区域尺度水资源短缺风险评估与决策体系_以京津唐地区为例

摘 要 ： 水资源短缺风险评估是当今风险研究中的热点问题之一 。 然而 ， 区域内部差异性使得区域尺度水资源短缺
风险相比城市尺度更为复杂 。 本文构建了由水资源供给保障率 、 水资源保障可靠性 、 水资源利用率和水资源利用效 率 4 项指标构成的区域尺度水资源短缺风险评估与决策体 系 ， 给 出 了 定 量 计 算 方 法 ， 并 在 京 津 唐 地 区 进 行 了 实 例 研究 。 结果表明 ，2020 年北京 、 天津 、 承德 、 张家口为 “ 低风险 ”， 秦皇岛为 “ 中风险 ”， 唐山 、 廊坊为 “ 高风险 ”。 京津唐地 区水资源短缺风险防范对策应以节约用水 、 加强非常规水源利用为主 ， 并加强区域内部调节 ， 适度增加唐山等地的 分水量 。 在廊坊市 ， 应考虑降低复种指数减少农业用水需求 。 区域水资源短缺风险评估与决策体系能够直观反映区 域水资源风险和规避风险的能力 ， 揭示区域水资源短缺问题的特征 ， 从而能更好地服务于水资源管理决策 。
于较严重的水资源紧缺状态 [33]。 但实际上 ， 在很多 缺水地区 ， 该项指标远大于 40% ， 甚至超过 100% 。 所以 ， 在划定 该项指标的 等级时 ， 需要 根据区域 实 际情况来具体确定 。
2.2.4 水资源利用效率
水资源利用效率用于描述区域节水的水平 。 用 水户分为农业 、 工业 、 生活与环境 ， 其中前两者通常 占绝大部分用水量 。 同时考虑到数据的可获取性 ， 本文采用农业 、 工业两大系统的用水水平来代表整 体水平 ， 具体计算公式如下 ： · α PA +β · PI PA +PI
1.2 区域尺度研究难点与研究进展
在区域尺度上研究水资源短缺风险问题 ， 有针
收稿日期 ：2010-01 ； 修订日期 ： 2010-05. 国家科技支撑项目 (2006BAD20B06); 欧盟项目 (SWITCH/WP5.2); 中科院地理科学与资源研究所创新项目资助 。 基金项目： 作者简介 ： 李九一 (1982-) ， 男 ， 汉族 ， 辽宁省建昌县人 ， 助理研究员 。 主要研究方向为水资源保障及其风险评价与管理 、 生态需 水理论与方法 。 E-mail: lijiuyi@. 通讯作者 ： 李丽娟 (1961-) ， 女 ， 吉林省吉林市人 ， 研究员 ， 博导 ， 主要研究方向为水资源综合管理 、 生态需水理论与方法 。 E-mail: lilj@. 1041-1048 页
1042
地
理
科
学
进
展
29 卷
对性地提出风险管理方案 ， 可以有效提高区域水资 源安全保障程度 。 因此 ， 区域尺度水资源短缺风险 研究日益受到重视 ， 国内外学者在理论与方法上取 得了一系列进展 。 与城市尺度相比 ， 区域水资源短缺风险评价更 为复杂 。 一方面 ， 由于区域社会经济发展水平不均 ， 缺水导致的经济损失难以定量计算 。 另一方面 ， 由 于区域来水 — 供水 — 用水体系过于复杂 ， 水资源配 置对区域水资源短缺风险的影响难以定量评估 。 在 国外的研究 中 ， 主要是通 过风险因子 的分析 ， 定性 评估风险水平 ， 为决策者制定合理的风险管理措施 提供理论支撑 [16-17]。 近年来 ， 国内学者也开始研究水资源短缺风险 问题 。 阮本清和韩宇平等人最早探讨水资源短缺风 险评价理论与方法 ， 认为水资源短缺风险是指在特 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概率 以及由此产生的损失 。 在此基础上 ， 以首都圈为例 ， 研究了水资源短缺风险的模糊综合评价方法 ， 并在 水资源短缺风险分析和评价的基础上 ， 构建了区域 水资源短缺的多目标风险决策模型 [18-22]。 马黎等 [23] 构建了水资源短缺风险评价指标体系 ， 采用模糊层 次 分析方法对 全国水资源 二级分区水 资源短缺 风 险进行了评价 ， 揭示了我国水资源短缺空间分布格 局 。 刘登伟 [24] 基于水资源承载力理论 ， 构建了水资 源短缺风险指数 ， 对京津冀都市圈水资源短缺风险 进行了评价 。 缺水与经济损失关系的研究较少 ， 无法建立缺 水风险脆弱性曲线 ， 使得定量计算缺水经济损失成 为区域尺度水资源短缺风险研究中的难点 。 美国加 利福尼亚大学构建了 CALVIN 模型 ， 建立区域供水 网络体系 ， 设定各用 水节点需 水量 、 供水路 线的供 水能力 ， 模拟水文变化在多水源供水体系中导致缺 水事件发生的概率 ； 通过研究各用水节点缺水 — 经 济损失之间的关系 ， 计算缺水导致的经济损失 ； 基 于风险管理理论 ， 在定量评估经济损失的基础上 ， 研究新建水源 与供水工程 、 水资源优化 调度 、 节水 管理等方案的可行性 ， 进而得出区域最优水资源管 理方案 。 该成果在加利福尼亚州的应用取得了一系 列的进展 [25-29]， 但由于模型参数较多 ， 在其他区域的 应用受到限制 。 国内有关缺水 — 社会经济损失关
