能源基地水資源利用現狀及其承載力分析
——以山西省為例

許雪婷 蔡冠清 郝芳華# 童 莉 劉志學 程紅光(.北京師范大學環境學院，水環境模擬國家重點實驗室，北京 00875；.環境保護部環境工程評估中心，北京 000)

水是人類賴以生存的物質，雖然我國的水資源總量很豐富，位居世界第6，但土地畝均占有量為世界平均占有量的1/2，人均占有量僅為世界人均占有量的1/4[1-2]。近些年，我國人口數量急劇膨脹，產生水資源短缺、水質惡化等問題；同時我國的水土資源分布不相匹配、水資源時間和空間的不均勻分布及水資源污染嚴重但處理率低等問題，使得水資源成為制約我國經濟社會發展的一個越來越重要的因素[3-4]。而目前我國超過半數的城市在發展過程中受到水資源短缺的制約。因此，在不破壞生態與環境的前提下，對區域水資源承載力開展研究可實現區域水資源的持續發展，優化配置，協調人與水環境之間的關系。水資源的量與社會經濟規模的關系也一直是各專家研究的熱點[5-6]。目前我國對水資源承載力的研究以生態環境為對象，考慮通過各種手段實現水資源的合理配置，提高水資源承載力。

在區域水資源承載力評價的過程中需要考慮區域社會經濟以及水環境等子系統的影響。系統動力學是系統科學的一個分支，是一種以反饋調節理論為基礎、將計算機手段與系統理論相結合的方法與理論[7]，主要用于研究系統結構內部的動態結構與反饋機制，被廣泛應用于社會、經濟、環境、生態、軍事、能源等領域[8]。應用此方法是對系統進行仿真動態實驗，并通過嘗試不同情境下所采用的不同措施模擬并觀察結果。這種模擬方法可用于處理周期性和長期性的問題，因為它是一種因果機制性模型，其強調系統內部機制決定系統行為[9-10]。可解決高階非線性動態的經濟社會問題，可充分展示系統的結構與變化趨勢，有利于區域環境、人口、資源以及社會經濟子系統的持續發展[11-13]。STELLA軟件為圖形導向的系統動力學模型，是最早用于動態模擬的軟件之一，因為較友好的圖形界面，在國內外被廣泛應用，在模擬過程中發揮巨大作用[14-15]。使用者只需了解所需模擬系統的結構、功能和行為的動態變化過程，運行后即可自行生成相應的方程式，其結果以文本、表或曲線圖的形式呈現出來[16]。

山西省位于我國華北黃土高原東部，是我國煤炭產生的重要基地。作為煤炭依賴型的山西省，其經濟發展與煤炭開采息息相關[17]。煤炭是一種不可再生和可耗竭的資源，而其涸澤而漁的開采方式以及經濟發展模式，使煤炭開采優勢逐漸弱化[18]。煤炭開采對周圍水資源的水量及水質均會產生嚴重影響，河川基流量衰減，含水層水位下降；同時煤炭開采是礦區河水及地下水化學性質改變的重要原因[19]。開采成本高，環境污染大，導致該地區環境承載力脆弱，矛盾不斷激化，這是煤炭依賴區域經濟發展中不可避免的問題[20]。因此，山西省水資源承載力的評價有利于水資源的合理配置，而這關乎到山西省未來經濟發展。

1 研究方法

山西省共11個地級市，運城市因數據收集不完整，故本次研究選取10個地級市，分別為大同市、朔州市、忻州市、陽泉市、晉中市、長治市、晉城市、太原市、呂梁市、臨汾市。基于山西省各地市水資源供需現狀及開發利用程度的調查，主要參考了2012年《全國統計年鑒》及《山西省的國民經濟和社會發展統計公報》，運用STELLA軟件模擬2020年各地市水資源的供需平衡狀況。

首先對各地市供水基礎設施進行現狀調查，并結合相關數據資料計算出各地區的供水量、需水量，繼而對水資源的現狀進行總體評價；然后結合地表水、地下水，對水資源的開發利用程度進行評價；最后依據建立的標準體系結合STELLA軟件，模擬出未來水資源的供需平衡狀況。

