中国水资源瓶颈问题的分析

中国水资源瓶颈问题的分析

1中国的粮食与粮食资源1994年，美国世界观察研究所（l.r.布朗）发表了一篇题为《谁在中国康复》的文章。根据Brown的分析,中国在21世纪的缺粮将达3.18亿吨。从而动摇世界粮食安全。Brown的文章发表后,陈百明(1996),李岳云(1996)、李荣生(1996)、任兵雪等(1996),对中国土地资源的粮食生产潜力做了较全面系统的分析,认为只要采取适当的措施,中国是完全能够自己养活自己的。1998年7月,Brown又发表了题为《中国水资源的匮乏将动摇世界粮食安全》的文章,文章认为导致中国粮食不足的主要原因,耕地不足仅是一个方面,水的匮乏则是致命因素。Brown分析了未来我国的需水状况。他认为我国到2030年需水量将达到1068亿立方米,而我国现有可供水量只有5000亿立方米左右,预计未来可能的开采量是1000亿立方米,这样未来总共可能有的供水量为6000亿立方米,和需水量相比,将缺水468亿立方米。而未来工业和城市将迅猛发展,用水量也会剧增,由于大量的农业灌溉用水被转变为工业和城市生活用水、地下水的枯竭及水质污染的加剧,导致农业灌溉用水匮乏,中国的粮食生产受到威胁,中国必将从国外大量进口粮食。这必将使世界粮食供应安全处于危险境地。那么中国的水资源状况是否真如Brown所预测的那样严重呢?这正是本文所要讨论的问题。2水资源分析与建模2.1投入产出平衡Brown分析的特点是根据我国过去水资源利用情况外推的。这一分析的不足在于忽视了中国作为发展中国家,产业结构在进化,这种进化可能导致用水量的变化。中国未来产业结构的任何变化,不是任意估计的,因为一个部门的变化会引起其他部门的变化,同样的国民收入,产业结构不同,用水状况会不同,水资源系统的复杂性在于它和经济系统之间的复杂联系。水资源分配的变动,会引起其它经济部门的变动,某些经济部门的变动会引起其他经济部门的变动,反过来又会引起水资源分配的变动。因此我们需要在一般均衡意义上认识这种产业结构。这种均衡状态涉及到多个部门,要多个部门保持平衡。一般均衡的模型有很多,投入产出模型正是体现这种多部门的平衡的均衡模型。本文在一般均衡的思想下,用投入产出平衡来体现水资源经济系统各个部门的相互制约的关系,建立了水资源区域经济综合协调发展模型,分析在一定经济目标下,怎样的用水结构能够满足这一目标。在一般的水资源与产业经济协调问题分析中,人们通常采用线性规划模型。例如用线性规划的方法,姜意针(1988)建立了煤电水产业综合协调发展模型;徐鸿德(1990)对区域工业用水与工业结构调整进行了系统分析。在一般均衡框架下,在考虑经济发展中的水资源问题时,线性规划的约束条件不能任意给出,必须符合投入产出的平衡。对于发展问题来说,首先我们希望若干年后达到某个经济目标,要寻找一个合适的经济结构,这个结构的投入产出是平衡的,这就构成了线性规划的逆问题。线性规划用逆问题是:给定一个最优化问题的可行解,怎样通过调整目标函数或约束中的参数使得这个可行解成为改变后的优化问题的最优解,并且这种调整在某种意义下是最小的(与原参数之间的模最小)(Berton.,Toint,1992)。2.2资源系统的优化设计基于一般均衡模型的思想,注意到水量平衡与经济均衡满足投入产出平衡关系,我们有如下线性规划模型的结构。目标函数:maxJ(X)(1)目标函数:maxJ(X)(1)约束条件:投入产出约束A1X=B1(2)水资源利用约束A2X=B2(3)X≥0(4)投入产出约束A1X=B1(2)水资源利用约束A2X=B2(3)X≥0(4)目标函数是所要达到的最大经济指标,约束条件有两类,一是投入产出约束,二是水资源利用约束。投入产出约束体现了国民经济各个用水部门间的相互约束,是一般均衡中部门约束的反映;水资源利用约束是用水总量的控制。在一般的规划问题中,我们面临的提法是给定矩阵Ai和Bi,求使J(X)最大的X。在这里我们面临的问题是,在给定中国未来发展目标的情况下是否有一种经济结构,使得可以在中国的水资源条件下达到给定的目标;这就成了线性规划的逆问题。对线性规划逆问题求解的研究,从1992年开始有这方面的文章发表,涉及最短路逆问题、最小消费流等。这里的资源系统分析的逆问题,试图求解某一规划的经济目标下,怎样的经济结构才能满足这一目标,目前还缺少成型算法。