天津市水資源承載力的變化及驅動力研究

席銳超，李繼清，王 勇

（華北電力大學可再生能源學院，北京 102206）

1 天津市水資源開發利用及存在的主要問題

天津市多年平均地表水資源量10.55億m3，地下水資源量 8.32億 m3，重復計算量 0.708億m3，多年平均水資源總量18.16億m3[1]。2008年天津市全市總供水量22.33億m3，其中地表水供水量15.96億m3，包含引灤水量6.14億m3；地下水供水量6.25億 m3； 再生水 0.08億 m3； 海水淡化 0.04億 m3。2008年天津市總用水量22.33億m3，其中生產用水18.57億m3，生活用水3.11億m3，生態用水0.65億m3；生產用水中，第一、第二和第三產用水量分別為13.21億、 4.02億m3和1.34億m3[2]。

由于城市污水排放和農藥污染，加之各河流水量逐年減少，水體自凈能力降低，河流水體污染嚴重，水質惡化。天津境內19條河流大多數為Ⅴ類或劣Ⅴ類水質。隨著上游地區及水庫周邊經濟的發展、污染源的增多，引灤水質也受到了嚴重威脅。

地下水嚴重超采。地下水超采致使地下水位持續下降，最深已達90 m。長期超采，還導致地面沉降，沉降區域范圍約7 300 km2。天津市水資源供需矛盾嚴重；但用水又十分浪費。一些工業產品單位用水定額偏高，城市供水漏失嚴重，傳統的大水漫灌仍為主要灌溉方式，渠系綜合利用系數偏低。

天津市2008年人均水資源量僅187 m3左右，遠低于聯合國規定的人均水資源警戒線1 700 m3/人[3]，水資源供需矛盾突出。提高天津市的水資源承載能力，成為保障經濟社會協調發展的關鍵。為此，本文將影響天津市水資源承載力變化的7個驅動因子歸納為經濟動態壓力、社會壓力和環境壓力三類，通過主成分分析[4]，得到影響水資源承載力的主要因子，進而通過回歸分析建立多元線性回歸模型，預測出2020年及2030年的用水總量，并結合天津市水資源現狀提出相關的建議和措施。

2 天津市水資源承載力變化的驅動力分析

20世紀80年代，聯合國教科文組織（UNESCO）明確提出了“資源承載力”的概念[5]，接著就相繼出現了土地、礦產資源和水資源承載能力研究等。當前，對水資源承載力的定義為 “在一定的水資源開發利用階段，滿足生態需求的可利用水量能夠維系有限發展目標的最大的社會-經濟規模[6]”，“利用本地的可用水源，在保證人類生物學用水需要、生態良性發展的前提下，在保護符合其社會文化準則的生活水平下所能持續供養的最大人口數量[7]”。

從對水資源承載力的影響看，其影響因子又可分為正相關因素 （如降水量增加、加大地下水的開發利用及發展節水型農業等）和負相關因素 （如干旱天氣、工業用水加大和生活用水量增多等）[8]。這些因素不僅與水資源量之間存在著相關關系，而且相互之間也存在著關聯。從近年來的天津市水資源變化的實際情況看，主要影響因素是人類的活動。因此，著重分析社會經濟因素對天津市水資源承載力變化的影響。

通過查閱1991年～2008年天津市統計年鑒和水利年鑒，從中選取7個因子：X1為總人口數，萬人；X2為國內生產總值，億元；X3為工業用水量，億m3；X4為生活用水量，億m3；X5為農業用水量，億m3；X6為工業總產值，億元；X7為萬元工業產值用水量，億 m3；Y為總用水量，億 m3。應用SPSS統計軟件進行主成分分析，結果見表1～3。

表1 水資源承載力變化承載力變量相關系數矩陣

由表1可以看出，在影響水資源承載力的7個驅動因子之間存在著不同程度的相關性，其中X1與X2、X6； X2與 X6之間具有較大的相關性，其相關系數分別為0.982、0.983和0.945。

