水资源承载力研究

刘强　陈进　黄薇 柳弢

摘  要  水资源承载力方面研究的文献较多，但目前对于其定义、评价指标以及计算方法还没有统一的认识。通过对影响水资源承载力的因素进行分析，提出了评价指标的划分方法，设计出一套水资源承载能力的计算框架及计算模型，以应用实例加以说明。可供核实分析评价时参考。
关键词  区域　水资源　承载力　可持续发展

    水资源承载力的理论研究，国际上单项研究的成果较少，大多纳入可持续发展理论中。国内20世纪80年代施雅风明确提出了水资源承载力的概念。20世纪90年代以来，在地区和国家社会经济发展中坚持走可持续发展道路已是普遍的共识，作为可持续发展研究和水资源安全战略研究中的一个基础课题，水资源承载力研究已引起学术界的高度关注并成为当前水资源科学中的一个重点和热点研究课题。

    一、影响水资源承载力大小的因素

    1.水资源总量及水质

    水资源总量是指流域水循环过程中可更新恢复的地表水与地下水资源总量。水资源总量的确定是水资源承载力研究的基础资料，是决定流域水资源承载力的关键因素之一。在水资源承载力研究中，水量与水质密不可分，两者必须同时考虑。水资源总量的确定包括：变化环境下的水资源总量；跨流域调水所引起的水资源总量的增减；各水利工程建筑物所增加的水资源总量及其控制地域范围与时间范围；丰水期与枯水期水资源总量与水质。

    2.生态环境需水

    生态环境需水是为了维系生态系统生物群落基本生存和一定生态环境质量（或生态建设要求）的最小水资源需求量和基本水质要求。生态环 境需水量包括天然生态保护与人工生态建设所消耗的水量。生态环境需水不但要满足最小水资源量的需要，同时还应满足基本的水质要求。而水体流速与流量，流量与水质又有相互的联系，在生态需水总量计算中需综合考虑。

    3.可供使用的水资源量

    可供使用的水资源量是指可以直接提取用于工业、农业及生活的水资源量。从水资源可持续发展的角度来说，可供使用的水资源量是指在一定的用水结构和开发利用深度下可被开发利用的最大水资源阈值，是水资源承载力计算的基线。
    可供使用的水资源量在数值上不易给定，因为该量一方面要保证不挤占生态环境用水，要从水资源总量中扣除地下水总量、地表水对地下水的补给量及蒸发量，另一方面该量与水资源的需求关系及相应的水资源配置、地区生产力水平、生产力发展水平、节水潜力、节水技术、社会消费水平及消费结构等因素相关，因为这些因素的变化影响了回水量及回水水质，从而对流域河道内水体产生了不同的影响，使可供使用的水资源量发生变化。

    4.水体自净能力

    污染物进入水体后，其浓度在流动过程中经过水中物理、化学与生物作用，使污染物浓度降低的现象，称为水体的自净作用。自净能力的大小是各种综合因素的结果，如流域生物群落、水体酸碱性、河床岩性与植被、水体污染程度等因素有关。对应不同的污染物，水体的自净能力是不同的，在研究时可针对不同的污染物用某一污染物的综合削减系数这一指标来刻画。

    二、流域水资源承载力指标体系

    依据其影响因素及所涉及的领域，流域水资源承载力指标体系划分如图１。
    水资源承载力指标体系的建立有两个目的：其一是用来衡量水资源承载力的大小，其二是给定承载力评价的一般性指标，这些指标的作用是使水资源承载力评价方法与评价手段规范化、标准化。对于特定地区需要根据具体情况增加特定指标。所以笔者认为水资源承载力还需根据计算要求建立一套计算性指标体系：

度量性指标：		可供使用的水资源量、人口数、人均工业GDP产值、耕地灌溉率和有效灌溉面积
评价性指标		诊断指标(用于课承载的判断)：包括生态环境、农业指标 计算指标(用于承载力大小的计算):包括工业、农业、生活、城市发展指标

