辽中地区矿业城市水资源供需平衡动态分析，本文主要内容关键词为：辽中论文,水资源论文,供需论文,矿业论文,地区论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
修订日期：2008-02-19
1 引言
水资源是基础资源与战略资源，是人类赖以生存和发展的基本条件[1]。随着我国社会经济的发展，工农业、城镇居民生活以及城市建设需水量不断提高，水资源问题越来越严重。我国600多个城市中，缺水约占50％，日缺水量达1.0×10[7]m[3]以上[2]。据联合国统计，2030年，地球上将有1/3以上的人口面临水资源危机。因此，水资源供需平衡问题日益成为可持续发展研究的重点和热点问题[3-6]。我国以往水资源供需平衡研究主要是依据某一地区的社会经济发展格局研究水资源供需平衡状况及其变动趋势，对不同区域水资源供需平衡的对比以及影响因子研究较少。
辽中地区是中国重要的能源基地，有着丰富的煤、铁、石油等资源，在此基础上发展起来众多依靠矿产采掘、加工的矿业城市，按照沈镭定义的矿业城市标准[7]，辽中地区矿业城市包括鞍山、抚顺、本溪。作为不同类型的矿业城市，抚顺以煤炭采掘为主，发展历史悠久，如今煤炭资源趋于枯竭，工业转型为石油加工，主要资源依靠进口，属于老年矿业城市；鞍山属于钢铁城市，境内铁矿石丰富，采掘业仍较发达，属于中年矿业城市；本溪属于煤铁复合体城市，境内煤炭、铁矿石已到开采末期，面临产业转型，属于中年矿业城市向老年矿业城市过渡阶段。因此，对比研究鞍山、抚顺、本溪水资源供需平衡，分析不同类型矿业城市水资源供需平衡的影响因子，不仅可为东北老工业基地矿业城市实现水资源可持续化管理，而且为其走可持续发展道路提供决策依据。
2 研究地区与研究方法
2.1 研究区概况
辽中地区矿业城市包括鞍山、抚顺和本溪，面积28955 km[2]，占辽宁省总面积的19.63％。其中，抚顺、本溪全部，鞍山东部地区属于辽东山地丘陵地带，鞍山其他地区属于辽河平原地带。该区域为暖温带大陆性季风气候，年均温7～10℃，年均降雨量650～900 mm，无霜期130～170 d。地表径流比较丰富，共有大中小河流200余条，大型河流包括外辽河、浑河、太子河、富尔江、辉发河、清河等，分别属于辽河水系和鸭绿江水系，各河流均为汇入干流后注入渤海和黄海的外流河。矿产资源丰富，矿产种类齐全，是国内外少有的矿产资源富集区之一。森林覆盖率较高，鞍山达到48％，抚顺为64.5％，本溪为69.1％(图1)。2005年，该地区人口达到728.39×10[4]，占辽宁省17.26％，GDP为1751.53×10[8]元，占辽宁省21.88％。第一、二、三产业产值比为5.5：55.7：38.8，主导产业为石油加工、钢铁冶炼、建材生产和机械制造(表1)。
图1 辽中地区矿业城市区位图
Fig.1 The location of mining cities in central Liaoning
2.2 研究方法
依据国内外水资源供需平衡研究成果以及辽中地区矿业城市实际情况，建立了辽中地区矿业城市水资源供需平衡分析框架(图2)。
2.2.1 供水系统分析 水资源供给系统包括地表水资源可利用量、地下水资源可利用量和其他可利用水资源。地表水资源可利用量是指在一定的自然和社会经济技术条件下，地表水工程可以提供利用的水量。地下水资源可利用量是指经济上合理、技术上可行并且不造成地下水位持续下降、水质恶化以及水文地质环境问题不良后果条件下，可以开采利用的地下水资源量。其他可利用水资源包括污水处理、雨水利用和海水淡化。辽宁省水资源公报(1997-2005)表明，鞍山、抚顺和本溪供水系统主要为地表水资源可利用量和地下水资源可利用量。
Tab.1 The socio-economic status about mining cities in central Liaoning
地表水资源可利用量为地表水资源总量去除生态需水量和汛期弃水量[8]，由于本研究中需水系统考虑了生态环境需水量，为避免重复计算，地表水资源可利用量用地表水资源总量去除汛期弃水量表示。地下水资源可利用量分为平原地下水可利用量和山区地下水可利用量，分别用地下水资源量乘以开采系数计算。