所以我们在这里将采取参数调试的办法,代入不同的参数,用单纯形法求解,符合目标值的参数即为我们所求的参数。对应模型,要调的参数即为约束条件中的A1,A2,B2,这些参数可以看成是情景参数,我们可以设想不同情景,研究在不同情景下系统的状态。水资源的约束参数A2,B2分别对应于情景节流和开源。降低参数A2值代表生产技术提高,水资源利用率提高;提高参数B2代表扩大可供水能力,增加水资源总量。由于缺乏详细的资料,不可能对这些参数做精确的调整,同时为了计算的方便,参数变动按照同一比例进行。参数A1是投入产出的直接消耗系数,代表产业结构,它们不可任意调整和虚构,为解决这个问题,本文采用投入产出直耗系数替换的方法。也就是用一个现在相对于全国来说是比较先进的城市的产业结构来代替到21世纪上半叶的全国的产业结构,用该城市的投入产出直接消耗系数来代替全国的投入产出直接消耗系数,以此来表示投入产出的产业结构是实在的。估计未来产业结构,选取全国经济最发达的两个城市北京和上海是比较理想的。上海是我国经济最发达的城市,产业结构先进;北京是全国的经济也很发达,产业结构以重化工业为主,北京虽然产业结构不如上海先进,但是她的各行各业比较齐全,行业分类和全国接近,但又先进于全国平均水平。我国是发展中国家,重工业尤其是耗水型的原材料工业在相当长的一段时间内还将继续存在。所以,本文选择北京的产业结构估计全国未来可能达到的发达水平,用它们的投入产出的直接消耗系数代替全国的直接消耗系数,这样既避免了产业结构参数的盲目“调整”,达到产业结构调整的目的。2.3模型主要变量本文使用的模型从结构上看是一个线性规划模型,其数学表达式为:目标函数:max(z)=13∑j=1Yj(5)max(z)=∑j=113Yj(5)式中,Z为国民收入值,Yj表示种植业与工业部门的最终产值,j=1-13依次为水稻、小麦、玉米三种主要粮食和煤炭采选业、食品制造业、纺织业、造纸业、电力工业、石油加工业、化学工业、冶金工业(黑色)、机械工业、其他行业。其它行业为其余的工业部门的归类。约束条件:(1)投入产出约束:水资源经济系统各用水部门相互制约,满足投入产出平衡AX+Y≤X(6)AX+Y≤X(6)A为直接消耗系数矩阵,X为产值矩阵,Y=(Y1,Y2,Y3)T为最终产品产值矩阵(矢量)。(2)粮食总产量约束:为保证未来人口粮食足够吃,粮食产量必须大于一定的数量。3∑j=1Yj/pj≥F(7)∑j=13Yj/pj≥F(7)pj为j粮食单价,F为目标粮食产量。(3)农业用水量的约束:总的水量一定,农业用水必然受到一定的约束:3∑j=1ξjXj/pi≤Q1(8)∑j=13ξjXj/pi≤Q1(8)ξj(j=1~3)为单位重量粮食作物用水量,Q1为农业可用水总量。(4)主要粮食的产值约束:粮食生产中最终产出有一定比例的限制:3∑j=1Y1j≥α(X1+X2+X3)(9)∑j=13Y1j≥α(X1+X2+X3)(9)α为主要粮食产值占农业总产值的比重(5)工业用水量的约束:工业用水也受到一定的约束:13∑j=4γjXj≤Q2(10)∑j=413γjXj≤Q2(10)γj为万元产值用水量,Q2为工业用水总量(6)人口约束:按照人口发展趋势,未来人口数必须不少于可能人口的最低值:R＞Ρ0(11)R＞P0(11)R为总人口数,P0为21世纪预测可能达到的最低人口数。(7)城市生活用水约束:和工农业一样,城市生活用水也是有一定的限制:λβR≤Q3(12)λβR≤Q3(12)λ为城市化率,β为人均年用水量,Q3为城市生活用水量(8)总用水量的约束:受技术和资金的限制,在一定时期内区域可供水量是一定的:Q1+Q2+Q3≤Q(13)Q为总可供水量(9)最终产值的约束:工农业的总产值中,最终产出受到一定比例的约束:Y11≥μ1Χ10(14)Y20≥μ2Χ22(15)μ1为农业种植业最终产出占农业种植业总产出的比重,μ2为工业各部门的最终产出占总产出的比重。上标1,2分别表示农业种植业和工业的相应量之和。本模型共29个变量,155个参数,用单纯型法在计算机上实现。在具体求解过程中,先给定一组经济结构、用水水平情景参数,用线性规划模型的求解,求最优目标值,比较是否达到给定的目标值,如达到则停止,但是情景参数即我们需要实施的经济结构调整和水资源政策参数,是需要认真推敲的,它们构成了问题的难点。3经济结构参数,食食价格“n,n对于第二节建立的模型,必须对有关的参数进行估计。