2 水资源承载力理论、评价体系、系统及计算模型
2.1 水资源承载力理论体系
2.1.1 水资源承载力与可持续发展的关系
2.1.1.1 可持续发展概念有关陈述
水资源系统及可持续性研究是国际的热点之一。1992年,在爱尔兰都柏林召开了“国际水和环境大会——21世纪的发展与展望”(IWE),较早提出了水资源系统及可持续性研究问题(Park R.F.,Burgess E.W,1921;Ordaan J.et al.,1993;成升魁、沈镭,2000)。
1993年在日本横滨召开了“第六届国际气象大气物理科学大会和第四届国际水文科学大会联合大会”,讨论了全球气候变化对水文水资源影响问题。1994年6月在德国卡尔斯鲁厄召开了国际“变化世界中的水资源规划”学术大会,其中专门讨论了可持续开发管理的若干专题。1995年在美国科罗拉多州召开的第21届国际大地测量及地球物理学联合大会中,全球变化和水资源可持续开发管理再次提到重要的交流内容。该次(IUGG)大会的主题是:地球物理与环境——未来25年的主要挑战。在IUGG总会上安排了五个引人注目的大会核心报告发言、其中以色列Uir Shamir博士(国际水文科学协会主席)报告的《全球淡水资源》得到了大家的认同。
“可持续发展”概念自从1987年在世界与发展委员会首次提出后即被广泛传播,1992年联合国环境与发展大会通过了指导各国可持续发展的纲领性文件,这样标志着可持续发展战略已成为世界各国进入新世纪的共同选择。1995年在党的十四届五中全会上把“可持续发展”作为我国国民经济和社会发展“九五”计划和2010年远景目标的重要的指导思想和“战略方针”,党的十五大报告中再次强调,在现代化建设中必须实施可持续发展战略,可持续发展是我国的一项基本国策。可持续利用是可持续发展理论的具体体现,水资源可持续利用就是可持续发展框架下的水资源利用的一种新模式,是指在维持社会的持续性和生态系统的整体性前提下,支持人口、资源、环境与经济协调发展和满足代内、代际人用水需要的全过程,是水资源综合开发、利用、保护、防治和管理一体化的最合理利用方式。它的实质是谋求水资源利用、环境保护与经济增长、社会发展的协调一致。水资源可持续评价是按照现行的水资源利用方式、水平、管理,对其能否满足社会经济持续发展所要求的水资源可持续利用做出的评估。水资源可持续利用评价的目的在于认清水资源利用现状和存在问题,实施有利于可持续利用的水资源管理政策,有助于国家和地区社会经济可持续发展战略目标的实现。水资源合理配置与承载能力理论研究是可持续发展理论在水资源管理领域中的具体体现和具体应用,其中合理配置是可持续发展理论的技术手段,承载力是可持续发展理论的结论。
2.1.1.2 可持续发展与水资源承载力关系
可持续发展、水资源承载力的概念都是在20世纪八九十年代提出的,它们几乎同时被提出来,是历史的必然,是人类通过近一个多世纪改造自然、征服自然的社会实践,在自然条件对人类发展产生制约时提出的经验总结。两者具有不可否认的相互联结关系。
对承载能力与可持续发展的关系很多学者作过精辟论述,承载能力与可持续发展的相互联结关系已得到了学者的普遍肯定。两者是相辅相成的,在某种意义上是相一致的,都是针对当代人类所面临的人口、资源、环境方面的现实问题提出的,都强调发展与人口、资源、环境之间的关系,解决的核心问题也都是发展与人口、资源、环境之间的关系问题。
承载能力与可持续发展的不同点是两者考虑问题的角度不同,是一个问题的两个方面,可持续发展以一个比较高的视角看问题,强调发展的可持续性、协调性、公平性,强调发展不能脱离自然资源与环境的束缚;承载能力则是从基础出发,以可持续发展为原则,根据资源实际承载能力,确定人口与社会经济的发展速度与发展规模,强调发展的极限性。所以说,可持续发展是目标,资源、环境是可持续发展的支撑。因此,在进行水资源承载力研究时,要以可持续发展为原则,即要把水资源承载力置于可持续发展战略构架下进行讨论。但对于上述两者关系的描述,似乎过于宏观,还不足以清晰的刻画两者的关系。两者之间到底是怎样的联结关系,还不很清晰、不具体,这使得在进行水资源承载力研究时,虽然强调以可持续发展为原则,即把水资源承载力置于可持续发展战略构架下进行讨论,但在众多研究方法中,都不能明确体现可持续发展原则,没有公认的、统一的研究方法。
对于可持续发展支撑之一的水资源来讲,水资源系统能否支撑社会的可持续发展?水资源系统支撑社会可持续发展的能力有多大?要准确回答这些问题,还需要深入剖析两者之间的关系,以给水资源承载力研究寻找新思路、新方法。
2.1.1.3 水资源承载能力、可持续发展与合理配置之间的关系
