水资源承载力研究思路和方法 - 水资源

1 　水资源承载力研究的必要性

1. 1 　确定流域或区域社会发展的基础和前提

在人类进入了高度发展的工业时代和即将进入信息时代的今天,工业、农业、生活和生态环境的发展对水的依赖程度越来越高,水资源已成为制约人类社会发展的颈瓶。一个地区、一个流域的水资源到底能够支撑多大社会规模的现状和发展,就成了制定区域发展规划研究的基础性的尺度和指标。衡量水资源承载力的大小对一个国家或地区综合发展以及发展规模有至关重要的影响。

1. 2 　解决度量水资源可持续利用的需要

目前,社会可持续发展理论仍然偏重于定性分析,缺少权威性的定量分析模型,在定量上如何评价和把握人口、经济、资源和生态环境等主要考核指标之间是否在协调发展的范围之内仍是有待深入研究的问题。在水资源可持续利用研究领域,水资源承载力是水资源合理配置的基本度量,也是水资源可持续利用的度量,任何一个关于水与经济社会、水与可持续发展问题都必将涉及到实质上是水资源承载力问题,各种研究方法只是突出重点和表现形式不同。

1. 3 　谋求人与自然和谐发展规律的基本内容

界限或阈值是自然界普遍存在的客观问题。构成人类生存物质基础的资源、生态和环境都在某种程度上存在着量和度的界限,水是资源的一种,尽管可再生,仍是有限短缺的。

生态系统退化存在界限。人类生存依赖能够持续提供生存资源的健康的生态系统,但是,受资源过度开采的威胁和废物排放超过吸收能力的影响,生态系统会逐渐失去恢复弹性并可能突然崩溃变成另外一种缺少恢复弹性的不同状态的系统。这说明生态系统退化存在一个界限,达到这一界限时生态系统就会破坏。承载力的概念能够解释和度量这一关键界限或阈值问题,生态环境承载力表示在不降低自然环境质量以及社会、经济和文化系统水平的前提下,生态系统所能支撑的有限人口数量,是一种间接量度方法,反映生态系统能够维持破坏的最大水平。

研究水资源有关社会、经济和生态环境方面开发和利用的界限问题,就是水资源的承载力问题,正确处理好水资源的开发与保护、开源与节流问题的关键是在人与自然和谐共存的指导方针下,走可持续发展的发展模式。

1. 4 　延伸资源承载力理论的需要

资源承载力是表达资源对人类社会和经济发展支撑能力的明确指标,能反映出资源对人类社会和经济发展的贡献和限制,能够动态表达人类社会和经济发展不同时段的状况和变化趋势。研究和完善资源承载力理论必然涉及到资源各构成要素的承载力问题,在不同的研究领域和发展阶段,会产生不同的承载力概念和相应的承载力理论,如针对环境问题,人们提出了环境承载力的概念,针对土地和水资源短缺问题,人们提出了土地资源承载力和水资源承载力的理论。水资源承载力是一个国家或地区持续发展过程中各种自然资源承载力的重要组成部分,水资源承载力理论研究和实践对资源承载力理论的完善有不可替代的作用和支撑。

1. 5 　研究水资源承载力是水资源研究理论的拓展

水利发展理论研究是逐步深化的。随着人类社会的进步和科技的发展,经济全球化和资源与环境问题日趋严重,水利事业已演化到了目前以防洪、供水、排水、灌溉、发电、航运、养殖、水土保持和美化生态娱乐环境等为主要任务,为国民经济提供水、水能和旅游等水商品和水服务为主要目的的理论研究、工程建设和管理及政策等更广大的范围。

可见,水问题的研究范围和深度在不断扩大,从工程水利扩展到资源水利,再到水资源、社会、经济协调发展的理论和方法研究;从当代水资源的供给和需求的配置研究扩展到代际配置问题;从国家、地区水资源问题扩展到全球性的水资源问题。

相应地,其研究内容和方法也是随历史发展和人类认识水平提高而逐步深化的,水利理论也是从偏重于定性分析的水利可持续发展、水安全问题、水资源可持续利用理论,发展到了定性定量分析相结合的、偏重于定性分析的社会经济系统水循环研究、水资源合理配置和水资源承载力等理论的研究。

目前,在经济高速发展、资源短缺和生态退化的环境下、以及可持续发展的理念应运而生的背景下,水利工作的重点已由增加供给转变为需求管理,水利行业研究的热点问题是水利可持续发展。

