水资源承载力研究的进展与展望（余卫东,闵庆文,李湘阁）

〔摘要〕　在总结水资源承载力研究历史和现状的基础上,阐述了水资源承载力的内涵与特点,对水资源承载力的概念、研究方法和存在问题进行了论述,并对水资源承载力研究发展趋势进行了讨论。

关键词　水资源　承载力　发展趋势

中图分类号　TV213 　　文献标识码　　　　文章编号　1001 - 4675 (2003) 01 - 0060 - 07

水资源是基础自然资源,是生态环境的控制性因素之一;同时又是战略性经济资源,是一个国家综合国力的有机组成部分,水资源正日益影响全球的环境和发展。随着经济建设全方位、大规模快速发展,我国工农业和城镇居民生活缺水状况日益加剧,我国北方地区尤为严重。由于地表水资源短缺,华北地区每年超采地下水150 ×108m3 ,引起地面下沉,其中北京市最大地面下沉达0. 6m〔1〕。另外在西部大开发中,水是该地区生态恢复与重建的根本,包括退耕还林还草在内的一系列生态措施都有赖于水资源的保证〔2〕。因此研究区域水资源承载力,优化水资源配置,协调区域生态建设、人民生活、工农业发展和水资源的关系,实现区域可持续发展,具有重要意义。

1 　承载力概念的发展和水资源承载力的定义

承载力(carrying capacity) 原为力学中的一个指标,是指物体在不产生任何破坏时的最大荷载。在生态学研究中其特定含义是指在一定环境条件下某种生物个体可存活的最大数量,1921 年帕克和伯吉斯首次将其用于研究人口问题,并指出在某一地区特定的环境条件下(主要是指生存空间、营养物质、自然资源等因子的配合) ,人口数量存在最高极限,它可以通过该地区的食物资源来确定〔3〕。

随着资源短缺与人类社会发展的矛盾不断加剧,承载力概念有了进一步发展,并应用于社会- 经济- 自然复合系统中。其中,资源承载力就是承载力概念与理论在资源科学领域的具体应用。20 世纪80 年代初,联合国教科文组织(UNESCO) 提出了“资源承载力”的概念:“一个国家或地区的资源承载力是指在可以预见到的期间内, 利用本地能源及其自然资源和智力、技术等条件, 在保证符合其社会文化准则的物质生活水平条件下,该国家或地区能持续供养的人口数量。”〔4〕

尽管资源系统包括自然资源、经济资源和社会资源3 个子系统,但目前有关资源承载力的研究主要集中在自然资源领域,其中又以土地资源承载力的研究开展的历史最长。从20 世纪80 年代开始,我国开展了《中国土地资源生产能力及人口承载量研究》项目。许多学者围绕着土地承载力的各方面进行了研究,其中耕地、粮食、人口承载力研究始终是主流〔5 - 8〕。80 年代后期考虑到土地承载力研究的局限性和片面性,在联合国教科文组织的资助下,开始了包括自然资源、能源以及智力、技术等在内的资源承载力的研究。

水资源承载力(water resource carrying capaci2ty) 是继土地资源承载力之后,研究比较多的一部分。国外大多将其纳入可持续发展理论中,例如Rijiberman. J 等用水资源承载力作为城市水资源安全保障的衡量标准〔9〕;Joardor 等从供水角度对城市水资源承载力进行相关研究,并将其纳入城市发展规划当中〔10〕; Harris 着重研究了农业生产区域的水资源农业承载力〔11〕。我国最早开展水资源承载力研究是在1985 年,新疆水资源软科学课题组首次对新疆的水资源承载能力和开发战略对策进行了研究〔12〕。目前国内有关研究主要集中在城市水资源承载力和区(流) 域水资源承载力两个方面,例如施雅风等在1992 年对乌鲁木齐河流域水资源进行了量化分析研究〔13〕;许有鹏(1993) 对新疆和田河流域的水资源承载力进行了分析〔14〕;贾振邦(1995) 等用多目标分析的方法对本溪市水环境承载能力进行了研究〔15〕; 徐中民( 1999 ) 、李丽娟( 2000 ) 、贾嵘(2000) 、曲耀光(2000)〔16～19〕等分别对张掖地区、柴达木盆地、关中地区和黑河流域的水资源承载力进行了研究。

