（环境科学专业论文）天津市需水量预测及水资源可持续发展策略研究.pdf

a b s t r a c t n o w a d a y st h ef r e s hw a t e rr e s o u r c e s a r eq u i t el i m i t e da l lo v e rt h ew o r l d w i t ht h e a c c e l e r a t i o no fp o p u l a t i o n ，t h ei m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d sa n dt h e d e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h er a p i d i n c r e a s eo fw a t e rd e m a n dl e a dt os e r i o u s c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h es u p p l ya n dd e m a n d t h ec r i s i s o fw a t e rr e s o u r c e sh a s b e c o m eo n eo ft h eg r e a t e s tc o n c e r n sf o rs t a t e s m e na n ds c h o l a r sa r o u n dt h ew o r l d w a t e rs h o r t a g ei sag r e a tp r o b l e mf o rc h i n a ，t o o t i a n j i ns e v e r e l ys u f f e r st h es h o r t a g e o fw a t e rr e s o u r c e s t h es c a r c i t yo fw a t e rh a sh i n d e r e dt h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t 1 1 1 ec h a r a c t e r i s t i ca n dp r i m a r yp r o b l e m so fw a t e rr e s o u r c e so f t i a n j i na r e d i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no fw a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o n ， t h ec i t yw a t e rd e m a n ds y s t e mi sd i v i d e di n t of o u rs u b s y s t e m s ，w h i c hc o r r e s p o n dt o t h ew a t e rd e m a n do ft h er e s i d e n tl i v i n g ，p r i m a r yi n d u s t r y , i n d u s t r ya n de n t i r o n m e n t t h e s es y s t e m sh a v ei n t e r a c t i o na n dr e s t r i c t i o n b ya d o p t i n gt h ee c o n o m i cp r o d u c t i o n v a l u ep e rp e r s o na n dt h en u m b e ro fp e r s o ne m p l o y e d ，t h ew a t e rd e m a n do fp e r t e n t h o u s a n do u t c o m e si sp r e d i c t e db yt h em o d e lo fm u l t i p l er e t h e i, g r e s s i o n s dynamicwater d e m a n dm o d e lsf i r s t l ye s t a b l i s h e df o rt i a n j i n b yc a r e f u l l yc o m p a r i n gt h er e s u l t so fd i f f e r e n tm o d e l s ，t h ed y n a m i cm o d e li s c h o s e nt op r e d i c tt h ew a t e rd e m a n do ft i a n j i n a c c o r d i n gt ot h i sm o d e l ，t h ew a t e r d e m a n do ft i a n j i ni s2 6 7 5b i l l i o nm 3i nt h ey e a ro f2 0 2 0 i