水资源承载力评价方法与应用

水资源承载力评价方法与应用

内容摘要：通过系统分析水资源承载力理论研究的必要性提出了水资源承载力的内涵和目标。讨论了水资源承载力的主要影响因素—人口、生态环境、社会经济、可利用水资源量,以及限制条件—科学技术和生活水平等内容，提出了水资源承载力的目标函数、以及对流域人口、生态环境和社会经济设定目标进行量化计算和实现概率评价相结合的研究方法，强调了水资源承载力研究为提高流域水资源承载力制定相应的工程、经济和管理策略提供技术支撑。

关键词：水资源承载力；概念；内涵；评价方法; 目标函数

正文：

一、水资源承载力研究的必要性

（1）确定流域或区域社会发展的基础和前提

（2）解决度量水资源可持续利用的需要

（3）谋求人与自然和谐发展规律的基本内容

（4）延伸资源承载力理论的需要

(5)研究水资源承载力是水资源研究理论的拓展

二、水资源承载力的概念、内涵和目标

（1）水资源承载力抽象概念的起源承载力,又称承载能力、承受能力,英文为Carrying Capacity ,或Bearing Capacity ,它的概念最初来自力学。随着科学的发展、人类文化的进步和思想观念的更新,承载力的概念逐渐延伸到自然、生态、心理学和资源等领域,如俗称的生态承载能力、心理承受能力、经济承载能力、资源承载能力、土地资源承载力和水资源承载力等。这些概念虽然都有一个共性,即试图表达出载体对受体的贡献大小,但在各个领域都有各自狭义的和特定的含义。

（2）水资源承载力内涵

在吸收水资源承载力各种研究成果并结合水资源自身的特点的基础上,本文提出水资源承载力的定义为:在一定的流域范围内,一定的经济生活水平、一定的科学技术发展条件下,水资源能够满足现状和目标的人口、生态环境和社会经济需求的最大支撑能力。水资源承载力内涵应从其承载对象、承载条件、表现形式和研究范围四方面来理解。

(a) 承载对象。水资源承载力的承载体是水,被承载体是人口、生态环境和社会经济。水资源承载力将生态环境作为被承载体来对待,与人口和社会经济系统相并列考虑,突出表

现了人口、生态环境和社会经济这些被承载体之间的用水分配和协调关系,更接近水资源承载力支撑目的的客观性,弥补了以往水资源承载力研究中将生态环境的需求作为承载条件而不作为承载体的不足,突出了生态经济系统是水资源承载力研究基础的特点。但由于生态环境与水资源的定量关系目前研究得不够广泛,这种表现和研究方式对水资源承载力的研究难度加大。承载力的度量是反映承载体和被承载体之间的需求、配置和协调关系。承载体和承载对象、以及承载对象之间并不是相互独立的,而且是存在一定的关联。因此,不但对承载体和被承载体各构成因素之间进行不同层次深度的理解和内部相关关系的分析,而且还需要研究被承载体之间的关系,如人口的发展变化不但对水资源的供需有影响,对经济和生态环境都有很大的影响,这样将有助于揭示水资源承载力的内涵,有助于合理地构建度量方法和评价体系。

(b) 承载条件。水资源承载力应反映不同地点、不同时间、不同生活条件和不同科技发展水平情况下的水资源对承载体的支撑程度。水资源承载力一般应限定在一个流域范围内研究才有意义,在这个流域内水资源承载力计算边界条件是相对稳定的,水文气象环境有一定规律、水资源量相对稳定、易于度量等。不同时期的水资源对人口、生态环境和经济的承载能力是不同的,这样才能反映水资源承载力是水资源的可持续利用和社会可持续发展的思想,即水资源承载力反映的水资源分配利用的代内公平和代际公平。定义中虽然没有直接提到时间的概念,但却间接包含着不同时期、代内公平和代际公平等要点。首先从条件上看是反映一定时期的经济生活、科学技术条件,另外,是承载现状和目标的人口、生态环境和经济能力。水资源承载力在同一流域、相同水资源的条件下,承载的人口、生态环境和经济的数量是不同的,这是因为人口、生态环境和经济所涉及到的生活水平、环境水平和科学技术发展水平是不同的。不同的生活方式和水平对于水的质量和数量的需求程度是不一样的。承载什么样的人口、需要什么样的环境,工业、农业、第三产业、城市化率等等对水资源的要求都存在着很大差异。科学技术发展水平对水资源承载力的影响也是非常显著的,一定时期的科学技术发展水平决定了水资源开发、利用和管理水平,决定了一定的社会经济的发展水平。

(c) 表现形式。应从以下两方面来理解。首先,明确水资源对人口、生态环境和社会经济是支撑,是关键因素之一,而不是决定因素。尽管水资源是人类社会和生态系统赖以生存和不可替代的资源,但人类社会的发展还要依靠土地、矿产、森林等资源,依靠地理、环境、政治、文化、政策等诸多的因素和条件,同时,一定时期的人类社会的发展状况是人类历史长期演变而来的,一种条件和因素很难突然改变历史发展的进程和轨迹。其次,水资源承载力是度量水资源支撑社会可持续发展的量化指标,应突出定量、简单、明确的特点,宜采用单一指标

