能源基地水资源利用现状及其承载力分析——以山西省为例

许雪婷 蔡冠清 郝芳华# 童 莉 刘志学 程红光(.北京师范大学环境学院，水环境模拟国家重点实验室，北京 00875；.环境保护部环境工程评估中心，北京 000)

水是人类赖以生存的物质，虽然我国的水资源总量很丰富，位居世界第6，但土地亩均占有量为世界平均占有量的1/2，人均占有量仅为世界人均占有量的1/4[1-2]。近些年，我国人口数量急剧膨胀，产生水资源短缺、水质恶化等问题；同时我国的水土资源分布不相匹配、水资源时间和空间的不均匀分布及水资源污染严重但处理率低等问题，使得水资源成为制约我国经济社会发展的一个越来越重要的因素[3-4]。而目前我国超过半数的城市在发展过程中受到水资源短缺的制约。因此，在不破坏生态与环境的前提下，对区域水资源承载力开展研究可实现区域水资源的持续发展，优化配置，协调人与水环境之间的关系。水资源的量与社会经济规模的关系也一直是各专家研究的热点[5-6]。目前我国对水资源承载力的研究以生态环境为对象，考虑通过各种手段实现水资源的合理配置，提高水资源承载力。

在区域水资源承载力评价的过程中需要考虑区域社会经济以及水环境等子系统的影响。系统动力学是系统科学的一个分支，是一种以反馈调节理论为基础、将计算机手段与系统理论相结合的方法与理论[7]，主要用于研究系统结构内部的动态结构与反馈机制，被广泛应用于社会、经济、环境、生态、军事、能源等领域[8]。应用此方法是对系统进行仿真动态实验，并通过尝试不同情境下所采用的不同措施模拟并观察结果。这种模拟方法可用于处理周期性和长期性的问题，因为它是一种因果机制性模型，其强调系统内部机制决定系统行为[9-10]。可解决高阶非线性动态的经济社会问题，可充分展示系统的结构与变化趋势，有利于区域环境、人口、资源以及社会经济子系统的持续发展[11-13]。STELLA软件为图形导向的系统动力学模型，是最早用于动态模拟的软件之一，因为较友好的图形界面，在国内外被广泛应用，在模拟过程中发挥巨大作用[14-15]。使用者只需了解所需模拟系统的结构、功能和行为的动态变化过程，运行后即可自行生成相应的方程式，其结果以文本、表或曲线图的形式呈现出来[16]。

山西省位于我国华北黄土高原东部，是我国煤炭产生的重要基地。作为煤炭依赖型的山西省，其经济发展与煤炭开采息息相关[17]。煤炭是一种不可再生和可耗竭的资源，而其涸泽而渔的开采方式以及经济发展模式，使煤炭开采优势逐渐弱化[18]。煤炭开采对周围水资源的水量及水质均会产生严重影响，河川基流量衰减，含水层水位下降；同时煤炭开采是矿区河水及地下水化学性质改变的重要原因[19]。开采成本高，环境污染大，导致该地区环境承载力脆弱，矛盾不断激化，这是煤炭依赖区域经济发展中不可避免的问题[20]。因此，山西省水资源承载力的评价有利于水资源的合理配置，而这关乎到山西省未来经济发展。

1 研究方法

山西省共11个地级市，运城市因数据收集不完整，故本次研究选取10个地级市，分别为大同市、朔州市、忻州市、阳泉市、晋中市、长治市、晋城市、太原市、吕梁市、临汾市。基于山西省各地市水资源供需现状及开发利用程度的调查，主要参考了2012年《全国统计年鉴》及《山西省的国民经济和社会发展统计公报》，运用STELLA软件模拟2020年各地市水资源的供需平衡状况。

首先对各地市供水基础设施进行现状调查，并结合相关数据资料计算出各地区的供水量、需水量，继而对水资源的现状进行总体评价；然后结合地表水、地下水，对水资源的开发利用程度进行评价；最后依据建立的标准体系结合STELLA软件，模拟出未来水资源的供需平衡状况。