nt h i sp r e d i c t i o n ，t h em o s t p a r t so f w a t e ra r ec o n s u m e db ym ep r i m a r yi n d u s t r y ，b u tt h el a r g e s tw a t e rc o n s u m e r w i l lb er e p l a c e db yt h ei n d u s t r yi nt h ec o m i n gf e wy e a r s s o m em a j o rf a c t o r s ，s u c ha s w a t e rp r i c e ，i n d u s t r ys t r u c t u r e ，p o p u l a t i o na n dp r e c i p i t a t i o n ，i n f l u e n c es e v e r e l yt h e d e m a n do fw a t e r b yc a r e f u l l yb a l a n c i n gt h e s ef o u rf a c t o r s ，t h es t r a t e g yo fs u s t a i n a b l e u t i l i z a t i o nf o rw a t e rr e s o u r c e sa n dt h et h e o r yo fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft i a n j i n e c o n o m ya r ep r e s e n t e d a tt h es a m et i m e ，w ep r e d i c tt h a tt h em a x o ft o t a ld e m a n d w a t e r1 0 ft h ep r i m a r yi n d u s t r ya n di n d u s t r yi s2 8 5 4b i l l i o nm 5b yl o g i s t i cm o d e l w a t e rd e m a n di sv e r yn e c e s s a r yf o rp l a n n i n gt h ec i t yd e v e l o p m e n ta n da r r a n g i n g w a t e rs u p p l y t h ep r e d i c t i o nm o d e lp r e s e n t e dh e r ee s t a b l i s h e sag o o dt h e o r e t i c a lb a s i s f o rb u i l d i n gw a t e rs a v i n gs o c i e t ya n do f f e r su s e f u lr e f e r e n c et oo t h e rp r e d i c t i o n k e yw o r d s - w a t e rr e s o u r c e s ，w a t e rd e m a n dp r e d i c t i o n ，s y s t e md y n a m i c s ， s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，t i a n j i n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他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。 学位论文作者签名：磷嘲蛾 签字日期：) 1 唧 年厂月乎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：唧年 弗删 厂月学日 导师签名：花i ； 签字日期：炒7 年月t 彦1 7 7 1 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出和研究的意义 水是人类生产和生活不可缺少、不可替代的重要资源，在人口不断增加、城 市化水平不断提高、经济高速发展和物质文化生活水平不断提高的情况下，对水 的需求量也越来越高，加之水环境的恶化，许多国家己陷入水资源短缺的困境中【1 】。仅 我国6 6 8 个大中城市中缺水的已达4 0 0 个，其中有11 0 个严重缺水( 2 0 0 0 年) t 2 j ， 水资源的日益匮乏已严重影响了我国许多地区的经济发展，而另一方面许多地方 又存在不合理用水和严重浪费的现象。所以为使有限的水资源得到充分利用以发 挥最大的经济社会效益，对水资源需求量进行科学严谨的预测是非常有意义和必 要的。 天津市水资源总量1 0 6 3 亿立方，人均水资源量1 0 1 9 2 立方( 2 0 0 5 ) ，仅为 全国人均占有量的十六分之一，属资源型缺水城市。1 9 8 3 年跨流域调水工程引 滦入津建成通水，2 0 0 4 年又实施第八次引黄济津，要依靠引滦入津和引黄济津 这两大跨流域调水工程缓解天津市用水危机。