图2 水资源供需平衡分析框架
Fig.2 Framework of water resources supply-demand balance analysis
水资源开发利用率，是现有工农业生产和生活对水资源的开发程度，可以反映出生产生活用水挤占生态用水的情况，同时，也可以反映该地区水资源开发利用的潜力。当水资源开发利用率介于10％～20％时，属于中度紧张，可用水量已经成为限制因素，需要增加供给，减少需求；当水资源开发利用率介于20％～40％时，属于中高度紧张，需要加强供需管理，确保水生态系统有充足的水流量；当水资源开发利用率大于40％时，属于高度紧张，供水日益依赖地下水超采和咸水淡化，急需加紧供需管理，严重缺水已成为经济增长的限制因素，现有的用水格局和用水量不能持续下去。
2.2.2 需水系统分析
(1)生态环境需水 总结国内外学者对生态环境需水的研究成果[9-12]，笔者认为生态环境需水包括河道基本流量、水体净化需水和城市绿化需水，由于河道基本流量和水体净化需水存在重复部分，在实际计算中取两者最大值与城市绿化需水的和作为生态环境需水。
①河道基本流量。河道基本流量是维持河流生态系统的基本存在，保持其结构稳定与功能正常发挥所需水量[11]。对于流域性的基本流量计算，Tennant方法简单易行，通过不同月份河道流量乘以相应的基流百分比的累加之和来描述河道基本流量，不需要现场测量，应用广泛。因此，笔者采用Tennant方法[13]作为河道基本流量的计算方法(表2)，依据国家环保总局关于北方河流最小生态需水量一般取多年平均径流量的10％～20％这一原则，并考虑到研究区水资源状况，鞍山、抚顺和本溪河流基本流量取“中”等级。计算公式为
依据鞍山、抚顺和本溪地表水水质具体情况，污染物选取超标率最大的NH3-N和COD，C[，o]取地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅳ类标准[15]，最终计算结果选取两者最大值作为水体净化用水。
③城市绿化需水。城市绿化需水指城市绿化的浇灌用水。笔者采用需水定额法计算，即城市绿化、草地面积与相应耗水定额的乘积。依据《辽宁省节水型社会建设发展纲要》以及鞍山、抚顺和本溪建设节水型城市规划，城市绿化年灌溉定额采用200m[3]/亩。
(2)社会经济需水 社会经济需水包括生产与生活部门需水，分为城镇与农村居民生活需水、工业生产需水、农业生产需水，本研究中笔者依据辽宁省水资源公报1997-2005的相关数据作为社会经济需水量。
2.2.3 数据来源 数据来源于《辽宁省水资源公报1997-2005》、《鞍山市环境质量报告书1997-2005》、《鞍山市统计年鉴1997-2005》、《抚顺市环境质量报告书1997-2005》、《抚顺市统计年鉴1997-2005》、《本溪市环境质量报告书1997-2005》、《本溪市统计年鉴1997-2005》。
3 结果与讨论
3.1 水资源可利用量
辽中地区矿业城市1997-2005年可利用水资源量尽管有所波动，但整体呈增加趋势(表3)，2003-2005年的平均值明显高于多年平均值。3个城市的可利用水资源构成上整体以地表可利用水资源为主，占85％以上。具体而言，鞍山市1997-2005年可利用水资源量波动中略有减少，其中2003-2005年的平均值明显低于多年平均值。可利用水资源构成上，地下可利用水资源比例明显高于其他两个城市，达到30％。抚顺市1997-2005年可利用水资源量波动中变化不大，2003-2005年的平均值与多年平均值相近。可利用水资源构成上以地表可利用水资源为主，达到92％。本溪市1997-2005年可利用水资源量波动中呈明显增加趋势，2003-2005年的平均值明显高于多年平均值。可利用水资源构成上以地表可利用水资源为主，达到94％。
从水资源开发利用率上看，1997-2005年，鞍山市水资源开发利用率平均达到65.56％，用水属于高度紧张，供水日益依赖地下水超采和咸水淡化，而地下可利用水资源比例达30％也与之相验证。急需加紧水资源供需管理，严重缺水已成为经济增长的限制因素。抚顺市和本溪市水资源开发利用率平均达到35.11％和27.96％，用水属于中高度紧张，虽然目前水资源供需上能达到平衡，但随着经济、社会的发展，用水量会随之增加，仍需加强水资源供需管理，以保证水生态系统有充足的水流量。
