区域水资源承载力研究理论与方法

焦 醒，刘广全,2,3

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100048；2.国际泥沙研究培训中心，北京 100048；3.西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是生态与环境的控制性要素，水资源问题成为二十一世纪制约全球经济与社会发展的重要因素。我国人均占有水资源量少，水资源时空分布极为不均。我国人口众多，人均水资源量不足2200m3，约为世界人均水资源占有量的1/4，北方地区人均水资源占有量仅为990m3，不到世界人均的1/8，水资源形势十分严峻。特别是在全球气候变化和大规模经济开发双重因素的交织作用下，我国水资源问题已成为可持续发展的主要制约因素。因此，如何统筹考虑经济社会发展与水资源节约利用相结合，如何推动经济社会发展、恢复生态环境与水资源承载能力相协调，是一个关系我国可持续发展的重要任务。同时，在生态环境恢复和植被建设过程中，如何根据水资源承载力合理安排乔、灌、草的布局，做到因水制宜，是水利、林业、农业、环保等专业科研工作者们广泛关注的重要课题。

水资源承载力（Water Resources Carrying Capacity）是区域自然资源承载力的重要组成部分，是水资源紧缺地区能否支撑人口、经济与环境协调发展的一个“瓶颈”指标［1］。水资源承载力研究已引起各级政府、领导者和学术界的高度重视，成为当前水资源科学中的一个热点研究问题和话题。

水资源承载能力综合评价是在对水资源特征、保证程度、开发利用情况以及工农业生产、人民生活和生态环境对水资源的需求程度等供需诸方面综合分析基础上，经过多个因素分析评价而得出的结论。水资源承载能力分析的目的，是为了解释水资源、区域经济和人口之间的关系，合理充分的利用水资源，使经济建设与水资源保护同步进行，促进社会经济可持续发展［2］。

1 水资源承载力的概念

承载力（Carrying Capacity）原为物理学中的概念，指物体在不产生任何破坏的情况下所能承受的最大负荷。后来，学者们在研究区域系统时借用了此概念来描述区域系统对外部环境的最大承受能力。最初，由群落生态学将承载力的概念引入该领域，定义为“某一特定环境条件下（主要指生存空间、营养物质、阳光等生态因子），某种生物个体存在数量的最高极限”［3］。随后，伴随着全球经济的发展和全球气候变化，资源短缺、环境恶化的情况逐渐加剧，土地承载力、环境承载力、资源承载力、生态承载力等概念在各研究领域相继出现。

我国对于水资源承载力的研究始于二十世纪80年代，从施雅风明确提出了水资源承载力的概念开始，专家学者们开始在水资源承载力的理论与方法方面进行积极的探索，并取得重大进展，对于水资源承载力的概念、内涵、影响因素、研究理论、分析方法和评价体系方面做了大量的研究工作。

新疆水资源软科学课题研究组通过对新疆水资源的形成机理、特征及优势、长期变化趋势和潜力进行分析，提出水资源承载能力是可开发利用的水量，进而得出新疆水资源承载能力［4］。许有鹏提出水资源承载能力是指在一定的技术经济水平和社会生产条件下，水资源可最大供给农业生产、人民生活和生态环境保护等用水的能力，即水资源最大开发容量。在这个容量下水资源可以自然循环和更新，并不断地被人们利用，造福于人类，同时不会造成环境的恶化［5］。惠泱河等认为水资源承载力是指某一地区的水资源在某一具体历史发展阶段下，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，以维护生态环境良性循环发展为条件，经过合理优化配置，对该地区社会经济发展的最大支撑能力［6］。王浩等认为水资源承载力可以定义为：在某一具体的区域和发展阶段下，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，以维护生态环境良性发展为前提，在水资源合理配置和高效利用的条件下，区域社会经济发展的最大人口容量［7］。

以上观点大体可以归纳为两类，一类观点是从水资源开发容量或水资源开发规模方面定义的，另一类观点是从水资源支持可持续发展能力角度研究的［8］。两种观点考虑问题的角度不同，前者从水资源系统出发，后者从人类社会经济系统出发进行描述。但都共同指出水资源承载力的主体是水资源系统，承载的客体是人类社会系统；水资源承载力的研究要遵循可持续发展这一原则。笔者认为，后者的概念更加符合水资源承载力的内涵和特性，也更加符合当前水资源短缺造成的制约可持续发展的形势。

