南水北调来水对京津冀地区用水竞争力的影响

翟家齐，赵勇，赵纪芳,2，付雯琪,3，李海红，姜珊

(1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.河北农业大学城乡建设学院，保定 071001；3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

京津冀地区人均水资源量不足全国平均值的1/10，用水竞争激烈，水资源短缺成为影响京津冀协同发展进程中的重要因素[1]。竞争性用水是一种普遍的社会现象，通常表现为水资源利用在目的、时间和地域等3个方面的矛盾与冲突，其本质是水资源的稀缺性和时空分配不均[2-3]，而工业规模、人口数量及灌溉面积的迅速增长加剧了用水竞争。在供水量有限的条件下，现有水资源无法满足各区域、各行业发展用水需求[4-6]，通过跨流域调水增加供水量是缓解当前水资源短缺的有效途径[7-8]。南水北调工程作为缓解我国北方地区水资源短缺局面的重要举措，对保障京津冀地区水资源安全、减小用水竞争压力具有重要作用[9-10]。2014年12月，南水北调中线工程正式通水，规划南水北调东线工程二期建成后也将向京津冀地区多个城市供水。大规模外调水的进入将显著改变京津冀地区水资源供需格局及行业用水竞争态势，定量分析和掌握南水北调来水对京津冀地区用水竞争力的影响对保障区域水资源安全具有重要参考意义[11-12]。目前国内外对于资源竞争定量分析应用最广泛的是指标体系法，以竞争力的主要影响因素为评价指标，构建多指标评价模型，最后赋权逐级综合得到竞争主体的竞争力量化值，如TOPSIS(technique for order preference by similarty to ideal solution)法、主成分分析法、聚类分析法、加权平均法等[13-15]。本文基于用水竞争力的概念，建立用水竞争力评价模型，采用行业和区域用水竞争力指数表征京津冀地区用水竞争力状况，定量分析南水北调在不同来水情景下京津冀地区各行业与区域用水竞争力变化，为区域水资源的协同调配以及水资源的可持续利用提供参考。

1 研究方法

1.1 用水竞争力的概念

用水竞争力的概念目前没有统一的定义，有学者[16]认为用水竞争力是指由于水资源的短缺和水质不达标等原因导致用水主体的用水需求未得到保障，该用水主体与其他竞争主体相比，具备获得更多的更优质水资源的能力。从用水竞争对象看，可以划分为多种类型，如行业间用水竞争、区域间用水竞争、流域内与跨流域用水竞争、省内与省际用水竞争、国内与国际用水竞争等[17-18]。以行业用水竞争力和区域用水竞争力为例，生活、工业、农业灌溉、生态环境都离不开水资源的保障，但各行业间水资源所产生的经济效益差别巨大，导致水资源优先流入高收益行业，其背后反映了行业间的用水竞争力差别[19-20]。行业用水竞争进一步反映到区域层面，区域水资源稀缺无法满足用水需求，造成不同区域之间用水竞争矛盾愈发突出，进而产生用水争夺现象[21-22]，反映了不同地区间的用水竞争力差异。为了更好地刻画和定量描述水资源竞争态势，将用水竞争力定义为用水主体为获得更多水资源以保障其自身生产生活用水、社会经济稳定发展需水以及生态环境健康用水而对有限水资源的吸引和争夺能力，包括竞争主体、利益需求、竞争本质和竞争目标等4个部分。其中:竞争主体是参与用水竞争过程的行政区域、行业(工业、农业、生活等)等用水主体；利益需求是指竞争主体对水资源的需求，如水量、水质、保障时间等；用水竞争力本质是指对水资源的刚性需求程度、用水优先级别、经济效益的综合度量，直接反映了用水主体的竞争力强弱；竞争目标指获取水资源的最终用途或目的，如提高生活质量、获取经济效益或者改善居住环境等。

1.2 用水竞争力评价模型

1.2.1评价指标筛选及处理

基于用水竞争力的定义及影响因素，选取驱动增长率、刚性需水量、用水效益、用水紧缺程度作为用水竞争力的评价指标，4项指标的含义及计算思路如下。

驱动增长率表征用水量的变化趋势及方向，利用农作物播种面积、工业产值占GDP比重、人口规模等不同行业指标系列值的变化率来表示行业用水的驱动增长率。

刚性需水量是指满足某一地区社会经济发展、居民生产生活和生态环境平衡的最低水量，按行业特点可以分为农业刚性需水量、工业刚性需水量和生活刚性需水量。其中:农业刚性需水量可通过确定作物的调亏灌溉系数，再将作物在生育期的最小需水量减去有效降水来计算，区域农业刚性需水量是不同种类作物的单位面积农业灌溉刚性需水量与其播种面积乘积的求和;工业刚性需水量是指一定时期内生产工艺最先进时，工业生产各环节需水量的总和，此时工业需水量最小即为刚性需水量，某一区域的工业刚性需水量由该区域工业行业的种类数和该行业的产品质量以及生产该产品单位产量的最小需水量的乘积之和来计算;生活刚性需水量是指满足居民日常生活和活动所需的最低水量，区域生活刚性需水量则可表示为人均刚性需水量与人口数的乘积。

