第29卷第9期2010年09月
地理科学进展
PROGRESSINGEOGRAPHY
Vol.29,No.9Sept.,2010
区域尺度水资源短缺风险评估与决策体系
———以京津唐地区为例
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李九一1,李丽娟1，柳玉梅1，，梁丽乔1，李斌1，
（1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；2.中国科学院研究生院，北京100049)
摘要：水资源短缺风险评估是当今风险研究中的热点问题之一。然而，区域内部差异性使得区域尺度水资源短缺
风险相比城市尺度更为复杂。本文构建了由水资源供给保障率、水资源保障可靠性、水资源利用率和水资源利用效率4项指标构成的区域尺度水资源短缺风险评估与决策体系，给出了定量计算方法，并在京津唐地区进行了实例研究。结果表明，2020年北京、天津、承德、张家口为“低风险”，秦皇岛为“中风险”，唐山、廊坊为“高风险”。京津唐地区水资源短缺风险防范对策应以节约用水、加强非常规水源利用为主，并加强区域内部调节，适度增加唐山等地的分水量。在廊坊市，应考虑降低复种指数减少农业用水需求。区域水资源短缺风险评估与决策体系能够直观反映区域水资源风险和规避风险的能力，揭示区域水资源短缺问题的特征，从而能更好地服务于水资源管理决策。
关键词：水资源短缺；风险评估；风险决策；京津唐地区
1引言
1.1水资源短缺风险研究进展
据世界卫生组织(WHO)统计，全球约有12亿人口缺乏安全饮用水，1/3的人口面临水资源短缺问题，水资源危机已经成为全球性问题[1]。20世纪80年代以来，国际上开展了大量有关水资源短缺(WaterScarcity)研究。水资源短缺表现为生活、工
业、农业、环境等用户的用水需求得不到保障，与水资源数量及其时空分布、气候条件、经济结构、用水习惯、用水水平、管理水平等因素有关。Falkenmark指数[2]、社会水资源压力指数(SWSI)[3]、IWMI模型[4]、水匮乏指数(WPI)[5]等指数和模型，先后应用于全球尺度的水资源短缺风险评估。水资源短缺风险问题也日益得到国际社会及学术界的关注，2003年成立的国际综合风险防范理事会（IRGC）将水资源短缺风险作为其关注的焦点之一。
随着社会经济的发展，特别是城市化水平的提高，对水资源供给保障率的要求日益提高。因此，国际上开展了大量有关城市供水风险评估，研究单一
水利工程或城市综合水源的供水风险问题。1982年，Hashimoto等发展了可靠性、易损性、可恢复性3个指标评估供水风险[6]。其中，可靠性代表系统处于正常状态的保障率，易损性用来描述失事事件对系统造成的损失，可恢复性用来描述系统从失事状态恢复正常的可能性。在此基础上得出的供水方案，是以降低供水系统失事概率、减少经济损失、保证恢复能力为目标的最优方案。在城市供水风险的研究中，这些指标得到了广泛的应用，如在日本福冈地区，采用这些指标评估了干旱期的供水风险，并通过建立水库调度与供水管理模型，优化了干旱期供水管理方案，进而降低干旱期供水风险[7-10]。
随着全球气候变化对水资源系统的影响日益显著，近年来，国外开展了有关气候变化对区域水资源保障风险的研究。研究主要通过对气候变化情景下降水、蒸发等水文要素的分析，分析气候变化可能给水资源系统带来的影响，结合区域人口与经济发展愿景，探讨未来区域供水安全问题[11-15]。
1.2区域尺度研究难点与研究进展
在区域尺度上研究水资源短缺风险问题，有针
收稿日期：2010-01；修订日期：2010-05.
国家科技支撑项目(2006BAD20B06);欧盟项目(SWITCH/WP5.2);中科院地理科学与资源研究所创新项目资助。基金项目：
作者简介：李九一(1982-)，男，汉族，辽宁省建昌县人，助理研究员。主要研究方向为水资源保障及其风险评价与管理、生态需
水理论与方法。E-mail:lijiuyi@igsnrr.ac.cn.
通讯作者：李丽娟(1961-)，女，吉林省吉林市人，研究员，博导，主要研究方向为水资源综合管理、生态需水理论与方法。
E-mail:lilj@igsnrr.ac.cn.
