水資源承載力指標體系及評判準則研究

王建華，翟正麗，桑學鋒，李海紅

（中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038）

1 研究背景

對于干旱半干旱或者水資源相對短缺的地區(qū)，水資源數(shù)量常常是區(qū)域生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的主要“瓶頸”因子。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，部分地區(qū)出現(xiàn)了水質(zhì)變差、生態(tài)惡化，水資源質(zhì)量也逐漸成為區(qū)域發(fā)展的主要約束因子。近年來，水資源承載力的研究工作越來越多，國內(nèi)最早由新疆水資源軟科學課題研究組1988年開展并提出了水資源承載規(guī)模的研究［1］；馮尚友［2］提出水資源承載能力為支持人口、環(huán)境與經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的能力或限度；夏軍等［3］提出水資源承載能力為能夠維系有限發(fā)展目標的最大社會經(jīng)濟規(guī)模；王浩等［4］探討了水資源承載特性并定量給出了西北內(nèi)陸區(qū)水資源承載的規(guī)模；董增川等［5］提出了水資源可持續(xù)承載能力的概念和研究思路；謝高地等［6］根據(jù)水資源承載規(guī)模的定義，估算了我國水資源人口承載力、水資源對居民生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)的承載力及水資源承載能力超載率；酈建強等［7］提出了一種多目標決策理想?yún)^(qū)間模型并應用于淮河流域水資源承載能力的綜合評價；邵東國等［8］提出了一種基于資產(chǎn)負債分析的水資源承載能力評判方法；趙建世等［9］提出簡便的水資源承載能力計算模型，并分析了海河流域近20年來的水資源承載能力演變；周惠成等［10］基于可變模糊識別模型開展了大連市水資源承載能力研究。

水資源的承載壓力主要來自于取用水、入河排污、對水域空間占用以及對水文過程的擾動，維持健康的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)同樣需要水資源在數(shù)量、質(zhì)量、空間、流場等方面的支撐［11］。本文從水資源、經(jīng)濟社會、水生態(tài)、水環(huán)境綜合角度，按照“量、質(zhì)、域、流”四大方面，具體包括水量（允許經(jīng)濟社會水資源消耗量）、水質(zhì)（允許排入河湖水體的污染物量）、水域（維持一定的湖泊濕地等水域用水量和地下水位）、水流（維持一定的河道生態(tài)流量），設(shè)計構(gòu)建水資源承載力“四層三級”指標體系，并提出水資源承載狀況的評價標準、評判方法和水資源承載類型的劃分方法，為診斷區(qū)域水資源承載類型和卸載措施提供支撐。

2 水資源承載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從系統(tǒng)論觀點出發(fā)，水資源承載系統(tǒng)由承載主體和承載客體組成。水資源、經(jīng)濟社會、生態(tài)環(huán)境是水循環(huán)的三大方面，顯然，水資源承載系統(tǒng)的主體是以流域水循環(huán)為基礎(chǔ)的水資源系統(tǒng)，而承載的客體為水支撐的社會經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)承載主體 對于承載主體的水資源系統(tǒng)，受人類活動影響，區(qū)域水循環(huán)已經(jīng)演變成“自然-人工”二元水循環(huán)特征，顯示出天然隨機性、周期性和社會調(diào)控性、能動性相互疊加的結(jié)果。作為人類生存和社會發(fā)展的一種基礎(chǔ)性資源，水資源承載是一種相對、可持續(xù)承載概念，主要包括兩個方面涵義，一是水資源開發(fā)利用必須以水資源可消耗水量為閾值，區(qū)域水資源可消耗水量受區(qū)域水資源、生態(tài)環(huán)境保護等限制；二是經(jīng)濟社會系統(tǒng)的排污規(guī)模應以水循環(huán)系統(tǒng)的自凈能力為閾值。

2.2 系統(tǒng)承載客體 生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和經(jīng)濟社會系統(tǒng)是水資源系統(tǒng)承載的兩大客體，一方面生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)是經(jīng)濟社會系統(tǒng)存在和發(fā)展的基礎(chǔ)，另一方面經(jīng)濟社會系統(tǒng)又是在一定時期影響甚至改變生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的主要因素，二者之間聯(lián)系緊密、相互作用和相互影響。從水循環(huán)水量過程來看，無論生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，還是經(jīng)濟社會系統(tǒng)，都存在用耗過程，都是以水資源量為基礎(chǔ)，但二者存在此消彼長的關(guān)系；從水循環(huán)水質(zhì)過程來看，經(jīng)濟社會系統(tǒng)的排水是加重水資源質(zhì)量惡化的主要因素，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)具有消納、凈化水體質(zhì)量的作用。