    三、水资源承载力的计算

    水资源承载力研究的核心问题：在目前以及未来可预见的水资源开发利用阶段，流域（或某一区域）可供使用的水资源量是多少（属于可再生利用的水资源量）？这些水资源究竟能够支撑多大规模的社会经济系统发展？对于目前水资源已经不能承载的地区如何补救？如何合理管理有限的水资源，维持和改善水资源承载力？为此，笔者提出水资源承载力计算的流程（略），所需要的计算指标，见表１、表２。

图1 流域水资源承载力指标体系划分

    水资源承载力计算中可承载性判断的理论依据是生态环境指标体系中的各指标是否低于环境指标数值，即：若环境的实际指标均优于或等于指标体系中的标准时是可承载的，否则不可承载。
    水资源承载力计算的总体思路分为五步：①确定水资源总量，将其分为两部分，即“保留水资源量”与“可供使用的水资源量”，给定一个初始值；②对可供使用的水资源量进行水资源配置（按目前用水结构或计划结构），计算出各行业的回水量及水对各行业的支撑能力（包括目前用水水平与深度开发水平）；③计算出将回水与河道（或湖泊等水体）内水混合后的区域水量与水质情况，并计算经水体自净后的水质；④将计算结果与生态环境指标体系中各指标进行对比，若计算水质与水量标准高于或等于（部分等于）指标体系要求时是可承载的，否则不可承载；⑤若不可承载，返回第一步。重复以上五步直到计算水量及水质均符合要求，且有一个或若干个指标与环境要求指标相等时停止计算，此时计算出的可供使用的水资源量为最大可供使用的水资源量，计算出水的支撑能力为最大支撑能力，计算出的回水量为最大允许回水量（按达标排放）。
    在此只对模型构造中关键性的两步（第二步、第三步）进行说明。

    1.分配水量对工业、农业、生活的支撑能力计算

    在工业、农业及生活方面，水资源承载能力计算包括两个方面，即目前技术条件以及深度开发水平下的水资源支撑能力。对于目前技术条件下的计算只需将分配水量与目前用水情况进行简单对比运算即可，由于文章篇幅限制，在此不加以论述。采用先进技术条件下水资源的承载能力计算如下（未标明的变量见表１及表２）：
    (1)工业
    目的为计算出在分配水量(Q_I)下可支撑的工业产值(C_I)及排污量(Q_PI)。

Q_产品用水=Q_I-Q_PI-ΨQ_I

    式中，ψ为在生产过程中的跑、漏等浪费的水量占供水量的百分比系数；Q_PI为排污量。
    再根据工业用水重复利用率的定义，以及工业耗水率的定义：

    式中，α为工业用水重复利用率。在工业结构不变，而只是提高重复利用率时ｋ值改变。若采用新的工艺需对ｋ值重新进行计算。所以在ｋ值没有改变的情况下其污水排放量为（设其工业重复利用率为α_２）：

    (2)农业
    目的为计算出在所分配水量(Q_A)下有效灌溉面积的灌溉率（μ）及回水量(Q_PA)。
    不计算农业产值，因为农业经济效益相对很低，将农业作为主要因素是考虑到保护粮食安全和社会稳定的社会效益。此外，一般来说随着工业化、城市化进程和乡镇企业的发展，不可能依靠增加耕地面积来增加粮食产量（从多年来看有效灌溉面积是相对比较稳定的），而通过提高复种指数来增加粮食产量的潜力也不大，在这种情况下，增加农作物产量主要依靠提高单位面积产量来实现，所以选用灌溉率这一指标也可以反映出农业的发展情况。
    设有效灌溉面积为Ｓ、灌溉率为μ，则实际灌溉面积为：

S_P=S·μ                              (3)

    农业灌溉用水，又可分为净灌溉用水量和毛灌溉用水量。分别用符号M_净及M_毛表示。则综合渠系有效利用系数为：

η_水=M_净/M_毛                           (4)