可见，水资源问题已经成为制约天 津市经济发展的“瓶颈”。 城市用水是城市形成与发展的重要因素，是整个城市水资源系统的一个重要 环节【3 j 。而需水量预测是供水决策、投资的重要参考指标，是制定流域规划、城 市供水和排水规划以及国民经济计划的基础和依据，在水资源规划和管理中起着 非常重要的作用【4 】，对城市现代化建设具有重要的意义。只有科学、有效的城市 需水量预测，才能对未来城市发展中的人口数量、经济结构和发展方向等问题进 行更好的决策，为供水规划提供合理参考。 需水量预测对农业和工业也具有重要的意义。农业一直是用水大户，同时它 受到降水、产业结构和灌溉方式等因素的影响，在水资源的约束下，未来的需水 量预测将能够为农业提供调整和发展方向。工业各用水单位结合城市可供水量， 才能制定出符合实际的企业发展规划，否则，没有可供参考的可靠的需水量预测， 将造成水资源与投资之间的不协调发展。 事实证明，许多长期预测的需水量都偏大，我国的需水量预测长期以来也一 直过于“超前 ，预测结果已经或即将被证明是明显偏大的【5 1 。分析原因主要有 两个方面：其一，影响需水量的因素较多，它们之问的关系也较复杂，参数难以 确定；其二，选取的指标多是根据经济规划或者按国家和地方标准的固定值来预 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 测，并没有考虑居民家庭收入、水价、产业结构、自然条件和就业等多方面的实 际发展情况对预测结果的影响，若按此预测的需水量进行供水设施建设，必将造 成人力和物力的严重浪费。 本文根据天津市水资源利用现状和社会经济发展的实际情况，分析比较目前 常用的一些需水量预测方法和模型，以水资源为核心，以整个天津市为研究对象， 选用系统动力学建立天津市需水量预测模型，确定影响城市需水量的关键因子， 并在预测结果的基础上，提出天津市水资源可持续发展策略以支撑天津市经济的 可持续发展理论，为天津市水资源开发利用提供科学的决策参考，也可为其它缺 水城市提供借鉴。 1 2 水资源概论 1 2 1 水资源的定义与特点 水资源是社会经济发展的重要物质基础和不可替代的自然资源，其功能在国 计民生中发挥了广泛而又重妻的作用，具有足够数量和可用质量的水源，是维持 人类生存与生态平衡的基础资源。因此，7 水资源引起了越来越多的专家学者的关 注。 2 0 世纪初，国际上就有“1 9 世纪争煤、2 0 世纪争石油、2 1 世纪争水 的说 法；在经历了石油危机后更有人预言：2 0 世纪人类已经为争夺石油资源发生战 争，2 1 世纪人类将可能为争夺水资源而再次发生战争。第4 7 届联合国大会更是 将每年的3 月2 2 日定为“世界水日”，号召世界各国对全球普遍存在的淡水资源 紧缺问题予以重视1 6 】。 1 2 1 1 水资源的定义 由于水具有多样的表现形式和特殊的性质，同时，专家学者研究的领域和思 考的角度不同，对“水资源”( w a t e rr e s o u r c e s ) 一词的理解差异很大，如何理解 其内在涵义，尚无公认的定论。以下是对水资源几种权威的说法【j 7 。1 0 】： ( 1 ) 1 8 9 4 年，美国地质调查局( u s g s ) 内设立水资源处( w r d ) ，其主要 业务范围是观测地表河川径流和地下水，这是“水资源”作为官方词语第一次出 现在人类面前。 ( 2 ) k e k a l i n i n 为英国大百科全书撰写的条目“水资源”解释为“水资源 是自然界一切形态的水，包括气态水、液态水和固态水”。 ( 3 ) 1 9 7 7 年，联合国教科文组织( u n e s c o ) 建议“水资源应指可供利用 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 或有可能被利用的水源”。 ( 4 ) 1 9 8 8 年联合国教科文组织( u n e s c o ) 和世界气象组织( w m o ) 定义 的水资源为“可供利用或有可能被利用，具有足够数量和可用质量，并可适合某 地的需求而能长期供应的水源 。这一定义不仅强调水资源应有足够的数量，同 时其必须具备质量的可利用性，对水资源的定义更趋于完备。 ( 5 )中国大百科全书是我国最具有权威性的工具书，在不同卷册中对 水资源给予了不同的解释。在“大气科学、海洋科学、水文科学 卷，水资源被 定义为“地球表层可供人类利用的水，包括水量( 水质) 、水域和水能资源，一 般指每年可更新的水量资源”；在“水利”卷，水资源则被定义为“自然界各种 形态( 气态、固态或液态) 的天然水，并将可供人类利用的水资源作为供评价的 水资源”。 ( 6 ) 2 0 0 2 年“中国水法”中称“水资源包括地表水和地下水。 可见，水资源的定义是随着社会经济的发展而发生变化，具有一定的时代特 征。综上国内外专家学者对水资源的理解，主要包括两个方面：一方面，从广义 上来讲，水资源是地球水圈中各个环节各种形态的水；另一方面，从人类可利用 角度出发，水资源是可供人类利用、可以不断得到恢复和更新的具有质和量的淡 水资源。综合上述两个方面，本文所称水资源是从可持续发展角度出发，指可供 人类直接利用的、包括质和量的各种形式的淡水资源。 