1.1 水資源現狀評價

水資源評價可以理解為“定量地弄清楚某一特定地區水的可利用程度和社會生產、生活所需水資源的可滿足程度”[21]。因此，本次調查通過年鑒數據計算出當地水資源供需數量，從而對山西省水資源現狀進行評價。

1.2 水資源承載力評價

水資源承載力指某一地區水資源在某一具體歷史發展階段下，以可預見的技術、經濟和社會發展水平為依據，以可持續發展為原則，以維持生態環境良性循環發展為條件，經過合理優化配置，對該地區社會經濟發展的最大支持[22]。

水資源承載力評價需要涉及構成影響要素的各個方面，僅采用一個或幾個指標不能清晰地分析與評價某區域水資源對人口、社會經濟與生態環境承載能力的關系，故需要建立一個水資源承載力協調性指標體系。本研究利用STELLA軟件，從水環境、社會、經濟和生態環境4個方面對水資源承載力進行綜合評價。

1.3 水資源承載力評價指標體系構建

在水資源復合生態系統中，水資源-生態-經濟-社會系統相互作用相互耦合形成一個系統[23]，并且系統中水資源、社會、經濟、生態環境任何一因素都是該系統的一個子系統，任一子系統的變化都會對其他子系統及整個復合生態系統產生重要的影響。因此，依據水資源承載力評價所需要解決的問題，結合當地的實際情況，從水資源系統、社會系統、經濟系統、生態系統4個準則層制定相應的指標。針對每一準則層的具體問題收集相關的資料，提出相應的評價目標以及影響因素，通過這樣的逐層分解形成指標結構樹，再通過比較和分析各因素之間的關系進行篩選，最后確定評價指標體系。

1.4 基于STELLA軟件的水資源模型構建

STELLA軟件是基于系統動力學環境的應用軟件，采用“存量-流量”假定的形式來描述動態的過程。在構建模型的過程中包括4個模塊：存量、流量、轉換器和連接器。存量為矩形，用于表示系統中各組成，可以用管道連接，表示能量、物質、人口數量及生物量等方面的量；流量指材料或數量由一種狀態變量中提取并轉移到另一種狀態變量的過程；圓圈表示轉換器，通常代表以狀態變量的值為基礎而進行計算的量或者常數；連接器是箭頭狀，表示將值由一種圖標提供給另一個圖標，但是僅傳達信息。流量可由各種公式進行定義，但是存量只能由流量進行改變，而無法由公式計算[24]。本研究基于Isee Systems公司2006年開發的STELLA 9.0.1版本為建模平臺。

本次研究基于上述水資源承載力評價指標體系，山西省水資源供需模型分為水環境、社會、經濟與生態環境4個子系統。以水資源供需的差額為最終結果，將模型分為供水量與需水量兩大部分。水環境子系統構成模型的供水量模塊，模型的需水量模塊由社會、經濟與生態環境子系統組成。在現狀情境下，研究2020年山西省各地市水資源供給狀況。

(1) 水環境子系統

本次的模型構建中，水環境子系統僅考慮水資源的供給，包括自然水資源和人工水資源兩部分。自然水資源指江、河、湖、海等可供使用的地表水與地下水；人工水資源在本次研究主要為水利工程外調水量及污水的回收利用量。2013年山西省的地表水總量約為81億m3，地下水為96.9億m3，水資源總量為126.6億m3，位居全國倒數第五位。1993年，山西省萬家寨“引黃入晉”工程開始實施：一期工程經總干線、南干線及聯接段實現向太原年引水3.2億m3；二期工程經總干線、北干線向朔州、大同年引水5.6億m3和最終實現向太原年引水6.4億m3，調水量為水資源承載力的重要組成部分。在污水處理部分，涉及各地市生活污水以及第二、第三產業污水量，并結合各地污水處理狀況進行分析。

(2) 社會子系統

社會子系統指標的選擇應選取與人口這一水資源承載力主體相關的因素。因此，社會系統的需水量從人口結構和生活用水效率兩個方面，分別計算出城鎮人口和農村人口的用水量，兩者之和即為社會子系統需水量。2009—2013年，山西省城鎮人口比例由2009年的45.90%上升到2013年的52.56%；全省的自然增長率則由0.489%變為0.524%，提高了7.2%。由此可見，社會子系統的水資源量是一個不斷變化的動態過程，且為需水量中不可缺少的重要組成部分。本次模擬將人口密度與自然增長率相結合。