    文中农业用水包括水田用水、水浇地用水、菜田用水。不包括林特渔业用水。
    某种作物的净灌溉用水量为

    M_净i=m_iA_i      ��(i = 1,2,3 )       (5)

    式中分别对应水田、水浇地、菜田。m_i为净灌溉定额，A_i为灌水面积。设β_i=A_i/(A₁+A₂+A₃)=A_i/S_P，为各种耕地所占比重。则

    M_净=∑m_iβ_iS_P,　即 Q_A=∑m_iβ_iS_P/η_水

    所以 S_P=Q_Aη_水/∑m_iβ_i,　μ=Q_Aη_水/S∑m_iβ_i  (i=1,2,3)     (6)

    设农业耗水率为：ζ_A=Q_耗水/Q_A，

    则 Q_PA=(1-ζ_A)QA                                       (7)

    (3)生活用水方面：目的为计算出在所分配水量(Q_L)下能够支撑的城镇人口数(N_P)和排污量(Q_PA)。
    主要考虑城镇生活用水，城市生活用水按用途可分为居民住宅用水和市政用水两大类。这两部分的用水比例随城市发展规模和人们生活水平的提高而发生变化，但短期内也是相对稳定的。

    设  v=Q_居民用水/Q_L          (8)

    则  N_p=vQ_L/L               (9)

    L为居民用水定额。生活耗水率的定义有：

    Q_PL=(1-ζ_L)Q_L               (10)

    2.区域水量、水质计算

    工业、农业及生活用水污水排入地表水体（江河及湖泊）后使地表水体水质恶化，但是排入的污水与地表水不是简单的混合，由于水体自身有净化能力，会使污染程度有一定的缓解。在此以“黑箱模型”对其进行求解。
    设污染物i的综合削减系数为K_i，则

    K_i=1-QC_F,i/(Q_ENC_EN + Q_PIC_PI,i +C_PAC_PA,i +Q_PLC_PL,i +Q_POC_PO,i),

    Q=Q_EN + Q_PI + C_PA + Q_PL + Q_PO                                        (11)

    式中Q为混合后的总水量；C_Fi为污染物ｉ混合后的浓度(mg/L)�燪_EN、Q_PI、Q_PA、Q_PL、Q_PO及C_EN、C_PI,i、C_PA,i、C_PL,i、C_PO,i分别为混合前的环境、工业、农业、生活及其他方面的水量及污染物的浓度。在地表水体中，Q_EN、C_EN和Q、C_F,i对于江河来说分别是其上游断面的水量，污染物浓度和下游断面的水量和污染物浓度；对于湖泊来说分别是在t₀时刻的水量及污染物浓度和t时刻的水量及污染物浓度。所以有：

    C_F,i=(1-K_i)(Q_ENC_EN + Q_PIC_PI,i +C_PLC_PL,i +Q_PAC_PA,i +Q_POC_PO,i)/Q           (12)

    3.模  型

    设判断指标为：C_lim,i为计算区域地表水对污染物质i的阀值，Q_lim为水量阈值，μ_lim为耕地灌溉率阈值。

    则有：C_lim,i≤C_F,i，　Q>Q_lim，　μ≥μ_lim 　                    (13)
    设：Q_I=ρ₁Q_EO、　Q_A=ρ₂Q_EO、　Q_L=ρ₃Q_EO、　Q_O＝ρ₄Q_EO              (14)
        ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ₄为水资源配置系数，即各行业用水比重。
        ρ₁＋ρ₂＋ρ₃＋ρ₄=1                                   (15)
    则数学模型如下：

    以上数学模型实际上是求最优解的数学问题：当MaxC_lim,i=C_F,i，MinQ=Q_lim时，求得特定水资源配置条件下的水资源最大承载力，即求解出C_I(能够支撑的工业产值)、N_P(能够支撑的城镇人口数)以及μ(有效灌溉面积的灌溉率)的值。模型的求解是一个反复计算寻求最优解的过程，在计算机中可以使用迭代法，或对半差分法来进行最优解的搜索。