可以看出，整個水資源系統(tǒng)中水量和水質(zhì)任何一個方面的超載，都會產(chǎn)生諸如生態(tài)缺水、地下水超采或水環(huán)境惡化等造成整個系統(tǒng)不可持續(xù)的結(jié)果。因此，在統(tǒng)一的水循環(huán)框架下，區(qū)域水資源承載力必須統(tǒng)籌協(xié)調(diào)生態(tài)環(huán)境保護和經(jīng)濟社會發(fā)展，從水量、水質(zhì)、湖泊/濕地水域、河流生態(tài)等“量、質(zhì)、域、流”四大方面分析調(diào)控。

3 水資源承載力及特性分析

3.1 水資源承載力概念 目前基本形成水資源承載力的最大容量或最大支撐人口及經(jīng)濟規(guī)模等觀點，其歸根結(jié)底水資源承載力與人有關(guān)，且水資源量、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、城市規(guī)模與人口具有最直接、最緊密的聯(lián)動關(guān)系，國家提出了“以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)”治水方針，其中以水定人是其中核心、關(guān)鍵的因素。

水資源承載力是資源承載力的一個具體范疇。在參考眾多定義的基礎(chǔ)上，本文認為，水資源承載力是指可預見的時期內(nèi)在滿足合理的水域生態(tài)環(huán)境保護和河流生態(tài)環(huán)境用水前提下，利用區(qū)域水資源量質(zhì)及其他資源和智力、技術(shù)等條件，水資源對經(jīng)濟社會能夠承載的最大負荷下所支撐的人口規(guī)模。

3.2 水資源承載力特性 從水資源承載力概念和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征上，受區(qū)域空間分布不均和代際間水平不同，水資源承載力具有時效性、區(qū)域性和彈性特征。

（1）時效性。從概念上指明了水資源承載力是有具體特定時域的，同一區(qū)域不同時間階段其承載力是變化的，反映了水資源承載力的動態(tài)性、可增強性；同時指出水資源承載力是在人類科學技術(shù)可預測時期內(nèi)的規(guī)模，反映了水資源承載力的相對極限性。

（2）區(qū)域性。水資源承載力受區(qū)域內(nèi)空間結(jié)構(gòu)、水資源條件、用水效率、排污水平、生態(tài)環(huán)境等差異影響，不同類型的區(qū)域其水資源條件一致，但由于用水結(jié)構(gòu)和有水效率不同使得其承載的規(guī)模有所差異，反應了水資源承載力的區(qū)域特性。

（3）彈性。水資源承載力彈性包括行業(yè)用水和生態(tài)環(huán)境用水彈性，行業(yè)用水彈性表征維持和滿足當?shù)厣鐣幕蜕a(chǎn)生活的用水水平，包括用水需求的剛性水平、適宜水平和奢侈水平，體現(xiàn)了用水水平的不同階段；另外，由于水資源承載的目標之一是維持水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的穩(wěn)定，不同生態(tài)環(huán)境保護的目標將影響水資源承載力規(guī)模，生態(tài)環(huán)境約束彈性體現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境對經(jīng)濟社會的制約程度。

4 水資源承載力表征指標體系

4.1 指標體系架構(gòu) 水資源系統(tǒng)承載的直接客體是區(qū)域社會經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，而兩大系統(tǒng)服務(wù)的終極對象是區(qū)內(nèi)人口，因此水資源承載力應當以承載的人口作為最頂層的表征指標。本文從影響水資源系統(tǒng)的“量、質(zhì)、域、流”四大方面出發(fā)，具體包括水量（允許經(jīng)濟社會水資源消耗量）、水質(zhì)（允許排入河湖水體的污染物量）、水域（維持一定的湖泊濕地等水域用水量和地下水位）、水流（維持一定的河道生態(tài)流量）等四大因素，設(shè)計構(gòu)建“四層三級”指標體系，從而確定水資源承載力大小。