(3) 經濟子系統

經濟子系統為水資源支撐的主體，各類經濟活動對水質產生的改變會影響水資源的承載力。故將該系統細分為第一(農業)、第二(工業)、第三產業3個子系統，通過3個產業在各研究區的生產總值和單位生產值的耗水量來分析與預測該系統對水資源的需求量。依據統計資料顯示，2009年山西省的第一、第二、第三產業的比例為6.1∶53.9∶40.0，到2013年的3個產業比例為6.5∶54.6∶38.9；山西省的人均GDP也由2009年的21 544元，到2013年變為34 815元，提高了61.6%。4年間，山西省的經濟子系統無論從結構還是生產總產值都存在巨大的變化，并且這種變化仍在持續。因此，該模塊對需水量的預測極為重要，同時在本次模擬的過程中考慮未來科技對水資源需求的影響，如工農業節水技術等。

(4) 生態環境子系統

生態環境子系統需水量是保證社會經濟發展的重要組成部分，是保證社會經濟可持續發展的要素。生態環境子系統需水量由生態環境的結構和功能決定，這也是影響水資源承載力的要素。本研究選取了城市生態環境需水的兩個主要指標：綠化需水和河道需水。

2 結果與分析

2.1 水資源現狀供需分析

本次水資源的現狀評價從需水量和供水量兩個方面著手。利用統計年鑒提供的數據，從城鎮生活、農村生活、工業、農業和生態環境對水資源需求進行評價。2012年山西省基地水資源供需現狀分析見表1。由表1可以看出，2012年山西省整體上處在水資源供不應求的境況，并且所提供的水資源主要用在農業，其次為工業。目前的調查中雖然只有太原市處在供過于求的狀況，但是總供水量與總需水量之間的差額較小。

隨著人們對水資源需求的日益增加，需水量有增無減。根據2013年《全國統計年鑒》顯示，2012年全國人均水資源占有量為2 186.1 m3，而山西省的人均水資源占有量僅為295.0 m3，不到平均水平的1/7，水資源短缺使當地水資源供應非常緊張。而2012年山西省的人均用水量高達203.7 m3，可再利用的水資源非常有限，在此基礎上水資源需求增加則會進一步加劇供與需的矛盾，水資源的合理使用與分配迫在眉睫。

表1 2012年山西省基地水資源供需現狀分析Table 1 Analysis of the current situation of water resources’ supply and demand in Shanxi province bases in 2012 億m3

表2 2020年山西省各地市供水量預測Table 2 Prediction of water supply quantity of prefecture-level cities in Shanxi province in 2020 億m3

2.2 水資源承載力評價

(1) 2020年山西省各地市供水量預測

基于STELLA軟件預測的2020年山西省各地市供水量見表2。2020年供水量較多的前5位分別為太原市、大同市、晉中市、臨汾市和朔州市。同時，將STELLA軟件模擬得出的數據結果與2012年實際供水量相比發現，到2020年山西省各地市可供應的水資源量整體略有一定的上升，其中太原市、朔州市和大同市的上升幅度較大，其到2020年增加的總供水量分別為2.89億、2.57億、2.59億m3，增加率依次為43.01%、70.99%、48.41%。到2020年，山西省各地的地表水、地下水供應量整體呈下降趨勢。其中太原市地表水、地下水供應量下降明顯，地表水供應量由2012年的2.69億m3下降到2020年的0.62億m3，而地下水供應量則由2012年的4.03億m3下降到2020年的2.59億m3，兩者總下降3.51億m3。