表2 特征值及主成分貢獻率

表3 主成分載荷矩陣

由表2可知，第一、第二和第三主成分的累計貢獻率已達到96.905%，符合分析要求，由此進一步得出主成分載荷矩陣（表3）。主成分載荷是主成分與變量之間的相關系數。從第一主成分可以看出，X1、 X2和 X6之間有很大的正相關，X5與第二主成分具有較大的正相關， X3與第三主成分有較大的正相關。據此，天津市水資源承載力變化驅動因子可歸納為以下三類因素：

（1）社會因素。構成第一主成分的主要因子之一是人口。人口作為一種持續的外界壓力，對水資源承載力的變化起著重要作用。人口增長、人均生活用水量的提高，以及城市環境建設是帶動生活用水迅速遞增的主要驅動因素。

（2）經濟發展因素。構成第一主成分的主要因子的其他兩個方面為—國內生產總值GDP和工業總產值，都是經濟發展因素，對水資源承載力變化的影響尤為顯著。從數據上看，天津市GDP從1991年到2008年間的變化呈現快速增長的勢頭。另外，經濟發展水平的提高，也使得需水量大大增加。按照天津市發展規劃，未來天津市的工業依然會保持較高的發展速度，而2008年天津市工業循環水重復利用率已經達到94%[9]，要進一步提高非常困難，未來工業用水繼續保持負增長勢態不太可能。但是，根據首都經濟圈的發展定位，未來產業結構的調整將進一步深化，從而促使工業綜合用水定額大幅度下降；同時，隨著市場機制的健全，對環境質量要求的提高，合理水價和更嚴格的環境標準也將限制工業取水量的增加。因此，預計未來短時期內工業用水量仍將在原有的基礎上略有增加。

（3）環境因素。由于天津市污水排放和農藥污染，加之各河流水量逐年減少，水體自凈能力降低，各河水體污染嚴重，水質惡化十分嚴重，給原本短缺的水資源造成了新的負擔和難題。

3 天津市水資源承載力變化分析

3.1 水資源承載力變化驅動因子的多元線性回歸模型

通過以上主成分分析可知，天津市1991年～2008年的水資源量 （因變量Xn）與其承載力 （自變量Y）之間存在線性關系，可對引起水資源承載力變化的各種因子進行多變量的回歸分析，以便確定水資源承載力變化的原因。采用逐步回歸方法（Stepwise）， 即按全部的自變量 X1， X2， …， Xn對Y貢獻值的大小進行比較，并通過F檢驗法，選擇偏回歸平方和顯著的變量進入回歸方程。當一個變量被引入后，對原已引入回歸方程的變量，逐個檢驗其偏回歸平方和；如果引入新的變量使得已進入方程的變量變為不顯著時，則及時從偏回歸方程中剔除該變量；只有當回歸方程中的所有自變量對Y都有顯著影響而不需要剔除時，在考慮從未選入方程的自變量中，挑選對Y有顯著影響的新的變量進入方程。不斷重復這一過程，直到無法剔除已引入的變量，也無法再引入新的自變量時，逐步回歸過程結束。通過這種方法進行的回歸分析，得到三種組合模型，其相應的模型擬合度值如表4所示。

表4 模型擬合度及回歸方程

由表4可以看到，模型2、3的擬合度都能滿足要求 （>90%），模型2的自變量包括工業用水量和農業用水量，而模型3的自變量不僅包括這兩個用水量，還包括了人口，且模型3的擬合度為0.957高于模型2的0.936。因此，選擇模型3為本文水資源承載力變化的多元模型。其回歸方程為

由式 （1）的邏輯關系分析，天津市總用水量的增加主要由兩部分引起：一是用水人口增加導致用水規模的增加，引起用水量的增加；二是工業用水量和農業用水量的增加。所以，在回歸方程中能反映此兩方面的因素是比較合理的。