水资源可持发展观于1992年在全世界范围内提出,随后在我国逐渐得到普遍接受;水资源合理配置概念是在20世纪90年代初提出,并开始逐步应用于水资源规划与管理之中;水资源承载能力概念是在20世纪80年代末提出的,虽然在我国北方的部分地区进行了探索性研究,但水资源承载能力概念还处于萌芽阶段。严格的承载能力的概念提出略早,合理配置略迟,可持续发展最后。这三个概念几乎同时被提出,不是偶然的,而是人类社会历史发展的必然,是人类通过近一个世纪以来的社会实践总结出来的,也说明人类已经认识到环境资源不仅是有价值的,而且是有限的。
这三个概念本质上是相辅相成的,都是针对当代人类所面临的人口、资源、环境、方面的现实问题,都强调发展与人口、资源、环境之间的关系。但是侧重点有所不同,可持续发展强调发展的公平性、可持续性以及环境资源的价值观;合理配置强调环境资源的有效利用;承载能力强调了发展的极限性。
可持续发展是一种哲学观,是关于自然界和人类社会发展的哲学观。可持续发展是水资源合理配置与承载力理论研究的指导思想。
水资源承载力与合理配置理论研究,使可持续发展在水资源管理领域的具体体现和具体应用。其中,合理配置是可续发展的技术手段,承载力是可持发展的结论。也就是说,水资源管理测量只有在进行了合理配置和承载力研究之后才是可持续的;反之要想使水资源开发达到可持续利用,必须进行合理配置和承载力研究。
2.1.2 可持续水资源承载力
由上面对水资源承载力及可持续发展的论述中可以看出,水资源与可持续发展存在相互联结关系,两者是相辅相成的,可持续发展是目标,资源、环境是可持续发展的支撑。因此,在进行水资源承载力研究时,要以可持发展为原则,把水资源承载力与可持续发展相联系进行研究。
如果把水资源系统比作一个构件,社会经济发展规模为其承受的荷载,水资源系统在荷载作用下,能够支撑社会可持续发展。水资源的承载力就是水资源系统在可持续发展范围内所能够承受的最大荷载(社会经发展的最大规模)。一旦这个荷载超过了水资源系统在可持续发展范围内所能够承受的最大荷载,就会发生不可逆转的塑性变形,即水资源系统不能支撑整个社会的可持续发展,将会出现不可持续发展的现象。
总之,可持续发展是目标,水资源系统是可持续发展的一个支撑。水资源能否支撑社会可持续发展,要看社会的发展是否可持续性、协调性、公平性的要求。水资源系统支撑社会可持续发展的能力大小,要通过分析水资源系统所支撑社会可持续发展的临界点来确定。临界点的社会经济发展规模就使该水资源所能支撑的社会经济发展的最大规模,也就是该水资源系统的承载力,即可持续水资源承载力。
2.1.3 水资源承载力的含义、特性、影响因素及其尺度
2.1.3.1 水资源承载力的含义
我国不少学者对水资源承载力的概念及计算方法进行深入探讨。关于水资源承载力的定义,从不同研究角度有不同的定义,这里仅列举几个代表性的定义。
(1)水资源承载力是指某一地区的水资源,在一定社会历史和科学技术发展阶段,在不破坏社会和生态系统时,最大可承载(容纳)的农业、工业、城市规模和人口的能力,是一个随着社会、经济、科学技术发展而变化的综合目标。
(2)在某一历史发展阶段的技术、经济和社会发展水平条件下,水资源对该地区社会经济发展的最大支撑能力。
(3)某一历史发展阶段,以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据,以可持续发展为原则,以维护生态良性循环发展为条件,在水资源得到合理开发利用下,该地区人口增长与经济发展的最大容量。
(4)一个流域、一个地区、一个国家,在不同阶段的社会经济和技术条件下,在水资源合理开发利用的前提下,当地水资源能够维系和支撑的人口、经济和环境规模总量。
(5)一定的区域内,在一定的生活水平和生态环境质量下,天然水资源的可供水量能够支持人口、环境与经济协调发展的能力或限度。
(6)水资源承载力,指的是在一定流域或区域内,其自身的水资源能够持续支撑经济社会发展规模,并维系良好的生态系统的能力。
(7)在一定的水资源开发利用阶段,满足生态需水的可利用水量能够维系有限发展目标的最大的社会—经济规模。
水资源承载力主要用于研究缺水区域的工农业生产乃至整个社会经济发展。水资源承载力不只是资源承载力的一个具体限制方面,它还是环境承载力的一个主要影响因素,具有资源承载力和环境承载力双重特性,因此,水资源承载力应具有以下内涵。
(1)水资源承载力中,主体当然是水资源,客体是范围较广的社会、经济、城市及人口,或更确切地说是某一个具体状态下可养活的人口及其生活质量。因此,主体隐含着与其他资源包括物质资源和人文资源的配合协调。
(2)水资源承载力具有时间和空间属性,是以具体地理环境的资源条件和具体时间断面的生产能力作为分析背景的。当然,这允许借鉴其他地区的先进技术和对生产力水平的合理预测。