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对性地提出风险管理方案，可以有效提高区域水资源安全保障程度。因此，区域尺度水资源短缺风险研究日益受到重视，国内外学者在理论与方法上取得了一系列进展。
与城市尺度相比，区域水资源短缺风险评价更为复杂。一方面，由于区域社会经济发展水平不均，缺水导致的经济损失难以定量计算。另一方面，由于区域来水—供水—用水体系过于复杂，水资源配置对区域水资源短缺风险的影响难以定量评估。在国外的研究中，主要是通过风险因子的分析，定性评估风险水平，为决策者制定合理的风险管理措施提供理论支撑[16-17]。
近年来，国内学者也开始研究水资源短缺风险问题。阮本清和韩宇平等人最早探讨水资源短缺风险评价理论与方法，认为水资源短缺风险是指在特定的时空环境条件下，由于来水和用水两方面存在不确定性，使区域水资源系统发生供水短缺的概率以及由此产生的损失。在此基础上，以首都圈为例，研究了水资源短缺风险的模糊综合评价方法，并在水资源短缺风险分析和评价的基础上，构建了区域水资源短缺的多目标风险决策模型[18-22]。马黎等[23]构建了水资源短缺风险评价指标体系，采用模糊层次分析方法对全国水资源二级分区水资源短缺风险进行了评价，揭示了我国水资源短缺空间分布格局。刘登伟[24]基于水资源承载力理论，构建了水资源短缺风险指数，对京津冀都市圈水资源短缺风险进行了评价。
缺水与经济损失关系的研究较少，无法建立缺水风险脆弱性曲线，使得定量计算缺水经济损失成为区域尺度水资源短缺风险研究中的难点。美国加利福尼亚大学构建了CALVIN模型，建立区域供水网络体系，设定各用水节点需水量、供水路线的供水能力，模拟水文变化在多水源供水体系中导致缺水事件发生的概率；通过研究各用水节点缺水—经济损失之间的关系，计算缺水导致的经济损失；基于风险管理理论，在定量评估经济损失的基础上，研究新建水源与供水工程、水资源优化调度、节水管理等方案的可行性，进而得出区域最优水资源管理方案。该成果在加利福尼亚州的应用取得了一系列的进展[25-29]，但由于模型参数较多，在其他区域的应用受到限制[30]。国内有关缺水—社会经济损失关系的研究还较少，目前引入CALVIN等定量化模型还存在困难，评价仍只能用定性分析指标与模型。
2水资源短缺风险评估与决策体系
2.1水资源短缺风险评估指标设计
由于基础水利工程建设边际成本的增加和水环境问题的日益尖锐，依靠工程措施来满足人类用水需求的模式逐渐受到质疑，而提高水资源利用效率的“软途径”越来越受到重视，包括制定合理水价、建立水市场等非工程措施[31]。因此，在水资源相关问题的决策上，公众参与逐步成为大趋势。发展一种能为缺乏相关技术背景的官员、投资者、生态学家、经济学家以及普通大众所理解的技术手段，是给水资源专家提出的现实要求。概念明晰、计算简单、便于比较的指标，更适合作为这种决策体系中的工具。Martin-Carrasco等[32]在对西班牙埃布罗河流域的有关研究中，遴选了需水保障率、需水保障可靠性、水资源利用率、供水能力随保障率变化率等4个指标，评估干旱因素驱动的水资源短缺风险。该方法易于理解，方便在相关决策中应用。
借鉴上述方法，本文选择水资源供给保障率、水资源保障可靠性、水资源利用率、水资源利用效率4个指标，构建了区域尺度水资源短缺风险评估与决策框架。水资源供给保障率指标用于描述多年平均状态下供水保障程度，水资源保障可靠性指标用于描述一定风险水平下的供水保障程度，两者综合反映区域水资源短缺风险发生的概率。水资源利用率指标描述水资源开发利用的潜力，水资源利用效率指标描述节约用水的潜力，两者综合反映区域适应水资源短缺的潜力大小。4个指标能够直观反映区域风险发生的概率以及规避风险的能力，揭示区域水资源短缺问题的特征，便于制定有针对性的应对策略。
2.2水资源短缺风险评价指标2.2.1水资源供给保障率
水资源供给保障率用来描述区域供水保障能力，计算公式如下：
IS=A(1)
式中：IS表示水资源供给保障率；A表示在正常水平下(多年平均、P=50%来水保证率)的区域可供水量；
D表示对应来水条件下的区域水资源需求总量。
