水資源承載能力管理論文

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本文將從水資源承載能力的概念談到內涵，揭示“水資源承載能力”的真正含義，討論水資源承載能力和水環境承載能力的概念；從影響水資源承載能力大小的主要因素分析來探討水資源承載能力量化研究的框架；并針對水資源承載能力計算提出幾個關鍵問題。

1城市水環境與水資源承載能力概念

1.1水資源承載能力的概念及內涵

水資源承載能力（CarryingCapacityofWaterResources–CCWR，又可翻譯成SupportingCapacityofWaterResources–SCWR）的概念，最早源自于《生態學》中的“承載能力”（CarryingCapacity）一詞，是自然資源承載能力的一部分。其研究的主體是資源與環境系統，客體是人類或更廣泛的生物群體。而“承載能力”的概念最早可以追溯到馬爾薩斯（Malthus）“人口理論”中關于“有限糧食對人口增長的支撐能力”的論述（SeidlandTisdell,1999）。20世紀90年代早期，有的學者提出了水資源承載能力的概念并被應用于干旱半干旱地區和城市區（施雅鳳等，1992；李令躍，2000；Guo等，2001；左其亭、陳曦，2003）。近年來，我國不少學者對水資源承載能力的概念及計算方法進行了深入探討。關于水資源承載能力的定義，人們從不同研究角度給出了不同的定義，這里列舉幾個代表性的定義：

（1）水資源承載能力是指某一地區的水資源，在一定社會歷史和科學技術發展階段，在不破壞社會和生態系統時，最大可承載（容納）的農業、工業、城市規模和人口的能力，是一個隨著社會、經濟、科學技術發展而變化的綜合目標（施雅鳳等，1992）；

（2）在某一歷史發展階段的技術、經濟和社會發展水平條件下，水資源對該地區社會經濟發展的最大支撐能力（劉燕華，2000）；

（3）某一歷史發展階段，以可預見的技術、經濟和社會發展水平為依據，以可持續發展為原則，以維護生態良性循環發展為條件，在水資源得到合理開發利用下，該地區人口增長與經濟發展的最大容量（李令躍，2000）；

（4）一個流域、一個地區、一個國家，在不同階段的社會經濟和技術條件下，在水資源合理開發利用的前提下，當地水資源能夠維系和支撐的人口、經濟和環境規?？偭浚ê蜗Ｎ幔?000）；

（5）一定的區域內，在一定的生活水平和生態環境質量下，天然水資源的可供水量能夠支持人口、環境與經濟協調發展的能力或限度（馮尚友，2000）；

（6）水資源承載能力，指的是在一定流域或區域內，其自身的水資源能夠持續支撐經濟社會發展規模，并維系良好的生態系統的能力（汪恕誠，2001）；

（7）可理解為某一區域的水資源條件在“自然-人工”二元模式影響下，以可預見的技術、經濟、社會發展水平及水資源的動態變化為依據，以可持續發展為原則，以維護生態良性循環發展為條件，經過合理優化配置，對該地區社會經濟發展所能提供的最大支撐能力（惠泱河等，2001）；

（8）在一定的水資源開發利用階段，滿足生態需水的可利用水量能夠維系有限發展目標的最大的社會-經濟規模（夏軍，2002）。

關于水資源承載能力的定義還可以列舉很多。盡管在表述上各有不同，但其表現的基本觀點和思路并無本質差異，都強調了“水資源支撐能力”的含義。從水資源承載能力的含義來分析，至少具有如下幾點內涵（左其亭、陳曦，2003）：

（1）在“水資源承載能力”概念中，主體是水資源，客體是人類及其生存的社會經濟系統和環境系統，或更廣泛的生物群體及其生存需求。“水資源承載能力”就是要滿足客體對主體的需求或壓力，也就是水資源對社會經濟發展的支撐規模；

（2）“水資源承載能力”具有空間屬性。它是針對某一區域來說的，因為不同區域的水資源量、水資源可利用量、需水量以及社會發展水平、經濟結構與條件、生態與環境問題等方面可能不同，水資源承載能力也可能不同。因此，在水資源承載能力定義或計算時，首先要圈定研究區范圍。

（3）“水資源承載能力”具有時間屬性。在眾多定義中均強調了“在某一階段”，這是因為在不同時段內，社會發展水平、科技水平、水資源利用率、污水處理率、用水定額以及人均對水資源的需求量等均有可能不同。因此，在水資源承載能力定義或計算時，也要指明研究時段，并注意不同階段的水資源承載能力可能有所變化。

