水資源配置對(duì)水資源承載能力影響研究

俞祎波 董增川 劉淼 陸小明 朱斌

摘要：為了解區(qū)域水資源承載狀態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿?，需明確水資源支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)模的閾值。通過(guò)辨析水資源承載能力與水資源優(yōu)化配置的基本內(nèi)涵，進(jìn)一步闡述了水資源承載能力的計(jì)算方法。選取南京市為研究區(qū)，以2015年為典型年，計(jì)算水資源配置后南京水資源承載能力，結(jié)合水資源承載度計(jì)算結(jié)果，分析南京市水資源承載狀態(tài)，結(jié)果表明水資源配置有效提升了南京市的水資源承載能力，緩解了水資源承載壓力。

關(guān)鍵詞：水資源；水資源承載能力；水資源配置；南京市

中圖分類號(hào)：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.010

水是重要的自然資源之一，是生態(tài)環(huán)境是否健康的決定性因素，更是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，水資源被掠奪式開發(fā)，水生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞，水資源短缺、水環(huán)境污染已成為人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的巨大障礙。為了解區(qū)域水資源對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的承載程度，促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用，水利部辦公廳發(fā)布“關(guān)于做好建立全國(guó)水資源承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制工作的通知”，在核算區(qū)域水資源承載能力的基礎(chǔ)上，建立可行、科學(xué)的水資源承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制。

水資源承載能力是承載能力的衍生概念，于20世紀(jì)80年代末由我國(guó)學(xué)者提出，并就其概念內(nèi)涵、量化方法等方面開展了大量研究工作，但針對(duì)水資源配置與水資源承載能力之間關(guān)系的研究相對(duì)較少。筆者基于《全國(guó)水資源承載能力預(yù)警機(jī)制工作大綱》，以2015年為典型年，分別計(jì)算了水資源配置前后的南京市水資源承載能力，分析了水資源配置與水資源承載能力之間的關(guān)系，并據(jù)此提出南京市提高水資源承載能力的建議。

1水資源承載能力概念辨析與研究進(jìn)展

承載能力是最初由古希臘哲學(xué)家亞里士多德提出的一個(gè)極限概念。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）和教科文組織（UNESCO）在20世紀(jì)70年代對(duì)承載力的概念組織了許多開創(chuàng)性的研究。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始將承載力的概念應(yīng)用于水資源領(lǐng)域，但迄今對(duì)水資源承載能力的定義仍沒(méi)有達(dá)成一致，目前主要有3種觀點(diǎn)：第一種是以施雅風(fēng)等 為代表的，認(rèn)為水資源承載能力是水資源能夠?qū)^(qū)域提供的最大支撐能力，即一定條件下區(qū)域水資源對(duì)當(dāng)?shù)厝丝凇⒔?jīng)濟(jì)可以提供的最大供水量；第二種是以夏軍等為代表的，認(rèn)為水資源承載能力是“最大承載規(guī)?！?，即區(qū)域水資源在一定條件下能承載的最大人口經(jīng)濟(jì)規(guī)模：第三種觀點(diǎn)是利用水環(huán)境最大承受能力去定義水資源承載能力，即在不破壞生態(tài)環(huán)境的前提下，水資源最大的開發(fā)容量。

綜合以上3種定義，考慮到本文最終目的是解決區(qū)域水資源短缺和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題，因此參考夏軍院士對(duì)水資源承載能力內(nèi)涵的理解，對(duì)水資源承載能力定義為：以可持續(xù)發(fā)展為原則，在維護(hù)生態(tài)與環(huán)境良性發(fā)展的前提下，根據(jù)當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，水資源所能支撐的最大社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)模。