1 2 1 2 水资源的特点 水资源作为人类生命之源和支撑社会经济发展的基础条件，具有其独特的性 质【7 1 。 ( 1 ) 循环性和有限性 水的循环使得地表水和地下水不断得到大气降水的补给，实现水圈的恢复和 更新，但是，水体的补给量是不同的和有限的，为了可持续供水，多年平均的利 用量不应超过补给量。循环过程的无限性和补给量的有限性，决定了水资源在一 定开发利用状况下才是“取之不尽、用之不竭”的。 ( 2 ) 时空分布不均匀性 。 水资源在地区分布上是不均匀的，年际年内变化大( 这是世界、中国和天津 的水资源都具有的共同特点) 。地球表面淡水资源分布的不均匀性表现为降水地 区的淡水资源比较充足；反之，淡水资源则很贫乏。 ( 3 ) 用途广泛性 水资源应用于国民经济的各个行业，可用于农业灌溉、工业生产、城乡生活、 水力发电、航运、水产养殖和旅游娱乐等。同时，他们之间又存在着较强的竞争 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 性。随着人们生活水平的提高、国民经济和社会的发展，用水量不断增加，各用 水行业之间的竞争也在加剧，不少地区出现了水资源不足的紧张局面，水资源短 缺已成为当今世界面临的重大难题之一。 ( 4 ) 经济上的两重性 水是生命之源，即有造福人类的一面，如兴修水利，保障人民生活，又有造 成灾害的一面。降水和径流时空分布不均，形成因水过多或过少而引起洪、涝、 旱、碱等自然灾害；水资源开发利用不当，也会造成人为灾害，如垮坝事故、土 壤次生盐渍化、水体污染、海水入侵和地面沉降等。水的可供利用及可能引起灾 害，决定了水资源综合开发和合理利用应达到兴利除害的双重目的。 1 2 2 水资源的特点及开发利用中存在的主要问题 世界各国都面临着不同程度的水资源短缺状况，为引起全世界重视并采取措 施管理和保护对人类至关重要的水资源，联合国宣布2 0 0 3 年为国际淡水年( 1 1 1 e i n t e m a t i o n a ly e a ro f f r e s h w a t e r ) 【1 。同时，根据世界银行发布的1 9 9 8 1 9 9 9 年 世界发展报告，按照1 9 9 6 年统计资料，世界人均水资源量为7 3 4 2 立方，中国 人均水资源量为2 2 2 0 立方，在世界银行近年做连续资源统计的1 3 2 个国家中居 第8 2 位，中国人均水资源量约为世界平均水平的3 1 0 7 ，是水资源十分紧缺的 国家之一。综合分析世界i 中国水资源状况，总结目前水资源的特点和开发利用 中存在的主要问题有 7 , 1 2 - 1 4 ： ( 1 ) 淡水资源的有限性 地球水圈内全部水体总储存量达到1 3 8 6 亿k m 3 ，其中海洋水量为1 3 3 8 亿 k m 3 ，占全球总储存水量的9 6 5 。这部分巨大的水体属于高盐量的咸水，除极 少量水体被利用( 作为冷却水、海水淡化) 外，绝大多数是不能被直接利用的。 淡水量为0 3 5 亿k m 3 ，其中便于人类利用的只有0 1 0 6 5 亿k m 3 ，仅占全球总储 存水量的0 7 7 ，可见，可供人类利用的淡水资源是极其有限的。 ( 2 ) 时问和空间分布不均 水是一种具有波动性的资源，世界和中国水资源在时间和空间上分布不均且 很难测量。空间上，各地的自然条件不同，降水、径流和水资源概况差异较大。 在时间分配上，降水主要集中于少数的丰水月份，而长时问的枯水期是少雨或无 降水。无论是空间上还是时间上，水资源分配不均都给水资源利用带来不便。 ( 3 ) 水资源量日益短缺、江河湖库水污染严重 目前世界上有1 1 亿人喝不到安全的饮用水，有2 4 亿人缺乏卫生设施。随着 城市化、工业化和集约化农业的迅速发展，世界用水量不断增长。全世界有1 0 0 多个国家和地区缺水，其中严重缺水的已达4 0 多个【”】。据2 0 0 4 年中国水资源 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 公报，全国废污水年排放总量约为6 9 3 亿吨( 不包括火电直流冷却水排放量和 矿坑排水量) 。在1 3 万千米评价河长中，类以上的污染河长占4 0 6 ；在评价 的5 0 个湖泊中，1 9 个湖泊水体污染严重；在评价的4 9 个湖泊的富营养状态时， 3 2 个湖泊处于富营养状态；在评价的3 2 2 座水库中，水质未达n i i i 类水的水库 有5 7 座，占评价水库总数的1 7 7 1 1 6 】，可见我国江河湖库的水污染很严重。 ( 4 ) 地下水开采过量 随着工业和城市化迅速发展，城镇生活和工业用水也快速增长。由于地下水 具有水质好、温差小、提取易、费用低等特点，人们常会超量抽取地下水，以致 抽取的水量远远大于它的自然补给量，造成地下含水层衰竭、地面沉降以及海水 入侵、地下水污染、生态环境恶化等恶果。例如在墨西哥，地下水的提取量比补 充量高出4 成，致使许多地区出现了严重的地面沉降，最严重的地方地面下沉达 3 米以上。我国苏州市区近3 0 年内最大沉降量达到1 0 2 米，上海、天津等城市 也都发生地面下沉问题，有些地方还造成了建筑物的严重损毁水资源的日益短缺 又导致了地下水面临枯竭。 ( 5 )出现水资源冲突 日益严重的水资源问题增加了农村与城市的矛盾。