（水利水电工程专业论文）首都圈水资源对地区经济发展的影响.pdf

摘要 随着首都圈社会的不断进步和经济的不断发展，人们对水的质量和数量的 需求也会越来越高。而流域内所能提供的可用水资源量是有一定限度的，需求与 供给间的矛盾将日趋尖锐。所以在这个时候考虑水资源的充分合理的配置就显得 格外的重要。 本论文在较全面分析了国内外水资源配置的基础上，详细叙述了水资源合 理配置所遵循的原则和方法。在对水资源的经济价值评价方面分别对农业、工业 生活和环境进行了总结说明。结合首都圈的实际问题，论述了该地区经济社会的 发展历程。利用基于投入产出关系的宏观经济模型，按部门预测了宏观经济发展 趋势，用趋势法、弹性系数法、定额法和人均用水指标法等多种方法预测了工业 需水量。在应用生产函数进行水资源分析时，在理论上确定了一个最优的用水区 间，以达到最佳的用水的投入产出情景。按照作物的耗水机理，对农作物按夏收 作物、早秋作物、晚秋作物、经济作物分析了首都圈的农作物种植结构，预测了 不同作物、不同水平年、不同保证率下的灌溉需水量和产值。该论文应用的o a m s 模型具有很大的适用行，经专业人员对其数据进行处理可以将其应用到不同的流 域和地区。 本论文的应用的g a m s 所编制的水资源分配模型得到的成果对首都圈内将来 水资源的分配具有指导和参考价值。 关键字首都圈；水资源：供需平衡；生产函数；经济价值；预测：评价理论 a b s l k a c t a b s t r a c t w i t hc o n s t a n tp r o g r e s sa n dd e v e l o p m e n to f e c o n o m y , p e o p l e sd e m a n df o rt h e w a t e r sq u a n t i t ya n dq u a l i t ya r em o r ea n dm o r eh i g h b u tw a t e rr e s o u r c e 锄o u n tw h a t c a no f f e ri nt h eb a s i ni sl i m i t e d ；t h ec o n t r a d i c t i o na m o n gt h ed e m a n da n ds u p p l yw i l l b es h a r pd a yb yd a y t h e r e f o r ec o n s i d e ra b u n d a n tr e a s o n a b l ed i s p o s i t i o no f w a t e r r e s o u r c es e e m e dt ob ee x t r e m e l yi m p o r t a n c ea tt h i st i m e t 1 1 i ss p e c i a lt o p i ci so nt h eb a s i so f a n a l y z i n gr e s o u r c ed i s t r i b u t i o no f d o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a lw a t e ri na r la l l r o u n dw a y , t e l lt h ep r i n c i p l ea n dm e t h o dt h a tr a t i o n a l d i s t r i b u t i o no f r e s o u r c e so f w a t e ri nd e t a i l i nt h er e s p e c to f e c o n o m i co f w a t e r r e s o u r c ea p p r a i s e m e n ti ti ss u m m a r i z ei n d u s t r i a l ，a g r i c u l t u r a la n de n v i r o n m e n t s e p a r a t e l y , c o m b i n et h ep r a c t i c a lp r o b l e mo f t h ec a p i t a lc i r c l ea n dd e s c r i b et h e d e v e l o p m e n tc o u r s eo f t h i sr e g i o n u t i l i z et h em o d e lo fm a c r o e c o n o m yb a s e do n r e l a t i o nb e t w e e ni n p u ta n do u t p u t ，p r e d i c t e dt h em a c r o - e c o n o m yd e v e l o p m e n tt r e n d a c c o r d i n gt ot h ed e p a r t m e n t ，a n du