或少量的指标。但水资源承载力是反映人口、水资源、生态环境和社会经济之间关系的典型的生态经济系统,具有大系统多目标的特点,因此单一指标或少量的指标不能全面反映和表示水资源承载力承载的对象和目标,多指标评价或优化系统也是必然选择。单一指标很难反映它的全部内涵,多指标又不能突出简单和量化问题,如何简单而又综合地表达这种度量,是研究的重点之一。

(d) 研究范围。水资源承载力是从水资源的角度来研究对人口、生态环境和社会经济的贡献,包括水的数量、质量和分布,不包括如何进行水利工程开发和建设、如何防洪和灌溉、如何进行水污染管理等内容,即不研究工程措施。水资源承载力是从水资源管理、合理配置和技术经济角度来评价水资源的供需矛盾问题,水资源承载力是关于人口、水资源、生态环境和社会经济多方面内部特征和相互关系的边缘学科。（《中国生态环境建设与水资源保护利用［Ｍ］》）

（3）水资源承载力的目标函数

根据定义,水资源承载力分析的目标函数为: CCWR = f ( P , EE , E ,WA) / T , l , a , t式中CCWR 为水资源承载力,Carrying Capacity of Water Resources的缩写。主要因素: P 为人口；EE 为生态环境；E 为社会经济,WA 为可利用水资源量。限制条件: T 为科学技术水平；l 为生活水平；a 为评价流域或地区；t 为评价的时间。上式表明,一个流域的水资源承载力可以表示为由水资源和若干承载对象的函数,而P , EE , E ,WA 又可表示为各自构成因素的函数。水资源承载力一般是对某一发展阶段的评价,即某一时间某一流域的水资源承载力,这种评价是现状评价,采用的参数是当地、当时的科学技术水平、生活水平条件下产生的水资源开发量、经济部门用水、生活用水、环境用水、污染物排放量等指标。当采用目标的上述参数时,目标承载力或潜在承载力的评价结果就完全不同。因此,水资源承载力是建立在一定的社会发展和经济水平基础上的,是有条件的,水资源承载力是最大承载力、极限承载力还是最优承载力都是相对而言。（《水资源承载力评价指标体系研究［Ｊ］》）

三、水资源承载力评价方法

水资源承载力分析关系到地区环境、人口和经济发展规模和代际持续发展的前景，涉及面广、内容复杂，目前国内外尚无统一和成熟的方法。在已有的研究成果基础上，设想解决

问题的方法可以有以下几类：

（1）水资源供需平衡法与多目标分析模型

采用水资源供需平衡法进行水资源承载力评估与预测与水资源的合理配置有密切关系，它首先以维护生态平衡和生态环境质量以及可持续发展为前提，将水资源在生态系统和社会

经济系统之间进行平衡分析和配置，然后以对社会经济系统可供给水量为约束条件，通过多目标分析模型确定社会发展模式（经济结构、农业种植结构等）、供水组成（节水、污水回流、开发当地水、外流域调水等）及供水分配状况，最后在上述水资源供需平衡及水资源合理配置的基础上计算水资源承载力的大小（绝对指标）——包括人口发展规模和社会经济发展规模（《城市水环境承载力及其实证研究［Ｊ］》）。本方法中主要采用的模型包括：（a）生态环境模拟模型

以生态保护与环境保护约束关系作为模型框架建立模型，揭示生态系统平衡与生态系统耗水关系、生态系统平衡与社会经济活动方式和强度关系的规律，从天然植被面积指标、绿洲面积指标、水环境指标等方面提出生态环境重点保护对象和生态环境保护规模，确定生态

需水量，作为水资源供需平衡的参考依据。

（b）多目标分析模型

以对社会经济系统可供给水量为约束条件，建立描述水资源在社会经济系统内部各子系统之间的分配关系以及这种关系是怎样决定社会发展模式的模型，通过经济发展目标、结构优化目标、资源约束与利用效益目标等多目标之间的权衡来确定社会发展模式（经济结构、农业种植结构等）、供水组成（节水、污水回流、开发当地水、外流域调水等）及供水在国

民经济各部门之间的分配状况。

（2）多指标综合评价法与综合评判模型

该方法通过水资源系统支持力和水资源系统压力来共同反映水资源承载状况。水资源系统支持力代表了承载媒体的客观承载能力大小，其分值越大，表示水资源现实承载力越高；水资源系统压力代表了被承载对象的压力大小，其分值越大，表示系统所受压力越大，水资源承载力越低；通过两值相比得到水资源承载力指数（相对指标）并进行分级，可指示水资源承载状况。

（a）评价指标的标准化处理

在多指标综合评价问题中，通常评价指标有“效益型”和“成本型”两大类。“效益型”为指标指属性值越大越好的指标，“成本型”指标为属性值越小越好的指标，应分别对这两类指标进行无量纲化处理。在水资源系统支持力和水资源系统承受压力指标体系中，有人均水资源数量、可采水量与用水总量之比，（COD）标/（COD），人口规模与增长率，GDP产