用水效益是影响用水竞争力的重要因素，能体现水资源使用之后所产生的经济效益，通过经济产值和用水量的比值来计算。

用水紧缺程度是反映水资源供需关系的指标。当可供水量>刚性需水量时，水资源紧缺程度较低；当可供水量<刚性需水量，水资源紧缺程度较高。计算公式为

(1)

式中:WS为用水紧缺程度；D为刚性需水量，m3；S为行业可供水量，m3；WQ为区域水资源量，m3；p为该行业的用水结构系数。当用水紧缺程度大于1时，表示本地水资源可供水量小于行业刚性需水量，水资源紧缺程度较高；当用水紧缺程度小于1时，表示本地水资源可供水量大于行业刚性需水量，水资源紧缺程度相对较低。其他3项评价指标的具体计算方法及计算公式参照文献[23]所述，不再赘述。

1.2.2计算行业用水竞争力指数

为便于定量化表达用水主体的用水竞争力强弱，引入用水竞争力指数(water competitiveness index，WCI)，构建用水竞争力评价模型，基于所选取的评价指标计算不同主体的WCI值，本文基于评价指标计算农业、工业和生活的行业用水竞争力指数。WCI值的计算参考人类发展指数的改进计算方法，将所选指标序列进行标准化处理，经几何平均、算数平均计算得到WCI值[24]见式(2)，该方法实现了对不同指标的动态客观赋权，避免主观赋权人为因素的干扰。

(2)

式中:IWCj为j行业的WCI值；N为评价选取的指标数量；Yi为采用第i项评价指标值，需要先分类进行标准化处理，将各指标值换算到0～1。其中正向指标采用式(3)计算，逆向指标采用式(4)计算。以农业用水竞争力值计算为例，第一步计算农业用水的驱动增长率、刚性需水量、用水效益、用水紧缺程度各项评价指标值，第二步将单项指标值代入式(3)或(4)进行标准化处理，第三步采用式(2)计算得到农业用水竞争力指数值。

(3)

(4)

式中:xi、yi分别表示指标系列值和标准化系列值；xmax、xmin分别表示x指标系列的最大值与最小值，具体计算参照对人类绿色发展指数测算时采用的处理方法[25]，取第95个百分位为最大值，第5个百分位为最小值，使所有取值都在可信区间之内，并去除变化异常的值，以免对评价结果产生影响。对于正向指标，若其值大于第95个百分位值则取1，若小于第5个百分位值则取0，逆向指标的处理则相反。

1.2.3计算区域用水竞争力指数

将区域内各行业用水竞争力指数累加，即得到区域用水竞争力指数，以此来表示不同地区的区域用水竞争力强弱。

IWCr=IWC1+IWC2+IWC3

(5)

式中:IWC1、IWC2、IWC3分别为农业、工业和生活用水竞争力指数;IWCr为不同区域的综合用水竞争力指数。

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

京津冀地处我国华北地区，西北多高山丘陵、东南部为平原，区域总面积21.8万km2。根据《2018年中国水资源公报》，2018年京津冀地区水资源总量为217.2亿m3，仅占全国水资源总量的0.79%，人均水资源量192.6 m3，不足全国平均的1/10，而同年京津冀地区用水总量250.1亿m3，其中农业用水135.3亿m3、工业用水27.8亿m3、生活用水53.6亿m3、生态用水33.5亿m3，现状用水总量远超本地水资源量，区域间、行业间用水竞争十分激烈，水资源供需矛盾已成为经济社会发展的关键性约束，超采地下水和跨流域调水成为缓解该地区水资源短缺的主要途径。自2014年南水北调中线一期工程正式通水后，北京、天津、河北、河南等沿线城市供水不足问题得到了一定程度的缓解。截至2018年调水年度结束，南水北调中线一期工程累计向京津冀地区输水107.9亿m3，其中北京市40亿m3、天津市33.9亿m3、河北省34亿m3(https://www.nsbd.cn)；根据南水北调工程总体规划，除中线工程外，东线一期北延工程和二期工程也担负着向京津冀地区增加供水的功能，对于进一步缓解区域用水紧张具有重要意义。

