中国水资源人口容量现状及预测

1中国水资源人口容量现状及预测摘要本文从生活用水量和水质两个角度分别计算中国水资源的人口容量，并和人口做比较。计算2000-2012年承载量时直接用现有数据，将结果和实际人口进行比较；计算2013年-2050年承载力时，对需要的参数按照2000-2012年的变化规律按照线性拟合或者取平均数，人口由1960-2012年的人口数据用灰色模型进行预测并进行对比。结论是生活用水量按照最低标准计算会远超过实际人口，按照当下的使用速度计算将在2013年超载；水质承载力在2011年之前高于水量承载力，之后低于水量承载力，是总承载力的决定因子。水资源将在2024年超载。本文还分析了误差和不足指出，说明模型有很多进步和改进空间。关键词水资源人口容量生活用水水质灰色模型引言水是人类生产、生活不可或缺的一部分，随着人口增长需求量越来越大，而水资源短缺的情况在我国也越来越严重。不仅如此，水污染的治理也是近年来的热点问题；由于工业发展和重视不足，水污染越来越严重，超过水自净能力的污染量将会带来巨大的灾难。虽然前人有很多研究，但中国水资源承载力的量化指标却很少，本文从水量和水质两个方面建立模型，计算中国水资源的人口容纳量。1.中国水资源环境概况中国水资源的状况是总量多，人均少，总量高达30000亿立方米左右，人均却只有2000立方米，只占到世界平均值的1/4。但从目前的情况来看，水资源的节约和保护没有引起足够的重视，居民生活用水人均量越来越高且远超过最低标准。除了水量以外，水质也存在巨大问题，径流中ⅠⅡ和Ⅲ类水只占到60%左右，很多河流污染严重亟待治理[1]；在这样的情况下，人均废水排放量却在一直升高。我国的生活用水量、水质能否承载当下及以后的人口，是本文关心的问题。2.研究方法2.1水资源人口容量研究方法水资源人口容量是指当下水资源条件下，在满足人均水资源基本量要求的前提下所能容载的人口数量。水资源人口容量又分为水资源数量人口容量，即水资源量可以满足生活的人口数；还有水资源质量人口量，即人均污水排放和水的自净能力决定的在不进一步污染水资源的条件下可以容载的人口数。计算分为当下和对未来的预测。①水量人口容量的计算如下：C1=WlifeWp其中Wlife表示生活用水量，Wp表示人均每年生活用水标准，对于城镇人口，2此处选用2002年国家颁布的人均生活用水标准最低值75L/d[2]，即27.38m3/a。当下及以前的人口容量由于有Wlife和Wp数据，可以直接计算。对未来进行预测时，有:Wlife=W0×rsup×rlife其中W0是水资源总量，由于每年降水等变化未知，这里取98年以来每年水资源量的平均值27371亿立方米。rsup是指可持续发展条件下每年对水资源的使用量，研究中发现这一比例符合线性增长的趋势，用线性函数进行模拟。rlife是生活用水占总用水量的比例，根据98年来情况，取平均值11.6%比较合适。由于实际的人均生活用水量远高于标准值，还可以对实际人均用水量做拟合，按照当下的发展趋势，预测未来水资源可以养活的人数。②水质人口容量的计算如下：C2=WcleanWwastep计算水质承载力的思路是用氨氮的净化能力比上人均氨氮排放量，其中Wclean是指河水每年氨氮的自净能力。Wclean=∑W1∗[(n0−n1)+365∗k∗n0]其中W1为每个等级的河水体积，n0为目标水质，n1为背景值，k为纳污系数，这里根据文献取平均值0.032/d。计算时，1-4类水的目标浓度可以认为和背景值一致分别为0.15mg/L,0.5mg/L,1.0mg/L,1.5mg/L，也就是不需要做出改变；5类和劣5类水目标浓度设为第4类的浓度1.5mg/L，但背景值，这里代表现在的浓度，为2.0mg/L。③水资源人口容量的计算最后的容量为水量和水质分别计算结果的较小值。Cp=min⁡(C1,C2)2.2人口预测模型这里采用灰色模型对2013年到2059年的人口进行计算，具体方法如下：以1960年中国人口值作为起始点X(0)，之后每年的总人口数依次为X(1),X(2),X(3)……X(52)。预测函数为：dX(t)dt+aX(t)=u为了求出a和u参数值，令矩阵A=[a,u]TB为一个51*2的矩阵，B(i,1)=−12(X(i−1)+X(i)),B(i,2)=1;C为一个51*1的矩阵,其中C(i,1)=X(i)−X(i−1),C=[(X(1)−X(0)),(X(2)−X(1)),……,(X(i)−X(i−1)),(X(52)−X(51))]T3用最小二乘法估计矩阵A=(BT×B)−1(BT×C)，得到a和u的值，从而得到模拟的曲线。最终的估计函数为X(t)=[X(0)−ua]×e−at+ua[4]。2.3技术路线文章的技术路线大致如下：图2-1全文技术路线3.人口容量计算3.12000年以来中国水资源人口容量水资源人口容载量分为生活用水量人口容量和水质人口容量。3.1.1水量人口容量表3-12000-2012年生活用水量容载力年份供水量（亿m3）生活用水比例(%)生活用水量(亿m3)实际人均生活用水（m3/a）人均生活用水标准m3/a容载量C1（亿人）20005531.010.5580.7645.8227.3821.2120015567.010.8601.2447.1127.3821.9620025497.011.2615.6647.9327.3822.4920035320.011.9633.0848.9927.3823.1320045548.011.7649.1249.9427.3823.7120055633.012.0675.9651.7027.3824.6920065795.012.0695.4052.9027.3825.40Cp=min⁡(C1,C2)水资源人口容纳C1=WlifeWp水量容纳C2=WcleanWwastep=∑W1∗[(n0−n1)+365∗k∗n0]Wwaste/P水质容纳2000年以来2000年以来2013-2050年2013-2050年Wlife为已有数据，Wp取国家标准Wlife=W0×rsup×rlifeWprsup由2012年之前数据线性拟合，W0和rlife是2000年来平均值。