2 水资源承载力的研究方法

水资源承载力受自然和社会两方面因素的影响，主要有水资源条件及其开发利用程度、生态环境状况、其它自然资源潜力等自然因素，以及产业结构及生产力水平、社会消费水平、市场条件、科学技术发展水平等经济社会因素［7］。

研究水资源承载力可从其自然和社会属性入手，借助各相关学科的理论知识与方法，结合区域情况和决策参考者的需要进行分析研究。许多学者对此进行了研究，但目前众多的理论与方法仍处于探索阶段。

2.1 供需平衡分析法

供需平衡分析法（Supply and Demand Balance）是根据区域水资源总量、可利用水资源量以及水资源需求总量，进行区域水资源供需平衡分析，由此来确定水资源承载能力。

夏军等运用供需平衡分析法提出了可利用水资源量、水资源需求量、流域水资源承载力平衡指数等的计算方法，综合分析了我国西北干旱区水资源承载能力［1］。

郭忠升等学者认为在大面积土壤退化林草地防治过程中应采取以水定需，即根据土壤水分状况，调整植被类型和群落密度，控制植物生产力，增加土壤水分补给，减少土壤水分消耗［9］。提出土壤水分植被承载力的概念，将土壤水分承载力（土壤水分承载植物的最大负荷）定义为：在较长时期内，在现有条件下，当植物根系可吸收和利用土层范围内土壤水分消耗量等于或小于土壤水分补给量时，所能维持特定植物群落健康生长的最大密度，即雨水资源中补给土壤的部分水量所能维持植物健康生长的最大数量。该方法对于以天然降水为土壤水分唯一补给的地区的水资源承载能力研究具有重要价值［10］。随后又提出了土壤水分植被承载力的确定方法，并运用观测资料初步建立了土壤水分植被承载力数学模型［11］。

秦伟等基于水量平衡理论，预测了吴起县2015年各行业的用水量，并运用水资源平衡指数（IWSD）对该县未来的水资源承载力进行了评价，通过分析认为吴起县2015年以后水资源将难以承载生态和经济的发展规模，县域范围今后水资源匮缺的主要压力来自于生态和经济建设耗水［12］。

2.2 背景分析法

背景分析法（Background Analytics）是在一定的历史时段内，将自然和社会背景相似的区域的实际情况加以对比，推算对比区域可能的水资源承载能力的方法。但该方法分析一个或几个独立的承载因子，忽略了因子间的相互作用，局限于静态的历史背景中，割裂了资源、社会、环境之间的相互作用关系，对水资源承载力这样一个涉及到自然状况、社会经济的复杂生态系统来说显得过于单薄［13］。

2.3 模糊综合评价方法

许有鹏提出运用模糊综合评判方法（Fuzzy Comprehensive Evaluation）对水资源承载能力作多因素的综合评价，该方法可以在对影响水资源承载能力的各个因素进行单因素评价基础上，通过综合评判矩阵对其承载能力作出多因素综合评价，从而可较全面地分析区域水资源承载能力的状况［5］。该方法是将需要综合评判的各因素及其属性、影响程度组成集合，通过对评判因素的选取、分级和评分对各因素指标进行分析，再运用评判矩阵进行计算评价。

高彦春［14］、陈守煜［15］、秦莉云［2］、张鑫［16］、朱一中［17］、闵庆文［18］、鹿坤［19］、雷宏军［20］等学者先后运用模糊综合评价方法研究了汉中盆地平坝区、汉中盆地、淮河流域、关中平原、西北地区、山西省河津市、喀斯特地区等区域的水资源承载力状况。郜慧等运用层次分析和专家咨询相结合的方法确定各级指标的权重，采用多级模糊综合评判模型，对广东省江门市水资源可持续利用进行了评价［21］。刘丹丹运用层次分析和专家打分相结合的方法确定了各评价指标的权重，用多层次模糊综合评价模型对陕北地区水资源可持续利用进行了评价［22］。

模糊综合评价方法能够较全面地分析区域水资源承载能力，但在因素选取、权重分配等方面主观性较强，具有局限性。有学者通过数学证明分析了模糊综合评价法误判的原因，认为该法不能客观反映实际［23］；且取大取小的运算原则，使得大量有用信息遗失，模型的信息利用率较低。

