水利工程：区域水资源承载力研究

水利工程：区域水资源承载力研究

水利工程：区域水资源承载力研究

关键字：水资源，承载力，内涵，模型体系，策略

随着当今世界出现的人口压力、资源短缺和环境恶化，资源、环境、人口、发展之间的矛盾日益尖锐。如何在有限的空间内承受越来越大的压力，如何协调资源、环境、人口、发展之间的关系，如何处理好开发与保护、人口与资源以及可持续发展的关系，已成为科学界研究的热点之一[1]。水资源承载力研究正是从资源、环境、人口、发展之间的关系入手，研究经济发展与生态保护、水资源开发与保护以及开发的速度、规模、容量等的关系，研究不同时期水资源开发利用、经济适度发展与人口合理承载的动态关系，为国家决策、规划、计划和社会协调发展提供科学依据。

1．水资源承载力的内涵与研究思路

1．1 水资源承载力定义

联合国教科文组织给资源承载力的定义[2]是：“一个国家或地区的资源承载力是指在可以预见到的期间内，利用本地能源及其自然资源和智力、技术等条件，在保证符合其社会文化准则的物质生活水平条件下，该国家或地区能持续供养的人口数量。”水作为一种资源，其承载力研究符合上述定义内容，同时，它也具有本身的一些特点，在本研究中，水资源承载力定义如下：“水资源承载力是指在一个地区或流域的范围内，在具体的发展阶段和发展模式条件下，当地水资源对该地区经济发展和维护良好的生态环境的最大支撑能力。”

1．2 水资源承载力的特点

水资源承载力具有动态性、多目标性和极限性三个特点。动态性体现在两个方面：一方面随着经济发展和技术进步，人类开发利用水资源的能力越来越强；另一方面由于节水和技术进步，单方水的利用效率越来越高，可生产出更多的粮食及工业品。承载力的动态性也使承载力数值具有阶段性的特点。

承载力的多目标性体现在区域发展模式和水资源开发利用方式的多样性上，这些多样性使得某一区域的需水量和供水量均不相同，且相关的发展指标差异也很大，从而导致承载力数值不仅与区域发展模式有关，也与水资源配置模式有关，承载力计算应在区域水资源合理配置的基础上进行。

承载力的极限性主要体现在某一可预见的发展阶段中，在水资源合理配置的条件下对经济发展和生态环境保护的最大支撑能力。

1．3 水资源承载力研究的基本原则

动态性原则。在分析时，必须考虑系统内各有关部门之间在不同时期相互关系的变化趋势、各部门经济发展速度、各部门需水变化趋势。

一致性原则。必须使部门经济发展的速度与水资源可支持的速度相一致。

战略性原则。一个地区的水资源承载能力研究只有把近期和远期结合起来，对远期水资源承载力作出较为客观的预测与评价，使水资源支持区域经济社会可持续发展近期与远期相协调，水资源的永续利用才得以实现。

生态性原则。生态环境因素是承载力研究的重要因素之一。良好的生态环境必将促进经济的可持续发展。反之，恶劣的生态环境必然对承载力产生负作用，如水源的污染降低水资源的承载力。 整体性原则。在水资源承载力研究时，必须把区域内水资源系统、经济系统、人口系统做为一个大系统统一考虑，研究各子系统间的内在联系及其内部各要素之间相互影响、相互制约的关系。

1．4 水资源承载力研究的思路步骤

水资源承载力研究是属于评价、规划与预测一体化性质的综合研究，它以水资源评价为基础，以水资源合理配置为前提，以水资源潜力和开发前景为核心，以系统分析和动态分析为手段，以人口、资源、经济和环境协调发展为目标。由于受水资源总量、社会经济发展水平和技术条件以及水环境质量的影响，在研究过程中，必须充分考虑水资源系统、宏观经济系统、社会系统以及水环境系统之间的相互协调与制约的关系。

在水资源系统，通过对区域水资源的现状评价、水资源的潜力和水资源的优化配置的研究，确定在不同水平年、不同配置方案下的可供水量大小。

在宏观经济社会系统，通过对工业、农业和社会的发展规模水平的研究，确定在不同水平年、不同产业结构和生活标准及节水水平下的各部门用水定额和用水效率的大小。

在水环境系统，根据不同的经济社会发展水平，预测bod排放率及排放总量大小。

在以上研究的基础上，建立水资源、经济、人口、环境、社会相联系的水资源承载力多目标核心模型，以可供水量、用水水平和bod排放总量为模型入口，研究不同水平年、不同策略方案下的水资源所能承载的经济、人口规模。将模型计算得出的水资源承载力与经济社会发展目标相比较，若发展目标高于水资源的承载能力，则需调整战略，提高水资源承载力，承载力提高到本年度的最大时，若发展目标还高于水资源的承载能力，则说明制定的发展目标已超过水资源的承载能力，需适当调低；若水资源承载力与发展目标相协调，可得到与水资源承载力相协调的国民经济社会发展规模、发展速度以及保证水资源可持续利用、国民经济社会可持续发展的各种战略和方案。

