水资源承载力估算的方法和模型

(一)水资源承载力估算模型

水资源承载力的计算实际上是一个优化问题,即在一定的水资源可利用量、用水技术水平、福利水平等约束条件下,求满足条件的最大人口数量。用数学模型可以概化如下:

目标函数:

约束条件:

式中:P为总人口(万人);Pr为乡村人口(万人);Pc为城镇人口(万人);W为水资源可利用量(亿t);Wp为生活耗水量(亿t);Wi为工业耗水量(亿t);Wa为农业耗水量(亿t);G为粮食总产量;Qg为农业单方水粮食产量;PCGs为人均粮食占有量最低标准;GDP为国内生产总值;GDPi为国内工业生产总值;GDPa为国内农业生产总值;GDPt为国内第三产业生产总值;Qr、Qc分别为农村、城镇生活耗水定额;Qi、Qa分别为工业、农业万元GDP耗水量;α为第三产业GDP占总GDP的比重;PCGDPs为人均GDP最低标准。

具体计算时可以详细考虑各种约束条件。但为了集中讨论问题的本质内容和表述的方便,在此将模型尽量简化。在不分行业,仅考虑生活、生产两个用水部门的场合,上述模型可以进一步简化成:

目标函数:

max P

约束条件:

(www.xing528.com)

式中:P为总人口(万人);W为水资源可利用量(亿t);Wp为生活耗水量(亿t);WGDP为工农业生产耗水量(亿t);GDP为国内生产总值;Q为生活耗水定额;QGDP为万元GDP耗水量;PCGDPs为人均GDP最低标准。用这一模型我们可以很方便地讨论水资源承载力与用水效率和福利水平之间的动态关系。

(二)水资源承载力谱系图

下面利用作者估算的西北地区水资源可利用量数据,以整个西北地区为例,建立水资源承载力的谱系图,以说明用水效率、福利水平对承载力的影响。

西北地区水资源可利用总量为742亿m3,它可以支撑多大的人口规模?对于一定的水资源可利用量,对于拟订每一组用水效率参数Q(QGDP,Ql)和福利水平参数PCGDPs,就可以根据上述优化模型计算相应的水资源承载力。计算结果表示为图10-3所示的水资源承载力谱系。

图10-3中每条曲线是在一组Q(QGDP,Ql)条件下水资源人口承载力随人均GDP要求变化的轨迹线。首先,曲线从左上向下倾斜,说明随着人均GDP要求的上升,在其他条件不变的情况下,水资源人口承载力急剧下降;其次,越是右上方的曲线,用水效率参数水平越高,在同样的人均GDP要求下,水资源承载力越强,意味着提高用水效率可以大幅度提高水资源承载力。

图10-3清楚地说明了人均GDP要求、用水效率水平对水资源承载力的巨大影响,说明了水资源承载力随人均GDP要求、用水效率水平变动的巨大幅度。因此,水资源承载力是随人均GDP要求、用水效率水平来变动的宽广的区域,只有跟一定的人均GDP要求、用水效率水平联系起来才有意义,脱离人均GDP要求和用水效率水平等要素的、孤立的水资源承载力数字是没有意义的。

图10-3　西北地区水资源承载力谱系图(按可利用量742亿m3计算)

符号说明:Q(50,60)中的第一个数字表示万元GDP耗水量(t/万元),第二个数字表示人日均生活耗水量[L/(天·人)]

具体到一个时点(如2010年),西北地区的水资源承载力是多少?首先,最重要的前提或任务,就是分析2010年时西北地区的人均GDP要求、万元GDP耗水量和人均生活耗水量。2000年西北人口数量为9178万人,GDP为5013亿元,人均GDP为5461元,万元GDP耗水量近1000t,人均生活耗水量70l/(天·人),但生活耗水统计口径偏小,一部分居民点绿化耗水、河湖耗水没有计入。到2010年人均GDP应达到10000元,如果万元GDP耗水量按600t/万元、人均生活耗水量按80l/(天·人)计算,利用图10-3可以查出西北地区水资源承载力为1.16亿人。

图10-3的另外一个作用是分析对于既定的水资源可利用量,为支撑一定的人口规模和福利水平,必须把用水效率提高到什么水平。因为对于多数地区,人口增长基本是刚性的,就中国而言,到2030年人口总量比2000年增长1/3是定局;同时人均GDP增长的要求也几乎是刚性的,每个地区都要发展,都要提高生活福利水平,中国的发展目标是2020年人均GDP比2000年再翻两番。因此,一般不能要求当地因为水资源承载力不足而减少人口,不能要求当地因为水资源承载力不足而降低人均GDP福利指标。在这种情况下能够做的,就是分析为了实现人口发展和经济发展目标,而又保持有足够的水资源承载力,我们的用水效率应该提高到什么程度?需要什么条件来提高用水效率?能否足够地提高用水效率以保证水资源对人口、经济发展的支撑作用?

例如,2049年中华人民共和国建国100周年,中国的目标是实现中等程度的现代化,人均GDP应达到80000元。同时中国的人口总量将在15.5亿左右。对于西北而言,按目前的人口分布格局来推算,2049年人口总量应当在1.2亿左右。如果水资源可利用量为742×108m3不变,按1.2亿人口、人均GDP 80000元来查看图10-3可知,万元GDP耗水量应该降低到80t左右。到时万元GDP耗水量能不能降低到这一水平就是需要回答的问题。

2002年万元GDP耗水量水平全国是430t左右,西北地区高于900t,要想在40几年里将万元GDP耗水量降低到80t左右,年均下降速率5.3%,应该是比较困难但仍有实现可能的一件事。因为横向来比较,发达国家万元GDP耗水量一般都在50t以下。例如万元GDP用水量瑞士为5m3,日本为21m3,以色列为24m3,法国为29m3,英国为13m3。因为万元GDP耗水量只有万元GDP用水量的70%左右,上述几个国家的万元GDP耗水量比给出的万元GDP用水量数值还要小。