(3)分析水资源承载力所依据的原则是可持续发展原则,任何基于对资源过度使用和对环境破坏所取得的瞬间承载量的提高,都将被认为是不可接受的承载力。
(4)计算水资源承载力的方法是在首先保证良好的生态环境的水量需求的基础上,通过对水资源的合理配置和经济结构的优化调整,确定对人口的支撑规模和生活水平。
由于水资源承载力无论在主体还是客体上都较一般的资源承载力复杂,决定了其特性和计算方法也是复杂的,特别是在生态环境与经济发展之间的关系上,目前的理论基础不足,使得研究水资源承载力的具体分析方法,困难较大。因此,有必要进一步讨论水资源承载力的特性及其影响因素。
2.1.3.2 水资源承载力的特性
从概念上讲,水资源承载力具有动态性、包容性、不确定性、多样性以及跳跃性。
动态性是指水资源承载流域具体的历史发展阶段有直接的联系,不同的发展阶段有不同的承载力。这体现在两方面:一是不同的发展阶段开发水资源的能力不同;二是不同的发展阶段人类利用水资源的水平也不相同。从开沟引水到筑坝蓄水,从浅层取水到深层抽水,从雨水利用到海水淡化,展示人类对水资源开发能力的提高,而随着节水技术和用水方式的不断进步,单位水量所生产的产品逐年增加,显示出人类水资源的利用水平的进步。
包容性也可以理解为相对极限性,是指在具体历史发展阶段水资源承载力具有最大承载上限,即可能的最大指标,其原因主要是自然条件和社会因素的约束。具体地说包括以下三方面:一是区域水资源条件的约束,体现在一定区域范围内天然水资源是有限的,以及人类在开发利用过程中所能获得的水资源量是有限的,包括本地水资源量和从外流域调入的水资源量;二是受社会经济技术水准的约束,一定的经济技术条件下,水资源开发利用和效率是相对有限不可能无限制地提高和增加,如海水淡化和污水回用都受到经济技术条件的限制;三是受生态环境的约束,生态环境是水资源承载力最重要的外在约束条件,例如地下水超采会引发一系列工程环境问题,工业用水比例过大会引起水环境的破坏等都使区域水资源承载力有一上限阈值。因此,存在一个生态保护准则和生态需水量确定的问题,既要确定经济发展用水和生态环境用水之间的适度比例,同时又要合理确定单方水工农业生产效率这一重要参数,目前研究的重点都在水资源的承载力上。
水资源承载力的不确定性即可来自承载力的主体——水资源系统,也可能来自于客体——社会经济及环境发展系统。水资源系统本身受天气、气象、下垫面以及人类活动的影响,造成水文系列的变异,使人们对它的预测目前无法达到确定的范围。区域社会和经济发展及环境变化,是一个更为复杂的系统,决定需水系统的负责性及不确定性。两方面的因素加上人类和自然规律认识的局限性,决定了水资源承载力的不确定性,同时也决定了它在具体的承载指标上存在着一定的模糊性。
水资源承载模式的多样性也就是社会发展的多样性。随着社会生产力的发展,人类的生产结构和消费结构会产生相应的变化,尤其是在现代社会中,国与国、地区与地区之间的经贸关系弥补了一个地区生产能力的不足,使得一个地区可以不必完全靠自己的生产能力生产自己的消费产品,它可以大力生产农产品去换自己必需的工业产品,也可以生产工业产品去换取农业产品,因此社会发展模式不是唯一的,如何确定利用有限的水资源支持适合地区条件的社会发展模式则是水资源承载力研究的主要问题。
跳跃性是指承载力的变化不仅仅是缓慢的和渐进的,而且在一定的条件下会发生突变,突变可能由于科学技术的提高、社会结构的变化或者其他外界资源的引入,使系统突破原来的限制,形成新格局。另一种是由于系统环境破坏的日积月累,或在外界的极大干扰下引起的系统崩溃,如近来我国沿海频发的赤潮。跳跃性其实属于动态性的一种表现,但由于其引起的系统状态的变化是巨大的,甚至是突变的,因此有必要专门指出。
(1)水资源的数量、质量及开发利用程度。水资源的数量、质量及开发利用程度由于自然地理条件的不同,水资源在数量上有其独特的时空分布规律,在质量上也有所差异,如地下水的矿化度、埋深条件等,水资源的开发利用程度及方式也会影响可以用来进行社会生产的可利用水资源的数量。
(2)社会消费水平与结构。社会消费水平与结构在社会生产能力条件下,不同的社会消费水平及结构将影响水资源承载力的大小。
(3)科学技术是生产力,是承载力中的最具活力的因子。不同历史时期或同一历史时期不同地区都具有不同的生产力水平,新的技术进步为改善环境和提高承载力提供了极大潜力。在发达国家,国民生产总值的增长中,科技进步因素所占比重在20世纪初仅为5%～20%,到20世纪50年代,其比重上升为50%左右(曲格平,1992),到80年代则高达60%～80%(王军,1997)。现在,微电子技术、生物技术、新能源技术、航天技术、海洋开发技术等高技术产业给社会发展带来广阔的发展前景,将进一步推动社会的进步。