20世紀(jì)60年代，國(guó)外學(xué)者開始利用系統(tǒng)科學(xué)方法對(duì)水資源進(jìn)行優(yōu)化配置。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和綜合管理等學(xué)科的發(fā)展，水資源配置已經(jīng)從單一的用水調(diào)配發(fā)展到考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的綜合調(diào)配，水資源配置模型從簡(jiǎn)單的水量分配發(fā)展成注重與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)系統(tǒng)相結(jié)合的水資源綜合管理模型。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者認(rèn)為水資源配置是指在研究范圍內(nèi)遵循高效、公平和可持續(xù)性原則，對(duì)多種可利用的水源在各區(qū)域和各用水部門之間進(jìn)行的調(diào)配。國(guó)內(nèi)外在水資源優(yōu)化配置和水資源承載能力的研究均已有豐富的成果，但對(duì)兩者之間的關(guān)系方面論述尚不多見(jiàn)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)水資源承載能力和水資源優(yōu)化配置之間的關(guān)系研究主要集中在水資源承載能力對(duì)水資源優(yōu)化配置的影響，以左其亭等為代表，將水資源承載能力作為水資源優(yōu)化配置模型的約束條件，而水資源配置對(duì)水資源承載能力的影響研究較少。

2研究方法

2.1水資源承載能力計(jì)算方法

（1）區(qū)域可供水量支撐的人口規(guī)模。某一區(qū)域水資源支撐的最大經(jīng)濟(jì)規(guī)模計(jì)算公式為式中：Fem為某區(qū)域水資源承載的最大經(jīng)濟(jì)規(guī)模；WD為該區(qū)域的用水總量；GDP為用水量為WD時(shí)所產(chǎn)生的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值：Ws為區(qū)域可供水量。

水資源支撐的人口規(guī)?？梢愿鶕?jù)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平和某時(shí)段該區(qū)域的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）進(jìn)行計(jì)算，表達(dá)式為式中：Fpw為區(qū)域可供水量所能供養(yǎng)的最大人口規(guī)模：GDPp為某社會(huì)發(fā)展水平下的人均GDP下限標(biāo)準(zhǔn)。

（2）區(qū)域水環(huán)境支撐的人口規(guī)模。限排總量是指在某時(shí)段內(nèi)區(qū)域最大允許排放污染物的量，本文將限排總量作為水環(huán)境的極限承載能力，表達(dá)式為

Fpe=ReD/PD

（3）式中：Fpe為區(qū)域污染負(fù)荷滿載時(shí)所能供養(yǎng)的人口規(guī)模；ReD為D類污染物的限排總量；PD為某階段人均排放D類污染物下限標(biāo)準(zhǔn)。

（3）區(qū)域水資源承載能力。區(qū)域水資源承載能力F由水資源支撐的人口規(guī)模和水環(huán)境支撐的人口規(guī)模中較小的值決定，表達(dá)式為

F=min（Fpw，F(xiàn)pe）

（4）

根據(jù)這種方法計(jì)算的區(qū)域可承載的經(jīng)濟(jì)、人口規(guī)模為區(qū)域水資源理論上可以支撐的最大規(guī)模，并未考慮區(qū)域水資源配置對(duì)水資源承載能力的影響。

2.2水資源配置模型

（1）目標(biāo)函數(shù)。模型目標(biāo)函數(shù)包括：①社會(huì)目標(biāo)，在保障生活用水的前提下，以區(qū)域各用戶的缺水率最小為目標(biāo)；②生態(tài)環(huán)境目標(biāo)，以排放的污染物總量最小為目標(biāo)；③社會(huì)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，以供水產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)。模型表達(dá)式為式中：Wj（t）為第i種水源在第t時(shí)段的水資源量；Qmaxij為第j種水源的最大供水能力。

②需水量約束：

（3）求解方法。采用粒子群優(yōu)化算法 對(duì)水資源配置模型求解步驟為：以第j種水源提供給第i計(jì)算單元的供水量作為決策變量，由混沌映射得到?jīng)Q策變量的初始解并放大到供水量取值范圍，然后采用混沌粒子群優(yōu)化迭代方法尋優(yōu)，滿足設(shè)定的代次數(shù)時(shí)輸出最優(yōu)解。

水資源承載能力由經(jīng)濟(jì)規(guī)模和人口規(guī)模兩種指標(biāo)來(lái)衡量，為了方便直觀地理解承載情況，本文選取人口規(guī)模作為水資源承載能力的衡量指標(biāo)，水環(huán)境承載能力選取COD、氨氮排放量作為指標(biāo)，然后用承載度，來(lái)更加直觀地評(píng)價(jià)水資源、水環(huán)境的承載狀態(tài)及承載潛力：