3.2 水资源需求量
鞍山市工业需水和生活需水尽管有所波动，但整体呈下降趋势(表4)，农业需水明显减少，总需水量呈下降趋势，这是对可利用水资源量减少的良性反映，也是用水效益提高的结果。河道自净需水大于河道基流，表明污水排放量及污染物浓度较大，河道基流不能完全自净污染物，需要较多的水用于污染物自净。抚顺市工业需水明显减少，生活需水波动中略微减少，而农业需水呈略微增长趋势，总需水量波动中略有下降。自净需水下降幅度较大，2003-2005年河道自净需水大幅度小于河道基流，表明污水排放量及污染物浓度大幅度降低，河道基流完全能自净污染物。本溪市工业需水明显减少，生活需水变化幅度不大，农业需水波动中呈增长趋势，总需水量波动中略微增长。自净需水一直大幅度小于河道基流，表明污水排放量及污染物浓度较低，对于生态环境需水压力较低。总体而言，随着工业用水效率的提高，农业需水和生态环境需水占总需水量的比重逐渐提高，2005年鞍山市农业产值分别是抚顺、本溪农业产值的1.98倍和2.53倍，农业需水分别是抚顺、本溪农业需水的1.92倍和3.76倍；可利用水资源量分别是抚顺、本溪可利用水资源量的78.73％和70.31％，生态环境需水分别是抚顺、本溪生态环境需水的63.34％和59.94％。由此可见，造成鞍山、抚顺、本溪水资源需求差异的主要原因是水资源可利用量和产业结构的差异。
2005年，辽中地区矿业城市需水结构差异明显(图3)，鞍山市农业需水比例最大，达到41％，其次为生态环境需水，达到35％，工业需水为15％，生活需水为9％；抚顺市生态环境需水占最大的比例，达到60％，其次为农业需水，达到23％，工业需水为10％，生活需水为7％；本溪市生态环境需水占最大的比例，达到67％，其次为工业需水，达到15％，农业需水为12％，生活需水为6％。
图3 辽中地区矿业城市需水结构(2005年)
Fig.3 The structure of water resources demand about mining cities in central Liaoning(2005)
图4 辽中地区矿业城市水资源供需平衡分析
Fig.4 The analysis of water resources supply-demand about mining cities in central Liaoning
3.3 水资源供需平衡
水资源盈亏量，用可利用水资源量减去需水量表示。当其大于或等于0时，表明水资源供需处于平衡状态，反之失衡。鞍山市除了处于丰水年的1998年和2001年外，其余年份需水量均大于可利用水资源量(图4)，水资源供需失衡。作为近9年枯水最严重的2000年和2002年，水资源盈亏量分别达到-6.79×
和-5.41×。2003年以后，水资源供需失衡状况得到缓解，水资源盈亏量不到-1×。抚顺市除了处于枯水年的2000年外，其余年份需水量均小于可利用水资源量，水资源供需平衡。水资源盈亏量在波动中处于上升趋势，表明水资源供需压力逐步降低，进入良性循环状态。本溪市在研究年份中，需水量均小于可利用水资源量，供需平衡。
3.4 水资源供需平衡影响因子分析
3.4.1 自然影响因子 水资源供需平衡自然影响因子主要包括气候变化[16，17]，地形、地貌和水系密度的差异[18]。气候变化是地表水资源变化的基础，地形地貌以及水系密度则深刻影响着水资源利用的难易程度。依据张云海等人研究成果[19]，20世纪80年代以来，辽宁省开始进入温度偏暖的时期，温度变暖与水资源减少的发生频率基本一致；降雨量与水资源量的变化也基本一致，自然降水是水资源的主要来源。利用SPSS11.5软件中的相关分析来分析1997-2005年辽中地区矿业城市降雨量与水资源总量的相关性，鞍山为0.605，抚顺为0.697，本溪为0.723，表明辽中地区矿业城市降雨量与水资源总量有着较强的正相关性。另外，地形、地貌以及水系密度的差异也深刻的影响着辽中地区矿业城市水资源供需平衡。抚顺市、本溪市全部，鞍山市东部地区属于辽东山地丘陵地带，地下水开采难度较大；鞍山市其他地区属于辽河平原地带，地下水开采难度较低。因此，鞍山市地下水可利用量比例较大，而抚顺市、本溪市地下水可利用量比例较小，以地表水可利用量为主。抚顺市、本溪市主要水系有浑河、太子河，水系密度大，是辽宁省重要的蓄水调水基地，2004年产水模数分别为25.31万m[3]/km[2]和36.28 m[3]/km[2]；鞍山市主要水系是辽河、太子河，水系密度相对较小，2004年产水模数为20.49 m[3]/km[2]。因此，自然条件的差异影响着辽中地区矿业城市可利用水资源量的大小。