W1、Wwaste和P均为已有数据W1由2000年以来平均得到。Wwastep由线性回归模拟曲线得到P由灰色模型得到对比实际人口情况2000年以来2013-2050年已有人口数据由1960-2012年人口做灰色模型得到4基本可以得出：①生活用水占总供水的比例大约11.6%；②生活用水量有增长趋势，平均687.24×108m3/a。③由于每年的水资源总量和供水量在波动，人口容载量在21-29亿人之间波动，并且由于生活用水供水量的上升，容载量有逐年增长的趋势。平均水平是25.10亿人。3.1.2水质人口容量水自净能力计算中，可以基本将水的密度视为1t/m3。表3-22000-2012中国水质承载力年份氨氮排放104t人口108人均排放t地表径流量108t承载力1082000183.2012.67430.010426562.0030.852001125.2012.76270.009825933.0030.942002129.0012.84530.010027243.0030.212003129.6012.92270.010026251.0029.772004133.0012.99880.010223126.0026.442005150.0013.07560.011526982.0027.392006141.4013.14480.010824358.0027.242007132.3413.21290.010024242.0028.702008127.0013.28020.009626377.0032.012009122.6113.34500.009223125.2029.382010120.3013.41910.009029797.6038.482011260.4413.47350.019322213.6012.782012253.5913.54040.018728373.3016.1120075819.012.2709.9253.7327.3825.9320085910.012.3726.9354.7427.3826.5520095965.212.6751.6256.3227.3827.4620106022.012.7764.7956.9927.3827.9420116107.212.9787.8358.4727.3828.7820126131.212.1741.8854.7927.3827.10平均5757.411.6687.2452.2625.105可以基本得出：①由于工业化进程和人口增长，总的废水中氨氮排放量有增加趋势。②人均污染量也有增加趋势，2000年来的平均值为0.0115吨/年。③水质容载量由于地表径流量和人均污染量的变化，在16-30亿人间波动，平均值为27.72亿人。由于波动较大线性拟合程度不高，但基本呈现随时间下降的趋势。3.1.3人口容量与总人口数比较表3-32000-2012水资源容载力和实际人口的比较年份实际人口（亿）水量容纳C1（亿）水质容纳C2（亿）容纳量Cp（亿）容纳量-实际人口（亿）200012.6721.2130.8521.218.54200112.7621.9630.9421.969.20200212.8522.4930.2122.499.64200312.9223.1329.7723.1310.20200413.0023.7126.4423.7110.71200513.0824.6927.3924.6911.62200613.1425.4027.2425.4012.26200713.2125.9328.7025.9312.72200813.2826.5532.0126.5513.27200913.3527.4629.3827.4614.11201013.4227.9438.4827.9414.52201113.4728.7812.7812.78-0.69201213.5427.1016.1116.112.57基本规律为：2011年之前一直是水量人口容载量C1水质人口容载量C2，但水量人口容载量有一定上升趋势，而水质人口容载量有一定下降趋势。实际人口数一直上升，其中2011年出现了一次高于承载力的现象，但总体来讲还没有超出承载。说明在当下的用水标准下，人口还有一定的增长空间。由于这里计算的生活用水量是全国实际的生活用水量，实际人口和水量容载人口的差也说明了当下人均生活用水标准远高于最低标准，存在水的浪费现象。3.2未来50中国水资源人口容量3.2.1水量人口容量对年份和供水量占总资源量的比例进行线性拟合，得到函数y=0.31526x–610.86373，虽然R2只有0.3315，但F=8.439，Significancelevel=0.012，通过了显著性检验。6由于水资源总量没有明显的变化趋势，取1997-2012年平均值作为之后的统一每年水资源总量，生活用水占总供水量的比例也取1997-2012年平均数11.6%较为合适，这样得出的就是在现有趋势不改变用水各个条件下，未来水资源量的容载人口。如果将人均用水最低标准改为实际情况，即按照当下的人均用水趋势继续发展，用水量会大大增加，可供给的人数大大减少。实际用水模型为y=0.99184x-1937.36685,R2为0.90683，F为117.793，Significancelevel为0.000，通过显著性检验。两种方式最后计算的容载人口汇总如下：7表3-42013-2050年水资源容载力预测年份供水量占总资源比例%人均生活用水标准(m3/a)该条件下容载量C1(亿)实际人均用水(m3/a)该条件容载量C1*（亿）201323.3027.3827.0257.5212.86201423.6127.3827.3858.5112.81201523.9327.38