更为严重的是，目前世界 上4 0 的人口生活在横跨两个国家以上的河流沿岸。水资源之争，还引发了国与 国之间的对立甚至战争，上下游、左右岸的国家和地区之问因水而产生对峙的现 象已屡见不鲜。 ( 6 ) 用水浪费和缺水现象并存 在我国存在着工农业用水紧张的同时严重浪费的现象。全国农业灌溉水的利 用系数平均在0 4 5 左右，和先进国家的0 7 一- 0 8 相比，我国灌区用水效率相对 落后。2 0 0 0 年全国万元工业增加值用水量2 1 8 立方，是发达国家的5 - - 1 0 倍； 工业用水的重复利用率平均为5 5 ，而发达国家为7 5 - 8 5 ，差距十分明显。 全国多数城市自来水管网仅跑、冒、滴、漏的损失率至少2 0 。节水、污水处理 回用及雨水综合利用还没有很好的推广。此外，由于长期以来工程维修费用不足， 供水工程老化失修，严重影响了工程供水效益的发挥。 水危机是一个全球性的问题，已经严重制约了人类社会的可持续发展。u n e p 也指出，当今社会由于严重缺水对4 亿人产生影响，至2 0 5 0 年将对4 0 亿人产生 影响。同时，水资源供需矛盾随着城镇化和经济的发展将进一步加剧，导致生态 与环境恶化、威胁粮食生产和经济社会的可持续发展。 5 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 天津市水资源 1 2 3 1 天津市水资源现状 2 0 0 5 年天津市全市平均降水量5 1 7 1 毫米，水资源总量1 0 6 3 亿立方，其中地 表水资源量7 1 3 亿立方，地下水资源量4 4 4 亿立方，人均水资源量1 0 1 9 2 立方， 远远低于国际公认的人均1 0 0 0 立方的下限标准【1 7 】，属于严重缺水地区。为缓解 天津市的用水危机多次采取引滦入津和引黄济津这两大跨流域调水措施。1 9 8 3 年跨流域引滦入津工程建成通水，城市缺水的局面暂时得到缓解。在引滦通水前， 分别于1 9 7 2 、1 9 7 3 、1 9 7 5 、1 9 8 1 及1 9 8 2 年五次临时引黄河水。1 9 9 7 年以来遭 遇连续干旱，2 0 0 0 年和2 0 0 2 年相继出现历史最枯年份，汛期降水严重偏少，引 滦源头潘家口水库至死库容以下，于桥水库入库水量仅有2 0 0 万立方。为解决天 津城市缺水，在2 0 0 0 年第六次引黄济津后，分别在2 0 0 2 年和2 0 0 4 年实施第七 次【1 8 】和第八次引黄济津。 2 0 0 5 年，城市总用水量2 3 1 0 亿立方，其中一产用水1 3 7 8 亿立方，工业用 水4 6 4 亿立方，居民生活用水4 2 3 亿立方，生态环境用水0 4 5 亿立方。由天津 市1 9 9 1 2 0 0 5 年的用水比例分布图( 图1 - 1 ) 可以看出，一产一直是城市用水的 主体，居民生活与工业用水相当，生态环境用水量最少。 l o o 8 0 妻一，6 0 差4 0 9 6 哎 2 0 0 墨 臣 萎 军臣 i 蓖 垂 匡 l j 可j 了 蓁匿萋萋匿 蓁萋 蓁萋蓁 羹萋 蓁蓁萋 蚕茧萤蔓莹 萋萤墨至 量奏美蚕蚕蚕2 2 2 2 22 2 2当呙品呙呙昌昌 时间 图卜1 用水比例分布图 6 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 天津市水资源分区情况 天津市全市总面积1 1 9 2 0 平方公里，按海河流域规划要求，水资源利用分为 三个计算单元，即北三河山区、北四河下游平原和大清河淀东平原三个水资 源分区。北三河山区：位于蓟县北部，北部以市界为边界，南部边界基本沿2 0 米等高线延伸，即李庄子、蓟县城南、翠屏山、别山一线以北地区，面积7 2 7 平 方公里；北四河下游平原：位于北三河山区以南，南遥堤、永定新河一线以北， 面积6 0 5 9 平方公里；大清河淀东平原：位于南遥堤、永定新河以南，面积5 1 3 4 平方公里【1 9 1 。天津水系分布如图1 2 所示。 ( 2 )入境水量 天津地处海河流域下游，北有蓟运河、潮白河、北运河、永定河，南有大清 河、子牙河、南运河等水系，历史上这几大水系的来水全部汇流本市，由于河流 宣泄能力上大下小，致使下游河道汛期常常泛滥成灾。1 9 6 3 年大规模治理海河 以后，上游兴建了大批蓄水工程，中下游开挖疏浚了多条骨干河道，增辟了众多 入海口。目前本市入境河流主要有：北三河山区的洵河、淋河、沙河、黎河，北 四河下游平原的洵河、潮白新河、北运河、北京排污河、永定河、还乡河，大清 河淀东平原的南运河、子牙河、大清河、子牙新河、北排水河。 2 0 0 5 年我市入境水量1 4 9 7 亿立方，包含引滦水4 2 l 亿立方、引黄水0 6 1 亿立方。其中：北三河山区4 6 6 亿立方，北四河下游平原9 5 7 亿立方，淀东清 南平原0 7 4 亿立方【2 们。 ( 3 ) 出境、入海水量 出境水量除蓟运河山区沟河流入北京市外，其它均注入渤海。洵河发源于河 北省兴隆县，由黄崖关进入我市，经罗庄子下游入北京海子水库，出境水量年均 值0 7 5 4 3 亿立方( 19 5 6 - - , 2 0 0 0 ) 。 