t i l i z et r e n dm e t h o d ，e l a s t i cc o e f f i c i e n tm e t h o d ， q u o t am e t h o da n dp e rc a p i t aw a t e ri n d e xm e t h o de t c t op r e d i c ti n d u s t r yw a t e r r e q u i r e m e n t w h i l eu s i n gt h ep r o d u c t i o nf u n c t i o nt oa n a l y z et h ew a t e rr e s o u r c e h a s c o n f i r m e da no p t i m u mw a t e r b l o c ki nt h e o r y , i no r d e rt or e a c ht h eb e s ti n p u ta n d o u t p u ts c e n eo f t h ew a t e r a c c o r d i n gt oc o n s u m i n gw a t e rt h e o r yo f t h ec r o p ，h a v e a n a l y z e dt h ep a r e m o f f a r m i n go fc r o p so f t h ec a p i t a lc i r c l et ot h ec r o p sa c c o r d i n g t o t h es u m m e r c r o p s ，e a r l ya u t u m nc r o p s ，l a t e a u t u m nc r o p s ，e c o n o m i c a lc r o p sa n d p r e d i c t e di r r i g a t i o nw a t e rr e q u i r e m e n ta n do u t p u tv a l u eu n d e rd i f f e r e n tc r o p s ， d i f f e r e n tl e v e ly e a ra n dd i f f e r e n tg u a r a n t e e i n gr a t e g a m sm o d e lt h a tu s e di nt h i s t h e s i sh a sau s e f u lp r a c f i c a b i l i t y ；i tm a yb ea p p l i e dt od i f f e r e n tb a s i nb yp r o f e s s i o n a l p e r s o n sc o m p i l a t i o n w a t e rr e s o u r c ea l l o c a t i o na c h i e v e m e n tt h a tg e r e df r o mg a m sm o d e lh a v e g u i d a n c ea n dr e f e r e n c ev a l u ei nt h ef u t u r et oc a p i t a lc i r c l e k e y w o r dc a p i t a lc i r c l e ；w a t e rr e s o u r c e ；e q u i l i b r i u mo f s u p p l ya n dd e m a n d ； p r o d u c tf u n c t i o n ；e c o n o m i cv a l u e ；p r e d i c t i o n ；a p p r a i s a lp r i n c i p l e i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 鹤：细脯：一 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 导师签名日期 厶aj ：2 竹 第1 苹首都浏水资i 啄的基本情况 第1 章首都圈水资源的基本情况 1 1 研究背景 1 1 1 问题的提出 首都圈包括北京、天津两市的全部地区，也称京津首都圈。随着社会的进步 和发展，可持续发展战略已成为世界各国和社会各界的共识，而可持续发展要求 水资源的可持续利用，以水资源可持续利用支撑经济社会的可持续发展是水资源 领域的历史任务。水资源可持续利用直接影响到国民经济、社会发展，以及生态 环境质量的变化，直接关系到小康社会目标的实现。首都圈是全国社会和政治文 化的中心和最重要的经济中心之一，在全国乃至世界都处于重要的战略地位，其 水资源能否得以保障是重中之重的问题。 首都圈所面临的严峻和复杂的是资源问题，使得水资源成为当前和今后相当 一段时期需要迫切解决的战略问题。水资源极度短缺。