從水循環(huán)角度，水資源承載系統(tǒng)涉及“量、質(zhì)、域、流”等四大方面，其中水量、水質(zhì)既受人類活動影響同時也制約人類活動，屬于經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的指標類別，水域、水流為低影響開發(fā)下生態(tài)健康恢復主體，屬于生態(tài)環(huán)境健康的指標類別。“量、質(zhì)、域、流”是相互聯(lián)系、互相制約的關(guān)系，合理的水量開發(fā)利用和水污染控制有利于湖泊濕地、地下水和河道流量的恢復，狹小的水域體量、脆弱的地下水量及河道斷流則嚴重制約的水可利用量和納污能力。因此，量、質(zhì)是區(qū)域水資源承載力大小的主導因素；而域、流則是區(qū)域水資源承載力大小的約束因素。

4.2 指標體系解析 按照“量、質(zhì)、域、流”四大體系，研究提出對應的三級指標體系（見表1），其中第三級指標是“量、質(zhì)、域、流”狀態(tài)的關(guān)鍵指標；第二級指標則是根據(jù)第三級指標確定的流域/區(qū)域水資源調(diào)控和生態(tài)保護修復的目標，也是決定第一級指標的核心變量；第一級指標則用來表征約束條件下水量、水質(zhì)和水資源承載閾值，進而用來衡量流域/區(qū)域水資源承載力大小；由于三級指標是一個綜合指標，研究提出了對應指標計算的重要影響因子，同時也為“以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)”水資源承載研究提供具體支撐。

表1 水資源承載力“四層三級”表征指標體系

從水資源承載力第三級指標來看，其中水量體系采用“水量水效”指標，水質(zhì)體系采用“納污能力”指標，水域體系采用“水域保護度”指標，水流體系采用“河道流量”指標。

從水資源承載力第二級指標來看，通過第三級指標及其影響因子，可以判定二級制指標閾值，進而為求解一級指標提供基礎(chǔ)。二級指標包括水資源消耗總量、允許入河排污總量、湖泊濕地面積、地下水恢復程度、河道生態(tài)流量等5個指標。第二級指標與“量、質(zhì)、域、流”的關(guān)系是：在水域體系指標河湖濕地、地下水和水流指標河流生態(tài)流量等恢復程度邊界約束下，水量體系指標給出區(qū)域/流域合理的水資源消耗總量，水質(zhì)體系指標給出區(qū)域/流域合理的允許入河排污總量。

從水資源承載力第一級指標（最頂層指標）表征來看，通過第二級指標和指標影響因子可以推求生態(tài)環(huán)境約束邊界下的區(qū)域/流域的水量承載人口、水質(zhì)承載人口，進而判定區(qū)域/流域的水資源承載力表征指標大小。

在三級指標的影響因子方面，用水量指標主要受區(qū)域人口結(jié)構(gòu)、工業(yè)結(jié)構(gòu)、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)等影響；用水效率指標主要受城市管網(wǎng)漏失率、萬元工業(yè)增加值用水量、農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)等影響；納污能力指標主要受水功能區(qū)斷面目標、經(jīng)濟社會人均排污量、水功能區(qū)本底值等影響；水域保護度指標主要受湖泊濕地補水量、地下水開采量等影響；河道流量指標主要受河道生態(tài)補水量等影響。上述經(jīng)濟社會系統(tǒng)的量、質(zhì)的指標與生態(tài)環(huán)境的域、流的指標是相互影響和制約的關(guān)系。

5 水資源承載力預警標識評判準則

評價采用實物量指標進行單因素評價，即將各評價指標與度量標準進行對比分析，評價其承載狀況（表2）。具體為在水量要素、水質(zhì)要素與承載負荷核算的基礎(chǔ)上，對照各評價指標的度量標準，分別評價水量要素、水質(zhì)要素承載狀況，分別將其劃分為超載、臨界超載和不超載；然后再根據(jù)水量、水質(zhì)要素綜合結(jié)果，最終確定區(qū)域的水資源承載狀態(tài)，將區(qū)域水資源承載狀態(tài)劃分為水量超載區(qū)、水質(zhì)超載區(qū)、水量-水質(zhì)超載區(qū)、水質(zhì)-水量超載區(qū)。考慮水資源承載指標狀況的通用性和實踐性，在承載狀況標準取值參數(shù)0.9～1，借鑒2016年《全國水資源承載能力監(jiān)測預警技術(shù)大綱（修訂稿）》中評估值。

