摘要:在总结众多研究成果的基础上,明确了水资源承载能力的定义和内涵,提出了一个物理概念清晰、简单实用的水资源承载能力计算模型。并以海河流域为对象,应用该计算模型对海河流域近20 年来的水资源承载能力演变进行了分析,结果表明,海河流域水资源整体上处于持续超载状态,且超载度呈现上升趋势;同时根据预测模型的计算,对海河流域未来水资源承载能力进行了趋势分析,并提出了提高海河流域承载能力的途径。

关键词:水资源承载能力;计算模型;海河流域

中图分类号:tv213 文献标识码:a

1 　研究背景

国际上水资源承载能力的理论研究成果较少,大多将其纳入可持续发展理论中。如joardor 等[1 ] 从供水的角度对城市水资源承载力进行了相关研究,并将其纳入城市发展规划当中;rijiberman j 等[2 ] 在研究城市水资源评价和管理体系中将承载力作为城市水资源安全保障的衡量标准;jonathan m harris 等[3 ]将水资源作为其中重要的影响因素,把综合的土地承载力作为区域发展潜力的一项重要衡量标准;olli varis 等人[4 ] 以水资源开发利用为核心,参照不同地区发展历史把长江流域的社会经济现状同其水环境承载能力进行初步比较。

我国最早开展水资源承载能力研究是在1989 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。20 世纪90 年代以来,关于水资源承载能力的研究方兴未艾,众多学者纷纷提出相关的各种观点、概念、方法、评价指标体系和计算分析模型,但至今没有形成统一的认识,即便是关于区域水资源承载力的定义,国内也没有统一的认识,许多学者都提出了不同的观点[5～8 ] 。

本文在总结了前人众多研究成果的基础上,在充分分析水资源承载能力内涵的基础上,给出了一个较为全面的定义,在此基础上,构建了一个简单的计算模型,为定量计算分析流域或者区域的水资源承载能力提供了一个工具,模型具有概念清晰、内涵丰富、简单实用等特点。同时,以我国水资源最为紧缺的海河流域为例,分析了其近20 年水资源承载能力的演变过程,对未来的水资源承载能力进行了情景分析,并提出了提高水资源承载能力的具体途径。

2 　水资源承载能力的定义与计算模型

2.1 　水资源承载能力的定义　

国内关于水资源承载能力的文献较多,其定义可以归纳为两种观点:一种是水资源开发容量论或水资源开发规模论[9 ] ;另一种观点是水资源支持持续发展能力论[10 ] 。

水资源承载能力是资源承载能力的一个具体范畴,本文认为可借用联合国教科文组织提出的资源承载能力的概念,即:一个流域或地区的水资源承载能力,是指在可以预见的时期内,利用本地水资源及其他资源和智力、技术等条件,在保证其社会文化准则的物质生活水平条件下,所能持续供养的人口数量。

这一定义包含如下信息: (1) 界定了水资源承载能力分析的时间尺度; (2) 界定了水资源承载能力分析的空间尺度; (3) 提出了水资源承载能力需要同本地其他资源进行匹配; (4) 提出了水资源承载能力受社会、文化、风俗、生活水平等多因素影响; (5) 突出了水资源承载能力研究的目的,即一定的水资源量可持续供养的区域人口数量。

2.2 　水资源承载能力计算模型

目前,许多学者提出了评价指标体系的方法来评估水资源承载能力[10 ] 。评价指标体系方法的优点在于涵盖的内容范围较广,对问题的描述较为全面,但同时也存在着三方面明显的不足:一是最终的评价结果的物理概念不清晰,阈值难以确定,无法对流域或者区域的承载状况进行简单明了的判断;二是在方法中需要确定指标的权重,导致方法客观性不强;三是数据量较大,获取不易。本文提出的双要素水资源承载能力计算模型对以上几个方面都有改进。

根据水资源承载能力定义,以及对水资源承载能力内涵的剖析,本文提出的水资源承载能力计算模型如下

式中: cw 为水资源承载能力(人) ;wn 为经济社会可消耗水量(m3 ) ; qp ( t) 为人均全员耗水量(m3/人) 。

模型中,经济生活水资源可利用量反映了一个流域或区域的水资源禀赋条件、生态环境保护目标和水资源开发利用状况,包含了水资源承载主体特性、承载客体水平和承载主客体的相互作用关系;人均全员耗水量反映一个流域和地区的水资源开发利用水平、水资源生产力水平和受水资源禀赋的制约因素,同时隐含着相应条件下的流域人口总量、经济总量和人均生活水平,因此cw 包含了承载人口数量和这些人口的生活水平。式(1) 中, qp ( t) 是随时间变化的量,代表不同年的水资源耗用和生产力水平,因此cw 也是一个随时间变化的量。

经济社会水资源可利用量,可用式(2) 计算,即:

wn = w - wo + wb (2)

式中:w 为当地水资源总量;wo 为生态环境需水量(指消耗量) ,包括本地的生态环境需水和下游流域的生态需水,包含了河道内生态需水和河道外生态需水;wb 为外流域调入的真实水量,包括过境水中取得实际水权的水资源量。

w 和wb 均较容易得到,可参考水资源规划大纲。wo 的计算相对复杂,目前尚无标准。若水资源承载能力研究评价区有相应生态需水量研究计算成果,可直接引用。若研究评价区没有相应成果,本模型建议采用式(3) 计算,即:

wo = αw (3)

式中:α为生态需水系数,与气候带及其生态环境生态类型和生态功能有关。目前可参照表1 选取。

人均全员耗水量用式(4) 计算,即

式中:wec ( t) 为t 时刻流域(或区域) 总耗水量; p( t) 为该时刻对应的人口总量。

对于现状条件下,总耗水量和现时人口通过调查统计得到,现时状态的人均全员耗水量容易计算,可参照水资源规划大纲或评价导则进行;对未来规划条件下的人均全员耗水量计算则较为复杂,可采取以下途径进行。(1) 利用已有的水资源规划成果,得到相关数据,用式(4) 直接求出未来规划水平年的qp ( t) 值。并对其合理性和实现途径进行校核分析; (2) 采用宏观经济水资源模型等规划分析模型计算,得到未来规划水平年的qp ( t) 值,以及相应的经济规模总量和人均生活水平,同时也可描述出实现规划水平的人均全员耗水量水平的社会经济途径。

2.3 　水资源承载能力评价标准

根据上述计算模型,可定义直观评价水资源承载状态和承载潜力的指标:水资源超载度pw 。水资源超载度,用于表述超载流域的水资源超载状态,按式(5) 计算:

水资源超载度的实质,是人均实际全员耗水量与人均经济社会水资源可利用量之比,当pw < 1 时,不超载,且值越小则承载潜力越大,此时用水资源宽松度描述;当pw > 1 时,说明流域已处于超载状态,且值越大则超载越严重。

3 　海河流域水资源承载状态历史演变分析

根据海河流域所处气候带,其干旱指数介于1.5～3.0 之间[1