I=POP/Fp

（9）式中：I為水資源承載度；Fp為某社會(huì)發(fā)展水平下區(qū)域可利用水資源量所能供養(yǎng)的人口規(guī)模；POP為典型年區(qū)域的總?cè)丝跀?shù)。

承載狀態(tài)的劃分標(biāo)準(zhǔn)參考了水利部《建立全國(guó)水資源承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制技術(shù)大綱》，將水資源承載狀態(tài)劃分為超載、臨界超載和不超載3種狀態(tài)（見(jiàn)表1）。

3案例分析

3.1研究區(qū)概況

南京市位于長(zhǎng)江下游中部地區(qū)，屬北亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，多年平均氣溫為15.5℃，多年平均降水量為1082.3mm，年均降水天數(shù)為117d（主要集中在5-9月），年均水面蒸發(fā)量為884.3mm，相對(duì)濕度76%。全市多年平均地表水資源量為24.16億m^3，多年平均地表徑流系數(shù)為0.34。受降水的影響，地表水資源量時(shí)空分布不均。

3.2數(shù)據(jù)來(lái)源

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于《南京市水資源管理現(xiàn)代化建設(shè)方案》《2015年南京市水資源保護(hù)規(guī)劃》《南京市水資源公報(bào)》（2006-2015年）、《南京統(tǒng)計(jì)年鑒》（2008-2015年）、《南京市國(guó)民經(jīng)濟(jì)公報(bào)》《南京市土地利用總體規(guī)劃》等。

3.3研究區(qū)概化

（1）水源劃分。南京市的水源主要包括當(dāng)?shù)厮瓦^(guò)境水，其中：當(dāng)?shù)厮ǖ乇硭ê泳W(wǎng)調(diào)蓄、水庫(kù)）、地下水和非常規(guī)水（雨水、回歸水），過(guò)境水主要有長(zhǎng)江、水陽(yáng)江、滁河水。

（2）用戶概化。南京市下轄玄武區(qū)、秦淮區(qū)、鼓樓區(qū)、江寧區(qū)、浦口區(qū)、六合區(qū)等11個(gè)市轄區(qū)。本文將玄武區(qū)、秦淮區(qū)、鼓樓區(qū)、建鄴區(qū)、柄霞區(qū)和雨花臺(tái)區(qū)合并為主城區(qū)計(jì)算單元，其余計(jì)算單元按照行政分區(qū)劃分。水資源配置模型中按照行政區(qū)套4級(jí)水資源分區(qū)，將南京市劃分為9個(gè)計(jì)算單元，其中：浦口區(qū)、江寧區(qū)和主城區(qū)不作劃分，六合區(qū)、溧水、高淳按照水資源分區(qū)均一分為二。配置完成后，為了方便與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比，合并成行政區(qū)劃進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。每個(gè)計(jì)算單元有農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、服務(wù)業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水五大用水部門。

3.4計(jì)算結(jié)果

首先統(tǒng)計(jì)南京市各行政分區(qū)的限排總量，并根據(jù)水資源量和水利工程基本情況計(jì)算各行政分區(qū)的可供水量，結(jié)果見(jiàn)表2。

統(tǒng)計(jì)2015年南京市各行政分區(qū)的用水量、COD和氨氮排放量，除以南京市各行政分區(qū)人口，分別得到2015年水資源配置前南京市各區(qū)的人均用水量、排污量，結(jié)果見(jiàn)表3。全市平均值計(jì)算采用全市用水量（排污量）除以全市人口計(jì)算得到，配置前南京市年人均用水量為427.6m^3，人均COD排放量為18.25kg，人均氨氮排放量為1.82kg。

利用可供水量和人均用水量，根據(jù)式（1）計(jì)算南京市水量承載人口：利用限排總量和人均排污量，根據(jù)式（3）分別計(jì)算COD和氨氮的承載人口；利用式（4）計(jì)算2015年水資源配置前南京市各區(qū)的承載人口，結(jié)果見(jiàn)表4。