20世纪60—70年代的绿色革命,常规育种技术的突破,使粮食单产大幅度提高,加之灌溉技术和节水的进步,使每立方米水粮食生产率从0.25kg增长到2.38kg以上(Stan Hill,1992)。因此在研究某一地区的水资源承载力时必须估测现状与未来的生产力水平。现代历史过程已经证明了科学技术是推动生产力进步的重要因素,未来的基因工程、信息工程等高新技术将对提高工农业生产水平具有不可低估的作用,进而对提高水资源承载力产生重要影响。
(4)人口与劳动力社会生产的主体是人,水资源承载力的对象也是人,因此人口和劳
2.1.3.3 水资源承载力的影响因素
动力与水资源承载力具有相互影响的关系。
(5)其他资源潜力社会生产不仅需要水资源,而且还需要其他诸如矿藏、森林、土地等资源的支撑。
(6)政策、法规、市场、宗教、传统、心理等因素都会决定经济系统也势必影响水资源承载力的大小,而水资源承载力的研究成果又会对他们产生反作用(翁文斌,王忠静,赵建世,2004;杨小柳,刘戈力,甘泓等,2003)。
2.1.3.4 研究水资源承载力的尺度
在任何事物的研究中,尺度问题是极其重要的也是最容易忽视的问题之一。研究的开始阶段属于识别问题和范围定界,尺度就成为考虑最多的内容,合适的尺度确定有助于研究的顺利进展和取得成果;在中期,随研究的深入和接触到问题的实质,尺度问题就显得不再重要了;在后期,为总结研究成果和确定其研究范围,升尺度和降尺度就成为问题的核心。
尺度按性质可分为时间尺度和空间尺度,按问题可分宏观尺度和微观尺度。水资源承载力研究的是区域水资源支撑下的人口容量问题,是一个宏观区域尺度,尺度就显得尤为重要。
从空间尺度上,区域可以是全球的一部分,也可以是一个大洲、一个流域、一个国家乃至一个具有复合生态系统的地区。实际存在的区域由其本身的性质,表现为对外回应一致的整体性。相对于空间尺度,承载力的时间尺度就显得不那么复杂了,主要取决于对未来预测的能力,就目前的科学水平而言,1～5年的经济计划是具有一定的可靠性,10～20年的中期和远景规划,则需要随时间不断调整。
抚顺市水资源承载力与可持续发展的研究中以抚顺市作为研究区域,以国民经济短期计划即1～5年的经济发展作为研究的时间尺度。
当研究或经营一个问题时,主要涉及的是一个尺度问题,由于在更小尺度上出现的过程与格局并不总是可以察觉的,而在更大尺度上出现的过程与格局则可能被忽略,因此,不可随意将一种尺度下研究问题推广到另一种尺度上(翁文斌等,2004)。
2.1.4 水资源承载力的一般研究方法
2.1.4.1 背景分析法
背景分析法就是将历史长度下,世界范围内的经济发展、水资源利用、生产力水平、生活水平及生态环境演化情景以及相应的自然和社会背景同研究区域的实际情况作对比,得到该区域可能的承载力。
背景分析法的形式为趋势分析,包括自相关分析和互相关分析。自相关分析将支撑因子的历史水平序列,如耕地逐年单产水平、单位水资源产出(称为水生产效率)等,按时间序列相关分析,得到评价断面的该因子支撑能力。互相关分析考虑了支撑因子与其他因子的关系,如水生产效率与经济发展水平的关系,通常以人均GDP与其相关。常用的数学工具为指数平滑、回归分析、Logistic曲线、灰色模型、增长率外延等,近些年还开始使用神经网络进行分析。背景分析法的第三种形式是生产潜力因子分析,包括单因子分析和多因子平衡分析。这种方法从承载因子的承载机理出发,分析一种或多种因子综合下的承载潜力,如作物的光温生产潜力,迈阿密模型等,影响较大的是联合国推荐的农业生态区域法。
背景分析法只采用一个或几个承载因子分析,因子之间相互独立,简单易行。但其分析多局限于静态的历史背景,割裂了资源、社会、环境之间的相互作用的联系,对土地生产能力一类简单承载力的估计是可以接受的,该方法对某些因子的潜力估计、趋势预测等,也可以借鉴到更为复杂的承载力研究中,如环境承载力、水资源承载力、人口容量问题等。
2.1.4.2 系统动力学法
针对背景分析法的弱点。人们将系统动力学法(System Dynamics)引入了与资源、社会、环境相关的一系列课题的研究中,并在20世纪70—80年代得到迅速发展。