本模型的参数可以分为三类,分别为政策参数、经济结构参数和情景参数。政策参数为目标值、开源节流潜力和规划目标中的总人口P0,城市化率λ,城市人口R和总粮食产量F。这些参数反映一定的政策方向。经济结构参数为投入产出直接消耗系数A,万元产值用水量γj,人均用水量β,单位作物用水量ξj,粮食价格Pj,行业最终产出比重μ2和主要粮食作物最终产出占粮食总产出的比重μ1。这些参数是经济结构的具体体现。情景参数是投入产出直接消耗系数A,万元产值用水量γj,单位作物用水量ξi和总可供水量Q。A,γj,ξj,Q体现了一定的经济结构和技术水平,对这些参数设置不同的情景值,可以反映出不同的经济结构和技术水平下的用水状况。3.1参数评估3.1.1模型预测:nΝ=Ν0(1+δ)t(16)可以计算出未来30年国民收入的目标值。这里,N为预测年份的国民收入,N0为1995年的用美元表示的国民收入值,为相应的经济增长率,t为预测期。预测目标值:2010年为14138.2万美元,2030年为28135.0美元。3.1.2最大节水潜力受经济和技术水平的限制,节流和开源潜力是有一定的限度。据刘昌明,何希吾(1996),1980年代万元产值用水量的平均增长率为-8.3%,估计1990年到2000年为-6%,2000年到2010年为-4%,2010年到2030年为-3%。以1980年为基础,按照公式η=(1+σ)t(19)计算节水潜力。式中为节水潜力,为万元产值用水量的平均增长率(取其绝对值),t为时间计算,得出从2000年工业的最大节水潜力为1980年的46.14%,2010年1980年的64.2%,2030年为1980年的80.5%。应该指出,这个节水目标是可以实现的。目前,华北地区的钢铁长生产吨钢耗水25~26吨左右,而美国和日本只需要5.5吨,比我国节水80%左右。我国造一吨纸耗水450~500吨左右,而德国只需7吨,节水更为可观。衡量农业节水的主要指标是水分利用率,在本模型中使用单位作物产量的用水量。农业节水潜力很大,我国粮食平均水分利用率为4.5~7.5kg/(mm·hm2),以色列是世界粮食水分利用率最高的国家,其利用率为19.95kg/(mm·hm2),是我国的3.32倍。以此为标准,我国粮食单位产品用水量可以下降至30%,即农业最大节水潜力为70%(见表1)。据刘昌明(1995)估计,将来我国较为实际的洪流调控值为7000亿立方米。从目前的经济和技术发展水平来看,到2030年,我们估计新增水量在1000亿以下。所以我们把最大开源潜力的上限定为1000亿立方米,即到2030年最大可能拥有的水量为6000亿立方米。3.1.3确定现行政、税收、教育的基本内容,即使城市的科学发展,为现代化的城市人口、粮食产量经济发展的宏观经济指标是一个广泛的领域,包括国民收入、就业、城市化、财政、税收等,其中就业、财政、税收和本文没有直接联系,在这里选取国民收入N、总人口P,城市化率λ,城市人口R和总粮食产量F。国民收入作为模型的目标值已经做了分析,其结果如表2。数据来源是沈建法(1999)估计的。3.2经济结构参数的估计3.2.1直接消耗系数aij投入产出的直接消耗系数是根据1995年的投入产出表的消耗系数表计算得来的。本文假设1990年代以来经济结构保持不变。在这个前提下,可以假设1995年的经济结构和1990年的一致。根据耗水量的多寡,本文把国民经济部门分为11类,如模型所示。由于投入产出表的部门有33个,为此需要对投入产出表的直接消耗系数进行修改,使符合模型需要。根据投入产出表的基本流量表,把第一象限每一行需要合并的行业的消耗值相加,作为其它各行业对合并项的消耗;同样把每一列需要合并的行业的最初投入相加,做为其它各行业对合并项的投入。之后计算合并项的总投入。然后根据公式aij=xijxj(18)计算直接消耗系数。这里j代表新生成的合并项,xj为合并项的总投入,xij为算出的合并项的行和列的值。aij即为直接消耗系数。不需要合并的各行业之间的消耗系数保持不变。合并后各列消耗系数总和为1,表明直接消耗系数修改正确。这样我们得到,全国现状产业结构的直接消耗系数和全国未来可能的产业结构的直接消耗系数。3.2.2典型区域的选取和水资源的合理利用水资源区域利用率差异很大,我国很少有全国的平均指标。只在1980年代中期曾进行过一次大规模的全国国土资源调查,其中包括全国水资源的调查,这里有统计的全国用水的平均指标。