根据2 0 0 0 年人口数据和 多年平均水资源总量，北京、天津两年人均水资源量分别为2 7 2 8 m 3 和1 3 8 9 m 3 。 依据u n d p ( 联合国开发计划署) 在人文发展指数报告中提出的标准( u n d p 1 9 9 0 ) ，均属严重缺水地区。同时，气温上升、河流入境水量锐减、连续枯水年 时有发生、区内水资源分布不均等原因更加重了本区水资源的短缺。随着人口的 增加、城市化进程的加快以及人民生活水平的提高，伴随着人均水资源的进一步 减少和人均用水量的增加，首都圈水资源短缺的困境将不可避免且愈加严峻。 首都圈的水源源问题由来已久，且长期未得到有效的解决。2 0 世纪6 0 年代， 首都发生了建国以来首次严重的水危机，此后，首都圈水资源供需矛盾日益突出。 京津地区先后修建了密云、官厅、潘家口、大黑汀、于桥等大中型水库和京密引 水、永定河引水、引滦入津等输水渠道。水环境引起水质问题又使得官厅水库等 一些水库先后失去了城市工业和生活的供水功能。从2 0 世纪5 0 6 0 年代起，就 开始了农业节水的研究和试点工作，先后开展了防渗衬砌、喷灌、灌溉技术的推 广等农业节水措施。2 0 世纪7 0 年代末和8 0 年代初，开始了城市节水和生活节 水工作，节水作为一种有效的缓解水资源短缺的措施得到了广泛的重视和采用。 尽管上述措施已经取得了巨大的效益，但是，首都圈地区的水资源短缺、水环紧 恶化等问题还尚未得到有效的缓解h 2 1 。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 1 2 研究目的 在维持首都圈社会经济可持续发展以及水资源可持续开发利用的原则下，综 合考虑城市供水规划和首都圈水利规划的要求拟订多个可能的水资源开发利用 方案，利用宏观经济分析模型、水资源供需平衡模拟模型等进行系统分析，分析 水资源分配方案对首都圈的社会经济发展规模的影响，提出一个适合首都圈社会 经济状况的基本配置方案。 1 1 3 主要研究内容 ( 1 ) 对首都圈的水资源开发利用现状进行充分的评价，研究开发利用中存在的问 题。 ( 2 ) 分析首都圈的经济社会发展历程，研究产业结构调整方向，预测未来3 0 年 宏观经济发展趋势。 ( 3 ) 分析工农业节水措施的有效性，利用宏观经济预测成果，预测工业、农业和 生活需水量。 ( 4 ) 利用水资源供需平衡模拟分析，研究首都圈内经济社会发展目标及其水需求 的合理性、水利工程供水的有效性及水资源合理配置方案的合理性。 1 1 _ 3 水平年 本次研究以1 9 9 7 、1 9 9 8 年作为现状年，2 0 1 0 年作为近期水平年，2 0 2 0 年作 为中期水平年，2 0 5 0 年作为远景水平年。 1 2 自然地理条件 首都圈地区地形总的趋势是西北高，东南低，海拔一般在1 0 0 0 1 5 0 0 米之 间，全区最高山峰为京西的灵山，海拔2 3 0 3 米，平原海拔约为3 0 1 0 0 米。地 形大致分为山地丘陵区、山麓斜坡洪积平原区、冲积平原区和滨海平原区，其中 倾斜平原区主要由蓟运河、潮白河、北运河、永定河等河流冲积而成，地面坡度 大，排水通畅，地下水埋藏丰富，水质良好，是该区主要的农业耕作区之一，冲 积平原区地势平坦，东南部地下逐渐变成咸水区，滨海地区排水不畅，地下水位 高，沼泽化、盐碱化严重。 首都圈受大气环流影响属于温带大陆性季风气候，冬季受蒙古高压影响，盛 行偏北风，天气晴朗而少雨：夏季处于大陆热低压范围内，盛行太平洋的东南气 流和印度洋的西南气流，而多阴雨天。年内温差大，四季分明，春季干旱多风， 2 第1 章首都圈水资源的基本情况 夏季炎热多雨，秋季凉爽晴朗，冬季寒冷干燥。 首都圈全年平均气温l i 1 2 。c ，无霜期为1 5 0 2 0 0 天；多年平均蒸发量为 1 0 0 0 1 3 0 0 m m ：经对1 9 5 6 2 0 0 0 年降水量进行计算，首都圈多年平均降水量为 5 8 1 9 m m 、1 6 3 2 9 亿m 3 ，首都圈各行政区多年平均年降水量分别为北京市5 8 3 2 m m 、 9 7 9 8 亿0 ，天津市5 7 7 7 m m 、6 5 3 1 亿m 3 ，天津市多年平均降水量较小。降水 量集中在汛期6 9 月，约占全年降水量的8 0 以上，降雨年际变化大，致使本 区易出现洪、涝、旱灾害，历史上该区是一个多灾地区。 首都圈地区内分布有蓟运河、潮白河、北运河、永定河、大清河五大河系， 除北运河发源于北京外，其它四河系均发源于河北、山西和内蒙古( 各河系流域 面积见表卜1 ) 。五条水系皆属海河流域，五条水系下游均汇入永定新河和海河， 经天津市汇入海。天津市境内及周围地区有众多的洼淀，主要有东淀、文安洼、 贾口洼、团泊洼、北大港等。 表卜1 北京各河系流域面积 t a b l e1 1e a c hd r a i n a g eb a s i na r e ao f b e i j i n g 流域面积( k m 2 ) 水系 山区平原合计 劁逐河 6 8 96 8 81 3 7 7 潮白河4 6 0 51 0 0 85 6 1 3 北运河1 0 0 03 4 2 34 4 2 3 永定河 2 4 9 16 7 73 1 6 8 大清河 1 6 1 56 0 42 2 1 9 全市1 0 4 0 06 4 0 01 6 8 0 0 资料来源：2 1 世纪初期首都水资源可持续利用规划一专题报告汇编之一北京市地表水 资源分析及预测，p 2 。 