綜合南京市可供水量、2015年限排總量可承載人口的分析，南京市水資源承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其可供水量所能支撐的人口，COD和氨氮排放量成了制約承載更多人口的短板。各個(gè)行政分區(qū)中，除了六合區(qū)為水量不足約束了承載人口，其余行政分區(qū)均為限排總量約束了承載人口。

以各區(qū)各用水部門的綜合缺水率、供水產(chǎn)生的總經(jīng)濟(jì)效益和各部門總排污量為目標(biāo)函數(shù)，設(shè)定可供水量、水質(zhì)和水利工程供水能力等約束條件，建立南京市水資源優(yōu)化配置模型，輸入2015年各行政分區(qū)各部門的需水量、排污量、90%保證率下的可供水量，利用粒子群算法進(jìn)行模型求解。根據(jù)配置結(jié)果，重新計(jì)算配置后南京市各區(qū)的人均用水量、排污量，見(jiàn)表5。全市平均值計(jì)算采用全市用水量（排污量）除以全市人口計(jì)算得到，配置后南京市年人均用水量為475.8m^3，人均COD排放量為12.75kg，人均氨氮排放量為0.64kg。

配置后南京市水資源承載能力見(jiàn)表6。

將配置前后南京市的人均用水量、排污量以及水資源承載能力繪制成柱狀圖（見(jiàn)圖1）進(jìn)行比較。從圖1可以看出，除了六合區(qū)在配置后水資源承載能力變化不大以外，其他各區(qū)在經(jīng)過(guò)水資源配置后，承載能力都得到了較大提升。分析配置前后約束承載能力的因素可以發(fā)現(xiàn)，在配置前主要是污染物排放約束了南京市水資源承載能力，而在配置后，幾個(gè)區(qū)域通過(guò)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，使得排污量大幅下降，提高了區(qū)域的承載能力。

利用式（9）分別求得配置前后南京市各區(qū)的水資源承載度，結(jié)果見(jiàn)表7。

將表7中承載度繪制成柱狀圖（見(jiàn)圖2）進(jìn)行對(duì)比分析。從表7和圖2可以看出，配置前，南京市水資源承載狀況整體較差，所有行政分區(qū)均處于不同程度的超載狀態(tài)，水資源環(huán)境壓力較大；經(jīng)過(guò)水資源配置后，除了六合區(qū)承載狀態(tài)不發(fā)生變化外，其余各個(gè)行政分區(qū)的超載狀況均得到了不同程度的緩解，全市從超載狀態(tài)轉(zhuǎn)變成臨界超載狀態(tài)。結(jié)合配置前后承載能力計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，高淳區(qū)和江寧區(qū)超載程度得到緩解，由配置前的水質(zhì)型超載變成了水量型超載，六合區(qū)由水量型超載變成了水質(zhì)型超載，說(shuō)明水資源配置充分發(fā)揮了區(qū)域承載能力的潛力，提升了區(qū)域的承載能力。

4結(jié)語(yǔ)

（1）配置前后南京市水資源承載能力相差較大，說(shuō)明該市有較大的承載能力提升潛力?？傮w而言，南京市水資源較為充足，但目前水環(huán)境狀況較差，水污染成為制約南京市進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。

（2）南京市需要對(duì)產(chǎn)業(yè)布局和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，針對(duì)配置前超載嚴(yán)重的溧水區(qū)、高淳區(qū)和江寧區(qū)，對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)，對(duì)區(qū)域內(nèi)高污染、高耗水的企業(yè)進(jìn)行整改或關(guān)停，減少污水排放；針對(duì)水資源承載能力受到水資源量制約的六合區(qū)，則需要加快相關(guān)水利工程的建設(shè)。

（3）水資源配置方案的不同會(huì)影響區(qū)域的水資源承載能力，合理的水資源配置方案能更好地發(fā)揮區(qū)域的水資源承載潛力，從而提升區(qū)域總體的水資源承載能力。