必须把1980年代中期的用水量调整到1990年。由于没有全国的数据,只能选取典型区域作为代表。华北地区由于水资源比较缺乏,该区水资源合理利用的工作做得很好,本文选该区作为典型代表,根据该地区万元产值用水量的变化情况,对全国数据进行了调整。这样我们也能恰当的描述将来水资源紧张的情况。调整的关系为(19)式。计算初值为1980年代中期万元产值用水量,选自《实用环境保护数据大全》(国家环保局,1993)。3.2.3分析作物用水效益计算单位作物用水量是指每生产一个单位的粮食,所需要消耗的水量,这里的单位取公斤(kg)。分析作物用水效益的最佳指标是水分利用率。一般水分利用率的统计值都是试验田的实验结果,地方代表性强,不具有通用性。所以本文采用常用指标作物亩均用水和亩产,通过计算求出单位作物用水量(见表4)。3.2.4全国城市均生活用水1991年全国城市人均生活用水为74.7m3/a,2030年为100m3/a(刘昌明,何希吾,1996),本文认为2000年全国城市人均生活用水保持1991的水平不变,取2010年全国城市人均生活用水为80m3/a,则21世纪全国城市人均生活用水量估计如表5所示。3.2.5不变价ss模型中目标函数是用美元表示的国民收入,该数据是以1986年的国民收入为不变价。为了取消通货膨胀和物价因素的影响,粮食价格仍用1986年的价格,数据见表7。3.2.6主要行业的最终产量1%，主要粮食的最终产量2%主要行业最终产出比重μ1和主要粮食作物最终产出占粮食总产出的比重μ2的数据直接从公开发表资料中查得,如表7,表8所示。4计算开源节流和现有用电用量4.1模拟结果根据2010年全国相应的宏观经济指标,保持现有产业结构,我们首先分析2010年的情况,结果发现既使开源达到最上限,总的可利用水量达到6000亿立方米,并且工农业分别节流65%、60%时,得出的计算值为12003.87,远低于目标值14138.205。而此时的工农业节水已经达到其上限水平。显然单靠开源和节流,我国的水资源量是无法满足经济发展的需求。布朗诘难是真实的。针对布朗诘难,我们提出加速转变中国的产业结构,为表征我国2010年经济发展的可能产业结构,我们用北京的产业结构代替全国现状产业结构,用北京市的投入产出消耗系数代替全国投入产出消耗系数,重新进行计算。首先考虑节流方案不考虑开源,我们达到如表9所示结果。从2010的节流方案的中可以看出,即使农业节水达到55%,工业达到60%,如情景103所示,计算值只能达到13993.46万美元,低于目标值。根据工、农业节流潜力的计算,农业的最大节水潜力为70%,到2010年农业节水过半数已经相当可观,难于再降;工业的节水极限64.2%,到2010年工业节水达到60%已不能再降。开源势在必行。考虑开源的方案,从表9中可以看出,开源方案的三个情景中,计算值全都满足目标值。这三个情景,农业节水一样,只是工业节流和开源力度不同。其中情景104开源力度最大,在2000年的基础上又增加8%的水量,工业节水力度最小,只有50%,低于上限值64.2%;情景105和情景106的开源力度均为5%,情景106的工业节水力度最大,为60%,接近上限。依照我国现有水利工程状况,通过修建大型水库蓄水的开源措施是有限的,小型蓄水措施,开源能力有限,既是采用南水北调工程,开辟水源的量也是有限的。所以本文认为在2010年开源5%比较可行。情景106来看,开源力度适中,但是由于工业节水受到资金、工艺技术等因素的限制,工业节水达到60%还是有一定的难度的,所以综合考虑,情景105最为合理,这时,工业节水和开源力度都适中。在上述计算中,我们考虑了技术进步产生的节水效应,所用的各行业万元产值用水量和单位作物用水量分别见表10和表11。保持2010年的产业结构,根据2030年的规划目标,我们分析了2030年的情况。同样,首先分析节流方案。计算结果表明到2030年,若不开源,则必须工业节水80%,农业节水70%,才能保证预期的经济发展。但这时工、农业节水均达到节水极限,考虑到工艺水平及资金技术等方面的限制,实现这一情景方案很困难。针对这种情况,只能开源节流并重。我们再看2030年开源的方案。计算结果如表12所示。从表12中我们可以看出,当工、农业分别节水65%、80%,在2010年5500亿立方米的基础上,在开源5%,达到5775