3.4.2 社会经济影响因子 人口、产业结构、水环境污染状况以及治理水平等与水资源需求量显著相关，从而深刻地影响着水资源供需平衡。参考杨志峰、夏军等人关于水资源供需平衡的研究成果，利用SPSS11.5软件中的相关分析来分析1997-2005年辽中地区矿业城市需水量与人口总数、单位GDP水耗、采矿业产值占工业产值比重、第一产业占GDP比重、第二产业占GDP比重、万元工业产值废水排放量、生活污水处理率、化学需氧量排放强度、氨氮排放强度、工业用水重复率的相关性(表5)，可以看出，鞍山市需水量的主要影响因子是人口总数、单位GDP水耗、第一产业占GDP比重、第二产业占GDP比重、万元工业产值废水排放量、生活污水处理率、工业用水重复率，化学需氧量为主要影响性污染物。表明鞍山市水资源供需平衡的制约因子是产业结构、用水效益和水污染治理水平，采矿业影响不大。通过调整产业结构、提高用水效益和污染物处理水平可进一步改善其水资源供需失衡的状况。抚顺市需水量的主要影响因子是单位GDP水耗、万元工业产值废水排放量、工业用水重复率，化学需氧量为主要影响性污染物。表明抚顺市水资源供需平衡的制约因子是用水效率和污染物处理水平。本溪市需水量的主要影响因子是人口总数、单位GDP水耗、采矿业产值占工业产值比重、第二产业占GDP比重，氨氮为主要影响性污染物。表明本溪市水资源供需平衡的主要影响因子用水效率和产业结构。因此，提高污染物处理率、减少污水排放量，从而减少生态环境需水量；提高生产工艺水平、调整产业结构，从而降低生产需水量。在可利用水资源变化不大的情况下，二者是辽中地区矿业城市整体达到水资源供需平衡的先决条件。
3.4.3 政策法规影响因子 政府的决策行为对辽中地区矿业城市的水资源供需平衡变化有着积极影响。抚顺市建设大伙房水库输水工程、引细入汤等跨流域工程；本溪市引观入本、本溪县盘龙寺水库等，切实解决城市供水问题，保证了该地区水资源供需平衡；鞍山市制定的《鞍山市水资源管理条例》、《鞍山市城市供水用水管理条例》等，对于该地区合理分配水资源、降低水资源供给压力，从而改善水资源供需失调有着积极的作用。
4 结论
辽中地区矿业城市1997-2005年水资源供需区域差异明显，鞍山市除个别丰水年水资源供需平衡，其余年份均为水资源供需失衡；抚顺市除个别枯水年水资源供需失衡，其余年份均为水资源供需平衡；本溪市均为水资源供需平衡。因此，若要达到区域总体水资源供需平衡，应在适当开发本地区水资源的基础上，搞好跨流域调水工程的实施，提高水资源的供给能力。
辽中地区矿业城市水资源需求结构区域差异明显，鞍山市以农业需水为主，其次为生态环境需水，两者占总需水量的76％；抚顺市和本溪市均以生态环境需水为主，达到60％以上。因此，作为3个城市中水资源供需失衡最严重的鞍山市应合理调整需水结构，提高农业和工业用水效率。
辽中地区矿业城市自然条件的差异是水资源供需差异的基础，人类社会经济活动和政策法规是水资源供需差异的主要影响因子。各城市水资源供需平衡的社会经济影响因素差异较大，鞍山市人口总数、产业结构、生产用水效率、污染物治理状况是其水资源供需失衡的影响因子，抚顺市生产用水效率、污染物治理状况是其水资源供需失衡的影响因子，本溪市人口总数、产业结构、生产用水效率是其水资源供需失衡的影响因子。因此，作为不同发展阶段和类型的辽中地区矿业城市，应依据各自水资源供需平衡的制约条件，合理调整产业结构，提高生产用水效率，控制污染物的排放，从而使整个地区的水资源达到供需平衡。
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