2.4 主成分分析法

主成分分析法（Principal Component Analysis）是一种多元统计方法，它是对高维变量系统进行最佳综合与简化，同时也可以客观的确定各个指标的权重，避免了主观随意性。该方法在力保数据信息丢失最小的原则下，对高维变量空间进行降维处理，即在保证数据信息损失最小的前提下，经线性变换和舍弃小部分信息，以少数的综合变量取代原始采用的多维变量［24］。

傅湘［24］、周亮广［25］、李坤峰［26］、袁伟［27］等学者运用主成分分析法对喀斯特地区贵阳、重庆、富阳市等地区的水资源承载力进行了分析评价。

主成分分析法虽然避免了模糊综合评价法中人为因素的影响，但该方法关注的是待评因素集的最大差别向量，至于此差别向量是否表达水资源承载能力的现状水平则不予考虑，待评因素的选取恰当与否成为该方法的关键所在［28］。

2.5 系统动力学方法

系统动力学法（System Dynamics）是一种定性与定量相结合、系统分析与综合推理相结合的学法，适合于研究高阶次、非线性、多重反馈、机理复杂的系统问题的实验仿真方法。该方法综合考虑社会经济、资源环境等众多因子及其相互关系，通过模拟不同发展战略得出人口增长、资源承载能力的动态变化趋势。但运用该方法进行模拟时，由于参变量不好掌握，易导致不合理的结果。

王建华等利用系统动力学模型对乌鲁木齐市1993-2020年间水资源承载力进行预测分析，为我国西北地区城市发展规划提供了参考意见和研究方法［29］。李丽娟等运用系统动力学仿真模型对柴达木盆地水资源承载力状况进行了研究［30］。惠泱河利用二元系统动力学仿真模型研究了陕西关中水资源承载力［31］。

2.6 投影寻踪综合评价法

投影寻踪（Projection Pursuit）是一种处理多因素复杂问题的统计方法，其基本思路是将高维数据向低维空间进行投影，通过低维投影数据的散布结构来研究高维数据特征。对于多因素影响的水资源承载能力综合评价问题，依据样本自身的数据特征寻求最优的投影方向，通过先行投影计算反映评价样本综合特征信息的投影特征指标，根据这一指标可以形象、直观的对样本进行分类或评价。该方法避免了人为确定各评价因素权重的任意性［32］。但方法的准确度主要取决于反映高位数据结构或特征的投影指标函数的构造及其优化问题，而该问题一般较复杂［33］。

王顺久等将投影寻踪法用于全国30 个省、市、区和淮河流域水资源承载能力的综合评价［32］。杨晓华等提出了遗传投影寻踪法，该方法采用大样本数据，基于投影寻踪、遗传算法、阶梯形曲线和水资源评价标准，能够提高投影寻踪综合评价各层次的分辨力和评价模型的精度［34-35］。

2.7 多目标决策法

多目标决策法（Multi-objectives Decision）是选取能够反映水资源承载力特征的社会、经济、人口、环境等众多相互关系和作用的目标，按照社会可持续发展的原则，用系统分析和动态分析法通过建立模型研究不同水平年、不同策略方案下水资源所能承载的生态、经济和人口规模。

贾嵘［36］、徐中民［37］、李宜革［38］、庞清江［39］、李淑芹［40］等学者先后运用多目标决策分析法研究了关中地区、黑河流域中游张掖地区、旅游海岛地区、大汶河流域、临沂市等区域的水资源承载力状况。

但该方法对于决策因子权重的确定多是人为主观判断，因此先后有学者对该方法进行了改进：徐中民将多目标分析决策扩展到情景分析框架内，提出了更注重基础模型的建立和反映决策过程中决策者偏好的情景方法——基于情景分析的多目标决策模型［41］。杨晓华等提出了多目标决策理想区间法，该方法采用主、客观相结合的赋权基点法，以全局收敛的格雷码加速遗传算法为工具来确定权重，并对多目标决策理想点法进行改进，把评价标准处理成理想区间的形式［42］。罗利民等提出基于博弈思想的多目标博弈决策模型［43］。