天津市目前有入海河道9 条，包括蓟运河、潮白新河、北京排污河、永定新 河、海河、金钟河、独流减河、子牙新河和北排水河【l 9 1 。 ( 4 ) 地下微咸水、咸水资源分布情况 微咸水分布情况：天津市中南部地区分布有矿化度2 , - - - , 3 克= 升的微咸水1 0 2 亿立方，其中海河北系平原有0 6 4 亿立方，淀东清南平原有0 3 8 亿立方。 咸水分布情况：天津市中南部平原地区有分布广泛的浅层地下咸水层。其中 矿化度3 - 5 克升的咸水可开采量为1 2 6 亿立方；矿化度大于5 克升的可开采 量为1 6 6 亿立方，总补给量为3 0 0 亿立方，分布面积为3 3 9 3 9 8 平方公里【2 1 1 。 7 天津大学硕l ：学位论史 第一章绪论 1 2 3 2 水资源特点 ( 1 ) 地区分布不均匀 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 北部水资源相对多于南部，北部蓟运河山区、海河北系平原面积占全市总面 积5 6 9 ，水资源量占全市水资源量的6 8 8 ，南部淀东清南平原面积占全市面 积的4 3 1 ，而水资源量只占全市水资源量的3 1 4 ，同时，蓄水工程的布局则 是北部地区蓄水能力较小，南部地区蓄水能力较大，致使南部地区的一些蓄水工 程一般年份无水可蓄。此外，分布不均的地下水与水资源的需求也极不一致，北 部山区1 9 2 面积占4 2 7 的地下水资源2 2 , 2 3 1 。 ( 2 ) 地表水年内分配不均、年际变化大 当地地表水资源量受降水年内分配及产汇流条件影响，年内分配极不均匀， 当地产水多集中在汛期( 6 - - - 9 月) ，约占全年的7 0 8 0 ，非汛期只有少量基流。 同时，地表水资源量还受降水的集中程度、土壤的湿度变化等多种因素影响。全 市地表水最大径流量发生在1 9 7 7 年，为2 3 7 6 亿立方，最小发生在1 9 9 7 年，仅 为2 7 9 亿立方，前者是后者的8 5 倍【2 2 ，2 3 1 。 ( 3 ) 丰枯交替、连续干旱经常出现 天津市经常连续发生干旱，仅从1 9 5 6 年以来，就出现了1 9 5 7 1 9 5 8 年、 1 9 6 0 - 1 9 6 3 年、1 9 6 5 - 1 9 6 8 年、1 9 7 1 1 9 7 2 年、1 9 7 4 , - - - 1 9 7 6 年、1 9 8 0 - - 1 9 8 4 年、1 9 9 2 , - - , 1 9 9 3 年、1 9 9 7 - 2 0 0 0 年八个连续干旱的时段，连续干旱时间最长达 5 年之久【2 2 1 。 ， ( 4 ) 入境水量呈逐年减少趋势 天津市除了自产水资源短缺外，由于上游用水量增加，入境水量逐年减少。 据对1 9 6 5 1 9 9 8 年实测入境水量统计分析，1 9 6 0 , - - , 1 9 6 9 年年均为8 0 。1 2 亿立方， 1 9 7 0 - - - , 1 9 7 9 年年均为3 5 8 8 亿立方，1 9 8 0 - 1 9 8 9 年年均为7 3 5 亿立方，1 9 9 0 - 1 9 9 8 年年均为1 9 7 5 亿立方，尤其是南系变化更大，一般年份已无入境水量【1 引。 1 2 3 3 水资源开发利用中存在的主要问题 天津市水资源开发利用中也同样具有地下水开采过量、水污染严重等问题， 只是与世界、中国的水资源存在的程度和范围不同，同时，还具有城市水资源短 缺、城市供水保证率低和水价不合理等自身的问题f 肄2 7 1 。 ( 1 ) 水资源严重短缺 天津市地处海河流域下游，水资源入境水量1 4 9 7 亿立方，但是地表水资源 量仅为7 1 3 亿立方( 2 0 0 5 年) ，是资源型缺水城市。随着城市化和工业化的发展， 需水量不断增长，2 0 0 5 年，缺水率达到3 5 1 3 ，而且，如1 2 3 2 节所述天津市 水资源有时空分布不均、入境水量不断减少和持续出现干旱等特征，加大了水资 源的供需矛盾。 ( 2 ) 城市供水保证率低 9 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 城市供水水源单一，供水保证率不能满足城市安全用水要求，供水范围受到限 制，除于桥水库通过引滦工程可提供城市用水外，其它供水工程由于水源没保证 且水质差，只能作为农业水源，然而，城市引滦水量早已达到设计能力。 ( 3 ) 深层地下水严重超采 由于地表水资源缺乏，加速了地下水资源的破坏性开采。特别是南部的地下 浅层咸水区，当地人民生活和工业及一部分农业不得不多年超量开采深层地下 水，导致地下水位持续下降和引起严重的地面沉降问题。9 0 年代以来，全市年 平均地面沉降速度约l o m m a ，仅1 9 9 5 - - 1 9 9 8 年超量开采导致使地下水位下降的 最大深度已达9 0 m ，地面沉降的沉降区范围达7 3 0 0 平方公里，占辖区面积的 6 1 2 4 ，形成了市区、塘沽、汉沽和大港及海河下游地区等几个沉降中心。持续 地下水超采，引发地面沉降，导致河流行洪能力、海岸抵御风暴潮能力、城市供 排水系统功能下降、汛期城市安全受到威胁，同时还导致沿海海平面上升、河口 回淤、海水入侵、土壤盐渍化加重等问题。 ( 4 ) 水环境恶化 由于点污染和面污染加剧，各河水量逐年减少，水体自净能力降低，各河水 体污染严重，水质恶化。