关于水资源承载力的定义,不少学者都提出了自己的观点,这些定义都在一定程度上反映了水资源承载力的内涵,但未得到共识。其中较有代表性定义有:

* 1985 年新疆水资源软科学课题研究组〔12〕提出了水资源承载能力是水资源可开发利用量,在满足维护生态环境用水要求后,所能支撑的工农业最大产值和人口数量。

* 施雅风〔13〕等认为“水资源承载能力是指某一地区的水资源,在一定社会历史和科学技术发展阶段,在不破坏社会和生态系统时,最大可承载(容纳) 的农业、工业、城市规模和人口的能力,是一个随着社会、经济、科学技术发展而变化的综合目标。”

* 许有鹏〔14〕提出:水资源承载力是指在一定的技术经济水平和社会生产条件下,水资源可最大供给工农业生产、人民生活和生态环境保护等用水的能力,也即水资源最大开发容量,在这个容量下水资源可以自然循环和更新,并不断地被人们利用,造福于人类。同时不会造成环境恶化。

* 冯尚友〔20〕对水资源承载力的定义是,在一定区域内、在一定物质生活水平下,水资源所能够持续供给当代人和后代人需要的规模和能力。

* 何希吾〔21〕的定义为:一个流域、一个地区或一个国家,在不同阶段的社会经济和技术条件下,在水资源合理开发利用的前提下,当地天然水资源能够维系和支撑的人口、经济和环境规模总量。

* 阮本清〔22〕对水资源承载力的定义为,在未来不同的时间尺度上,一定生产条件下,在保证正常的社会文化准则物质生活条件下,一定区域(自身水资源量) 用直接或间接方式表现的资源所能持续供养的人口数量。这几个水资源承载力的定义忽略了水资源的合理配置因素。

* 惠泱河〔23〕对水资源承载力的定义是:某一地区的水资源在某一具体历史发展阶段下,以可以预见的技术、经济河社会发展水平为依据,以可持续发展为原则,以维护生态环境良性循环发展为条件,经过合理优化配置,对该地区社会经济发展的最大支撑能力。

* 国家“九五”科技攻关“西北地区水资源合理配置与承载能力研究”项目大纲则定义水资源承载能力为“在某一具体的历史发展阶段下,以可以预见的技术、经济和社会发展水平为依据,以可持续发展为原则,以维护生态环境良性发展为条件,经过合理的优化配置,水资源对该地区社会经济发展的最大支撑能力。”

由此可见,水资源承载力至今还没有一个普遍接受的定义。我们认为对于水资源承载力的定义应当具有系统的观点和综合的观点。系统的观点是指水资源承载力是一个地区水资源系统的承载力,不但要考虑用水量,还要考虑消纳污水所需要的水量即水环境的承载能力。综合的观点是指水资源承载力是对社会经济发展和生态环境的综合承载能力,是可以承载人口、经济发展与生态服务功能发挥的综合反映。

2 　水资源承载力的主要因素与特点

区域水资源承载力是一个具有自然- 社会双重属性的概念,既反映了水资源系统满足社会经济系统能力,也与社会经济系统开发自然水资源系统的深度有关,其概念应该兼顾社会、经济、技术和生态。水资源承载力大小取决于区域自然环境、水资源量、社会经济技术水平、社会经济结构和承载驱动力大小等诸多因素,在多数情况下并不完全是某一区域的某种数值〔24〕,它很大程度上取决于水资源管理者对水资源的利用目标。

衡量一个地区水资源承载力的大小,应当重点考察下面几个方面的因素:一是资源因素,如当地水资源总量,包括地表水、地下水量以及根据有关法律规定的分配给当地可利用过境水量;二是社会经济发展与科学技术发展因素,要考虑在不同阶段一定社会经济与技术条件下的可开发控制可利用水量,不同阶段经济技术条件下水资源利用效率,不同阶段社会经济环境发展需水总量;三是生态环境状况与生态系统服务功能的发挥;四是制度因素,人类社会的一切非自然因素,诸如政策、法规、市场、宗教、传统、心理等,都会决定经济系统的结果,也势必将影响水资源承载能力的大小。如水价杠杆的作用,促使人们调整对水的需求和利用方式,也促使节水技术的研究与应用,提高了水资源利用效率。