2.8 人工神经网络法

人工神经网络（Artificial Neural Network）是由人工建造的模仿大脑结构和功能，以有向图为拓扑结构的动态系统，通过对连续或间断的输入做状态响应依靠计算机进行信息处理。具有一般非线性动力系统的不可预测性、耗散性、不可逆性、高维性、广泛的联结性和自适应性等特性［44］。人工神经网络法在理论上可以逼近任何非线性函数，在多变量非线性系统的建模与预测方面通常可取得满意的结果。神经网络可以通过对数据本身进行分析、学习和研究，归纳出数据内存在的客观规律。其中误差反向传播网络（Back-Propagation Network，简称BP 网络）是目前人工神经网络方法中最具代表性的一种模型。但输入的样本数据选取的数量和质量对于神经网络的学习能力有着较大的影响，这将直接影响该方法的准确度。

杨秀英［41］、刘树锋［45］、许莉［46］等学者运用神经网络法对喀斯特地区惠州、贵州等9个城市的水资源承载力状况进行了分析评价。赵益军在遗传算法与BP 网络结构相结合的基础上，提出改进的遗传算法优化神经网络方法，并应用于淮河流域水资源承载力综合评价［47］。邵金花等运用径向基函数（Radial Basis Function）神经网络法对烟台市水资源承载能力进行了综合评价［48］。

2.9 全口径层次化评价方法

王浩等为克服传统水资源评价方法中评价口径狭窄、一元静态模式、各要素分离等缺陷，提出了基于二元水循环模式的水资源全口径层次化动态评价方法（Dynamic Hierarchical Assessment Methodology），以降水为资源评价的全口径通量，以有效性、可控性和可再生性为原则对降水的资源结构进行解析，实现广义水资源、狭义水资源、径流性水资源和国民经济可利用量的层次化评价。构建了由分布式水循环模拟模型与集总式水资源调配模型耦合而成的二元水资源评价模型，并将下垫面变化和人工取用水作为模型变量以实现动态评价［49］。

该方法物理概念明晰，可以描述现代环境下流域水资源二元演变的特征并反映人类活动影响，能够满足不同类型经济社会建设和生态环境活动的需求，但还有待进一步发展和完善，水资源评价模型应用与推广受到分布式水文模型发展的制约，包括大使孔尺度与动力学机制描述问题、数据量不足问题、不确定问题等。

3 水资源承载力研究中存在的问题

水资源承载力研究作为水资源评价的一项重要内容，近年来得到了广泛的研究，但仍存在一些亟待解决的问题。

水资源承载力概念界定不统一，水资源承载力的概念缺乏一个统一、公认、科学的定义和理论体系。不同的学者对水资源承载力的认识和研究角度及深度不同，无法全面准确而深刻的界定水资源承载力的内涵和影响因素，具体化指标选择因人而异，研究成果缺乏可比性。

缺乏科学有效的水资源承载力研究方法。缺少能够反映水资源承载力的复杂性、随机性、模糊性的方法与模型，这限制了水资源承载力研究的系统性和规范性。

当前的水资源承载力研究多是以人口、社会、经济系统作为研究目标，而对水资源维护生态环境稳定作用、进行生态恢复和植被建设的生态需水量研究较少。

4 水资源承载力研究的发展方向

水资源承载力是一个重要而又亟待发展的研究领域，目前还未形成公认的、完整而科学的研究体系，需要新思路、新方法来全面深入科学地研究水资源承载力，为政府决策、发展规划、综合管理提供理论依据。

4.1 加强水资源承载力的理论研究

研究并确立公认且科学的水资源承载力的概念、理论基础、研究范围、评价指标体系。在研究理论上，需用系统的观点综合考虑水资源对人口、生态环境、社会经济耦合发展的支撑能力，涉及水文学、生态学、经济学、管理学、社会学、景观学以及人文学等众多学科领域，在今后的研究中要加强各学科的交叉融合，完善水资源承载力的理论支撑体系。

加强动态模拟研究，实现对水资源动态变化过程的预测。建立能反映水资源承载力问题本质与特征且科学可行的估算预测模型。

加强生态环境需水量的研究。水资源承载力要同时考虑经济用水（生活用水、生产用水）和生态用水，水资源承载力要能够保证生态环境良性发展，因此需要加强对生态系统运行机制、植被生理需水、生态耗水的理论以及定量研究。