用系统动力学法分析承载力,是基于对宏观系统的模拟分析。典型的是全球经济模型,由系统动力学创始人福莱斯特(W.Forrester)教授的学生麦都斯(Meadows等,1972)将系统动力学应用于全球性的人口、粮食、资源、不可再生资源和环境污染五大未来问题的研究,并且得出了增长的极限这一在世界各国产生巨大反响的结论。尽管他的结论是悲观的,不可接受的,但他采用的方法是有着严密的逻辑和严格的科学依据的,主要问题在于它的许多假设前提和参数选取等依据不足,并且全球性模型也难以符合各国的实际情况,之后,有人将这一模型进行了改进,根据世界各国文化、环境、发展水平和资源分布状况,把世界分成10个地区进行分析,得出21世界中叶,世界经济可能发生区域性崩溃,必须全球联手行动才能控制这种情况的发展,受控国家显然是那些发展中国家(Mestrovic,et al.,1974)。
1984年,英国苏格兰资源利用研究所应用系统动力学法建立提高人口承载力的备选方案模型(Enhancement of Carrying Capacity Options,ECCO),并应用这种新方法进行了肯尼亚承载力的实验性评价,它基于联合国教科文组织提出的资源承载力的概念,综合考虑区域人口、资源、环境和社会发展间众多因子的相互关系,分析系统结构,明确系统因素间的关联作用,画出因果回馈图和系统流图,建立起ECCO结构,通过模拟不同发展战略得出人口增长、区域资源承载力和经济发展间的动态变化趋势及其发展目标,供决策者比较选用。此法把包括社会经济、资源环境在内的大量复杂因子作为一个整体,对一个区域的资源承载力进行动态的计算,具有系统发展的观点,因此,受到广泛关注和应用推广。
我国使用系统动力学进行承载力研究的成果已经很多,如黄淮海平原土地承载力研究,陕西、甘肃、青海、新疆等省区的人口承载力研究(张志良,1992),疏勒河流域生态环境变化趋势研究(吴贻民等,1998),以及运用系统动力学方法分别对柴达木盆地进行了承载力研究(李丽娟,郭怀成,2000;陈冰,李丽娟,郭怀成等,2000;王建华,2000)。
2.1.4.3 多目标分析法
最早将多目标决策分析引入承载力分析的是澳大利亚学者Millington,他在分析澳大利亚土地资源承载力的研究中,综合考虑了土壤、水和气候资源等限制因素对人口发展的影响,除种植业外,还考虑了畜牧业发展的潜力,分析在不同利益目标追求下的土地资源承载力(Millington,1973)。
同系统动力学法一样,多目标方法分析承载力也是将区域作为整体系统来研究,通过对系统内部各要素之间关系剖析,用数学约束进行描述,通过数学规划,分析系统在追求目标最大情况下系统和各要素分布(Zionts S.Wallenius,1983;Yazicigal H,1983)。如果说系统动力法是以模拟仿真的思想,通过调节系统的人为空盒子要素和各子系统内部和之间的回馈强度,达到在不同方案下的系统状态的话,多目标方法是通过数学规划的方法得到系统在一定背景条件下的最佳状态,其对系统调节的体现在对目标的追求上。当然广义上讲,多目标仍然存在外生变量即参变量选择问题。国内在土地资源人口承载力研究中使用了目标规划的多目标方法分析了吉林省的土地承载力(向南平,1992)。
由于多目标规划问题在求解技术上存在困难,如计算机速度、求解容量、解题程序方法、模型与解的有效性等问题,是多目标方法包括单目标规划的使用局限于较小的模型规模,不能更全面地考虑系统的影响因素,因此,在承载力的研究中,除背景分析法外,系统动力学法就以其分析速度快、模型构造简单并且可以使用非线性方程而成为使用最多的方法。但是,系统动力学法的弱点也在于此,描述系统内在关系的方程,特别是非线性方程参数的微小波动,可能造成长期分析结果的荒谬。
近些年来,由于计算机技术的发展以及数学规划工具的日趋完善,分析人员可以将精力更多集中在模型建立、方案构成和目标选择上,特别是由于经济、社会、资源、环境综合分析具有的决策内涵,所以多目标方法又开始在包括承载力在内的综合决策分析中得到新的发展。目前我国研究较多的是土地资源承载力,最具影响的成果是全国农业区土地资源人口承载力研究。
水资源作为一种自然资源,其承载力属于资源承载力范畴。但是,由于水资源是一种特殊的资源,它对经济、社会和环境的支撑是不可代替的,对社会各部门和环境的影响也是复杂的,因此,水资源承载力的研究只能从系统的角度出发,用可持续发展的观点,综合考虑社会、经济、资源、环境之间的相互作用,才能正确分析水资源对人口和社会经济发展的支撑作用。
系统动力学法和多目标分析法以各自不同的理论得出水资源的承载力,并且都将研究区域作为一个整体系统考虑,综合分析水资源对人口和社会经济发展规模的支撑作用,一定程度上体现了“以可持续发展”的思想,但研究过程中不能明确体现出来,只能根据研究者对可持续发展的理解,隐含在研究过程中,而研究者对可持续发展内涵的理解的正确与否、程度深浅都无从得知,结果是无从得知研究结论中所提出的发展模式是否符合可持续发展的原则,即该模式是否可持续、协调、公平。