准确划分和理解水利事业的主要任务和研究理论,有助于揭示新的水利研究课题和解决不同性质问题的针对性。目前水利行业热点问题是水利可持续发展、水资源可持续利用、水安全问题、社会经济系统水循环研究、水资源合理配置和水资源承载力研究等。无论实行水资源可持续发展,还是保证水资源安全,都应力求达到水资源合理配置,将水资源的开发和利用控制在水资源承载力范围内。

水资源承载力的研究目的是试图以水资源这单维资源作为约束条件来反映水资源对社会、生态环境和经济的贡献,从一个侧面来表征水资源与社会、生态环境和经济的协调发展特性,是水资源可持续利用的量的限制和测度。水资源承载力是关于人口、水资源、生态环境和社会经济多方面的内部特征和相互关系的综合指标,是研究人口、水资源、生态环境和社会经济等方面相互关系的边缘学科。

2 　水资源承载力的概念、内涵和目标

2. 1 　水资源承载力抽象概念的起源

承载力,又称承载能力、承受能力,英文为Carrying Capacity ,或Bearing Capacity ,它的概念最初来自力学。随着科学的发展、人类文化的进步和思想观念的更新,承载力的概念逐渐延伸到自然、生态、心理学和资源等领域,如俗称的生态承载能力、心理承受能力、经济承载能力、资源承载能力、土地资源承载力和水资源承载力等。这些概念虽然都有一个共性,即试图表达出载体对受体的贡献大小,但在各个领域都有各自狭义的和特定的含义。

2. 2 　水资源承载力内涵

在吸收水资源承载力各种研究成果并结合水资源自身的特点的基础上,本文提出水资源承载力的定义为:在一定的流域范围内,一定的经济生活水平、一定的科学技术发展条件下,水资源能够满足现状和目标的人口、生态环境和社会经济需求的最大支撑能力。

水资源承载力内涵应从其承载对象、承载条件、表现形式和研究范围4 方面来理解。

(1) 承载对象。水资源承载力的承载体是水,被承载体是人口、生态环境和社会经济。水资源承载力将生态环境作为被承载体来对待,与人口和社会经济系统相并列考虑,突出表现了人口、生态环境和社会经济这些被承载体之间的用水分配和协调关系,更接近水资源承载力支撑目的的客观性,弥补了以往水资源承载力研究中将生态环境的需求作为承载条件而不作为承载体的不足,突出了生态经济系统是水资源承载力研究基础的特点。但由于生态环境与水资源的定量关系目前研究得不够广泛,这种表现和研究方式对水资源承载力的研究难度加大。

承载力的度量是反映承载体和被承载体之间的需求、配置和协调关系。承载体和承载对象、以及承载对象之间并不是相互独立的,而且是存在一定的关联。因此,不但对承载体和被承载体各构成因素之间进行不同层次深度的理解和内部相关关系的分析,而且还需要研究被承载体之间的关系,如人口的发展变化不但对水资源的供需有影响,对经济和生态环境都有很大的影响,这样将有助于揭示水资源承载力的内涵,有助于合理地构建度量方法和评价体系。

(2) 承载条件。水资源承载力应反映不同地点、不同时间、不同生活条件和不同科技发展水平情况下的水资源对承载体的支撑程度。

水资源承载力一般应限定在一个流域范围内研究才有意义,在这个流域内水资源承载力计算边界条件是相对稳定的,水文气象环境有一定规律、水资源量相对稳定、易于度量等。

不同时期的水资源对人口、生态环境和经济的承载能力是不同的,这样才能反映水资源承载力是水资源的可持续利用和社会可持续发展的思想,即水资源承载力反映的水资源分配利用的代内公平和代际公平。定义中虽然没有直接提到时间的概念,但却间接包含着不同时期、代内公平和代际公平等要点。首先从条件上看是反映一定时期的经济生活、科学技术条件,另外,是承载现状和目标的人口、生态环境和经济能力。

水资源承载力在同一流域、相同水资源的条件下,承载的人口、生态环境和经济的数量是不同的,这是因为人口、生态环境和经济所涉及到的生活水平、环境水平和科学技术发展水平是不同的。不同的生活方式和水平对于水的质量和数量的需求程度是不一样的。承载什么样的人口、需要什么样的环境,工业、农业、第三产业、城市化率等等对水资源的要求都存在着很大差异。