4.2 加强水资源承载力的方法与技术研究

目前已有的各种水资源承载力的研究方法各有其优点、缺陷及问题，研究如何将各种方法相互结合并改进是一个重要的研究方向。在计算机技术的支持下，各种数理方法的应用有助于更加深入科学定量地研究评价水资源承载力。

水资源承载力研究还要与新技术相结合。借助遥感（RS）、地理信息系统（GIS）等新技术手段，可有助于水资源承载力评价过程中收集和处理大量数据信息，建立更加科学有效的数据系统。同时，网络技术、微电子技术同样能够为水资源承载力的研究提供有力的定量研究的支持。

水资源承载能力的研究成果将为区域可持续发展规划、资源合理配置、生态环境保护、植被建设提供科学依据，促进社会可持续发展和人与自然和谐相处。

［1］夏军,朱一中.水资源安全的度量：水资源承载力的研究与挑战［J］.自然资源学报,2002,17（3）：262-269 .

［2］秦莉云,金忠青.淮河流域水资源承载能力的评价分析［J］.水文,2001,21（3）：14-17 .

［3］高吉喜.区域可持续发展的生态承载力研究［D］.北京：中国科学院地理科学与资源研究所,1999 .

［4］新疆水资源软科学课题研究组.新疆水资源及其承载能力和开发战略对策［J］.水利水电技术,1989,（9）：2-9 .

［5］许有鹏.干旱区水资源承载能力综合评价研究——以新疆和田河流域为例［J］.自然资源学报,1993,8（3）：229-237.

［6］惠泱河,蒋晓辉,黄强,等.水资源承载力评价指标体系研究［J］.水土保持通报,2000,21（Ⅰ）：30-34.

［7］王浩,秦大庸,王建华,等.西北内陆干旱区水资源承载能力研究［J］.自然资源学报,2004,19（2）：151-159.

［8］张丽.基于生态的流域水资源承载能力研究［D］.南京：河海大学,2004.

［9］郭忠升,邵明安.雨水资源、土壤水资源与土壤水分植被承载力［J］.自然资源学报,2003,18（5）：522-528.

［10］郭忠升,邵明安.半干旱区人工林草地土壤旱化与土壤水分植被承载力［J］.生态学报,2003,23（8）：1640-1647.

［11］郭忠升,邵明安.土壤水分植被承载力数学模型的初步研究［J］.水利学报,2004,（10）：95-99.

［12］秦伟,朱清科,吴宗凯,等.吴起县2015年水资源承载力评价［J］.干旱区研究,2007,24（1）：70-76.

［13］姚治君,王建华,江东,等.区域水资源承载力的研究进展及其理论探析［J］.水科学进展,2002,13（1）：111-115.

［14］高彦春,刘昌明.区域水资源开发利用的阈限分析［J］.水利学报,1997,（8）：73-79.

［15］陈守煜.区域水资源可持续利用评价理论模型与方法［J］.中国工程科学,2001,3（2）：33-38.

［16］张鑫,王纪科,蔡焕杰,等.区域地下水资源承载力综合评价研究［J］.水土保持通报,2001,21（3）：25-27.

［17］朱一中,夏军,谈戈.西北地区水资源承载力分析预测与评价［J］.资源科学,2003,25（4）：43-48.

［18］闵庆文,余卫东,张建新.区域水资源承载里的模糊综合评价分析方法及应用［J］.水土保持研究,2004,11（3）：14-16.

［19］鹿坤.喀斯特地区水资源承载力模型研究［D］.南京：河海大学,2006.

［20］雷宏军,刘鑫,徐建新,等.郑州市水资源可持续利用的模糊综合评价［J］.灌溉排水学报,2008,27（4）：77-81.

［21］郜慧,金辉.基于AHP和模糊综合评价的区域水资源可持续利用评价——以广东省江门市为例［J］.水资源与水工程学报,2007,18（3）：50-55.

［22］刘丹丹.陕北地区水资源可持续利用评价［D］.杨凌：西北农林科技大学,2008.

［23］林衍,顾恒岳,盛湘渝.模糊综合评判误判原因的探讨［J］.系统工程理论方法应用,1997,6（2）：67-70.