2.1.4.4 水资源承载力情景分析方法
水资源承载力情景分析法(Scenario Analysis)就是在历史尺度下,对区域可持续发展出现的未来状况的描述,通常包括这一状况的途径及可能出现的多种多样的状态。情景分析法以构筑未来的情景为核心。情景的构筑可以使用各种预测技术,包括定性和定量的预测手段,例如,通过对未来经济、社会、环境发展的预测分析,可以把定性和定量的预测手段的信息结合起来,形成可持续发展方案,为组织决策行动提供选择发展的机会,发挥主动优势,增加应变的能力、求得更好的发展,为区域长远发展规划提供科学依据。
2.1.4.5 简单定额估算法
该法首先计算出区域水资源的可利用量和用水定额(如人均用水量或单位绿地用水量等),然后利用简单的供需平衡,计算出水资源的承载力。该法比较简单,在国内应用比较多。如曲耀光(1995)根据可用水量计算了用传统灌溉方式所能承载的灌溉面积与其相应的适宜绿洲农田面积,来判别现有绿洲的稳定性。韩得林(1992)的研究表明,养育1hm2面积大小的绿洲所需水量为5420m3。曲耀光、樊胜岳(2000)和杜虎林,高前兆,李福兴等(1997)根据干旱区水资源开发利用阶段可用水资源的计算方法和内陆河社会经济发展及其需水预测。王煌、杨立彬等(2001)通过分析西北地区的水资源量、可利用量即人类生存发展对水资源的需求,即人均需水量,计算了不同水平年最大可承载量的人口数,并判断其与预测值之间的关系,从而给出水资源承载力状况的判断。
2.1.4.6 动态模拟递推法
2000年,冯尚友利用动态模拟递推法,根据其对水资源承载力的定义(水资源紧缺地区是指在合理配置分配人口、环境和生产用水的条件下,水资源可供水量的增长率为零时的总可利用量;对水资源丰富的地区,水资源增长达到零增长时总的可供水量),考虑到水资源供应的对象是地区居民、生态环境和社会经济发展,可以通过水的动态供需平衡,推知水资源承载力的状况和支撑人口与经济发展的最终规模,提出动态模拟递推法。该法的实质是模拟法,即利用计算机模拟程序,仿造地区水资源供需平衡真实系统运行行为进行模拟预测,根据逐年运行的实际结果,有目的地改变模拟模型的参数和结构,使其与真实系统尽可能一致。
2.1.4.7 水资源供需平衡法与多目标分析模型
采用水资源供需平衡法进行水资源承载力评估与预测与水资源的合理配置有密切关系,它首先以维护生态平衡和生态环境质量以及可持续发展为前提,将水资源在生态系统和社会经济系统之间进行平衡分析和配置,然后以对社会经济系统可供给水量为约束条件,通过多目标分析模型确定社会发展模式(经济结构、农业种植结构等)、供水组成(节水、污水回流、开发当地水、外流域调水等)及供水分配状况,最后在上述水资源供需平衡及水资源合理配置的基础上计算水资源承载力的大小(绝对指标)——包括人口发展规模和社会经济发展规模。本方法中主要采用以下模型。
1.生态环境模拟模型
以生态保护与环境保护约束关系作为模型框架建立模型,揭示生态系统平衡与生态系统耗水关系、生态系统平衡与社会经济活动方式和强度关系的规律,从天然植被面积指标、绿洲面积指标、水环境指标等方面提出生态环境重点保护对象和生态环境保护规模,确定生态需水量,作为水资源供需平衡的参考依据。
2.多目标分析模型
以对社会经济系统可供给水量为约束条件,建立描述水资源在社会经济系统内部各子系统之间的分配关系以及这种关系是怎样决定社会发展模式的模型,通过经济发展目标、结构优化目标、资源约束与利用效益目标等多目标之间的权衡来确定社会发展模式(经济结构、农业种植结构等)、供水组成(节水、污水回流、开发当地水、外流域调水等)及供水在国民经济各部门之间的分配状况。
2.1.4.8 多指标综合评价法与综合评判模型
该方法通过水资源系统支持力和水资源系统压力来共同反映水资源承载状况。水资源系统支持力代表了承载媒体的客观承载力大小,其分值越大,表示水资源现实承载力越高;水资源系统压力代表了被承载对象的压力大小,其分值越大,表示系统所受压力越大,水资源承载力越低;通过两值相比得到水资源承载力指数(相对指标)并进行分级,可指示水资源承载状况。
1.评价指标的标准化处理
在多指标综合评价问题中,通常评价指标有“效益型”和“成本型”两大类。“效益型”为指标指属性值越大越好的指标,“成本型”指标为属性值越小越好的指标,应分别对这两类指标进行无量纲化处理。在水资源系统支持力和水资源系统承受压力指标体系中,有人均水资源数量、可采水量与用水总量之比,(COD)标/(COD),人口规模与增长率,GDP产值及增长速度,万元GDP废水排放量属于“效益型”指标,其余属于“成本型”指标。对于区际交流指标,可将产品调入调出量折算成水资源调入调出量计入支持力指标(差额为正时)或压力指标(差额为负时)。