2．水资源承载力多目标分析评价核心模型

水资源承载力研究涉及水资源、宏观经济、社会、人口、水环境等众多因素，各因素之间相互促进、相互制约，由此构成一个复杂的动态系统。对于这样一个大系统，试图用一个数学模型或用一个目标来描述，并用某一个最优化技术求解，都是相当困难的。为此将整个系统分解为若干子系统，各子系统模型既可单独运行，又可配合运行，子系统模型之间通过多目标核心模型的协调关联变量相连接。在这些模型之中，多目标核心模型为总控模型，它是将各子系统模型中的主要关系提炼出来，根据变量之间的相互关系，对整个大系统内的各种关系进行分析和协调。而子系统模型对系统局部状态进行较详细的分析。

图1 水资源承载力模型体系

如图1所示，整个系统模型包括宏观经济社会发展模型、需水预测模型、水工程规划模型、水环境分析、水资源供需分析等子模型。

宏观经济发展模型在扩大再生产、投入产出、调入调出、积累消费等关系的约束下，对国内生产总值及各部门结构进行一定程度的优化。 需水预测模型可预测不同水平年各部门各行业的用水定额，并根据宏观经济发展模型优化的各部门产值和社会发展水平，预测各部门需水量。

水工程规划模型根据工程的可行性研究报告和规划资料，确定其工程投资、运行费、可供水量以及最优开工次序等。

水环境分析子模型根据宏观经济发展模型优化的经济发展规模，预测不同地区的污染程度以及治理水平。

水资源供需协调分析模型进行供用水的分析模拟，即根据某水平年需水条件，对各分区进行供水模拟，计算供水保证程度，并提出符合实际的分水、调水方案与合理的工程规模。

以上各子模型负责对系统局部进行较为详细的模拟和优化，多目标核心模型则从整体角度协调经济、社会、环境、水资源开发利用之间的关系，并进行区域的经济、社会与环境的协调，从而选择合适的发展策略，使经济、社会、水资源和环境可持续协调发展。

图2 水资源承载力多目标分析决策核心模型框图

水资源承载力多目标分析评价核心模型如图2所示。在选取目标时，既要反映各因素之间的内在联系和依赖关系，数量又要适宜，为此，模型选取国内生产总值（gdp）最大、承载人口（pop）最多、粮食产量（f）最大、污染负荷量（bod）最小等目标来反映水资源对经济、环境等的承载能力。由于影响各目标的主要因素是相通的，且这些目标之间又存在相互依存、相互制约的关系，因此不可能追求单个目标的优化，只能追求整体的最优。

3．陕西关中水资源承载力分析

3．1 关中地区基本情况

关中地区人口、面积、经济社会以及水资源开发利用等情况如表1所示。

3．2 主要规划工程[3]

关中地区主要有六大规划工程：①九大灌区改造；②城市供水工程；③黄河、渭河、径河、洛河水利工程；④跨流域调水工程；⑤污水回用工程；⑥节水工程。

九大灌区改造。改造工程的目的是改变工程老化失修面貌、增加供水能力及挖掘水资源潜力。主要工程规划有渠首加闸、水库加高、渠道衬砌及烃惠渠西郊水库等。

表1 关中地区概况（选择1995年为现状水平年）

人口2047.92万人

农业人口1525.41万人

非农业人口522.51万人

耕地面积17584万m2

平原面积23182km2

4

第一产业142.71亿元

第二产业317.93亿元

第三产业279.40亿元

粮食产量605.86万t

人均粮食占有量295.8

降水量

多年平均自产地表水资源量73.30亿m3

地下水资源量50.0亿m3

多年平均水资m3

万

地表水供水206875万m3

地下水供水313404万m3

蓄水工程供水58310万m3

引水工程供水94846万m3

提水工程供水52213万m3

污水

城市供水工程。关中城市供水近期主要由地下水和现有供水工程挖潜解决，中远期要通过大中型水利工程供水。黑河引水工程主要给西安市供水，泾河东庄水库将给西安、咸阳、铜川供水，宝鸡将有片山头水库、凤阁岭水库，渭南有秦岭山前水库供水，铜川由桃曲坡水库及马栏河引水供水。

黄河、渭河、径河、洛河水利工程。主要有黄河甘泽坡抽水，径河东庄水库、洛河南沟门水库以及支流黑河水库、亨口水库等水利工程。

跨流域调水工程。主要有省内南水北调及运期西线南水北调关中引水。

污水回用工程。主要有西安北石桥、辛家庙、三桥、大白杨；铜川、宝鸡各一处。预计新增污水处理120万m3。

节水工程。“九五”期间关中计划发展205万亩节水灌溉面积，主要推广地埋管及喷、滴灌，完善渠系衬砌。关中近期2000年到中期2010年主要工程