2.2 数据来源

研究所采用的水资源数据资料引自中国水资源公报、京津冀三地的水资源公报及河北省部分地市水资源评价成果。气象数据资料采用中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/)国家气象站点逐日观测数据，社会经济数据资料采用京津冀三地经济统计年鉴的公开资料。受不同口径数据资料序列完整性的限制，省级行政区数据采用2001—2015年序列，地市行政区数据采用2005—2015年序列。南水北调中线及东线工程向京津冀地区调配水量参考《南水北调工程总体规划》《南水北调东线后续工程规划总体方案》《南水北调东线一期工程向北延伸应急供水方案研究报告》，供用水的分配原则及次序也按照规划确定的方案，优先满足城市生活及工业用水。

3 南水北调来水对京津冀地区用水竞争力的影响

3.1 方案设置

为了定量分析南水北调来水对京津冀地区用水竞争力的影响，根据《南水北调工程总体规划》《南水北调东线后续工程规划总体方案》，设置4种来水情景方案，对比分析调水后京津冀地区用水竞争力指数变化。其中:以2015年作为基准情景(S0)，代表调水前的用水状态；S1为中线一期工程调水情景，规划向京津冀地区生活、工业、农业供水46.3亿m3；S2为在中线一期工程基础上叠加考虑东线二期后续工程调水情景，规划向京津冀地区输水70.3亿m3；S3为中线二期工程叠加东线二期后续工程调水情景，规划向京津冀地区输水85.2亿m3。为保障不同方案的可比性，假定各情景方案的驱动增长率、刚性需水量和用水效益指标保持现状情景不变，重点比较分析不同调水情景下用水紧缺程度的变化，以此反映南水北调来水对京津冀地区用水竞争力的影响。根据规划，研究区各市及不同行业分水情况见表1。

表1 南水北调工程不同情景方案京津冀各行业分水情况Tab.1 Different scenarios of the South-to-North Water Transfer Project,the water distribution of each industry in Beijing,Tianjin and Hebei

3.2 不同来水情景下的用水紧缺程度变化

用水紧缺程度取决于区域需水量与可供水量的匹配程度。基准情景(S0)下，京津冀地区的刚性需水总量为150.5亿m3，可供水量163.1亿m3，京津冀地区整体可供水量大于刚性需水量。图1为不同调水情景下农业、工业和生活可供水量以及用水紧缺程度的变化情况，分行业来看，生活用水紧缺程度在南水北调工程加大调水后显著降低，保障程度大幅提高，其中:基准情景S0下可供水总量为32.8亿m3，满足率仅为75.4%，用水紧缺程度达到1.33，说明生活用水还存在较大缺口，见图1(a)；而在S1、S2、S3调水情景下，分别新增生活可供水量18.8亿、30.8亿、34.0亿m3，可供水总量均超过刚性需水总量，刚性需水满足率均达到100%，用水紧缺程度降至0.65，这与南水北调来水优先保障城市生活用水直接相关。农业刚性需水和工业刚性需水由于时空差异性大，存在总体满足、局部短缺的问题，4个情景下区域农业、工业可供水总量均大于其对应的刚性需水总量，通过加大调水则显著改善这一问题，农业用水紧缺程度从0.83降至0.59，降幅在15.6%～28.1%，工业用水紧缺程度从0.80降至0.57，降幅在21.1%～28.7%，这一点在后面有更详细的阐述。

从区域变化看:基准情景S0条件下，北京、邢台、石家庄的刚性需水量在13个市排名前三，而保定、北京、沧州的可供水量在13个市排名前三;邢台、邯郸、衡水是区域内缺水量最大、刚性需水满足率最低、用水紧缺程度指数最大的3个城市。在南水北调通水前，京津冀地区形成了以邢台、邯郸、衡水为中心的平原缺水片区，山区的张家口、承德、唐山、秦皇岛等地则供水保障相对安全，用水紧缺程度的空间差异十分显著。根据设定的多个调水情景，S1、S2、S3情景的可供水量较S0情景分别增加了28.4%、43.0%、51.9%(图2)，尤其是天津、邢台、廊坊在S3情景下的可供水量增加最显著，增幅达121%～125%。随着可供水量的增加，在S1和S2情景下京津冀13个市中有10个市的刚性用水量得到满足，剩余3个市未能满足；在S3情景下，仅有邯郸和邢台的刚性需水量未能得到满足，并且仍然面临较大的用水缺口，刚性需水满足率分别为73.4%、85.3%。