1.1 水资源现状评价

水资源评价可以理解为“定量地弄清楚某一特定地区水的可利用程度和社会生产、生活所需水资源的可满足程度”[21]。因此，本次调查通过年鉴数据计算出当地水资源供需数量，从而对山西省水资源现状进行评价。

1.2 水资源承载力评价

水资源承载力指某一地区水资源在某一具体历史发展阶段下，以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据，以可持续发展为原则，以维持生态环境良性循环发展为条件，经过合理优化配置，对该地区社会经济发展的最大支持[22]。

水资源承载力评价需要涉及构成影响要素的各个方面，仅采用一个或几个指标不能清晰地分析与评价某区域水资源对人口、社会经济与生态环境承载能力的关系，故需要建立一个水资源承载力协调性指标体系。本研究利用STELLA软件，从水环境、社会、经济和生态环境4个方面对水资源承载力进行综合评价。

1.3 水资源承载力评价指标体系构建

在水资源复合生态系统中，水资源-生态-经济-社会系统相互作用相互耦合形成一个系统[23]，并且系统中水资源、社会、经济、生态环境任何一因素都是该系统的一个子系统，任一子系统的变化都会对其他子系统及整个复合生态系统产生重要的影响。因此，依据水资源承载力评价所需要解决的问题，结合当地的实际情况，从水资源系统、社会系统、经济系统、生态系统4个准则层制定相应的指标。针对每一准则层的具体问题收集相关的资料，提出相应的评价目标以及影响因素，通过这样的逐层分解形成指标结构树，再通过比较和分析各因素之间的关系进行筛选，最后确定评价指标体系。

1.4 基于STELLA软件的水资源模型构建

STELLA软件是基于系统动力学环境的应用软件，采用“存量-流量”假定的形式来描述动态的过程。在构建模型的过程中包括4个模块：存量、流量、转换器和连接器。存量为矩形，用于表示系统中各组成，可以用管道连接，表示能量、物质、人口数量及生物量等方面的量；流量指材料或数量由一种状态变量中提取并转移到另一种状态变量的过程；圆圈表示转换器，通常代表以状态变量的值为基础而进行计算的量或者常数；连接器是箭头状，表示将值由一种图标提供给另一个图标，但是仅传达信息。流量可由各种公式进行定义，但是存量只能由流量进行改变，而无法由公式计算[24]。本研究基于Isee Systems公司2006年开发的STELLA 9.0.1版本为建模平台。

本次研究基于上述水资源承载力评价指标体系，山西省水资源供需模型分为水环境、社会、经济与生态环境4个子系统。以水资源供需的差额为最终结果，将模型分为供水量与需水量两大部分。水环境子系统构成模型的供水量模块，模型的需水量模块由社会、经济与生态环境子系统组成。在现状情境下，研究2020年山西省各地市水资源供给状况。

(1) 水环境子系统

本次的模型构建中，水环境子系统仅考虑水资源的供给，包括自然水资源和人工水资源两部分。自然水资源指江、河、湖、海等可供使用的地表水与地下水；人工水资源在本次研究主要为水利工程外调水量及污水的回收利用量。2013年山西省的地表水总量约为81亿m3，地下水为96.9亿m3，水资源总量为126.6亿m3，位居全国倒数第五位。1993年，山西省万家寨“引黄入晋”工程开始实施：一期工程经总干线、南干线及联接段实现向太原年引水3.2亿m3；二期工程经总干线、北干线向朔州、大同年引水5.6亿m3和最终实现向太原年引水6.4亿m3，调水量为水资源承载力的重要组成部分。在污水处理部分，涉及各地市生活污水以及第二、第三产业污水量，并结合各地污水处理状况进行分析。

(2) 社会子系统

社会子系统指标的选择应选取与人口这一水资源承载力主体相关的因素。因此，社会系统的需水量从人口结构和生活用水效率两个方面，分别计算出城镇人口和农村人口的用水量，两者之和即为社会子系统需水量。2009—2013年，山西省城镇人口比例由2009年的45.90%上升到2013年的52.56%；全省的自然增长率则由0.489%变为0.524%，提高了7.2%。由此可见，社会子系统的水资源量是一个不断变化的动态过程，且为需水量中不可缺少的重要组成部分。本次模拟将人口密度与自然增长率相结合。