水资源承载力有这样几个特点:

* 有限性:水资源有限性是指在某一具体的历史阶段,水资源承载力具有有限的特性,即存在可能的最大承载上限,主要是因为自然条件和社会因素的约束。具体地说,包括区域水资源条件的约束、社会经济技术水平的约束和生态环境的约束。

* 动态性:水资源承载力的动态性体现在两个方面:一方面随着经济发展和技术进步,人类开发利用水资源的能力越来越强,因而可利用的水资源越来越大;另一方面由于节水和技术进步,提高水资源利用率,从而增加了单位水量的承载力。

* 多目标性:水资源承载力的多目标性体现在区域发展模式和水资源开发利用方式的多样性上,这些多样性使得某一区域的需水量和供水量均不相同,且相关的发展指标差异也很大,从而导致承载力数值不仅与区域发展模式有关,也与水资源配置模式有关,水资源承载的计算应在区域水资源合理配置的基础上进行。

* 不确定性:水资源系统本身受天文、气象、下垫面以及人类活动的影响,造成水文系列的变异,使人们对它的预测目前无法达到确定的范围。区域社会和经济发展及环境变化,是一个更为复杂的系统,决定着需水系统的复杂性及不确定性。两方面的因素加上人类对客观世界和自然规律认识的局限性,决定了水资源承载能力的不确定性,同时决定了它在具体的承载指标上存在着一定的模糊性。

3 　水资源承载力的主要研究方法及评价

水资源承载力研究是属于评价、规划与预测一体化性质的综合研究,它以水资源评价为基础,以水资源合理配置为前提,以水资源潜力和开发前景为核心,以系统分析和动态分析为手段,以人口、资源、经济和环境协调发展为目标,由于受水资源总量、社会经济发展水平和技术条件以及水环境质量的影响,在研究过程中,必须充分考虑水资源系统、宏观经济系统、社会系统以及水环境之间的相互协调与制约的关系。

国内目前关于水资源承载力的研究主要有背景分析法、常规趋势法、模糊评价方法、主成分分析法、系统动力学方法、多目标决策分析法。

背景分析法〔25〕,就是在一定历史时段内自然的和社会的背景相似的研究区域的实际情况作对比,推算对比区域可能的承载能力。例如对河西走廊石羊河流域与以色列全国的比较,两个区域天然降水资源量、面积、气候条件几乎相当,而以色列支撑的社会经济规模和水平比较高,从而推算出石羊河流域水资源还应有较大的承载潜力。这种分析法只采用一个或几个承载因子分析,因子之间相互独立,简单易行,但分析多局限于静态的历时背景,割裂了资源、社会、环境之间的相互作用关系,对水资源承载力这一复杂的自然- 社会经济系统来说显得过于淡薄。

常规趋势方法〔19 ,26〕,是以可开采水量为基本依据,在满足维持生态环境的起码要求以及合理分配国民经济各部门的用水比例的前提下,适当考虑建设节水型农业和节水型社会,并在此基础上计算水资源所承载的工、农业及人口量。这种方法计算方便,直观简单,对某些承载因子的潜力估算的研究方法有借鉴意义。但水资源承载力的研究涉及水资源、宏观经济、社会、人口、环境、生态等众多因素,该方法较多考虑的是单承载因子的发展趋势,而忽略各承载因子之间的相互联系,且各因素之间相互促进、相互制约。仅从供水量和需水量简单地计算供需平衡计算不足以反映水资源承载能力。