北京市总面积1 6 8 0 0k m 2 ，其中西部、北部和东北部是山区，东南部是平原， 山区面积1 0 4 0 0k m 2 ，约占总面积的6 2 ，平原区面积为6 4 0 0k m 2 ，约占总面积 的3 8 ，详见表卜1 。天津市总面积1 1 9 1 9 7k 一，其中平原占9 3 9 ，山区和丘 陵占6 1 ；首都圈总面积2 8 7 1 9 7 k m 2 ，其中平原占6 1 3 ，山区和丘陵占3 8 7 。 1 3 经济社会 首都圈不仅是全国的政治和文化中心所在地，也是我国北方重要的经济核心 地区，地理环境优越，工农业基础好，经济实力雄厚，发展前景广阔。内有京、 北京工业大学工掌填士学位论文 津、塘沽工业经济区，又有华北平原产粮区。 首都圈工业、交通发达，主要工业行业有冶金、电力、化工、机械、电子等， 在全国经济中占有重要地位。1 9 9 8 年工业总产值4 9 0 0 亿元，近年来，高新技术 产业发展迅速，北京市1 9 9 8 年高新科技产值占到海河流域工业增加值的2 2 ， 天津市占流域的1 6 。1 9 9 8 年首都圈地区经济社会发展指标见表1 - 2 。 表卜2 首都圈1 9 9 8 年经济社会发展指标 t a b l el - 2y e a r1 9 9 8e c o n o m i c a ls o c i e t yi n d e xo f c a p i t a lc i r c l e 工业产值 g d p 总人口( 万城镇人口有效灌溉粮食产量 分区 ( 亿元)( 亿元)人)( 万人)( 万亩)( 万t ) 北京市1 9 6 12 0 l l1 0 9 t7 3 44 8 42 3 9 天津市 2 7 4 1 1 3 3 69 0 35 2 l4 8 02 4 3 1 4 首都圈水资源数量 1 4 1 降水量 采用1 9 5 6 1 9 9 8 年系列，天津市多年平均降水量为5 8 6 6 m m ，6 5 3 1 m 3 ，从 山区到平原由7 2 0 8 5 6 1 8 m m 递减。北京市5 8 3 2 m m 、9 7 9 8 亿m 3 ，首都圈的多 年平均降水为5 8 4 9 m m ，1 6 3 2 9 m 3 。 1 4 2 地表水资源量 首都圈地区多年平均地表水资源量为3 0 5 亿m 3 ，其中，蓟运河山区多年平 均地表水资源量为3 1 3 亿m 3 ，潮白河山区多年平均地表水资源量为7 3 9 亿m 3 ， 北运河山区多年平均地表水资源量为1 3 4 亿m 3 ，永定河山区多年平均地表水资 源量为1 8 3 亿m 3 ，大清北支河山区多年平均地表水资源量为2 1 8 亿m 3 ，北四河 平原多年平均地表水资源量为l o 3 0 亿m 3 ，淀东清南平原多年平均地表水资源量 为3 8 0 亿m 3 ，淀西清北平原多年平均地表水资源量为0 5 0 亿m 3 。 采用1 9 5 6 1 9 9 8 年系列，天津市多年平均地表水资源量为1 0 5 5 亿m 3 ，5 0 、 7 5 、9 5 保证率分别为9 1 4 亿m 3 、5 5 7 亿3 和2 3 4 亿m 3 。北京市多年平均地 表水资源量为2 0 4 亿m 3 。 1 4 3 地下水资源量 按水文地质条件，天津市分为三个分区：( 1 ) 山区基岩裂隙水区，面积7 2 7 k m 2 ， 占全市总面积的6 1 ；( 2 ) 平原全淡水第四系孔隙水区，面积1 5 9 8 k m 2 ，占全市总 面积的i 3 4 ：( 3 ) 平原咸水覆盖下的深层淡水孔隙水区，面积9 5 9 4 7 k m 2 ，占全 4 第1 章首都幽水资源的基本情况 市总面积的8 0 5 。全市地下水资源量8 3 2 亿m 3 ，其中浅层水5 2 3 亿一( 含矿 化度2 3 9 i 的微咸水1 0 2 亿m a ) 、深层水l _ 8 8 亿m 3 ，岩溶水1 2 1 亿 e 1 3 。 根据北京市地矿局水资源计算成果，北京市地下水可采资源量为2 6 3 3 亿m 3 ， 其中平区地下水可采资源量为2 4 5 5 亿一，山区地下水可采资源量为1 7 8 亿m 3 。 1 9 9 1 1 9 9 8 年京、津两市超采2 9 亿m 3 。 表卜31 9 9 1 年1 9 9 8 年首都圈地下水超采情况 t a b i el 一3y e a r1 9 9 1 1 9 9 8c o n d i t i o no fc a p i t a lg r o u n d w a t e ro v e r t a k e 9 l 一9 8 浅层超采面积( k m 2 )深层超采面积( k m 2 ) 年平均超 分区采量( 亿 一般严重小计一般严重 小计 北京市 1 4 0 0 1 2 4 42 6 6 1 o0 0 1 7 天津市o006 0 7 42 8 9 l8 9 6 51 2 1 4 4 水资源总量 水资源总量为地表水资源量与地下水资源量之和扣除重复计算量。 