（4）“水資源承載能力”對社會經濟發展的支撐標準應該是以“可承載”為準則。在“水資源承載能力”的概念和計算中，必須要回答：水資源對社會經濟發展支撐到什么標準時才算是最大限度的支撐。也只有在定義了這個標準后，才能進一步計算水資源承載能力。一般，可以把“維系生態系統良性循環”作為水資源承載能力的基本準則。

（5）必須承認水資源系統與社會經濟系統、生態系統之間是相互依賴、相互影響的復雜關系。不能孤立地計算水資源系統對某一方面的支撐作用，而是要把水資源系統與社會經濟系統、生態系統聯合起來進行研究，在社會經濟—水資源—生態復合大系統中，尋求滿足水資源可承載條件的最大發展規模，才是水資源承載能力。

（6）“滿足水資源承載能力”僅僅是可持續發展量化研究“可承載”準則的一部分（“可承載”準則包括資源可承載、環境可承載。資源可承載又包括水資源可承載、土地資源可承載等），它還必須配合其它準則（有效益、可持續），才能保證區域可持續發展。因此，在研究水資源可持續利用合理配置時，應以“水資源承載能力”為基礎，以可持續發展為準則（包括可承載、有效益、可持續），建立水資源優化配置模型。

根據以上分析，本書作者曾把“水資源承載能力”簡單定義為：“一定區域、一定時段，維系生態系統良性循環，水資源系統支撐社會經濟發展的最大規?！保ㄗ笃渫ぁ㈥愱?，2003），可以概括為圖1.1的概念圖。

圖1.1可以形象地表達出水資源承載能力的概念，簡單解釋如下：

水資源系統與生態系統相互支撐、共同作用，來共同支撐社會經濟系統。

社會經濟系統對水資源系統可以進行開發利用和保護，對生態系統一方面可以進行保護，一方面又有可能進行破壞。因此，社會經濟系統與水資源系統和生態系統之間又是相互制約的關系。如果支撐的社會經濟規模太大，水資源系統和生態系統就難以支撐，難以確保水資源的可持續利用和生態系統的良性循環。

在一定條件下，如果生態系統達到良性循環的極限，這時其對應的社會經濟最大規模就稱為是“承載能力”。因此，水資源承載能力是在“社會經濟—水資源—生態復合大系統”有機運轉下，達到“生態系統良性循環”目標時的“最大社會經濟發展規?！薄?/p>

在特定的城市區，所確定的水資源承載能力就是城市水資源承載能力。因此，可以仿照水資源承載能力的定義，把“城市水資源承載能力”簡單定義為：“在特定的城市區，一定時段內，維系生態系統良性循環，水資源系統支撐社會經濟發展的最大規模”。與一般流域或區域相比，城市區人類活動強烈，人口、工業、商業集中，本地水資源一般滿足不了城市用水需要，污水排放集中且量大，水資源承載能力計算一般比較復雜。另外，一般城市區不是一個完整的流域，在計算城市水資源承載能力時，要滿足流域（或更大區域）尺度上的水資源承載能力要求（或水資源可持續利用要求）。也就是說，城市水資源承載能力計算一般是基于一定水資源邊界條件下進行的。

1.2水資源承載能力的影響因素

從以上關于水資源承載能力的內涵分析可以引申出影響水資源承載能力大小的主要因素，大致可以分為三大類：

第一類：水資源系統本身特性

水資源系統是水資源承載能力的主體，水資源系統的可利用水資源量大小是其承載能力的內因。也就是說，水資源承載能力大小首先是由水資源系統所能提供的水資源量決定的。在城市區，一般本地水資源滿足不了用水的需求，需要考慮流域（或更大區域）一定的水資源條件。

第二類：人類活動能力及意識形態

人類是水資源承載能力的客體，在很大程度上影響著水資源承載能力。（1）水資源利用率。這是決定單位水資源量能夠養活多少人口或帶來多大經濟效益的重要指標，是水資源承載能力計算的關鍵指標。（2）科技進步通過提高水資源利用率、重復利用率、污水處理率等提高水資源承載能力?？茖W技術能促進經濟增長，提高資源利用效率，降低污染處理成本，改善人類生存環境。隨著科技的進步，原來不能治理的污染現在可以治理了，原來需要花費很大代價才能治理的污染現在需要花費較小的代價。這些變化都有可能促進水資源承載能力的提高。（3）本區域發展戰略。它反映一個國家或地區的發展規劃或發展模式，對水資源的分配和利用有重要影響，從而影響到水資源承載能力。（4）管理體制和法制。它反映了人們用水、治水、保護水資源的基本思路。有些管理體制或法制對水資源的利用和保護有積極作用，有些甚至有消極作用。這在很大程度上影響著水資源承載能力。