(2) 需水量預測

采用STELLA軟件預測的2020年山西省各地市的需水量見表3。由表3可知，2020年山西省需水量最多的為太原市，總需水量達到13.95億m3，而需水量最少的為陽泉市，總需水量僅為4.70億m3，兩者相差近3倍。其中太原市社會、經濟與生態環境模塊的需水量所占比例分別為16.06%、74.55%、9.39%，并且經濟模塊中的農業需水量占37.40%，工業需水量占45.78%。2012年經濟模塊的需水量占總需水量的65.09%，可見經濟模塊的需水量仍為需水量的主體部分，且呈現上升的趨勢。社會模塊2020年的需水量與2012年相比，除太原市由1.99億m3(表1中太原市城鎮與農村生活需水量之和)上升為2.24億m3，其余各地市均存在不同程度的下降。

(3) 供需平衡分析

運用STELLA軟件模擬2020年山西省各地市水資源的供需平衡分析結果見表4。由表4顯示，通過比較各地區總供水量與總需水量的差額發現，到2020年山西省將處在水資源供不應求的狀態，且水資源供與需的差額正在不斷擴大。與2012年相比可知，總供水量波動并不是特別大，總體保持相同的水平，但是總需水量急劇增加，陽泉市與朔州市分別增加了1.47、1.43倍，而增加最少的臨汾市也增加了0.46倍。2012年水資源差額最大的是長治市，兩者相差2.74億m3，其2020年的差額達到6.95億m3。到2020年水資源差額最大的為太原市，為7.32億m3，但其2012年總供水量大于總需水量。所研究的10個地級市中，2012—2020年水資源差額變化最大的是大同市，由0.30億m3擴大到3.69億m3。

表3 2020年山西省各地市需水量預測Table 3 Prediction of water requirement of prefecture-level cities in Shanxi province in 2020 億m3

表4 2020年山西省各地市水資源的供需平衡分析1)Table 4 Water resources supply-demand balance analysis of prefecture-level cities in Shanxi province in 2020 億m3

注：1)差額表示總需水量與總供水量的差值。

2.3 水資源承載力分析及對策建議

2012年，通過對山西省各基地的水資源現狀調查可知，除太原市外，各地水資源處于較高的開發利用狀態，但山西省水資源供需仍呈供不應求的狀態。太原市雖供大于求，但是供水與需水之間的差額較小，而伴隨著經濟發展對水資源需求的增長，會進一步縮小供水與需水之間的差額。考慮到山西省資源性缺水、工程性缺水和水質性缺水[25]的特征，僅依靠地表水供應量和地下水供應量很難滿足當地對水資源的需求。

在短時間內難以改變水資源供給的條件下，為保證水資源的可持續性，可采取如下措施：

(1) 各地可以在現有的工業結構基礎上優化工業用水結構，實現“工業節水體系”[26]。加大污水處置力度，提高污水的回收利用效率；逐步淘汰水資源消耗性工業、對環境和生態污染較嚴重的工業，鼓勵并積極引進新型環保型和新型能源工業[27]。

(2) 山西省生態環境脆弱，為了可持續發展，需要加強政府對企業排放污染物的治理與監督力度。但是受我國地域遼闊的限制，政府的管理與監管是有限的，因此應嚴格控制未經處理的工業廢水的排放，同時需要群眾參與到監督過程中，設置完善的群眾監督機制[28]。

(3) 調整產業結構，從現有的需水量狀況及預測結果中不難看出，經濟模塊的需水量最大，并且這些水資源主要用于農業需求。管理者可以逐步削減農業用水量，減少農業發展，通過進口糧食作物，一方面減少當地對水資源的需求量，減少施肥過程中非點源污染對水資源的污染；另一方面通過外貿實現虛擬水交易[29]過程。

(4) 在適合的地區建設生態小水電站和植樹造林。小水電作為綠色能源，在小水電豐富區廣泛推廣有利于當地生態環境保護[30]。而植樹造林可減少水土流失，涵養水源，進一步提高水資源利用效率和承載力[31]。

3 結 論

(1) 目前山西省整體上處在水資源供不應求的境況，并且所提供的水資源主要用在農業，其次為工業。

(2) 通過STELLA軟件模擬到2020年山西省將處在水資源供不應求的狀態，且水資源的供與需的差額不斷擴大。

(3) 為緩解山西省水資源短缺的狀況，可以通過調整產業結構，并在適合的地區建設生態小水電站和植樹造林，以提高水資源利用效率和承載力。

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