排放总量等影响因素的分析。通过模糊综合评判方法建立模型计算出缺水风险性的综合评分知道北京市处于高风险的水资源短缺状况。在采取以往的水资源控制手段的条件下，经过对1979-2008年用水状况的数据分析，采用层次分析模型和多元线性回归模型用不同的方式对北京市未来水资源短缺风险的分析，较清晰地预测到北京市未来几年的水资源短缺仍会处于一种高风险状态。可见，解决水资源短缺问题依然严峻。

为了能更高效的对水资源短缺问题解决，分析造成水资源短缺的风险因子，判断得到主要因素为人口的高速聚集和年降水量的日益减少。在解决水资源短缺问题

上市水行政主管部门应该侧重以上两个问题着手。但仅仅从这两个方面入手是远远不够的，为此我们提出了如下有效缓解北京水资源短缺的有效措施：

一、加强水资源的合理调度，完善了相关体制和机构建设：

1．加强地下水环境保护，建立完善的地下水动态监测系统。从区域上保护地下水，防止水质恶化，应从源头上即地下水补给区进行保护。水资源是“从水源地→供水→排水→治污→中水回用”这样一个闭环的系统，需要统一管理，才能优化配置，达到最佳效益

2．继续开展污水资源化、雨洪利用的研究和应用。把城市污水排放规划管理、污水处理厂建设、再生污水利用三个环节综合起来，全面规划考虑，实现污水资源化。收集和利用城市雨洪，既可防治雨洪灾害，缓解城市雨洪压力；同时又增加了可用水资源，并可通过回灌补给蓄养地下水。

3．应建立外来水源、本地水源相互协调的供水网络，实现本地地表水源与外来水源的联合调蓄、地下水与地表水的联合调蓄，提高北京城市供水安全保证程度，支持城市可持续发展。

4．为保证城市供水安全，应科学地适度增加地下水开采量，合理开发利用。对已确定的应急供水水源地应尽快投入勘探和开发工作，对其它地区继续开展调查工作，寻找新的后备应急水源。

二、使有关单位及市民注意节约用水，提高用水效率：

1．通过宣传加强民众和单位的节水意识，另一方面有关部门需要采取一些有力的甚至是强制性的节水措施。例如，继续努力提高用水效率，缩小与世界平均用水水平的差距；鼓励清洁生产、节水生产，实行定额用水制度；还有，要根据各地的不同情况，适时、适度地提高水价，逐步改变水价格背离其价值的情况。

2．节约用水是当务之急也是长远发展战略方针，在优先保证城市生活和重点工业供水的前提下，在无法满足需水时，适度压缩农业用水。加强工业、农业节水力度，调整产业结构，大力发展节水型工业、农业。把节约用水纳入城市发展规划，纳入产品结构调整计划和技术及企业改造计划，使在城市和工业部门中逐步做到计划用水、合理用水和科学用水。

六． 模型的优缺点

缺点：1、考虑的影响因素不是很全面，故在建模的过程中可能其实际最主要因素没考虑在其中，出现模型与实际的偏差。

2、风险系数比较粗糙，也许没有真实表现各因素的风险。

优点：模型简单，容易理解

七 参考文献

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