第三類：定義“是否可承載”的目標差異

這是關系到水資源承載能力計算的一個關鍵問題，也就是，要人為確定“達到什么樣的標準時的最大承受能力才是水資源的承載能力”。前文在定義“水資源承載能力”概念時，是以“維系生態系統良性循環”為判斷目標。另外，也可以制定一些判斷目標，計算得到人為干預下的水資源承載能力。肯定會因為確定的目標差異而導致計算結果的不一致。

1.3水環境承載能力的概念及內涵

前文對水資源承載能力的概念進行過簡單介紹和探討。從對水資源承載能力的定義和解釋中可以看出，水資源承載能力特別強調“生態系統良性循環”這個目標。針對水環境來說，水體到底能容納多大的污水及污染物，這是水環境承載能力計算問題。在城市區，生態與環境狀況在很大程度上取決于城市區所具有的水資源數量和水資源質量。因此，可以說，水環境承載能力是城市水資源承載能力表現的重要方面和前提條件。

關于水環境承載能力的概念及與水資源承載能力的關系，汪恕誠（2001）曾論述為“水資源承載能力講的是用水即取水這一面。你用了水之后，產生了污水，污水又排放到一定的水域里去，這個水域能夠承載多少污水和污染物的排放呢？因此，水環境承載能力指的是在一定的水域，其水體能夠被繼續使用并仍保持良好生態系統時，所能夠容納污水及污染物的最大能力?！?/p>

如果不去過多地“摳字眼”的話，水環境承載能力也就是我們通常所說的“水環境容量”或者說是“水環境（水體）納污能力”、“水環境容許污染負荷量”等等，都是一個概念，一個意思（崔樹彬，2002）。實際上，兩者也有細微差別，水環境承載能力強調以“保持生態系統良性循環”為目標。但是，為了在實際應用中便于操作和顯示污水處理廠的作用，針對城市水環境問題，本書作者建議采用“水體容許城市污水最大排放量”作為水環境承載能力指標。這種定義就與“水環境容量”、“水環境（水體）納污能力”、“水環境容許污染負荷量”等概念有很大區別。它不僅取決于水體納污能力，還與該城市污水處理能力有關。也就是說，本書定義的水環境承載能力不僅是與水體本身的納污能力有關的問題，還是一個與人類活動有關的問題；是在人與自然共同作用下，水體所能容納的最大城市污水排放量。這種定義的優點是，可以很清楚地區分出一定條件下城市最大可以排放的污水量。這種定義的缺點是，還不能表達水體納污能力，并且計算的承載能力與污水處理能力有關，這在不同年代可能是一個變值。為了克服這種缺點，在應用時同時采用“水環境納污能力”和“水環境承載能力”，來分別表示“水體所能容納的最大污水量”和“水體所能容納的最大城市污水排放量”。

根據本書定義的水環境承載能力概念，可以把城市水環境承載能力計算思路形象地表達為圖1.2的形式。

簡單解釋如下：

城市生活、生產、生態需要從水體中引水，同時又排放出大量的污水。在排放的污水中，一部分被污水處理廠處理后再排入水體，一部分直接排入水體。如果排入水體的污水量過大，就難以確保水體水質能被控制在某一可接受的范圍內，也就難以確保生態系統良性循環。

在一定條件下，如果生態系統達到良性循環的極限，這時其對應的水體最大可以接納的城市污水排放總量，就稱為“水環境承載能力”。簡言之，水環境承載能力是指“水體維持生態系統良性循環所能承受的城市污水最大排放量”。

水環境承載能力控制目標強調的是生態系統的良性循環?，F在的問題是，什么樣的狀態才算是生態系統良性循環？用哪些指標來表征？

考慮城市水資源系統和范圍更大的區域水資源系統生態良性循環，一般應該在以下幾方面加以控制：一是，城市污水或污染物排放總量不得超出一定限度（即，總量控制）；二是，一定區域水體的水質不得超出水體本身水功能區的水質標準（即，濃度控制）；三是，城市相關河流的徑流量不得小于河流最小基流量（即，滿足生態用水）。如果把這三方面的控制范圍作為生態系統良性循環的判別目標，在這種目標下得到的最大允許城市污水排放量就是水環境承載能力。其基本思路是，以控制目標為約束，以水量水質模型為基礎，反推水環境承載能力，稱此方法為“基于模擬和優化的控制目標反推模型”方法（ASimulation-andOptimization-BasedControlObjectInversionModel），簡稱COIM模型。關于水環境承載能力的計算模型及方法詳見《城市水資源承載能力——理論.方法.應用》（化學工業出版社，2005）。