天津市地表水水资源量多年平均值为1 0 5 5 亿m 3 ，地下水资源量8 3 2 亿m 3 ， 扣除重复计算量0 7 1 亿m 3 ，水资源总量为1 8 1 6 亿m 3 。天津市水资源量见表1 - 4 。 表1 - 4 天津市水资源总量( 亿m 3 ) t a b l e1 4t o t a lw a t e rr e s o u r c ec a p a c i t yo ft i a n j i n 地表水资源量地下水资源水资源总量均 水资源分区 均值 5 0 7 5 9 5 骨 值 蓟运河山区1 9 0l7 7 11 7 o 6 4o 6 92 5 9 北四河平原4 6 84 0 9 2 5 41 1 1 5 5 29 4 9 淀东清南平原 3 9 73 2 91 8 40 6 52 1 16 0 8 全市l o 5 59 1 45 5 72 3 48 3 21 8 1 6 天津市人均水资源占有量1 8 0 m 3 人，仅为全国人均水资源占有量的十三分 之，是全国人均水资源占有量最少的省市之一。北京市人均水资源占有量4 4 5 6 m 3 人 1 9 5 6 1 9 9 8 年地下水水资源量，采用海河流域水资源基本评价成果。首 都圈多年平均水资源量为5 2 2 亿m 3 ，其中北京市多年平均水资源量为3 7 6 8 亿 一，天津市多年平均水资源量为1 5 3 7 亿m 3 。 1 4 5 入境水量 天津市由于上游用水量增加，海河流域各河系入境水量逐年减少，海河北 系北运河、潮自河、蓟运河一般年份尚有一定入境水量；海河南系大清河、南运 河一般年份基本上没有入境水量。入境水量的减少更加剧了本市水资源短缺的矛 盾。入境水量见表i - 5 。上世纪6 0 年代以来，天津市入境水量变化见图l l 。 图卜1 天津入境水量变化 f i gl 1w a t e rq u a n t i t ye n t e ri n t ot i a n j i n 表1 - 5 天津市入境水量睛况表( 亿3 ) t a b l e1 5c o n d i t i o no fw a t e rq u a n t i t ye n t e ri n t ot i a n j i n 水资源分区多年平均 5 0 7 5 9 5 蓟运河山区 3 7 76 5 92 1 3o 8 2 海河北系平原 81 76 5 93 6 31 3 7 淀东清南平原 0 0 00 0 0o0 0 总计 1 1 9 499 0 5 7 62 1 9 现状条件下( 1 9 8 5 2 0 0 0 年) 北京市多年( 1 9 8 5 2 0 0 0 年) 平均出境水量为 1 6 2 6 亿一，北京市出境水量最多为3 9 4 亿m 3 ，其中海河北系多年平均出境水 量为1 2 5 9 亿一，占7 7 4 ：海河南系多年平均出境水量为3 6 8 亿m 3 ，占2 2 6 。 1 5 首都圈水资源开发利用现状 1 5 1 水资源开发现状 中华人民共和国成立以来，为满足北京市经济社会发展需要，合理开发利用 6 第l 罩首都圈水资源的基本情况 水资源，坚持不懈地开展了大规模的水利基础设施建设，建成了相对完善的供水 工程体系。 截止到2 0 0 0 年底，北京市共建有总库容9 3 5 亿m 3 的各类水库8 5 座，其中 包括官厅、密云、海子和白河堡四座大型水库，水闸3 3 9 座，塘坝约4 3 3 座，橡 胶坝7 0 余座，机电排灌站4 8 5 5 处，机井5 万眼。城镇自来水厂2 0 座，自来水 供水管线长7 6 1 0 k m ，总供水能力3 6 7 万t d ，供水面积7 2 5 k m 2 。自各井生产能力 5 9 5 3 6 7 万t d ，污水处理厂4 座。 截止到2 0 0 0 年底，天津市建成了于桥，北大港，团泊洼三座总库容为2 2 4 亿m j 的大型水库。截止到2 0 0 0 年底，天津市市区共建有5 座自来水厂，其中地 下水厂l 座。市区水厂综合生产能力2 0 1 5 0 万m 3 d ，其中地下水0 7 2 万m 3 d 。 直径7 5 m m 以上供水管道2 9 1 5 4 9 公里。建成了纪庄子、东郊和开发区三座污水 处理厂，总日处理量7 6 万t 。 首都圈内还建成了两项至关重要城市引水工程，它们是给北京供水的京密引 水工程和给天津供水的引滦入津工程。京密引水工程的设计规模为年引水量1 2 6 亿m 3 年；引滦入津工程设计规模为1 0 亿m 3 年，通过该工程，实际上平均每年 调用滦河水量7 8 亿m 3 输往天津。 首都圈水资源开发利用工程基本保障了社会经济的发展。 1 5 2 供水、用水现状 2 0 0 0 年北京全市工业、城镇生活和农村共用水4 0 4 0 亿n 1 3 。按用水性质分： 工业用水1 0 5 2 亿m 3 ，城镇生活用水( 城镇居民生活用水和公共用水) 9 7 6 亿m 。， 河湖补水0 4 3 亿m 3 农村用水( 农业灌溉和农村生活用水) 1 9 6 9 亿i i l 3 全市工 业、城镇生活用水共计2 0 2 8 亿1 1 1 3 ，其中城镇生活用水占4 9 2 ，工业用水占 5 1 8 。