(3) 经济子系统

经济子系统为水资源支撑的主体，各类经济活动对水质产生的改变会影响水资源的承载力。故将该系统细分为第一(农业)、第二(工业)、第三产业3个子系统，通过3个产业在各研究区的生产总值和单位生产值的耗水量来分析与预测该系统对水资源的需求量。依据统计资料显示，2009年山西省的第一、第二、第三产业的比例为6.1∶53.9∶40.0，到2013年的3个产业比例为6.5∶54.6∶38.9；山西省的人均GDP也由2009年的21 544元，到2013年变为34 815元，提高了61.6%。4年间，山西省的经济子系统无论从结构还是生产总产值都存在巨大的变化，并且这种变化仍在持续。因此，该模块对需水量的预测极为重要，同时在本次模拟的过程中考虑未来科技对水资源需求的影响，如工农业节水技术等。

(4) 生态环境子系统

生态环境子系统需水量是保证社会经济发展的重要组成部分，是保证社会经济可持续发展的要素。生态环境子系统需水量由生态环境的结构和功能决定，这也是影响水资源承载力的要素。本研究选取了城市生态环境需水的两个主要指标：绿化需水和河道需水。

2 结果与分析

2.1 水资源现状供需分析

本次水资源的现状评价从需水量和供水量两个方面着手。利用统计年鉴提供的数据，从城镇生活、农村生活、工业、农业和生态环境对水资源需求进行评价。2012年山西省基地水资源供需现状分析见表1。由表1可以看出，2012年山西省整体上处在水资源供不应求的境况，并且所提供的水资源主要用在农业，其次为工业。目前的调查中虽然只有太原市处在供过于求的状况，但是总供水量与总需水量之间的差额较小。

随着人们对水资源需求的日益增加，需水量有增无减。根据2013年《全国统计年鉴》显示，2012年全国人均水资源占有量为2 186.1 m3，而山西省的人均水资源占有量仅为295.0 m3，不到平均水平的1/7，水资源短缺使当地水资源供应非常紧张。而2012年山西省的人均用水量高达203.7 m3，可再利用的水资源非常有限，在此基础上水资源需求增加则会进一步加剧供与需的矛盾，水资源的合理使用与分配迫在眉睫。

表1 2012年山西省基地水资源供需现状分析Table 1 Analysis of the current situation of water resources’ supply and demand in Shanxi province bases in 2012 亿m3

表2 2020年山西省各地市供水量预测Table 2 Prediction of water supply quantity of prefecture-level cities in Shanxi province in 2020 亿m3

2.2 水资源承载力评价

(1) 2020年山西省各地市供水量预测

基于STELLA软件预测的2020年山西省各地市供水量见表2。2020年供水量较多的前5位分别为太原市、大同市、晋中市、临汾市和朔州市。同时，将STELLA软件模拟得出的数据结果与2012年实际供水量相比发现，到2020年山西省各地市可供应的水资源量整体略有一定的上升，其中太原市、朔州市和大同市的上升幅度较大，其到2020年增加的总供水量分别为2.89亿、2.57亿、2.59亿m3，增加率依次为43.01%、70.99%、48.41%。到2020年，山西省各地的地表水、地下水供应量整体呈下降趋势。其中太原市地表水、地下水供应量下降明显，地表水供应量由2012年的2.69亿m3下降到2020年的0.62亿m3，而地下水供应量则由2012年的4.03亿m3下降到2020年的2.59亿m3，两者总下降3.51亿m3。