3.3 行业用水竞争力变化

农业用水竞争力变化。南水北调来水直接或间接增加了农业可利用水资源量，一定程度上缓解了农业用水的紧缺形势，增加调水量促使京津冀各市的农业用水竞争力指数缓慢下降(表2)，S1、S2、S3情景下农业用水竞争力指数分别为0.19、0.18、0.17，与S0相比分别减小了8.4%、13.0%和17.0%。从各市变化看，在S0情景下，农业用水紧缺程度及用水竞争力较高地区主要集中在京津冀南部地区，其中邯郸农业用水竞争力最大(0.81)，其次是邢台(0.74)、石家庄(0.68)，形成了以邯郸为竞争中心并向周边城市逐渐扩张的态势。增加外调水源后，受水区各市农业用水竞争力指数均呈下降趋势，但变化幅度及排名存在差异性，例如:天津的农业竞争力指数变化幅度最大，从0.36降至0.29，减小了16%，但区域排名维持不变(第9名)；其次是廊坊，其农业用水竞争力由0.55变为0.45，减小了15.9%，竞争力指数排名则较基准情景S0下降2位，从第4名降为第6名，说明外调水在廊坊增加水源、提升供水保障、缓解用水紧缺方面的作用更为显著；石家庄的农业用水竞争力指数也下降显著，由0.68降至0.57，减小了13.3%，排名维持不变(第3名)。此外，外调水分配结构及区域间相对变化导致保定、唐山的竞争力指数排名产生波动，其中保定在情景S2、情景S3条件下，农业用水竞争力指数排名升高了3位，从第7名升至第4名，说明按照现有的分配方案，保定市的农业用水竞争力相对其他市有所提升。

图1 不同来水情景下各行业可供水量和用水紧缺程度变化Fig.1 Changes in water availability and water scarcity in various industries under different water transfer scenarios

图2 不同来水情景下京津冀各市可供水量变化Fig.2 Changes in water availability of Beijing-Tianjin-Hebei cities under different water transfer scenarios

表2 不同来水情景下京津冀各市农业用水竞争力变化Tab.2 Changes in the competitiveness of agricultural water use in Beijing-Tianjin-Hebei cities under different water transfer scenarios

工业用水竞争力变化。工业用水竞争力指数反映了各市工业生产及其用水格局，在南水北调不同来水情景下，京津冀工业用水竞争力平均降幅为13.5%，多数城市工业竞争压力有所减小(表3)。基准情景S0条件下，工业用水保障需求主要集中在石家庄、天津、唐山、邯郸等工业比重较大的城市，其中石家庄的工业用水竞争力指数最大，达到0.73，天津、唐山、邯郸依次减少，分别为0.50、0.44、0.35。调水后:天津工业用水竞争力指数降至0.36，减小了27.6%，且排名下降1位;唐山工业用水竞争力指数虽然也降低，但排名上升1位；沧州工业用水竞争力指数从0.54降至0.47，排名从第7名降至第9名;衡水从第9名升至第7名；石家庄工业用水竞争力指数从0.73变为0.57，减小了18.1%，排名维持不变。总的来看，京津冀地区工业用水总量相对较小，且工业节水普及度最高、节水技术发展最快，京津冀地区整体上工业用水基本得到保障，但石家庄、天津等核心工业城市的工业用水保障存在明显短板，而外调水源的补充对于缓解核心工业城市的用水短缺问题成效显著。

表3 不同来水情景下京津冀各市工业用水竞争力变化Tab.3 Changes in the competitiveness of industrial water use in Beijing-Tianjin-Hebei cities under different water transfer scenarios

生活用水竞争力变化。生活用水与人口集聚程度及节水水平息息相关，南水北调不同来水情景下，京津冀的生活用水竞争力指数平均减小了23.5%，在一定程度上缓解了当地的生活用水压力。基准情景S0条件下，生活用水竞争以天津、北京为中心，向南延伸到石家庄、邯郸、保定、邢台等地，生活用水保障需求也最为迫切。其中:天津的生活用水竞争力指数最大(0.49，排名第1);其次是北京(0.42，排名第2)。增加外调水源后:天津的生活用水竞争力指数降至0.24(S3情景)，排名降至第4名，平均减小了44.2%;其次是邢台市，生活用水竞争力指数由0.19降至0.12，平均减小了31.4%；北京的生活用水竞争力指数则降至0.27(S3情景)，平均减小了29.7%。石家庄、邯郸、沧州、廊坊、衡水的生活用水竞争力在南水北调不同来水情景下平均减小了22.9%，南水北调来水对缓解京津冀主要城市的生活用水竞争问题成效突出(表4)。

表4 不同来水情景下京津冀各市生活用水竞争力变化Tab.4 Changes in domestic water competitiveness of cities in Beijing-Tianjin-Hebei under different water transfer scenarios