正常条件下，水资源可供水量取决于水资源丰富程度与区域供水设施的完善程度；水资源需求主
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要取决于区域人口、社会经济结构、用水管理水平等因素。IS采用可供水量与水资源需求量之比来描述多年平均水平下的用水安全保障水平。若IS
于较严重的水资源紧缺状态[33]。但实际上，在很多缺水地区，该项指标远大于40%，甚至超过100%。所以，在划定该项指标的等级时，需要根据区域实际情况来具体确定。
2.2.4水资源利用效率
水资源利用效率用于描述区域节水的水平。用水户分为农业、工业、生活与环境，其中前两者通常占绝大部分用水量。同时考虑到数据的可获取性，本文采用农业、工业两大系统的用水水平来代表整体水平，具体计算公式如下：
·αPA+β·PI
AI
2.2.2水资源保障可靠性
水资源保障可靠性用于描述在一定的保证率条件下，水资源需求是否能够得到满足，计算公式如下：
AIR=r
r
(2)
IE=
(4)
式中：IR表示水资源保障可靠性；Ar表示在r%来水保证率时的区域可供水量；Dr表示对应水平下的水资源需求量；r表示.....。
鉴于工程建设成本边际效应的影响，建立完全无风险的供水体系是不经济的。每个区域都具有一定可接受的风险水平，IR用来描述该风险水平下，水资源需求能否得到有效满足。r的取值需要根据区域经济结构等因素来确定，如以灌溉农业为主的地区，可取75%；而以城市为主要供水对象的区域，可取95%。在实际操作中，应根据各用水户对水资源需求保障的要求，考虑区域水资源系统实际情况来具体确定。
在枯水条件下，可供水量小于多年平均水平，而灌溉需水的增加，需水量通常会大于多年平均水平，所以IR
式中：IE表示水资源利用效率；α表示农业用水有效利用系数；β表示工业用水重复利用率；PA、PI分别表示农业用水、工业用水占总用水量的比例。
在经济发展水平较高、水资源较为紧缺的地区，IE通常会比较高。如果IE偏低，表明区域节水工作有待加强。
2.3水资源短缺风险评估与决策体系
根据以上4个指标，建立了区域尺度水资源短缺风险分析、评估与决策框架(表1)。表1简明的阐述了如何根据4项指标的大小，分析区域风险问
题，划定风险等级，并提出主要策略。
在表1中，“问题”分析了区域水资源短缺主要风险问题，包括：1供水可靠性低于可接受水平，容易出现水资源短缺(其中，1A代表轻度；1B代表中度；1C代表重度)；2水资源利用率过高，容易引发生态与环境问题；3用水浪费，用水效率与水资源紧缺程度不相匹配。
表1区域尺度水资源短缺风险评估与决策体系表
2.2.3水资源利用率
水资源利用率是在评估区域水资源短缺状况时经常被采用的一个指标，计算公式如下：
Tab.1Frameworkforwaterscarcityriskassessmentandsolution
atregionalscales
IU=U
W
(3)
式中：IU表示水资源利用率；U表示多年平均水平下的区域实际用水量；W表示包括可利用入境水资源量在内区域水资源总量。
IU用于描述区域用水对水资源系
统的影响程度，也代表水资源可供进一步开发利用的潜力。在有关对全球水资源的评价中认为，当IU40%，区域处
注：①“+”代表相应指标较高，“=”代表指标数值为中等水平，“-”代表指标较低，具体划定需要根据实际情况确定；②表格填充颜色由浅至深分别代表“低风险”、“中风险”和“高风险”。
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“措施”阐述了解决风险的措施，包括：A节约用水，控制水资源需求；B加强水源建设(其中，B1建设供水工程，增加供水能力；B2通过建设多年调节水利工程、开发地下水源等加强多年调节能力；
B3在前两项基础上，积极开发雨水、微咸水、再生
水等非常规水源)；C加强水资源管理与区域协调
(其中，C1区域内部的水管理；C2相邻区域间的水
资源调配)；D改变经济结构适应水资源条件，或建设跨区域(流域)调水工程。
需要说明的是，评价指标选择、计算以及解决措施的确定不需要完全按照表1，在具体应用中，可以根据区域实际特点、数据资料等情况，灵活选择类似的指标。