值及增长速度，万元GDP废水排放量属于“效益型”指标，其余属于“成本型”指标。对于区际交流指标，可将产品调入调出量折算成水资源调入调出量计入支持力指标（差额为正时）或压力指标（差额为负时）。

（b）评价因子权重的确定

多指标的综合评价因子权重的确定是整个评价过程中的关键一环，根据计算权数时原始数据来源的不同，权数的确定方法大体上可分为主观赋权法和客观赋权法两大类。主观赋权法主要是由专家根据经验主观判断得到，如古林法、Delphi法、AHP法等，这种方法研究较早，也较为成熟，但客观性较差。客观赋权法的原始数据是由各指标在评价单位中的实际数据形成，它不依赖于人的主观判断，因而客观性较强，如主成分分析法、均方差法等。

（c）综合评价值的计算

对于支持力和压力指标，分别依公式多因子综合评价公式进行计算。

（3）系统分析方法——动态模拟递推算法

动态模拟递推法主要是通过水的动态供需平衡计算来显示水资源承载力的状况和支持人口与经济发展的最终规模，其实质是模拟法，将动态模拟和数学经济分析相结合，利用计算机模拟程序，仿造地区水资源供需真实系统运动行为进行模拟预测，根据逐年运行的实际结果，有目的地改变模拟参数或结构，使其与真实系统尽可能一致。当水资源供应能力达到“零增长”（对水资源紧缺地区）或地区人口增长，或经济增长达到“零增长”（对水资源丰裕地区）时，水资源承载力按定义已达最大。（《水资源可持续利用导论［Ｍ］》）。

（a）地区水资源承载力分析系统描述

水资源供需系统一般由供水子系统、用水子系统、排水子系统和水资源子系统组成。

（b）分析步骤

第一步：对区域水资源进行评价和开发利用条件分析。

第二步：根据地区社会经济发展计划，预测未来各项用水的需求量和总量。

第三步：根据地区拥有的水资源量和开采利用条件，预测满足用水需要的新增供水工程的可供水量和相应措施。

第四步：通过逐年或一定时期的水资源供需平衡计算，采用动态模拟递推算法，进行水资源的现时承载力和承载过程的计算和分析，直到找到可供水量达到零增长时的水资源极限承载力或人口增长、经济发展达到零增长时的最大水资源承载力限度。

（4）系统动力学方法与系统动力学仿真模型

系统动力学（SD）模型是一种定性与定量相结合，系统、分析、综合与推理集成的方法，并配有专门的DYNAMO软件，给模型的仿真、政策模拟带来很大方便，可以较好地把握系统的各种反馈关系，适合于进行具有高阶次、非线性、多变量、多反馈、机理复杂和时变特征的承载力研究。用SD模型计算的水资源承载力不是简单地给出区域所能养活人口的上限，

而是通过各种决策在模型上模拟，清晰地反映人口、资源、环境和发展之间的关系，可操作性较强（《二元模式下水资源承载力系统动态仿真模型研究［Ｊ］》）。

（a）系统流图设计

系统流图是系统动力学的基本变量和表示符号的有机组合。根据水-生态-社会经济复合系统内部各因素之间的关系设计系统流图，其目的主要是反映系统各因素因果关系中所没能反映出来的不同变量的性质和特点，使系统内部的作用机制更加清晰明了，然后通过流图中关系的进一步量化，实现政策仿真的目的。流图中一般包含两种重要变量：状态变量和变化率。

（b）主要状态方程描述与模型构建

根据水资源承载力及承载状况的反馈关系，建立描述各类变量的数学方程，以模型用计算机进行仿真。这些描述方程通常包括状态方程、常数方程、速率方程、表函数、辅助方程等。系统模型正是由这一组动态方程有机组合而成。

（c）模型的仿真计算

对不同（提高水资源承载力的）方案确定不同的变量输入值，通过仿真操作运算，得到不同发展方案下的水资源承载力仿真运算结果，包括GDP、人口数、农业产值、COD含量及可供水量等各种具体的水资源承载指标，通过对比分析来进行方案的比较择优。

结束语

进行流域水资源承载力研究可发现并确定该流域水资源与人口、生态环境和社会经济发展的定性和定量的关系,找出制约社会经济发展的因素,以便协调水资源与人口、生态环境和社会经济各要素的权重和分配,及时调整经济布局,保证经济社会的可持续发展。可见进行水资源承载力分析和研究具有十分重要的理论意义和现实意义。目前水资源承载力的研究还处于探索阶段,水资源承载力核心问题即度量和评价方法还没有形成成熟的理论和方法。本文提出的直接量化指标和对目标承载对象实现概率评价的综合分析方法来表达水资源对人口、社会经济和生态环境的承载能力,与水资源承载力的概念和内涵比较吻合,能同时表达出直接量化和综合协调的目的。这种分析方法也是尝试性的,建立水资源承载力的基础理论体系包括建立水资源承载力的直接量化指标和评价指标体系、选取合适的评价手段和实用性的验证方法、找出提高水资源承载力途径和方法、制定提高资源承载力的工程、经济和管理措施等研究问题,还需要进行很多的工作。