表2 水資源承載狀況評價標準

5.1 評價方法 評價指標為區(qū)域現(xiàn)狀或規(guī)劃的人口規(guī)模，是評估水資源承載力的目標；而度量標準則是根據(jù)區(qū)域水域、水流等生態(tài)環(huán)境保護目標約束下的水資源承載表征指標的閾值，即最大水量或者水質(zhì)承載的人口規(guī)模。通過分別對比，可以確定區(qū)域水資源的承載狀態(tài)。

式中：K為區(qū)域承載系數(shù)，i為1、2、3分別代表水量、水質(zhì)、水資源綜合承載系數(shù)；Pt為區(qū)域t時間的規(guī)劃或現(xiàn)狀人口；Cti為t時間水量、水質(zhì)、水資源的承載人口，Ct3=Ct1∩Ct2。

（1）水量要素：①超載（K1＞1），區(qū)域人口大于水量承載人口規(guī)模；②不超載（K1＜0.9），區(qū)域人口小于水量承載人口規(guī)模的0.9倍；③臨界超載（0.9≤K1≤1），除超采和不超采的情況外，均屬于臨界超載。

（2）水質(zhì)要素：①超載（K2＞1），區(qū)域人口大于水質(zhì)承載人口規(guī)模；②不超載（K2＜0.9），區(qū)域人口小于水質(zhì)承載人口規(guī)模的0.9倍；③臨界超載（0.9≤K2≤1），除超采和不超采的情況外，均屬于臨界超載。

（3）綜合評價：水資源綜合承載人口是考慮水量承載人口和水質(zhì)承載人口的對比結(jié)果，為二者的小值。①超載（K3＞1），區(qū)域人口大于水資源承載人口規(guī)模；②不超載（K3＜0.9），區(qū)域人口小于水資源承載人口規(guī)模的0.9倍；③臨界超載（0.9≤K3≤1），除超采和不超采的情況外，均屬于臨界超載。

5.2 評價承載類型 基于水量、水質(zhì)要素單項承載狀況評價和綜合評價結(jié)果，通過單項評價超載狀態(tài)的疊加分析，開展水資源荷載歸因識別，為水資源卸載措施提供依據(jù)。

根據(jù)水資源承載指標體系及評價方法，將不超采和臨界超采合并為可承載類型，對超采進一步細化，通過各評價分區(qū)的水量承載力與水質(zhì)承載力疊加，可產(chǎn)生L0—L45種承載類型，分別為水資源可承載型、水量超載型、水質(zhì)超載型、水量-水質(zhì)超載型和水質(zhì)-水量超載型，各種類型也代表著區(qū)域水資源相關(guān)措施的治理重點，具體見圖1。

圖1 水資源承載歸因類型

6 天津市現(xiàn)狀水資源承載力評估

根據(jù)天津市現(xiàn)狀2015水平年各水源及污染物COD排放情況（資料來源《天津市水資源公報》2001—2015），依據(jù)天津市河流水質(zhì)現(xiàn)狀和地表水水質(zhì)標準，通過多水源優(yōu)化調(diào)控及人均耗排水分析，分別計算天津市水量承載力和水質(zhì)承載力，進而綜合比較計算天津市水資源承載力，結(jié)合水資源承載指標評價方法，分析現(xiàn)狀天津市水資源承載狀況和超載原因。

6.1 水量承載及狀況評估 根據(jù)天津市現(xiàn)狀各水源及出入境情況，通過水資源合理調(diào)控，天津市入境及本地水的水量為35.98億m3，出境水量12.95億m3，多年生態(tài)補水2.8億m3；天津市多年平均水資源利用量為20.23億m3，按照現(xiàn)狀耗用水量114～120 m3水平，水量可承載人口區(qū)間為1 686萬～1 772萬人，均值1 729萬人，詳見表3。

分析結(jié)果表明，天津市從水資源量上來看，對于經(jīng)濟社會發(fā)展還是有一定的承載空間，按照水量承載指標評估方法，天津市在水量承載上屬于水量可承載區(qū)。