模糊综合评判方法〔15 ,27〕,若仅从需水量和供水量简单地供需平衡计算还不足以全面反映水资源的承载能力,必需对那些影响水资源供需主要因素作全面分析,从不同角度和不同方面加以考虑。模糊综合评判可以提供一种有效途径,它是在对影响水资源承载能力的各个因素进行单因素评价的基础上,通过综合评判矩阵对其承载能力做出多因素综合评价。克服以上两种方法中因子间相互独立的局限性,从而可以较全面地分析出干旱区水资源承载能力的状况。但是模糊综合评判是一种对主观产生的“离散”过程进行综合的处理,其方法本身存在缺陷,取大取小的运算法则会遗失大量的有用信息,模型的信息利用率低,当评价因素越多,遗失的有用信息就越多,信息利用率则越低,误判的可能性也就越大。将模糊综合评判运用于区域水资源承载力评价中,存在一定的局限性。

主成分分析法〔28〕,克服了模糊综合评判的缺陷,其目标就是要在力保数据信息丢失最小的原则下,对高维变量空间进行降维处理;即经过线性变换和舍弃一小部分信息,以少数的综合变量取代原始采用的多维变量。其本质目的是对高维变量系统进行最佳综合与简化,同时也客观地确定各个指标的权重,避免主观随意性,而水资源承载力评价的焦点正是如何科学、客观地将一个多目标问题综合成一个单指标形式。

系统动力学方法〔23 ,29～31〕,系统动力学(SystemDynamic) 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,为模型仿真、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、多重反馈、机理复杂和时变特征的系统问题,成为研究大系统运动规律的理想方法。它可以根据实际系统的情况和研究的需要,将变化率的描述分解为若干流率的描述。这样使得物理、经济概念明确,不仅利于建模,而且有利于政策实验以寻求系统中合适的控制点。但用该方法对长期发展情况进行模拟时由于参变量不好掌握,易导致不合理的结论,因而系统动力学方法大多应用于中短期发展情况模拟。

多目标决策法〔16 ,18 ,32～34〕,是选取能够反映水资源承载力的社会、经济、人口、生态环境等若干目标,影响这些目标的主要因素是相通的,而且目标之间又相互依存、相互制约。按照社会可持续发展的原则,不追求单个目标的优化,只追求整体的最优。用系统分析和动态分析方法研究不同水平年、不同策略方案下水资源所能承载的生态、经济、人口规模。对于多目标规划问题的求解,具有代表性的是采用切比雪夫( Tchebycheff ) 求算法。总的来说,多目标决策分析模型及其求解方法的研究为水资源规划决策提供了新的思想和手段。利用多目标决策模型,可以将水资源系统(自然系统) 与区域宏观经济系统(社会系统) 作为一个综合体来考虑。在这个综合体中全面研究水资源开发利用与区域社会、经济、环境发展目标间的动态联系,供水需水间的动态联系,以及投资与效益间的动态联系等。近年来,随着计算机技术的发展和数学规划的日益完善,分析人员可以将精力更集中在模型建立、方案构成和目标选择上,特别是由于经济、社会、资源、环境综合分析具有的决策内涵〔35〕。

尽管当前对于水资源承载力的计算方法很多,但均存在不同程度的不足,由于水资源系统自身的复杂性、随机性和模糊性以及影响水资源承载力因素的多方面性、多层次性等,因此对水资源承载力的准确评价还有待进一步的研究。

4 　水资源承载力研究展望

4. 1 　当前水资源承载力研究中存在的问题

水资源承载力研究作为水资源评价中的一个重要内容,已经引起了人们的注意,并成为制定区域发展规划的重要依据,但在研究中仍然存在着一些问题。

一是水资源承载力的概念与内涵界定仍不很清楚。从当前研究成果来看,水资源承载力还没有形成一个完整的理论体系,缺乏公认的理论基础和统一的研究方法,对水资源承载力本身的认识和研究还欠深入,无法全面准确地定义水资源承载力的概念,界定其内涵以及它的影响因素。水资源及水环境承载能力理论体系的深化、评价和指标体系、定量分析问题,以及如何客观评估人类活动对水资源及水环境承载能力的影响、水资源及水环境承载能力统一考虑等问题,都需进一步的深入研究。

二是方法论上的研究明显不足。目前的水资源承载力研究方法中,多以社会为承载目标(人口、经济) ,而对水资源维持自身更新和维护生态环境不再进一步恶化并逐渐改善所需要消耗的水资源研究较少。特别是用于维持生态环境稳定以及进行生态恢复的生态用水量研究较少〔36～37〕。