2城市水資源承載能力量化研究框架及關鍵問題

2.1量化研究框架

基本思路：緊扣水資源承載能力概念，以“水資源系統、社會經濟系統、生態系統相互制約（模擬）模型”為基礎模型，以“維系生態系統良性循環”為控制約束，以“支撐最大社會經濟規?！睘閮灮繕?，建立最優化模型。通過最優化模型求解（或控制目標反推）得到的“最大社會經濟規?！本褪撬Y源承載能力。我們稱此方法為“基于模擬和優化的控制目標反推模型”方法（ASimulation-andOptimization-BasedControlObjectInversionModel），簡稱COIM模型方法。

水資源承載能力計算框架簡單表述如圖2.1，表達了水資源承載能力量化研究“COIM模型方法”的基本思路。

COIM模型方法是把城市最大社會經濟規模（即，這里代表水資源承載能力）作為目標函數，把水資源循環轉化關系方程、污染物循環轉化關系方程、社會經濟系統內部相互制約方程、水資源承載程度指標約束方程以及生態與環境控制目標約束方程聯合作為約束條件，建立起一個優化模型。通過該優化模型的求解，得到的目標函數值就是水資源承載能力。

在COIM模型中，水資源系統、社會經濟系統、生態系統本身的復雜性和相互制約關系得到了體現，并且水資源承載能力概念所要求的“生態系統良性循環”也被作為一個約束條件包括在模型中。水資源承載能力的計算結果既可以采用優化模型求解來得到，也可以采用控制目標反推得到。

2.2關鍵問題

針對上文介紹的COIM模型方法，主要有以下幾方面的關鍵問題：

（1）目標函數選擇問題

圖2.1是水資源承載能力計算的一個框架圖。如果水資源被開發利用后，能確保水環境及生態系統可承載，那么，這時的水資源系統處于可承載范圍之內。根據這一最大范圍就可以確定水資源系統能夠支撐社會經濟發展的最大規模，這就是水資源承載能力。

在此模型中，用最大的社會經濟規模來表達水資源承載能力。所以，一般“水資源承載能力”不只是一個數值，而是由表征社會經濟規模的一組數值組成的集合，如人口數、工業產值、農業產值、城市面積等?？梢园选八Y源承載能力”的集合表達為：

F={f1,f2,∧，fn}（2.1）

上式中，F為水資源承載能力；f1，f2，…，fn分別為社會經濟規模的表征指標。為了敘述方便起見，下面只選擇人口數、工業產值、農業產值三個指標來進行討論。

從水資源承載能力的概念可以引申出：假如工業、農業及其它行業發展規模和用水量一定，可以通過人均用水定額來計算城市水資源最大供養的人口數，即得到“水資源人口承載能力”；再假如生活用水一定，可以通過萬元產值耗水量來計算最大的經濟發展規模，即得到“水資源經濟承載能力”。實際上，在一定條件下計算水資源人口承載能力和水資源經濟承載能力都是比較理想化的。因為它們都是假設在其它條件不變的情況下得到的結果。實際上，人口、社會、經濟是一個十分復雜、相互聯系、相互制約的大系統，應該把它們納入一個大系統中來研究。

因此，針對COIM模型來說，首先遇到一個問題就是“目標函數選擇問題”。到底是選擇一個指標還是多個指標？一方面，它決定著模型的性質和求解方法的選擇。如果是單指標，所建的模型是單目標優化模型，如果是多指標，所建的模型就是多目標優化模型；另一方面，它還影響到模型約束方程的選擇。假如選擇的是單目標（如人口），還要考慮其它表征社會經濟規模的指標（如工業產值、農業產值）與已選擇的目標（如人口）之間的量化關系，需要把這個量化關系方程作為模型的一個約束條件放到模型中；再一方面，目標函數的選擇也反映了水資源承載能力關注社會經濟系統側重面的選擇。一般，人們在分析計算水資源承載能力時經常用到“人口總數”指標，所以，在COIM模型中，常常選擇“人口總數”最大作為目標函數。在這種情況下，需要建立“人口總數”與“工業產值”、“農業產值（或耕地面積）”等指標之間的量化制約方程?？梢院唵卫斫鉃?，在一定條件下，如果人口數要增加，其所需的經濟收入和糧食產量也應該隨之增加，它們之間的比例關系可以用一個區間數來表達。并把這個量化制約方程作為模型的一個約束條件。通過這個方程，模型不僅考慮了“人口總數”單個目標值，也同時考慮了其它表征社會經濟規模指標的變化。這樣一來，在計算結果中，表達社會經濟規模的指標也同樣可以寫出多個。