在現(xiàn)狀供水格局情景下，天津市常住人口2007年開始步入快速上升階段，根據(jù)天津市2001—2015年常住人口變化趨勢，按照年均50萬人的增長幅度，天津市2020年將達到水量承載上限，若考慮生態(tài)及入海水量按照多年最低生態(tài)用水規(guī)模，其承載上限將會提前到2018年（見圖2）。

表3 2015水平年天津市水量承載力

圖2 2001—2015年天津市常住人口與水量承載上限對比

6.2 現(xiàn)狀年水質(zhì)承載及狀況評估 天津市河流主要污染物為化學需氧量（COD），氨氮其次，本次研究以COD作為天津市水質(zhì)承載的計算指標。根據(jù)天津市現(xiàn)狀各水源及污染物COD排放入河量情況，考慮上游入境河流水質(zhì)較差，其入境水質(zhì)達標不在天津市管轄范圍，本次僅考慮天津市本地水資源及外調(diào)水、海水淡化、深度再生水等水源的水環(huán)境納污能力，結(jié)合天津市水功能區(qū)要求，按照污水一級A出水COD水質(zhì)標準（50 mg/L），天津市COD允許入河排放量為9.16萬t，按照現(xiàn)狀年人均COD排放量6.6～7.8 kg水平，水環(huán)境可承載人口區(qū)間為1 169萬～1 393萬人，均值1 281萬人，詳見表4。

表4 2015水平年天津市水質(zhì)承載力

圖3 2001—2015年天津市常住人口與水質(zhì)承載上限對比

根據(jù)天津市2001—2015年常住人口變化趨勢，在現(xiàn)狀水源格局和排污水平基本不變情景下，天津市常住人口2010年就已達到1 300萬人，超過了天津市水質(zhì)承載力（見圖3）。

分析結(jié)果表明，天津市從水環(huán)境質(zhì)量上來看，經(jīng)濟社會發(fā)展已大大超過水質(zhì)承載空間，按照水質(zhì)承載指標評估方法，天津市在水質(zhì)承載上屬于水質(zhì)超載區(qū)。

6.3 現(xiàn)狀水平年水資源綜合承載及狀況評估 根據(jù)天津市現(xiàn)狀各水源及污染物COD排放入河量情況，按照水資源承載指標評估方法和標準，天津市在入境和本地水總水量35.98億m3、生態(tài)及出境水量15.75億m3、污水一級A出水COD水質(zhì)標準的情況下，天津市水量承載力為1 686萬～1 772萬人，水質(zhì)承載力為1 169萬～1 393萬人，水資源承載力區(qū)間為1 169萬～1 393萬人，均值1 281萬人（見表5）。

分析結(jié)果表明，天津市水資源承載狀況屬于超載區(qū)，類型為水質(zhì)承載不足型。

表5 2015水平年天津市水資源承載力

7 結(jié)論

（1）本文以水資源、經(jīng)濟社會、水生態(tài)、水環(huán)境綜合角度，從“量、質(zhì)、域、流”四大方面出發(fā)，設(shè)計構(gòu)建了水資源承載力“四層三級”指標體系，并探討了指標體系的相互作用和影響關(guān)系，“四層三級”指標體系符合自然-人工影響下的水資源承載力評價要求。（2）本文在水量要素、水質(zhì)要素與承載負荷核算的基礎(chǔ)上，對照各評價指標的度量標準，提出基于水量、水質(zhì)和水資源綜合承載狀態(tài)評判準則，按照承載狀態(tài)劃分為超載、臨界超載和不超載；按照承載類別劃分為水資源可承載區(qū)、水量超載區(qū)、水質(zhì)超載區(qū)、水量-水質(zhì)超載區(qū)、水質(zhì)-水量超載區(qū)。本方法可為診斷區(qū)域水資源承載力狀態(tài)、荷載類型和卸載措施提供依據(jù)。（3）以天津市為例，根據(jù)天津市現(xiàn)狀各水源及污染物COD排放入河量情況，天津市水量承載力為1 686萬～1 772萬人，水質(zhì)承載力為1 169萬～1 393萬人，水資源承載力區(qū)間為1 169萬～1 393萬人，均值1 281萬人；分析結(jié)果表明，天津市水資源承載狀況屬于超載區(qū)，類型為水質(zhì)超載型，顯示出天津市水污染控制為當前重中之重。

參 考 文 獻：

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