三是缺乏有效的研究方法。缺乏能够同时描述承载力模型的复杂性、随机性和模糊性的综合模型,对水资源承载力模型指标体系中定性指标的研究不够充分,缺乏系统的有效的定性指标化的方法,这限制了水资源承载力研究的规范性与系统性,阻碍了研究的深入开展。当前急需提出一套科学系统的水资源承载力指标体系。

四是理论的应用不足。区域水资源承载力研究成果为数不少,但在实际工作中,以水资源承载力为基础,合理配置区域资源,合理调整产业结构和生产力布局,科学的制定社会经济发展目标,有效的进行生态环境保护与建设等方面的应用略显不足。

4. 2 　水资源承载力研究发展展望

随着我国经济社会的不断发展,水资源短缺和水环境恶化等问题表现得越来越突出,已成为我国经济社会发展的严重制约因素。近年来,我国连续遭受严重干旱,2001 年的大旱造成农作物大幅减产,农村先后有3300 万人发生临时饮水困难,部分城市出现建国以来最为严峻的缺水局面。北方一些地区地下水严重超采,甚至枯竭;水土流失严重,沙尘暴肆虐一年胜似一年。我国水污染问题也十分严重,据2000 年统计,我国河流水质在11. 4 万公里评价河长中,水质为IV 类及劣于IV 类的占41. 3 % ,比上年增长3. 7 %。在调查评价的163 座湖泊水库中,有36 座受到不同程度的污染,其中19 座污染严重。太湖、滇池等湖泊的水污染问题已经引起了世界的广泛关注。这些问题的出现都与水资源及水环境承载能力失控密切相关〔38〕。2002 年5 月22 - 23日,水利部国际合作与科技司组织的“水资源及水环境承载能力学术研讨会”在山东省威海市举行,表明我国水资源管理部门和科技界对这一问题的重视。根据水资源承载力研究的进展以及发展的要求,今后一段时间的研究将具有以下基本特征。

一是更加强调水资源系统的综合研究。以区域可持续发展为目标,以水资源的可持续利用为中心,研究影响区域水资源承载力的各因素及其相互关系〔39～42〕,在深入研究水资源承载力的自然因素的同时,还需要研究并客观评价人类活动对水资源承载力的影响等问题。

二是特别重视生态环境需水的研究。在传统的水资源承载力的基础上,引入水生态承载力和水环境承载力的内容,不仅要考虑人类活动影响下的水资源演变和相关的生态环境演变,生态用水量的动变化以区域经济结构的变化,还要考虑在市场经济条件下由产品交换导致的水资源调出调入量。研究水资源合理配置模式,协调好水资源的开发利用与人口、经济、资源和环境的关系。

三是将水资源承载力研究与水资源安全研究结合起来。水资源安全既包括水量安全(水资源数量的保证) ,也包括质量安全(水污染的控制与安全饮用水的保证) 。

四是分析方法继续向模式化和模式的动态化方向发展。随着水资源承载力研究的不断深入,在计算机的支持下,各种数理方法进入水承载力研究领域,模式趋向日益普遍。另外水资源承载力本身具有动态特性,必须加强动态模拟研究,建立一套能反映水资源承载力本质的模拟体系,实现水资源承载力的估算与动态变化过程的预测。

五是新方法、新技术将应用于水资源承载力研究。在水资源承载力定量化分析方法中除了上述研究方法外,充分运用现代计算机技术、网络技术、微电子技术、现代通信技术、遥感技术、地理信息系统、全球定位系统及自动化等。这些新方法和新技术可以提供快速准确的信息,为水资源承载力研究提供更准确、更深入、更全面的定量研究结果。

六是特定地区(特别是生态脆弱地区) 的水资源承载力研究进一步得到重视。例如,绿洲水资源承载力将在干旱区得到进一步丰富与发展。随着干旱区社会经济的发展,特殊的自然与生态环境使得干旱区面临着比其它地区更为严峻的资源与环境问题,承载力理念逐渐引入绿洲,产生了“绿洲承载力”的概念〔43〕,绿洲承载力研究日益得到重视和加强,其中绿洲水资源承载力是其研究的核心。

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