科学技术发展水平对水资源承载力的影响也是非常显著的,一定时期的科学技术发展水平决定了水资源开发、利用和管理水平,决定了一定的社会经济的发展水平。

(3) 表现形式。应从以下两方面来理解。首先,明确水资源对人口、生态环境和社会经济是支撑,是关键因素之一,而不是决定因素。尽管水资源是人类社会和生态系统赖以生存和不可替代的资源,但人类社会的发展还要依靠土地、矿产、森林等资源,依靠地理、环境、政治、文化、政策等诸多的因素和条件,同时,一定时期的人类社会的发展状况是人类历史长期演变而来的,一种条件和因素很难突然改变历史发展的进程和轨迹。其次,水资源承载力是度量水资源支撑社会可持续发展的量化指标,应突出定量、简单、明确的特点,宜采用单一指标或少量的指标。但水资源承载力是反映人口、水资源、生态环境和社会经济之间关系的典型的生态经济系统,具有大系统多目标的特点,因此单一指标或少量的指标不能全面反映和表示水资源承载力承载的对象和目标,多指标评价或优化系统也是必然选择。单一指标很难反映它的全部内涵,多指标又不能突出简单和量化问题,如何简单而又综合地表达这种度量,是研究的重点之一。

(4) 研究范围。水资源承载力是从水资源的角度来研究对人口、生态环境和社会经济的贡献,包括水的数量、质量和分布,不包括如何进行水利工程开发和建设、如何防洪和灌溉、如何进行水污染管理等内容,即不研究工程措施。水资源承载力是从水资源管理、合理配置和技术经济角度来评价水资源的供需矛盾问题,水资源承载力是关于人口、水资源、生态环境和社会经济多方面内部特征和相互关系的边缘学科。

2. 3 　水资源承载力的目标函数

根据定义,水资源承载力分析的目标函数为:

CCWR = f ( P , EE , E ,WA) | T , l , a , t

式中CCWR 为水资源承载力,Carrying Capacity of Water Resources的缩写。主要因素: P 为人口, EE 为生态环境, E 为社会经济,WA 为可利用水资源量。限制条件: T 为科学技术水平, l 为生活水平, a 为评价流域或地区, t 为评价的时间。

上式表明,一个流域的水资源承载力可以表示为由水资源和若干承载对象的函数,而P , EE , E ,WA 又可表示为各自构成因素的函数。

水资源承载力一般是对某一发展阶段的评价,即某一时间某一流域的水资源承载力,这种评价是现状评价,采用的参数是当地、当时的科学技术水平、生活水平条件下产生的水资源开发量、经济部门用水、生活用水、环境用水、污染物排放量等指标。

当采用目标的上述参数时,目标承载力或潜在承载力的评价结果就完全不同。因此,水资源承载力是建立在一定的社会发展和经济水平基础上的,是有条件的,水资源承载力是最大承载力、极限承载力还是最优承载力都是相对而言。

(1) 现状承载力。按当时的水资源合理配置情况,以当时的现状科学技术水平、生活水平条件下产生的水资源开发量、各部门用水量和排污量等指标计算的水资源承载力是对当时条件下,对水资源和人口、资源、生态环境和社会经济协调关系的实际评价。

(2) 极限承载力。当水资源承载力因素当中相对固定部分采用的指标是当时的现状指标,可变因素采用的是理想或当时可接受的最优指标时,计算的水资源承载力就是极限承载力。

(3) 目标承载力。这是一个流域或地区的社会发展过程中,社会发展水平逐渐逼近到某一阶段目标时,按当时的参数和条件进行的承载力评价。例如,2030 年海河流域将实现现代化建设目标,按当时的水资源开发量、经济部门用水、生活用水、环境用水、污染物排放量等指标参数进行水资源承载力的评价是2030 年的水资源目标承载力。需注意的是社会发展目标是由国家发展规划决定的,从某种意义上讲是历史发展的必然,水资源条件应该是发展规划的依据条件之一。

水资源承载力的“最大支撑能力”首先反映在各用水部门水资源的合理配置上,按照水资源可持续利用原则,满足水资源分配的代内和代际公平,谋取效用最大化,由此得出的水资源承载力即反映了“最大支撑能力”;其次,调整部分用水指标,进行动态分析,在满足效用最大化的条件下,也可得出水资源的“最大支撑能力”。

3 　水资源承载力研究思路和方法

水资源承载力是人口、水资源、生态环境和社会经济的函数,表达水资源承载力结果的方法可有以下几种方式。

(1) 承载人口规模。在一定的经济生产、生活、水资源配置格局等状态下,当地可利用水资源最大能承载多少人口,计算中包括分析现状情况和预测将来动态配置格局情况。从用水定额、用水效率和用水效益入手,计算某一时段的承载人口数量,再和该时段的统计人口数量或按人口发展预测的人口数量相比较得出水资源承载力,它的单位是人口数量。承载人口、资源、生态环境和社会经济的能力表现在人口与资源、生态环境和社会经济的关系通过人均用水定额、人均生态环境占有量、人均社会经济数量、单位生态环境用水量、单位社会经济用水量等关联起来,从而计算出水资源数量和承载人口的定量关系,即:

CCWR = f ( P , EE , E ,WA) | T , l , a , t

P = f 1 (WA , EE , E)

EE = f 2 (WA , P)

E = f 3 (WA , P)

因此,由生态环境EE ,社会经济E 与人口P 和可利用水资源量WA 的关系式,得出水资源承载力CCWR 与人口P 和可利用水资源量WA 的关系式:

CWR = f 0 ( P ,WA) | T , l , a , t

由上式可以计算出水资源能承载的人口数量。

这种表现形式能比较直观地表达水资源承载力的最直接的承载目的,便于进行量化计算。但是通过人均用水定额、人均生态环境占有量、人均社会经济数量、单位生态环境用水量、单位社会经济用水量等关联起人口、水资源、生态环境和社会经济的关系的定额和标准,随着它们的精度不同、内部分量的划分层次不同,结果差别很大。这些定额反映的仅是与水资源的关系,没有反映生态环境和社会经济的关系、其他资源与生态环境和社会经济的关系等;以及没有反映它们之间的协调、反馈和相互制约的关系,因此没有表现出代内和代际公平的特征;承载目标过于简化、其它对水资源的影响关系直接没有表现出来、而且不容易扩展评价范围因为类似关联定额不容易统计。另外,这种水资源承载力的研究方式和水资源用水量的预测没有大的区别。

(2) 水资源承载设定目标人口、生态环境和社会经济的实现概率。水资源承载力为无量纲的、表示满足程度的量,表述为在设定的目标和标准的前提下,某一发展时段当时的水资源配置情形下的人口、水资源、生态环境和社会经济,与设定目标和标准情形的人口、水资源、生态环境和社会经济相比,在某种满意准则或价值准则条件下,现状对目标的满足程度或现状情况要实现目标的概率,用百分比或0～1 之间的数值表示。

这种表现形式能比较全面地反映水资源所承载对象与水资源的供求关系、效率关系、效益关系和协调关系,所表述的范围可以比较广泛,能表现出水资源配置的代内和代际公平的特征,也表现了大系统、多目标优化问题的层次性、复杂性特点。但是表达水资源承载的对象不够明确,缺乏直观性;目标的设定仍存在很大的人为因素,由于没有直观地表达水资源承载力的最直接的承载目的,量化计算不够明确。

(3) 水资源承载力的综合表达方式。既考虑承载的直接性又考虑承载对象的全面性的综合评价方法。将上述两种方法综合起来,采用诸如承载人口等直接量化指标和采用对目标承载对象的实现概率来同时表达水资源承载力。

这种表达方式分两部分对水资源承载力进行评价,第1 部分用典型的几个单指标来直观地表达水资源对以人口为主的承载对象的承载情况;第2 部分用对设定目标承载对象的实现概率来评价。

根据目前水资源承载力和相关理论的研究现状,采用第3种表达方式,用两种模式来表达水资源对人口、社会经济和生态环境的承载力,能同时表达出直接量化和综合协调的目的。

4 　结语

进行流域水资源承载力研究可发现并确定该流域水资源与人口、生态环境和社会经济发展的定性和定量的关系,找出制约社会经济发展的因素,以便协调水资源与人口、生态环境和社会经济各要素的权重和分配,及时调整经济布局,保证经济社会的可持续发展。可见进行水资源承载力分析和研究具有十分重要的理论意义和现实意义。目前水资源承载力的研究还处于探索阶段,水资源承载力核心问题即度量和评价方法还没有形成成熟的理论和方法。本文提出的直接量化指标和对目标承载对象实现概率评价的综合分析方法来表达水资源对人口、社会经济和生态环境的承载能力,与水资源承载力的概念和内涵比较吻合,能同时表达出直接量化和综合协调的目的。这种分析方法也是尝试性的,建立水资源承载力的基础理论体系包括建立水资源承载力的直接量化指标和评价指标体系、选取合适的评价手段和实用性的验证方法、找出提高水资源承载力途径和方法、制定提高资源承载力的工程、经济和管理措施等研究问题,还需要进行很多的工作。

作者简介:孙富行,男,河海大学商学院,博士研究生。