3.4 区域用水竞争力变化

区域用水竞争力是各行业用水竞争力指数的综合反映。在南水北调不同来水情景下，与S0比较，区域用水竞争力指数WCI显著减小，S1、S2、S3情景下WCI值依次减少11.5%、16.9%、19.8%，区域用水竞争分布从环渤海湾区和河北南部地区双中心向河北南部单中心转变，此外由于唐山不在南水北调受水区范围，其用水竞争指数一直处于较高状态，需要采取措施予以缓解。从区域用水竞争变化来看(表5、图3)，京津冀各市的区域综合用水竞争力分布特点是竞争中心由北京、天津进一步向南扩张，石家庄、邢台和邯郸的竞争力指数进一步增大，其中石家庄的WCI值最高。在补充南水北调水后：天津的综合用水竞争力变化率最高，WCI值的平均减幅为28.8%；其次是北京，区域综合用水竞争力指数平均下降24.4%，说明南水北调来水对京津地区用水形势的缓解作用十分显著，也侧面反映了南水北调工程的调水基本达到了预期目的。

表5 不同来水情景下京津冀地区综合用水竞争力变化Tab.5 Changes in the competitiveness of comprehensive water use in the Beijing-Tianjin-Hebei region under different water transfer scenarios

图3 不同来水情景下京津冀地区用水竞争力变化Fig.3 Changes in water competitiveness of the Beijing-Tianjin-Hebei region under different water transfer

无论是现状情景还是未来调水情景，用水竞争力指数高值区域都集中在河北省，其中：石家庄综合用水竞争力指数最高，S0情景下，区域综合用水竞争力指数WCI为1.70，S1、S2、S3情景下WCI值分别为1.42、1.42、1.35，平均减小了17.8%，但仍然是京津冀地区用水竞争最激烈的地区；其次是邯郸，S0情景下的区域综合用水竞争力指数为1.42，S1、S2、S3情景下WCI值分别为1.30、1.30、1.26，平均减幅为9.5%；沧州在S0情景下的综合用水竞争力指数为1.02，S1、S2、S3情景下WCI值降至0.90、0.84、0.80，平均减小了16.9%；其他受水城市的综合用水竞争力指数在南水北调供水条件下平均减小了12.1%。总体来看，南水北调来水虽然并未消除京津冀地区的用水竞争问题，但仍然有力缓解了京津冀地区水资源竞争的紧张状态，协同优化配置京津冀地区的本地水资源和外调水，对于支撑京津冀地区各行业用水保障及可持续发展具有积极意义。

4 结 论

基于构建的用水竞争力指数(WCI)模型，定量分析了南水北调来水对京津冀地区用水竞争态势的影响，京津冀受水区可供水量在南水北调来水后，较基准情景(S0)平均增加85%，但邯郸、邢台的刚性需水量在中、东线二期完成后(S3)仍存在较大的供水缺口，其他受水区域的刚性需水量在南水北调补给情景下均能够得到保障。在南水北调来水与本地水联合供水情况下，生活、工业和农业等3个行业的用水紧缺程度得到了不同程度的缓解，行业刚性需水量均可以得到满足，其中：生活用水紧缺程度下降最快；工业次之；农业最小。

分行业看，南水北调增加调水条件下，京津冀各受水城市的行业用水竞争力指数均呈减小趋势。与S0情景相比，S1、S2、S3情景下农业、工业、生活用水竞争力指数平均减小了10.6%、15.1%和26.1%。从受水区各行业的用水竞争力指数来看，天津、廊坊的农业用水竞争力指数下降明显，平均减小15.9%，其农业用水压力得到显著缓解。沧州、天津的工业用水竞争力指数下降较大，平均减小达到24.3%，在一定程度上缓解了京津冀地区的工业用水压力。北京、天津、邢台的生活用水竞争力指数下降最大，平均减小35%，说明对京津冀地区的生活用水保障能力提升十分显著。

分区域看，在南水北调工程不同来水情景下，京津冀地区用水竞争力指数呈现显著减小的趋势，各情景下WCI值平均减幅为16.1%，天津、北京两市综合用水竞争力减幅最大，平均减小26.6%，区域用水竞争分布从环渤海湾区和河北南部地区双中心向河北南部单中心转变，主要用水竞争中心在石家庄、邯郸和邢台，建议在中东线后续工程水量分配中，增加该区域水量指标，缓解河北南部区域用水竞争压力。

总体来看，南水北调工程来水极大的缓解了京津冀地区的用水压力，对京津冀水资源安全保障及可持续发展具有重大意义。