2.评价因子权重的确定
多指标的综合评价因子权重的确定是整个评价过程中的关键一环,根据计算权数时原始数据来源的不同,权数的确定方法大体上可分为主观赋权法和客观赋权法两大类。主观赋权法主要是由专家根据经验主观判断得到,如古林法、Delphi法、AHP法等,这种方法研究较早,也较为成熟,但客观性较差。客观赋权法的原始数据是由各指标在评价单位中的实际数据形成,它不依赖于人的主观判断,因而客观性较强,如主成分分析法、均方差法等。
3.综合评价值的计算
对于支持力和压力指标,分别依公式多因子综合评价公式进行计算。
2.1.4.9 系统分析方法——动态模拟递推算法
动态模拟递推法主要是通过水的动态供需平衡计算来显示水资源承载力的状况和支持人口与经济发展的最终规模,其实质是模拟法,将动态模拟和数学经济分析相结合,利用计算机模拟程序,仿造地区水资源供需真实系统运动行为进行模拟预测根据逐年运行的实际结果,有目的地改变模拟参数或结构,使其与真实系统尽可能一致。当水资源供应能力达到“零增长”(对水资源紧缺地区)或地区人口增长,或经济增长达到“零增长”(对水资源丰裕地区)时,水资源承载力按定义已达最大。
1.地区水资源承载力分析系统描述
水资源供需系统一般由供水子系统、用水子系统、排水子系统和水资源子系统组成。
2.分析步骤
第一步:对区域水资源进行评价和开发利用条件分析。
第二步:根据地区社会经济发展计划,预测未来各项用水的需求量和总量。
第三步:根据地区拥有的水资源量和开采利用条件,预测满足用水需要的新增供水工程的可供水量和相应措施。
第四步:通过逐年或一定时期的水资源供需平衡计算,采用动态模拟递推算法,进行水资源的现时承载力和承载过程的计算和分析,直到找到可供水量达到零增长时的水资源极限承载力或人口增长、经济发展达到零增长时的最大水资源承载力限度。
2.1.5 水资源承载力研究方向及其内容
2.1.5.1 水资源承载力研究方向
通过对国内外有关文献的研究,水资源承载力研究的趋势或方向有如下几个方面。
(1)目前,虽然已经公认承载力与可持续发展之间具有相互联结的关系,可持续发展是目标,资源、环境是可持续发展的支撑。这种描述过于宏观,不具体,这造成了在进行水资源承载能力研究中出现许多问题。因此,仍需要加强对水资源承载能力基础理论研究,深入剖析两者之间的关系,以给水资源承载能力研究寻找新思路、新方法,找出水资源的最大承载力,为国家决策、规划、计划和社会协调发展提供科学依据。
(2)目前国内外研究者根据各自对可持续发展内涵的理解以及各自研究区域的特点,建立了不少可持续发展的指标或指标体系和判据(徐建华,2001;李利锋,成升魁,2000),但水资源承载能力指标体系较少,更谈不上公认的指标体系,以水资源开发规模论为基础建立的水资源承载力指标有许有鹏和傅湘、纪昌明等,以水资源支持能力论为基础建立的指标体系主要有“九五”科技攻关项目“西北地区水资源合理开发利用与生态环境保护研究”和王建华建立的指标体系等。在这些指标体系中,研究者为了尽可能的体现可持续发展思想,往往在承载力指标体系中,设置大量的指标,这样既不能保证“以可持续发展为原则”,又模糊了水资源承载能力的概念。总之,缺乏公认、完善的水资源承载力指标体系,极大地限制了水资源承载能力研究的系统性和规范性,阻碍了水资源承载力研究的深入开展。急待建立与完善公认的、适合区域特点的体现可持续发展思想的承载力指标体系。
(3)研究继续由静态分析向动态模拟化方向发展,并日趋模式化、模型化。早期的承载力研究主要采用静态的研究方法,以土地资源承载力为例,静态研究方法主要是估算人口承载力的上限值,以大量的实际所获得的单因子资料为依据,把人口作为外生变量,不考虑人口对农业生产的回馈作用和集约化农业所要求的投入水平,所得结果有一定的参考价值,且所用数据少,计算方便易行。但静态研究方法无法反映承载力随时间的变动情况,极大限制了这些方法的运用,很快被动态方法取代。
在水资源承载力研究方面进行动态研究的如:王建华建立了系统动力学模型,对新疆的水资源承载力进行了动态研究;方创琳、申玉铭应用新陈代谢的灰色计量模型对河西走廊水土资源承载力与人口承载力进行了计算和预测,并阐明了水土资源承载力、人口增长与生态环境承载力三者之间的互动关系;许有鹏应用模糊综合评价方法,在对影响水资源承载力的各个因素进行单因素评价基础上,通过综合判断矩阵对其承载力做出了多因素评价。
总之,水资源承载力研究日趋模式化、模型化,但具有普遍意义的模型还不是很多,仍处于探索阶段。因此,为了加强水资源承载力研究的科学性与实用性,必须加强水资源承载力的动态模拟研究,必须建立一套能刻画问题本质、技术上可行、科学上有依据,而且能反映承载问题多元性、非线性、动态性、多重回馈等特征的模型,从而实现对水资源承载力的估算和动态变化过程的预测。