以水源来分，全市2 0 0 0 年用地表水1 3 2 5 亿i l l 3 ，占全市用水量的3 2 8 ： 用地下水2 7 1 5 亿m 3 ，占全市用水量的6 7 2 ( 详见表1 - - 6 ) 。 表l 一62 0 0 0 年北京水资源利用情况( 亿m 1 ) f i g1 - 6y e a r2 0 0 0c o n d i t i o no f b e o i n g w a t e rr e s o u r c ed i l i z e 用水水源 分项用水量 地表水地下水 工业1 0 5 25 2 75 2 5 城镇生活 9 7 6 3 2 653 1 河湖 0 4 3 0 4 3 农业用水1 9 6 93 3 91 6 5 9 合计4 0 4 01 3 2 52 7 1 5 注：表中水量为毛水量。 资料来源：2 0 0 0 年北京市水资源公报。 2 0 0 0 年天津全市工业、城镇生活和农村共用水2 2 6 4 亿3 。按用水性质分： 工业用水5 3 4 亿m 3 ，生活用水5 2 2 亿皿3 ，农业用水1 2 0 8 亿m 3 全市工业、城 镇生活用水共计l o 5 6 亿一，其中城镇生活用水占4 9 4 ，工业用水占5 1 6 。 以水源来分，全市2 0 0 0 年用地表水1 4 4 1 m 3 ，占全市用水量的3 6 4 ：用地下水 8 2 3 亿m 3 ，占全市用水量的6 3 6 ，另外天津市海水利用量达到1 1 7 亿m 3 。( 详 见表1 7 ) 。 1 9 9 8 年天津市城市总供水量1 4 5 4 亿m 3 ( 含城郊莱田灌溉用水) ，其中引滦 供水6 1 2 亿m 3 ，开采地下水2 ，8 8 亿m 3 ，当地地表水3 6 4 亿m 3 ，海水替代淡水 o 3 亿m 3 ，城郊菜田引用城市污水1 6 0 亿一。天津市城市供水情况见表卜8 。 表l - - 72 0 0 0 年天津水资源利用情况( 亿m 3 ) t a b l e1 - 7y e a r2 0 0 0c o n d i t i o no f t i a n j i nw a t e rr e s o u r c eu t i l i z e 用承水源 分项用水量 地袭水地下水 工业5 3 43 3 22 0 2 城镇生活 4 0 63 7 80 2 8 河湖 农业用水 1 3 2 47 3 l 5 9 3 合计2 2 6 41 4 4 i8 2 3 注：表中水量为毛水量。 资料来源：2 0 0 0 年天津市水资源公报。 表卜8 天津市城市供水现状汇总表( 亿m 3 ) t a b l e1 - 8a c t u a l i t yw a t e rs u p p l yo f t i a a j i n 地表水地下水 海水利用城市污水 总供 时间水量 水质水量 水质水量水质水量水质 水量 当地引滦 1 9 9 71 6 48 3 0i2 6 5 v o 3海水1 6超v1 4 4 9 1 9 9 83 6 46 1 2i2 8 8v0 3 海水 1 6 超v 1 4 5 4 1 9 9 91 i 57 3 0i2 9 7v0 3 海水 1 6 超v 1 3 3 2 注：表中“海水利用”为海水利用替代淡水量。 资料来源：天津市南水北调城市水资源规划。 1 6 首都圈水资源存在的问题 水资源短缺已成为影响可持续发展战略的主要制约因素。首都圈属资源性缺 水地区，降水时空分布极不均匀，水资源先天不足。随着高速发展、城市人口急 剧增加、建设规模不断扩大，用水量增长过快，而在发展中未能兼顾人口、资源、 环境的协调一致，没有坚持量水而行、量水发展的原则，加剧了水资源供需矛盾， 挤占生态环境用水的问题十分突出。由于上游地区用水增加及近年来干旱少雨， 加剧了区域水资源供需矛盾，作为北京主要地表水源的密云、官厅两大水库的来 水呈衰减趋势，由五十、六十年代的3 0 多亿m 3 锐减到九十年代的1 2 亿m 3 。水源 污染更加重了水危机，用水需求已经超过了当地水资源的承载能力，严重制约和 影响了首都圈的经济发展，并造成地下水严重超采、泉水枯竭、河道断流、湖泊 萎缩、湿地干涸、土壤沙化以及地面沉降等一系列的生态环境问题。 面对水资源短缺现状，针对水资源对首都圈经济安全的影响问题，对于区域 内的水资源进行合理的配景就显得格外的重要。 1 7 本章小结 在本章中主要叙述了本课题的研究背景方向以及目标。同时介绍了在我们研 究地区首都圈的地理、经济、以及水资源的开发利用现状。 9 北京工业丈学工学硕士学位论文 第2 章水资源合理配置理论 2 1 可持续发展观念下水资源合理配置的基本概念 2 1 1 可持续发展观念 按照联合国环境与可持续发展委员会的解释，可持续发展的定义为：“既能 满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展模式”。 可持续发展是一个崭新的思想，它强调了三个主题：代际间发展的公平性、 区域间发展的公平性和经济社会发展与人口、资源、环境间的协调和良性循环。 从不同的角度研究可持续发展的理论和规划实施可持续发展战略，就形成了 国家、地方和部门等不同层次的可持续发展问题。