经对全市1 9 条河流水质进行评价，其中绝大部分为v 类水质或劣于v 类水质标准，只有北部地区局部河段能达到类水质标准。引滦 水曾是全国大城市用水中水质最好的供水水源之一。但随着上游地区及水库周边 经济发展、污染源增多，引滦的水质也受到不同程度的影响。 ( 5 ) 水资源利用效率偏低 天津市缺水一方面是因为水少，另一方面就是利用效率偏低，浪费水的现象 还较严重。工业上，节水型企业还不普及，一些工业产品的用水定额偏高；在生 活用水上，节水器具普及率不高，仅为4 0 左右；城市供水管网漏失率超过国家 标准；农业传统的大水漫灌仍为主要灌溉方式，渠系综合利用系数偏低等。 ( 6 ) 现状水价不尽合理 目前天津市城市用水水价虽达到全国平均水平，但水价与缺水状况还不尽合 理，工业水价偏低与发达国家之间还有很大的差距，农业水价收费不合理。 水利工程供水价、自来水综合售水价及污水处理费背离成本；地下水资源费 与自来水水价比价失调，不利于节水工作的深入推广和水资源的优化配置。天津 市的工业水价过低，1 9 9 5 年为0 7 元立方，2 0 0 5 年仅为5 6 元立方，远远低于 发达国家，如：法国1 1 4 6 元立方、德国1 5 9 1 元立方、澳大利亚7 4 元立方、 美国7 5 6 元立方( 1 9 9 5 ) 【2 8 】，与发达国家还有一定的差距，与经济增长不相协 调。同时，多少年以来，农业用水一直是按亩计费或按小时计费，造成农民在浇 地时经常大水漫灌，使宝贵的农业水源造成很大浪费。 1 0 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 水资源的开发与利用应遵循可持续发展理论 可持续发展概念就是伴随着科学技术的进步和社会生产力的飞速发展，出现 人口过快增长、资源过度消耗、生态与环境质量严重下降等问题的情况下提出来 的，人类不得不重新反思自己的发展历程，重新审视自己的社会经济行为。 1 3 1 可持续发展的提出 1 9 8 7 年，联合国世界环境与发展委员会在我们的共同未来( o u rc o m m o n f u t u r e ) 报告中正式提出可持续发展的概念，即“可持续发展是在不损害后代人 满足其自身需要的能力之前提下满足当代人需要的发展”。从此，走可持续发展 之路，已成为世界各国政府的共识【2 9 1 。 1 9 9 2 年联合国在巴西里约热内卢召开“环境与发展大会”，大会通过里约 环境与发展宣言( 地球宪章) ( e a r t hc h a r t e r ) 和2 1 世纪议程( 2 1c e n t u r y a g e n d a ) ，将可持续发展列为全世界的发展战蝌3 0 】。 1 3 2 可持续发展的内涵 、 发展是可持续发展的前提：贫困和落后是造成资源与环境破坏的基本原因， 只有发展经济，消除贫困，在发展中保护好环境，才能实现可持续发展；要与自 然相和谐；全人类的共同努力是实现可持续发展的关键。我们只有一个地球，全 人类的共同努力才能实现可持续发展，坚持世界各国对于保护地球的“共同担有” 的责任。 1 3 3 可持续发展的基本原则 可持续发展作为人类新的发展模式，若要真正有效的得以实施，即在生态环 境、经济增长、社会发展方面形成一个持续高效的协调运行机制，必须遵循公平 性、可持续性和共同性三项原则【7 ，2 9 圳】。 ( 1 ) 公平性原则 公平指的是机会选择的平等。可持续发展所需求的公平性原则，包括三层意 思：一是本代人的公平，即同代人之间的横向公平性。二是代际间的公平，即世 代人之间的纵向公平。三是公平分配有限资源。目前有限自然资源的分配十分不 均，如占全球人口2 6 的发达国家消耗的能源、钢铁和纸张等占全球的8 0 以 上，而发展中国家的经济发展却面临着严重的资源约束。 ( 2 ) 可持续性原则 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 可持续性的核心是人类经济和社会发展不能超越资源与环境的承载能力，资 源的永续利用和生态系统可持续性的保持是人类可持续发展的首要条件，可持续 发展要求人们根据可持续的条件调整自己的生活方式，在生态可能的范围内确定 自己的消耗标准。 ( 3 ) 共同性原则 鉴于世界各国历史、文化和发展水平的差异，可持续发展的具体目标、政策 和实施步骤不可能是唯一的。但是，可持续发展作为全球发展的总目标，所体现 的公平性和可持续性原则应该是共同遵从的。并且，实现这一总目标，必须采取 全球共同的联合行动。从广义上讲，可持续发展的战略就是要促进人类之问及人 类与自然之间的和谐。如果每个人在考虑和安排自己的行动时，都能考虑到这一 行动对其他人( 包括后代人) 及生态环境的影响，并能真诚地按“共同性 原则 行动，那么人类及人类与自然之间就能保持一种互惠共和的关系，也只有这样， 可持续发展方能实现。 1 3 4 水资源的开发和利用应遵循可持续发展理论 水是生命之源，是人类和一切生物赖以生存的资源，是支撑生命系统、非生 命系统、非生命环境系统正常运转的重要条件。水资源是社会经济发展的基本支 撑条件：是一切农作物生长所依赖的基础物质，是工业生产的命脉，是居民日常 正常生活的基本保障【3 2 】。