用水紧张程度评估模型

通过建立数学模型,定性、定量地评估水资源紧张程度

水资源压力指数FalkenMark人均水紧张指数水资源评估缺水指标

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Initial contribute: 2021-06-25

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(1)水资源压力指数

 

Smakhtin2005年建立了水资源压力指数(waterstressindicator,WSI),联合国环境规划署(UNEnvironmentalProgramme) \( WSI \) 来衡量一个国家的水紧缺程度。WSI 的定义式如下:

                                                                                                                \( WSI \)=水使用量/平均年净流量

根据美国地质勘察(U.S.GeologicalSurvey)的定义,平均年净流量等于降水量与蒸发量之差;水使用 量为工业用水量、农业用水量和居民用水量之和。\( WSI \)虽然已被广泛使用,但是也有其自身的缺点,即 它不能被用来衡量一个国家的人均缺水程度,例如2个地区有相近的水使用量和年净流量,但是如果2 个地区的人口相差悬殊,当地居民所感受到的水资源紧缺程度将是截然不同的。因此有必要建立一个依赖于当地人口的新的衡量标准,以更加深入地反映缺水程度对当地居民生活所造成的影响。其次,\( WSI \)指标中的分母是降水量与蒸发量之差,而未考虑对静态水储备的开采利用,例如地下水的开采、湖 泊河流水的利用等。又如,印度受季风性气候的影响,一年中降水分布不均,雨季集中在夏季,其他季节 多为旱季,农业多依赖开采地下水进行灌溉。

(2)Falkenmark人均水紧张指数

作为研究水资源紧缺的先锋,早在1989,瑞典斯德哥尔摩国际水资源研究所(SIWI)资深科学家、国际知名的水文学家MailinFalkenmark就研究过水资源缺乏对人们日常生活的影响,提出了Falkenmark水紧张指数(FalkenmarkWaterStressIndicator),这一指数通过计算一个地区每人每年占有的可再生水量来衡量这一地区的水紧缺程度。Falkenmark指数基于人均水资源,是沿用至今的几个衡量水资源紧缺程度的常用指标之一。有学者1700m3/(·)作为水紧张程度的临界值,高于这个值的国家或地区将会偶尔、局部发生水资源短缺现象;低于这一值的国家或地区将会经常性地爆发水资源紧缺状况;低于1000m3/(·)将会影响到这一地区的经济发展和当地居民的健康及安全;低于500m3/(·)将会给当地居民生活造成巨大压力。

 

尽管Falkenmark水紧张指数已得到国际公认,Falkenmark指数仍存在不足。首先,用于计算的可再生水量只考虑了可再生的地表水和可再生的地下水,而没有考虑其他可再生水的来源,例如海水淡化、污水处理、水资源进口等因素。其次,计算这一指数时没有考虑水质问题以及一个国家或地区使用水资源的能力,因为即使这个国家的Falkenmark指数很大,即这个国家或地区拥有充足的人均水资源,但是这些水资源不一定可以被安全使用,有可能已经被污染了,或者这个国家或地区由于经济发展落后,没有能力或基本设施使用这些水资源。第三,计算中用的是以年为单位的可再生水量,没有体现出对水资源的供需情况。水资源的供需状况对分析一个国家现阶段和未来的水紧缺程度起着至关重要的作用,例如,北冰洋地区大部分地面被冰山、冰川所覆盖,水资源极其丰富,这一地区的农业、工业用水也极少;然而位于赤道附近的国家,雨季来临时降雨充足,但是仍不能满足社会经济发展对水资源的需求,特别是农业的发展,赤道地区的国家大面积种植水稻,灌溉水稻需要大量的水,所以即使用Falkenmark指标衡量一个国家的水资源丰富程度,也不一定能反映这个国家水资源状况的真实情况。

(3)临界比例

临界比例(criticalityratio,CR)指的是一个国家的水使用量和可用水量的比例,具体定义如下:

CR=用水总量/可再生水总量,

其中:用水总量主要指工业、农业、居民用水等因素所消耗的地表水和地下水量之和;可再生水总量指的是地表径流量与地下水量储备之和。CR=0.4常被用作评判一个国家水紧张程度的阈值,CR值越大,表明一个国家的缺水程度越严重。

Falkenmark水紧张指数和CR值的计算都并不复杂,所以很多国际上公开的数据都是用这2个指标计算出来的。与Falkenmark水紧张指数相比,CR值的计算不仅考虑了可再生水的总量,而且考虑了水使用量,但也有不足之处,其一,没有考虑人口对水紧缺程度的影响;其二,忽略了农业、工业及居民用水中的回流问题,例如用于灌溉的农业用水中,大部分的水渗入地下,形成地下水,从而又被带回到水循环系统;又如工业生产排出的废水经过再处理后(或未经过处理,即污水)排入河流,这些水又可能被处于河流下游的居民使用或被用于灌溉。由此看出,回流水量是水循环系统中极其重要的一项,不可忽视。

      (4)临界指数

临界指数(criticalityindex,CI)Kulshreshtha1993年提出来的,主要依据CR值以及由Falkenmark水紧张指数计算出的人均占有的可用水量对一个国家或地区的水紧张程度予以评定,评定标准为1~4的整数:1表示水资源富余;2表示水资源脆弱;3表示水资源紧张;4表示水资源缺乏。具体评定细节如下表所示。

                                           

CI值的优点是综合使用了CR值以及Falkenmark水紧张指数,既考虑了水使用量,又将人口的因素考虑进来。但是其缺点也是显然的,CI指数的建立没有体现数学模型的思想,其对Falkenmark水紧张指数的分段是不连续的,而且分段的选择比较主观,并未给出这种评定方法的客观理论依据。实际上,如果想要将Falkenmark水紧张指数和CR值建立联系,并用两者来综合评价一个国家或地区的水资源紧缺程度,可以先对这2个指标进行正交化处理,然后以正交化处理之后的指标分别作为直角坐标系的x轴和y,正交化以后的x轴为CR-1,y轴为Falkenmark水紧张指数。根据Falkenmark水紧张指数和CR值的定义可知,一条过原点的直线斜率表示在可再生水量相同的情况下,人均使用水量的多少,这一数值越小,表明这一国家的剩余水量越多,即水资源越丰富,反之,则越缺水。按照这一理论,将第一象限用3条斜率分别为k1,k2,k3的直线平均分为4个区域(如下图),每个国家的Falkenmark水紧张指数与CR-1值之比,一定落在4个区域当中的一个,落点与原点之间连线的斜率大小表明了这个国家的水资源富余程度,斜率越小,水资源越丰富,斜率越大,水资源越紧缺。

 

                                                                                                             

参考文献

田英杰,王倩,周蓉,王艳慧.水资源紧缺程度评估模型[J].数学建模及其应用,2016,5(02):73-82+87.

 

模型元数据

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jingjing yu (2021). 用水紧张程度评估模型, Model Item, OpenGMS, https://geomodeling.njnu.edu.cn/modelItem/06abe933-4b27-4ccc-b92c-a8d994e096f5
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