业 、 农业 、 环境等用户的用水需求得不到保障 ， 与水 资源数量及其时空分布 、 气候条件 、 经济结构 、 用水 习惯 、用水水平 、管理水平等因素有关 。 Falkenmark 指数 、 社会水资源压力指数 (SWSI) 、IWMI 模型 、
[2] [3] [4]
水利工程或 城市综合水 源的供水风 险 问 题 。 1982 年 ，Hashimoto 等发展了可靠性 、易损性 、 可恢复性 3 个指标评估供水风险 [6]。 其中 ，可靠性代表系统处于 正常状态的保障率 ， 易损性用来描述失事事件对系 统造成的损失 ， 可恢复性用来描述系统从失事状态 恢复正常的可能性 。 在此基础上得出的供水方案 ， 是以降低供水 系统失事概 率 、 减少经 济损失 、 保证 恢复能力为目标的最优方案 。 在城市供水风险的研 究中 ， 这些指 标得到了广 泛的应用 ， 如 在日本福冈 地区 ， 采用这些指标评估了干旱期的供水风险 ， 并 通过建立水库调度与供水管理模型 ， 优化了干旱期 供水管理方案 ，进而降低干旱期供水风险 [7-10]。 随着全球气 候变化对水 资源系统 的 影 响 日 益 显著 ， 近年来 ， 国 外开展了 有关气候变 化对区域水 资源保障风险的研究 。 研究主要通过对气候变化情 景下降水 、 蒸 发等水文要 素的分析 ， 分 析气候变化 可能给水资源系统带来的影响 ， 结合区域人口与经 济发展愿景 ，探讨未来区域供水安全问题 [11-15]。
2.2.2 水资源保障可靠性
水资源保障 可靠性用于 描述在 一 定 的 保 证 率 条件下 ， 水资源 需求是否 能够得到满 足 ， 计算公式 如下 ：
IR =
Ar Dr
(2)
IE =
(4)
式中 ： IR 表示水资源保障可靠性 ；Ar 表示在 r% 来水 保证率时的区域可供水量 ；Dr 表示对应水平下的水 资源需求量 ；r 表示 ..... 。 鉴于工程建设成本边际效应的影响 ， 建立完全 无风险的供水体系是不经济的 。 每个区域都具有一 定可接受的 风险 水 平 ，I R 用 来 描 述 该 风 险 水 平 下 ， 水资源需求能否得到有效满足 。 r 的取值需要根据 区域经济结构等因素来确定 ， 如以灌溉农业为主的 地区 ， 可取 75% ； 而以城市为主要供水对象的区域 ， 可取 95% 。 在实际操作中 ， 应根据各用水户对水资 源需求保障的要求 ， 考虑区域水资源系统实际情况 来具体确定 。 在枯水条件下 ， 可供水量小于多年平均水平 ， 而灌溉需水的增加 ， 需水量通常会大于多年平均水 平 ， 所以 IR <IS 。 如果 IR <1， 则代表区域出现缺水的 概率大于可接受的水平 。
2.2 水资源短缺风险评价指标 2.2.1 水资源供给保障率
水资源供给 保障率用来 描述区域 供 水 保 障 能 力 ， 计算公式如下 ：
IS = A D
(1)
式中 ：IS 表示水资源供给保障率 ；A 表示在正常水平 下 ( 多年平均 、P=50% 来水保证率 ) 的区域可供水量 ；
D 表示对应来水条件下的区域水资源需求总量 。
正常条件下 ， 水资源可供水量取决于水资源丰 富程度与区域供水设施的完善程度 ； 水资源需求主
系的研究还较少 ， 目前引入 CALVIN 等定量化模型 还存在困难 ， 评价仍只能用定性分析指标与模型 。
9期
李九一 等 ： 区域尺度水资源短缺风险评估与决策体系
1043
要取决于区 域人口 、 社会 经济结构 、 用 水管理水平 等因素 。 IS 采用可供水量与水资源需求量之比来描 述多年平均水平下的用水安全保障水平 。 若 IS <1， 则代表区域需水量不能得到满足 ， 会因供水不足而 导致社会经济损失 ， 或者会因为过度开发地下水资 源等不当措施引发相关环境问题 。
水匮乏指数 (WPI)[5] 等指数和模型 ， 先后应用于全球 尺度的水资源短缺风险评估 。 水资源短缺风险问题 也日益得到国际社会及学术界的关注 ，2003 年成立 的国际综合风险防范理事会 （IRGC ） 将水资源短缺 风险作为其关注的焦点之一 。 随着社会经济的发展 ， 特别是城市化水平的提 高 ，对水资源供给保障率的要求日益提高 。 因此 ，国 际上开展了大量有关城市供水风险评估 ， 研究单一
关 键
词 ： 水资源短缺 ； 风险评估 ； 风险决策 ； 京津唐地区
1 引言
1.1 水资源短缺风险研究进展 据 世 界 卫 生 组 织 (WHO) 统 计 ， 全 球 约 有 12 亿 人 口缺乏安全 饮用水 ，1/3 的人 口面临水 资源 短 缺 问题 ， 水资源危机已经成为全球性问题 [1]。 20 世纪 80 年代以来 ， 国际上开展了大量有关水资源短缺 (Water Scarcity) 研究 。 水资源短缺表现为生活 、 工
第 29 卷 第 9 期 2010 年 09 月
地
理
科
学
进
展
PROGRESS IN GEOGRt., 2010