    四、应  用

    以重庆市的用水条件为例对计算进行说明，以长江干流重庆朱沱处的水量为基准，计算该断面水资源的承载能力。因为该处在不同月份水质差别较大（大都在Ⅱ类到Ⅳ类之间），本文引用2002年4月份的统计数据对模型的计算进行说明，因为该时段水量相对较小而污染最严重，是水资源承载能力最弱的时段。本文对该段水资源承载力的计算准则为：为保证下游长江干流的水质，要求经开发利用后长江干流水质不得超过Ⅳ类水标准，否则认为是超载的。因为长江干流水量充沛，所以本例中不对水量做限制。
    根据该段主要污染物，选取诊断指标为总大肠菌群、总磷、石油类，即：C₁<10000个/L，C₂<0.2mg/L,C₃<1.0mg/L。
    用水所占比重关系为：工业(ρ₁)42.5%，农业(ρ₂)35.3%，生活(ρ₃)22.2%。工业耗水率(ζ_I)20.4%，工业万元产值用水量(q)为155m³/万元，工业用水重复利用率(α)40%，ψ=12.5。有效灌溉面积(S)166.52万hm²，其中水田所占比重β₁=52.2%，灌溉定额3000m³/hm²；旱地所占比重β₂＝47.8%，灌溉定额1200m³/hm²；灌区渠系水利用系数0.65(η=0.65)。城镇人口用水定额为0.150m³/日·人，居民住宅用水占城镇生活用水量的60%(ν1=60%)，生活耗水率(ζ_L)为20.7%。计算段上断面流量为3200m³/s。目前的总取水量为Q_EO=182.5m³/s。上断面水质情况为：C_EN,1=1500个/L，C_EN,2=0.18mg/L，C_EN,3=0.48mg/L。污水排放浓度为：C_PI,1=30000个/L、C_PI,2=0.5mg/L、C_PI,3=30mg/L；C_PL,1=50000个/L、C_PL,2=0.6０mg/L、C_PL,3＝1mg/L。综合削减系数为选取两典型断面测量，以此替代整个计算段的综合削减系数：K₁=0.001，K₂=0.0002，K₃=0.002。
    将以上各量代入计算模型，水资源配置关系保持不变，经计算：最大可供使用的水资源量为448m³/s，占总水量的14%，可承载人口总数为3437.2万人，人均GDP产值为1.1270万元，灌溉率为91%。
    若水资源配置关系不变，工业用水重复利用率提高至50%，工业耗水率提高至23%。则最大可供使用的水资源量为480m³/s，占总水量的15%，可承载人口总数为3560万人，人均GDP产值为1.3524万元，灌溉率为93%。
    若水资源配置关系变为工业45%，农业28%，生活27%，其他各项不变，则最大可供使用的水资源量为432m³/s，占总水量的13.5%，可承载人口总数为4031万人，人均GDP产值为0.9812万元，灌溉率69.3%。

表1 诊断性指标表

表2 计算性指标表

    五、结  语
    在流域水资源承载力计算中，要从水量及水质两方面对流域上各地区的用水量和排污量进行控制（两者的控制程度据流域水资源量而定），以保证下游的水量及水质。在实际应用时，当某一地区的回水量超标时则认为其已经超载。
    水资源承载力的研究在我国已有较多研究课题和论述，但在水资源承载能力的计算上一直以来没有统一的认识，笔者在此提出的计算模型虽然还有许多不足之处，但希望能为大家提供一个参考。
　

    参考文献：
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    10 刘振胜．2001年长江流域及西南诸河水资源公报．水利部长江水利委员会，2002．

    （作者单位�熕�利部长江水利委员会长江科学院水资源室）

    责任编辑  邓淑珍