［24］傅湘,纪昌明.区域水资源承载能力综合评价——主成分分析法的应用［J］.长江流域资源与环境,1999,8（2）：168-173.

［25］周亮广,梁虹.基于主成分分析和熵的喀斯特地区水资源承载力动态变化研究——以贵阳市为例［J］.自然资源学报,2006,21（5）：827-833.

［26］李坤峰,谢世友.基于主成分分析重庆水资源承载力影响因子评价［J］.水科学与工程技术,2008,S2：38-40.

［27］袁伟,楼章华,田娟.富阳市水资源承载能力综合评价［J］.水利学报,2008,39（1）：103-108.

［28］袁鹰,甘泓,王忠静,等.浅谈水资源承载能力研究进展与发展方向［J］.中国水利水电科学研究院学报,2006,4（1）：62-67 .

［29］王建华,江东,顾定法,等.基于SD模型的干旱区城市水资源承载力预测研究［J］.地理学与国土研究,1999,15（2）：18-22 .

［30］李丽娟,郭怀成,陈冰,等.柴达木盆地水资源承载力研究［J］.环境科学,2000,21（2）：20-23.

［31］惠泱河,蒋晓辉,黄强,等.二元模式下水资源承载力系统动态仿真模型研究［J］.地理研究,2001,20（2）：191-198.

［32］王顺久,侯玉,张欣莉,等.流域水资源承载能力的综合评价方法［J］.水利学报,2003,（1）：88-92.554-557.

［33］金菊良,魏一鸣,丁晶.水质综合评价的投影寻踪模型［J］.环境科学学报,2001,21（4）：431-434.

［34］杨晓华,杨志峰,郦建强.区域水资源潜力综合评价的遗传投影寻踪方法［J］.自然科学进展,2003,13（5）：554-557.

［35］杨晓华,杨志峰,郦建强.区域水资源开发利用程度综合评价的GPPIM［J］.自然资源学报,2003,18（6）：760-765.

［36］贾嵘,蒋晓辉,薛惠峰,等.缺水地区水资源承载力模型研究［J］.兰州大学学报（自然科学版）,2000,36（2）：114-121.

［37］徐中民,程国栋.运用多目标决策分析技术研究黑河流域中游水资源承载力［J］.兰州大学学报（自然科学版）,2000,36（2）：122-132.

［38］李宜革.旅游海岛水资源承载力模型及应用研究［D］.长沙：湖南大学,2003.

［39］庞清江,亓剑,张钰镭,等.大汶河流域水资源承载能力多目标决策分析［J］.水资源保护,2007,23（5）：21-24.

［40］李淑芹,董洁,李恩博,等.给予多目标决策的临沂市水资源承载力研究［J］.人民黄河,2008,30（6）：55-56.

［41］徐中民.情景基础的水资源承载力多目标分析理论及应用［J］.冰川冻土,1999,21（2）：99-106.

［42］杨晓华,杨志峰,沈珍瑶,等.水资源可再生能力综合评价的多目标决策理想区间法［J］.中国科学E辑 技术科学,2004,34（增刊Ⅰ）：34-41.

［43］罗利民,谢能刚,仲跃,等.区域水资源合理配置的多目标博弈决策研究［J］.河海大学学报（自然科学版）,2007,35（1）：72-76.

［44］杨秀英.基于神经网络模型的喀斯特地区水资源承载力研究——以贵州省为例［D］.贵阳：贵州师范大学,2007.

［45］刘树锋,陈俊合.基于神经网络理论的水资源承载力研究［J］.资源科学,2007,29（1）：99-105.

［46］许莉,赵嵩正,杨海光.水资源承载力的BP神经网络评价模型研究［J］.计算机工程与应用,2008,44（8）：217-219.

［47］赵益军.基于遗传算法与神经网络相结合的区域水资源承载力综合评价［J］.山东大学学报（工学版）,2006,36（4）：81-83.

［48］邵金花,刘贤赵,李德一.烟台市水资源承载力的RBF 神经网络评价法［J］.水土保持研究,2007,14（6）：156-159.

［49］王浩,王建华,秦大庸,等.基于二元水循环模式的水资源评价理论方法［J］.水利学报,2006,37（12）：1496-1502.