低层次的可持续发展须在高层 次的可持续发展框架下进行。1 。 可持续发展的基本问题之一是保持区域内经济、环境和社会的协调发展。即 不是单纯地追求经济发展速度，而是追求对环境影响小的经济发展，并相应地从 经济积累中拿出适当投资对环境进行治理和保护。 可持续发展的基本问题之二是近期与远期的协调发展。即不是掠夺性地开采 自然资源，严重地威胁子孙后代的发展能力；也不是无所作为，落后于其他国家 或地区的平均发展速度；而是在保护后代人具有同等发展权利的条件下，合理地 开发、利用资源。 可持续发展的基本问题之三是不同区域之间的协调发展。发达地区在发展的 同时，要加大环境治理力度和减小能源消耗，欠发达地区的发展则不应重复发达 地区的老路，改变单纯依赖资源的经济增长方式和高污染低产出的不合理工业结 构。 可持续发展的基本问题之四是资源分配。这一发展模式要求自然资源应当在 时间上、地区上和社会不同阶层的受益者之间合理地进行分配。既要考虑到当代 的发展，又要照顾到后代发展的需要：既要照顾到发达地区的发展现实，又要求 发达地区今后的发展不应以继续损害欠发达地区的发展能力为代价；既要追求以 提高自然资源总体配置效率为中心的合理配置模式，又要注意效益在全体社会成 员之间的公平分配。 2 1 2 水资源合理配置的基本概念 水资源是人类生产与生活活动的重要物质基础，随着社会的不断进步和经济 l o 第2 章水资源台配蓝理论 的不断发展，人们对水的质量和数量的需求也会越来越高。而自然界所能提供的 可用水资源量是有一定限度的，需求与供给间的矛盾将日趋尖锐。按照可持续发 展的观点，当代人开发利用水资源不能损害后代人的利益，还要考虑地区间的平 衡发展问题。 水资源合理配置是指：在一个特定流域或区域内，以有效、公平和可持续的 原则，对有限的、不同形式的水资源，通过工程与非工程措施在各用水户之间进 行科学分配“3 “3 。 水资源的合理配置是由工程措旋和非工程措旌组成的综合体系实现的。其基 本功能涵盖两个方面：在需求方面通过调整产业结构、建设节水型经济并调整生 产力布局，抑制需水增长势头，以适应较为不利的水资源条件；在供给方面协调 各项竞争性用水，加强管理，并通过工程措施改变水资源的天然时空分布来适应 生产力布局。两个方面相辅相成，以促进区域的可持续发展。 合理配置中的合理是反映在水资源分配中解决水资源供需矛盾、各类用水竞 争、上下游左右岸协调、不同水利工程投资关系、经济与生态环境用水效益、当 代社会与未来社会用水、各种水源相互转化等一系列复杂关系中的相对公平的可 接受的水资源分配方案。合理配置是人们在进行对稀缺资源进行分配时的目标和 愿望。一般而言，合理配置的结果对某一个体或主体的效益或利益并不是最高最 好的，但对整个资源分配体系来说，其总体效益或利益是最高最好的。而优化配 置则是人们在寻找合理配置方案中所利用的方法和手段。一般的优化问题和优化 技术是以数学方法描述和实现的，它经常不得不对某些不易量化或不易加权的目 标进行概化，从而造成原问题的“失真”，所得结果必然与实际要求相差甚远。 随着科学技术的发展，各种优化方法将不断改进，优化结果将逐渐“逼近”合理 配置的要求。 2 1 3 优化配置的必要性 自然资源利用的合理配置是人与自然物质交换的重要环节，也是人类干预和 改造自然的过程，自然资源的合理配置方式就是自然资源合理利用的具体体现。 现时世界上庞大经济系统的有效运营和人日的日益膨胀，越来越需要大量自然资 源耗费，自然资源不仅日益稀缺，而且已面临危机；经济活动所依赖的生态环境 基础，不仅质量日下，而且仍在遭到严重破坏。在这种严峻的形势面前，寻求合 理的自然资源利用方式或合理的自然资源组合与配置方式，就更有其必要性和紧 北京i 业大学工学颂士学位论文 迫性了。 一方面，随着社会经济发展和人口增长，出现了有限的水资源与不断增加的 需水量之间的尖锐矛盾。在很多国家和地区，水资源短缺己成为制约社会经济发 展的主要因素。这就迫使人们寻找水资源的最佳分配，以实现有限水资源发挥最 大效益的愿望。这是开展水资源优化配置研究的前提条件和原动力。 另一方面，正是由于水资源短缺，各地区间以及各用水部门之间存在很大的 用水竞争性，并显得日益突出。表现在用水目的上、时间上和地域上的冲突。 ( i ) 用水目的上的竞争性，主要表现在防洪和兴利的矛盾以及兴利诸目标 之间的用水矛盾。一般而言，防洪需要在汛前尽量多预留一些防洪库容，而兴利 诸目标则希望水库在汛期多蓄水，以备汛后“均匀”地加以利用。在兴利诸目标 之间，若满足迅速增长的城市生活和工业用水，则势必影响农业灌溉；若把有限 的资金用于扩大供水能力上，则可能弱化水源地保护和污水治理工作，并导致水 污染而造成有效水资源量的减少。 ( 2 ) 用水时间上的竞争性，主要体现在发电与灌溉、城市用水与灌溉、航 运与发电的用水矛盾上。对于水力发电、城市生活和工业用水等，一般需要在各 时段有稳定的水库供水量，而灌溉用水则有较强的季节性，从而产生了年内均匀 用水与灌溉期集中用水的冲突；又如水库水电站一般担任电力系统的调峰任务， 一天中仅在几个小时内大量用水，使下游河道水位变化较大，给航运和船只泊岸 装卸操作带来困难。 ( 3 ) 用水地域上的竞争性，主要体现在上下游、左右岸可用水量和水质上。 通常情况下是上游多用水、下游用水量不足；上游水质条件好而下游河水矿化度 提高并易受到废污水污染的威胁。 正是由于用水目的上、时间上和地域上客观存在的用水竞争性，人们提出了 各种各样的配水方案，而不同的解决方案将导致不同的社会效益。经济效益以及 环境效益。这就存在配置策略优化的必要性，这是开展水资源优化配置研究的基 础条件。 2 2 国内外研究历程 2 2 1 国外研究历程 2 2 1 1 召开的与水相关的国际会议随着可持续发展思想被世界各国接受，可 第2 章水资源台配置理论 持续发展的思想也逐渐地深入到水资源的开发利用管理等各个方面，近十年来， 针对水资源可持续开发利用管理的研究，国际上召开了一系列专题学术会议。 1 9 7 7 年联合国召开世界水会议，通过了马德普拉塔行动计划( m a rd e lp l a t a a c t i o np l a n ) ，在此计划中指出o ”：实现对水资源的加速开发并井井有条管理这 样的目标，以成为努力改善人类经济和社会条件的关键因素，特别是对于发展中 国家更是如此。为了保障人类高质量的生活，增进人类的幸福，必须采取专门的 并且协调一致的行动，以谋求答案，同时把这种答案应用于国家和区域的水平上。 1 9 8 7 年，挪威首相b r u n d t l a n d 夫人等，在世界环境与发展委员会上所做的题为 “我们共同的未来”的报告中，明确提出了“可持续发展”问题”“，并指出发展 的可持续性是指人类在社会经济发展和能源开发中，以确保它满足目前的需要而 不破坏未来发展需求的能力。随着工农业的发展和人民生活的改善，水的供需矛 盾越来越突出，在一些地方出现了水资源危机，水资源甚至成为重要的政治问题。 1 9 8 8 年世界环境与发展委员会( w c e d ) 提出的一份报告中指出。”：水资源正在取代 石油而成为在全世界引起危机的主要问题。1 9 9 2 年，联合国环境与发展大会在 巴西里约热内卢通过了著名的里约宣言和2 1 世纪议程，可持续发展又一 次被提到非常重要的地位和高度。“。1 9 9 4 年，在德国的k a r l s r u h e 召开了国际 “变化世界中的水资源规划”学术大会，其中专门讨论了可持续开发和管理的若 干专题。1 9 9 5 年，在美国c o l o r a d o 州召开的第2 l 届国际大地测量及地球物 理学联合大会( i a h s ) 中，水资源的可持续开发管理又是主要的交流内容o 。国际 水文科学协会( i a h s ) 举办的h 6 学术讨论会主题就是流域尺度可持续水资源系统 的模拟和管理。其中涉及到9 1 ：流域尺度可持续水资源系统管理准则的定义：可持 续水质水量管理的应用实例。流域水资源系统可持续性管理有三个基本目标：环 境完整性，经济效率和平衡。可持续的水资源系统除了考虑水量的分配和管理外， 还要考虑水质，使水量水质并重，保持环境的完整性，并使水资源的利用具有长 远的最佳经济效益，达到经济效益与环境保护之间的平衡。2 0 0 0 年3 月，在荷 兰海牙召开的世界水论坛和部长级会议，通过了海牙宣言，并指出“常规 的水资源的开发模式不是我们的选择”，并制定了一个共同的目标：确保改善各国 水资源状况和与水有关的生态系统：确保促进水资源利用的可持续发展和相关的 政治稳定型：确保人人都能够得到必须的淡水资源和过上健康的生活：确保以受 水灾害威胁的人群免遭与水有关的危险。 北京工业大学工学硕士学位论文 从上面各个会议内容可以看出，水资源日益短缺的矛盾引起了世界各国的高 度重视，为了使水资源能够持续利用，会议从水资源持续开发、水资源持续性管 理及与水有关的生态保护和改善等方面进行了探讨和交流。并把水资源的可持续 开发利用和管理等问题放到了重要的位置。 2 212 以水量配置为主的水资源优化配置研究 国外对水资源优化配置的研 究始于6 0 年代初期，1 9 6 0 年科罗拉多的几所大学对计划需水量的估算及满足未 来需水量的途径进行了研讨，体现了水资源优化配置的思想。 7 0 年代以来，伴随数学规划和模拟技术的发展及其在水资源领域的应用，水 资源优化配置的研究成果不断增多。gy e h ( 1 9 8 5 ) 对系统分析方法在水库调度和 管理中的研究和应用曾作了全面综述，他把系统分析在水资源领域的应用分为线 性规划、动态规划、非线性规划和模拟技术等。p e a r s o n 等( 1 9 8 2 ) 利用多个水库 的控制曲线，以产值最大为目标，输水能力和预测的需求值作为约束条件，用二 次规划方法对英国n a s a 区域的用水量优化分配问题进行了研究。wi l l i s ( 1 9 8 7 ) 应用线性规划方法求解了1 个地表水库与4 个地下水含水单元构成的地表水、地 下水运行管理问题，地下水运动用基本方程的有限差分式表达，目标为供水费用 最小或当供水不足情况下缺水损失最小，同时，用s u m t 法求解了1 个水库与地 下水含水层的联合管理问题。美国学者n o r m a njd u d l e y ( 1 9 9 7 ) 将作物生长模型 和具有二维状态变