(2) 需水量预测

采用STELLA软件预测的2020年山西省各地市的需水量见表3。由表3可知，2020年山西省需水量最多的为太原市，总需水量达到13.95亿m3，而需水量最少的为阳泉市，总需水量仅为4.70亿m3，两者相差近3倍。其中太原市社会、经济与生态环境模块的需水量所占比例分别为16.06%、74.55%、9.39%，并且经济模块中的农业需水量占37.40%，工业需水量占45.78%。2012年经济模块的需水量占总需水量的65.09%，可见经济模块的需水量仍为需水量的主体部分，且呈现上升的趋势。社会模块2020年的需水量与2012年相比，除太原市由1.99亿m3(表1中太原市城镇与农村生活需水量之和)上升为2.24亿m3，其余各地市均存在不同程度的下降。

(3) 供需平衡分析

运用STELLA软件模拟2020年山西省各地市水资源的供需平衡分析结果见表4。由表4显示，通过比较各地区总供水量与总需水量的差额发现，到2020年山西省将处在水资源供不应求的状态，且水资源供与需的差额正在不断扩大。与2012年相比可知，总供水量波动并不是特别大，总体保持相同的水平，但是总需水量急剧增加，阳泉市与朔州市分别增加了1.47、1.43倍，而增加最少的临汾市也增加了0.46倍。2012年水资源差额最大的是长治市，两者相差2.74亿m3，其2020年的差额达到6.95亿m3。到2020年水资源差额最大的为太原市，为7.32亿m3，但其2012年总供水量大于总需水量。所研究的10个地级市中，2012—2020年水资源差额变化最大的是大同市，由0.30亿m3扩大到3.69亿m3。

表3 2020年山西省各地市需水量预测Table 3 Prediction of water requirement of prefecture-level cities in Shanxi province in 2020 亿m3

表4 2020年山西省各地市水资源的供需平衡分析1)Table 4 Water resources supply-demand balance analysis of prefecture-level cities in Shanxi province in 2020 亿m3

注：1)差额表示总需水量与总供水量的差值。

2.3 水资源承载力分析及对策建议

2012年，通过对山西省各基地的水资源现状调查可知，除太原市外，各地水资源处于较高的开发利用状态，但山西省水资源供需仍呈供不应求的状态。太原市虽供大于求，但是供水与需水之间的差额较小，而伴随着经济发展对水资源需求的增长，会进一步缩小供水与需水之间的差额。考虑到山西省资源性缺水、工程性缺水和水质性缺水[25]的特征，仅依靠地表水供应量和地下水供应量很难满足当地对水资源的需求。

在短时间内难以改变水资源供给的条件下，为保证水资源的可持续性，可采取如下措施：

(1) 各地可以在现有的工业结构基础上优化工业用水结构，实现“工业节水体系”[26]。加大污水处置力度，提高污水的回收利用效率；逐步淘汰水资源消耗性工业、对环境和生态污染较严重的工业，鼓励并积极引进新型环保型和新型能源工业[27]。

(2) 山西省生态环境脆弱，为了可持续发展，需要加强政府对企业排放污染物的治理与监督力度。但是受我国地域辽阔的限制，政府的管理与监管是有限的，因此应严格控制未经处理的工业废水的排放，同时需要群众参与到监督过程中，设置完善的群众监督机制[28]。

(3) 调整产业结构，从现有的需水量状况及预测结果中不难看出，经济模块的需水量最大，并且这些水资源主要用于农业需求。管理者可以逐步削减农业用水量，减少农业发展，通过进口粮食作物，一方面减少当地对水资源的需求量，减少施肥过程中非点源污染对水资源的污染；另一方面通过外贸实现虚拟水交易[29]过程。

(4) 在适合的地区建设生态小水电站和植树造林。小水电作为绿色能源，在小水电丰富区广泛推广有利于当地生态环境保护[30]。而植树造林可减少水土流失，涵养水源，进一步提高水资源利用效率和承载力[31]。

3 结 论

(1) 目前山西省整体上处在水资源供不应求的境况，并且所提供的水资源主要用在农业，其次为工业。

(2) 通过STELLA软件模拟到2020年山西省将处在水资源供不应求的状态，且水资源的供与需的差额不断扩大。

(3) 为缓解山西省水资源短缺的状况，可以通过调整产业结构，并在适合的地区建设生态小水电站和植树造林，以提高水资源利用效率和承载力。

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