(4)加强交叉综合研究,以系统的观点研究水资源与其他资源的综合承载力。单纯研究水资源的承载力,忽视其他资源对人类社会经济系统的支撑作用,对于某些地区,尤其是干旱地区,虽然抓住了问题的主要方面,但不可避免的有其局限性。原因有以下三个方面:
第一,水资源系统的直接承载对象是区域社会经济系统,最终承载对象是人口及其生活质量。人类不仅需要水资源,还需要其他诸如矿藏、森林、土地等资源的共同支持。
第二,水资源不仅是人类的生命之源,是能源,水资源也和人类需要的其他资源有着复杂的关系,如水是生物物种和旅游等多种资源的载体;是土壤、森林和草原等多种资源的保证资源,水资源还影响到气候资源等。
第三,各类资源之间存在替代、共生、此消彼长等复杂关系。
因此,以系统的观点,研究水资源与国土资源、矿藏资源、森林资源等的综合承载力将是今后承载力研究的方向和趋势。而且,随着研究的深入,各类资源之间的相互广义替代性(指各类资源之间可以通过一种资源的数量和质量优势在一定程度上弥补另一种资源在数量或质量的劣势)研究将越来越受到重视。这就客观上要求加强交叉综合研究,因此水资源承载力研究必将从单学科、单因子研究趋向多学科合作,从系统的角度研究水资源与其他资源的综合承载力。
(5)急需引入新思路、新方法、新技术。水资源系统及其所支撑的社会经济系统均是复杂的巨系统,其内部各子系统复杂的运行规律和演化机制以及各子系统之间存在的复杂的非线性关系决定了水资源承载力研究的复杂性。尽管许多学者已经做了大量的有价值的工作,但还远远不够,还需要以系统的观点,开辟新视角,引入新思路、新方法、新技术,从更高、更广阔的视野,以更科学、更先进的方法研究水资源承载力,揭示水资源承载力的本质。
在计量分析手段上,动态模拟技术、系统动力学方法外,多因子分析、投入—产出分析、资金劳动力生产函数、人口迁移矩阵及马尔可夫过程都将成为主力军。现代技术如遥感(RS)、地理信息系统(GIS)等都将应用到水资源承载力研究中。遥感手段可以提供快速准确的信息,地理信息系统可以对其进行空间分析,因此,成熟的模型分析和遥感、地理信息系统方法相结合的分析方法将对水资源承载力研究提供更准确、更深入、更全面的定量的研究成果。
2.1.5.2 研究内容
根据以上对的探讨,本论文拟根据流域和区域社会经济可持续发展的要求,研究流域或区域的生态环境需水量,以便在保证生态环境需水的前提下发展经济;研究流域或区域内有限水资源对社会、经济的发展支撑能力,以确保流域或区域社会经济的可持续发展。这些研究内容对流域的综合发展和发展规模将具有相当重要的现实和战略意义。具体研究内容包括以下几个方面。
(1)水资源承载力基本概念研究。拟在对目前水资源承载力充分调研的基础上,针对目前水资源承载力还没有统一定义、与可持续发展的关系还没有集体清晰的描述的现状,深入剖析水资源承载力的概念及其与可持发展的关系,寻找水资源承载力研究方法。
(2)计算方法研究。在基本概念的基础上,提出水资源承载力研究的新思路、新方法。新方法应吸收以往研究的主要成果和精髓,克服研究中存在的某些问题,试图在研究过程中明确体现“以可持续发展为原则”和寻求反映水资源承载力真正含义的水资源承载力指标。
(3)基于水资源的可持续发展研究。水资源系统只在能够支撑该流域社会可持续发展的条件下,才可谈水资源系统的承载力。本论文将针对流域特点,建立基于水资源的流域可持续发展体系,对流域水资源系统能否支撑社会经济可持续发展进行分析、评价和判别。
(4)地理信息系统研究。在研究以往地理信息基础上,利用Map X和Visual Basic 6.0建立地理信息系统。
(5)实例研究。根据上述研究成果。通过对具体流域的研究,对该流域水资源可持续利用战略进行分析,寻求进一步开发水资源潜力、提高水资源承载力的有效途径和措施,探讨人口适度增长、资源有效利用、经济协调发展和对策,选取区域最优发展模式。
本书研究思路为:根据国内外水资源承载力研究现状及存在的问题。在深入剖析水资源承载力的概念及其可持续发展关系的基础上,寻求水资源承载力研究的新思路以及解决水资源承载力研究中存在问题的途径。
研究技术路线为:将流域或区域作为一个整体系统考虑,将可持续发展原则明确引入研究过程,利用系统分析的方法,通过对水资源开发利用方式和社会经济发展模式的研究和对承载对象(包括社会经济和生态环境)需水量的预测研究,对整个流域进行计算机仿真模拟研究,求得最合理的水资源配置方式。在此基础上,进行水资源支撑社会可持续发展研究和水资源承载力研究,寻找水资源的最大承载力。