3京津唐地区实例研究
3.1研究区概况
本文选取的京津唐地区在行政区划上包括北京市、天津市以及河北省的唐山市、秦皇岛市、廊坊市、张家口市和承德市，该区大部分位于滦河及冀东沿海、海河北系水资源二级区，其他地区分属西辽河、东北沿黄渤海诸河、内蒙古内陆诸河、海河南系。京津唐地区总面积13.1万km2
，2005年末常住
人口为4791万人，区内人口集中、经济发达。研究区是我国水资源最紧缺的地区之一，1956-2000年多年平均水资源量153.5亿m3
，人均水资源量仅
320m3
，属于重度资源型缺水地区。2005年，区域用水总量134.5亿m3，水资源利用率高达88%。
20世纪80年代以来，京津唐地区进入枯水周
期，来水量减少，加剧了水资源供需矛盾[34]。因地表水资源不足，只能过量开采地下水，已经形成了集中连片的浅层地下水漏斗和深层地下水漏斗。水资源的过度开发引发了一系列的生态与环境问题，包括洼淀萎缩及消失、河流断流、河口生态系统退化、地面沉降、海水入侵等。
水资源已经成为制约京津唐地区社会经济发展的重要因素，在区域尺度上研究该地区的水资源短缺风险问题，可以为相关水资源规划、区域发展规划等政策与决策提供依据，对于促进区域可持续发展具有重要意义。
3.2风险水平选取
20世纪90年代末期以来，京津唐地区用水量
逐渐趋于稳定[34]。但因水资源短缺导致供水不足，
用水受限制，用水量不能反应实际的水资源需求，未来用水量可能会进一步增加[35]，其中城市用水量会有较大规模增长[36]。有研究预测，京津唐地区用水量将于2020年前后达到峰值[37]。因此，本文选取
2020年进行京津唐地区水资源短缺风险评估。
天然来水量越少，水资源可供给量越少，而需水量越大(灌溉用水需求增大)，缺水事件发生的概率越大。建立完全无风险的供水体系是不经济的，每个区域可根据区域用水用户的特征及其重要性来确定可接受的风险水平。
根据水资源条件与社会经济状况，河北省各市可接受的风险水平在75%~95%之间。由于该地区主要河流上均有多年调节型水库，对水资源的年际调节能力较强，加上地下水、外调水等相对稳定的水源占供水量比例较高，区域水资源供给受天然来水丰枯条件影响较小。极端枯水(P=95%)情景发生时，可以发挥大型水库的多年调节功能，适当超采地下水，区域供水能力与一般枯水年(P=75%)相差不大。而两种来水保障率下，农业需水量相同，所以两种保证率下缺水程度相差不大。因此，在分析河北省各市水资源保障可靠性指标时，可接受的风险水平一致选取75%保证率来水情景。
与河北省各市相比，北京、天津两个直辖市对水资源安全保障的要求更高。海河流域水资源具有连枯连丰的特点，连续枯水年发生时，大型水库调节能力降低，地下水更新量减少，水资源供需矛盾更加突出。因此，选取连续枯水年作为北京、天津两市计算水资源保障可靠性指标时的风险水平。
3.3可供水量与需水量计算
在有关研究[34，38-39]的基础上，本文估算了2020年京津唐地区平水年(P=50%)、枯水年(P=75%)和连续枯水年3种情景下的可供水量(表2)。各市可供水量是以现状工程条件、区域分水原则为基础，严格限制地下水超采，考虑外流域调水量与非常规水源开发利用后的最大可供水量。预测2020年京津唐地区可供水量为177.8亿m3(P=50%)~164.9亿m3
(P=75%)，高于区域多年平均水资源量，这是因为可
供水量中包括了可利用的过境水资源、南水北调工程调水量以及再生水利用、雨水利用、海水淡化利用等非常规水资源利用量。综合考虑区域社会经济发展与节水技术的推广，预计2020年京津唐地区需水总量160亿m3(P=50%)~169.2亿m3(P=75%)。
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与2005年实际用水量相比，农业、工业需水量变化不大，生活、生态需水量有较大幅度的增长，与现状用水发展趋势保持一致。
从表2可以看出，在南水北调工程通水、非常规水源大规模利用后，京津唐地区水资源供需矛盾得以缓解。在平水年，区域可供水量大于需水量，局部地区的缺水问题