（2）基礎模型問題

在上文介紹的COIM模型中，需要建立表征社會經濟系統、水資源系統、生態系統變化及相互制約關系的量化模型，作為模型的約束方程，用于表達“社會經濟—水資源—生態”耦合系統互動關系。由于耦合系統的復雜性，量化建立這樣的基礎模型十分不易。因此，建立COIM模型，必定會遇到基礎模型問題。關于這一部分詳細內容可參見有關文獻。

為了表征水資源量之間的變化，需要建立水資源循環轉化關系方程。包括大氣降水量、蒸發量、地表水資源量、地下水資源量、各業引用水量、排放水量、跨區域調水量、流入本區水量、流出本區水量等等，建立各變量之間的量化關系和量化方程。用這些方程把水資源循環過程定量化地聯系起來，從理論上滿足水量平衡要求。

為了表征水中污染物運移轉化關系，定量計算水體污染物濃度和排放污染物總量，需要建立污染物循環轉化關系方程。包括各業污水排放量、污水處理量、污染物自凈消耗量、來水污染物總量、出流污染物總量、地表水體污染物總量、地下水體污染物總量等等，建立各變量之間的量化關系和量化方程。用這些方程把水中污染物循環過程定量化聯系起來，同時能定量計算某特定水體的污染物濃度和城市排放污染物總量，為“生態系統良性循環”判別約束方程提供計算基礎。

社會經濟系統是水資源系統承載的對象，其眾多指標也是相互制約的，它們組成一個完整的巨系統。這個系統本身也是相互制約的，因此需要建立社會經濟系統內部相互制約方程，以表達社會經濟系統發展的整體趨勢和相互制約關系。特別是當目標函數為單目標時，建立這種關系方程更為重要。另外，研究規劃水平年的水資源承載能力，不僅要弄清楚水資源系統的變化，而且要結合社會經濟系統的發展變化，需要站在變化了的自然和社會來分析未來的發展趨勢。因此，水資源承載能力量化研究的另一個基礎模型是對社會經濟系統的模擬。

為了約束水資源利用量不能超出水資源可利用量，選用水資源承載程度指標約束方程，即用“水資源承載程度指標”來表達水資源對社會經濟發展已經承受壓力的程度，并要求≤1，以確保水資源的開發利用不會超出水資源可利用程度。

水資源承載能力控制目標強調的是生態系統的良性循環，但什么樣的狀態才算是生態系統良性循環？這就需要在模型方程中具體列出生態與環境控制目標約束方程，以表達生態系統的極限條件。

另外，考慮到水資源承載能力是建立在社會經濟—水資源—生態復雜大系統之上，所以需要建立“社會經濟—水資源—生態耦合系統互動關系量化模型”，以有機地表達這個耦合系統的運轉關系。首先，把水量變化、水質變化與生態系統變化有機地結合起來，建立水量—水質—生態耦合系統模型。實際上，該模型是一個以反映水量循環為主的水量模型、以反映水質變化為主的水質模型、以反映生態系統狀態和演變的生態系統模型以及三模型的耦合模型（左其亭等，2002）。其次，再把“水量—水質—生態耦合系統模型”與“社會經濟系統模型”耦合起來，作為系統的結構關系模型，嵌入到優化模型中，參與優化模型的計算，也可以通過二模型的中間關系變量直接建立耦合系統的動力學模型（左其亭等，2001）。

（3）“是否可承載”的標準選擇問題

這也是關系到水資源承載能力計算的一個關鍵問題。本書在定義“水資源承載能力”概念時，是以“維系生態系統良性循環”為判斷目標。在實際操作時，用生態與環境控制目標約束方程來判斷。但是，在該約束方程中，如何確定“是否可承載”的標準是問題的關鍵。上文已經介紹了應該控制的三個方面：一是，城市污水或污染物排放總量不得超出一定限度（即，總量控制）；二是，一定區域水體的水質不得超出水體本身水功能區的水質標準（即，濃度控制）；三是，城市相關河流的徑流量不得小于河流最小基流量（即，滿足生態用水）。如何定量確定控制目標方程是問題的難點。

（4）指標選擇問題

在水資源承載能力計算中，會遇到很多指標的選擇問題。這也是影響水資源承載能力計算結果的關鍵因素。這些指標包括：水資源利用率、重復利用率、污水處理率、人均日用水量、工業萬元產值平均用水量、農業萬元產值用水量等等。