水资源作为人类生存和发展的不可缺少的基础资源，不 仅是人类生存不可替代的一种宝贵资源，而且是经济发展不可缺少的一种物质基 础，也是生态与环境维持正常的基础条件。任何一方面离开水资源，也不能正常 运行，更谈不上社会经济的持续、稳定发展【2 9 1 。 水资源的可持续利用的出发点和根本目的就是要保证水资源的永续、合理和 健康的使用。通过上述分析世界、中国和天津水资源概况和存在的主要问题，可 以看出，水资源并不是“取之不尽、用之不竭”的，只有遵循可持续发展理论， 才能实现水资源的永续开发和利用，以水资源的可持续发展支撑经济的可持续发 展。 1 4 本文的主要工作 本文主要做了如下工作： ( 1 )明确本文研究的水资源概念，分析世界、中国水资源特点及开发中存在 的主要问题，介绍天津水资源概状； 1 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 分析比较常用的城市需水量预测方法和预测模型； ( 3 ) 建立天津市需水量预测系统动力学( s d ) 模型； ( 4 ) 尝试建立l o g i s t i c 模型，并与s d 模型进行比较； ( 5 ) 根据s d 预测结果，提出天津市城市水资源可持续发展策略； ( 6 ) 总结主要结论，为进一步研究提出展望。 天津大学硕士学位论文 第二章常用的需水量预测方法和模型 第二章常用的需水量预测方法和模型 进行需水量预测时，首先要根据具体情况，选择具体的方法。通过比较预测 方法的应用范围和适用条件，再根据实际情况和获取资料的完备性，选择适合研 究课题的方法或者是几种方法的组合建立需水量预测模型，以得到科学、有效的 预测结果。 2 1 常用的需水量预测方法 城市用水按照用水功能划分为四个子系统：居民生活、一产、工业和生态环 境用水，它们之间相互联系、相互作用又相互制约。目前，居民生活、一产和工 业为城市主要用水单元，通常采用万元增加值需水量定额法、单位产品需水量定 额法、用水增长趋势分析法、人均综合用水定额法、关键因子相关分析法【3 3 1 进行 需水量预测，下面就这几种方法的适用条件及优缺点进行简要阐述。 2 1 1 万元增加值需水量定额法 万元产值需水量定额法是过去常采用的一种预测方法，但是指标确定非常困 难。因为不同行业，或同一行业的不同企业，或同一企业的不同产品，或同类产 品的不同工艺之间，其万元产值耗水量可相差几倍、几十倍甚至几百倍，而这些 数据又难以系统、完整地获得，处理不当极易导致预测错误。另外，产值的弹性 或不确定性也很大，不便于横向或纵向比较，难以反映用水的效率和水平。 近年来，研究学者对万元产值需水量定额法进行了改进，选用万元增加值需 水量定额法，这一指标在反映工业用水效率方面无疑是客观的，同时，这方面的 统计数据比较完备且易于获得。 2 1 2 单位产品需水量定额法 根据单位产品的需水量和该产品的生产量计算工业需水量，从理论上讲，这 是较为科学和准确的预测方法，但由于目前我国还没有建立该项指标的统计体 系，统计工作也不健全，获得有效的数据相当困难，故研究工作在实际中很难展 1 4 天津大学硕士学位论文第二章常用的需水量预测方法和模型 开，故不宜采用。 2 1 3 用水增长趋势分析法 根据历史资料变化趋势来推测未来需水量的一种较为简便、快捷的预测方 法。要求有系列资料作为预测的基础，预测结果的精度在很大程度上取决于资料 系列的长短及其代表性。对于长年限的预测，该方法不能反映影响用水系统因素 的变化及内在关系，可以作为其他预测方法的辅助手段，以定性的给出未来的发 展方向。 2 1 4 人均综合用水定额法 人均综合用水定额是预测居民大生活用水的一种常见方法。尽管人均生活用 水与居民生活水平、卫生设施条件、生活习惯、气候因素、环境条件、城市规模、 城市性质等诸多因素有关，但根据历史资料分析并参照发达国家的用水水平，是 能够合理确定的。人均综合用水定额法是一种重要而有效的综合方法，通过对全 国城市过去1 2 年人均综合用水量变化特征的分析表明，人均综合用水指标具有 很好的稳定性，采用此法可大大提高精度。缺陷在于不能反映出人民生活提高对 用水的影响程度，但是可以作为衡量预测结果的一个参考。 2 1 5 关键因子相关分析法 ，以实际统计数据为基础，通过回归分析，确定预测对象与影响因素之间的相 关关系，揭示用水单位需水量的内在变化规律，建立回归模型进行预测，是预测 城市需水量的有效方法之一，也可以作为城市需水量预测中某些变量的预测方 法。一 2 2 常用的需水量预测模型 预测模型都有其自身适用的范围和条件，要根据城市用水特点加以选择。根 据对数据处理方式的不同，需水量预测模型主要分为：时间序列法、结构分析法 和系统方法，具体分类见表2 1 【3 4 】： 天津大学硕士学位论文第二章常用的需水量预测方法和模型 表2 - 1常用的需水量预测模型 简单平均法 移动平均法 简单移动平均法 加权移动平均法 一次指数平滑法 二次指数平滑 布朗单一参数指数平滑 确 指数平滑法霍特双参数指数平滑 定 三次指数平滑 布朗单一参数指数平滑 时 温特线性季节性指数平滑 多项式模型 间 型 指数曲线模型 序 趋势外推法 列 多项式模型 生长曲线模型 法 季节性水平模型 季节变动法季节性交乘趋向模型 季节性迭加趋向模型 一重链状