3.2 水資源承載力變化趨勢預測

由于天津市近年采取了節水政策，因此生活及農業用水量的變化并不呈線性、單一的遞增或遞減。為了簡化計算，對數據進行初步處理，假設以1991年數據為基準點，工業用水量和農業用水量的增長率分別為3.56%和2.05%。由多元線性回歸模型采用滑動平均值法可以預測出，2020年和2030年天津市總用水量分別為35.70億m3和41.74億m3；而假設并未采取節水開源措施，則可供水量可認為保持不變，約為22億m3。由此得出，可供水量滿足不了需水量要求，2020年和2030年天津市將缺水13.70億m3和19.74億m3，缺水較嚴重。

4 天津市水資源承載力變化情況下的政策措施

天津市的水資源短缺是資源性的，單靠節約用水不能從根本上解決問題，所以要實行開源和節流并重的政策。

“開源”方面，主要寄希望于南水北調中線工程。南水北調中線一期工程實施后，引江中線水源將從天津市的西部河泵站入津，成為天津市中心城區新開河水廠、芥園水廠、凌莊子水廠的主要水源之一[10]。配套西干線工程建成后，中心城區可實現引江、引灤雙水源供水，從而改善天津市區水資源短缺局面，為經濟社會可持續發展提供可靠水源保障。

“節流”方面具體有以下幾種形式：①通過減少水的無效和低效損耗，提高農業用水水資源利用效率。結合生態農業的理念實現水的循環利用，以達到節水的目的。②通過產業結構優化調整和科學配置水資源提高單方耗水的經濟和生態產出量。在工業取水總量零增長或微增長的情況下，保證工業產值的快速增長。③開發利用替代性水源，以減少一次性淡水用量。如，利用再生水替代水源等。④通過虛擬水貿易，減少當地用水需求。⑤提高節水意識，推廣節水器具，降低天津市人口生活用水的綜合定額。

5 結論

天津市水資源嚴重短缺并且是資源性缺水，用水需求已大大超過水資源的承載力。通過主成分分析，將影響天津市水資源承載力變化的7個因子歸納為經濟動態壓力、社會壓力和環境壓力三類。從單個因子來看，生活用水量、農業用水量和人口是影響水資源承載力變化的主要驅動因子。在驅動力分析基礎上，建立多元回歸模型，預測出2020年和2030年天津市總用水量分別為35.70億m3和 41.74億m3。天津市的資源性水資源短缺，單靠節約用水不能從根本上解決問題，需實行開源和節流并重的政策。

［1］ 張凱.關于天津市水資源價值與水價值的研究［D］.天津：天津大學管理學院，2006.

［2］ 2008 年天津市水資源公報［EB/OL］.（2009-10-29） http://tjsw.giv.cn/pub/tjwcb/hangyegb/shuiziyg/200910/t.20091029.22700.html.

［3］ 姚慧，鄭新奇.多元線性回歸和Bp神經網絡預測水資源承載力——以濟南市為例［J］.資源開發與市場，2006，22（1）:17-19.

［4］ 歐建鋒，葉健，程吉林.主成分分析法在江蘇水利現代化評價中的應用［J］.人民長江， 2010， 41（2）:97-100.

［5］ UNESCO,FAO.Carrying Capacity Assessment with a Pilot Study of Kenya:A Resource Accounting Methodology for Sustainable Development［R］.Pariand,1985.

［6］ 夏軍，朱一中.水資源安全的度量：水資源承載力的研究與挑戰［J］.自然資源學報， 2002， 17（3）:262-269.

［7］ 王傳武.對水資源承載力幾個基本問題的新認識［J］.水文2009，29（2）:24-26.

［8］ 孟凡德，王曉燕.北京市水資源承載力的變化趨勢及承載力研究［EB/OL］.（2004-09-07） http://www.chinawater.net.cn/Journal/cwr/200409/07.htm.

［9］ 張巖，金暉，王志偉.天津市工業用水現狀及節水措施分析［J］.現代商貿工業， 2010（24）:62-63.

［10］ 南水北調中線一期天津市內配套工程天津干線分流井至西河泵站輸水工程初步設計報告通過審批［EB/OL］.（2010-01-04）http://www.tjnsbd.gov.cn/Item/404.aspx.