西北干旱半干旱区水资源承载力研究现状与发展趋势

韩 琦，姜纪沂，李 瑛，史志广，尹鹏浩

(1.防灾科技学院，河北 三河 101601；2.中国地质调查局西安地质调查中心，西安 710054)

我国是一个缺水国家，水资源存在时空分布不均匀、水环境污染和水资源不合理利用等问题，目前我国水资源供需矛盾已日趋激化。尤其是西北干旱半干旱地区，深居内陆，降水稀少，可利用水资源量较少，生态环境脆弱，水资源不合理利用引起的水资源短缺和生态环境破坏问题已经成为制约可持续发展的“瓶颈”。因此，研究水资源承载力，对西北干旱半干旱区水资源的科学与合理开发利用、经济发展、环境保护、生态平衡以及人地关系和谐等都具有重要的理论和现实意义。

1 水资源承载力的概念

“承载力”一词源于力学,是指物体在不改变原有形状和未损坏的前提下，所能承受的最大荷载。后来生态学加以引用，指“在特定的生态环境下，某一物种所能生存数量的极限值”[1]。作为资源承载力的一部分，水资源承载力概念的提出比较晚。

国外大部分发达国家水资源相对充足，所以对水资源承载力的研究较少，针对水资源承载力提出的概念也相对较少，通常是在可持续发展的研究中有所涉及[2]。Rijiberman等在研究城市水资源评价和管理体系过程中，将“承载力”这一要素作为城市水资源供需和安全保障的重要标准[3]；Harris等人重点研究了农业生产区域水资源对农业的承载能力,并以此作为农业区域规划的参考标准[4,5]；另外，在关于虚拟水与水足迹的研究之中，以及在农产品产量评估和农业区划的研究之中，也涉及对水资源承载力的探讨[6-8]。

国内对水资源承载力的研究始于20世纪80年代，我国新疆水资源软科学课题组[9]第一次提出了水资源承载能力的概念，此后施雅风[10]、许有鹏[11]、惠泱河[12]、王传武[13]、田静宜[14]、刘晓[15]等也分别给出了水资源承载力的概念。综合前人从不同角度给出的定义，笔者认为水资源承载力是指在国家法律法规政策允许范围内，在依托当前科技水平的前提下，在可持续发展的目标下，一个地区的可利用水资源总量所能支撑最大规模人口数量、生态环境、工农业发展、城市化水平等的能力。

2 西北干旱半干旱区水资源承载力的研究进展

围绕水资源承载力的内涵，推进我国典型区域尤其是西北干旱半干旱区水资源承载能力评价体系及其应用研究，是水科学领域的重点研究课题之一。针对我国西北内陆干旱半干旱区水资源承载力的研究，主要集中在城市水资源承载力研究、区域(省、地区)水资源承载力研究和流域水资源承载力研究3个方面。

2.1 城市水资源承载力研究

城市承载着第一、二、三产业的发展，承载着巨大的生态环境和经济、人口压力，城市化的进程加剧了水资源紧缺情况。所以水资源供需平衡显得异常重要，水资源承载力研究的重要性也凸显了出来。

牟海省等[16]探讨了城市战略布局和不同类型城市设置的水资源标准，并提出城市水资源评价预测的理论和方法，以及准城市区域水环境容量的估算；佟长福等[17]则具体以鄂尔多斯市为例，利用灰色关联分析方法分析其水资源承载力，结果显示当地水资源承载力提升空间不大，应大力发展节水工程和水权转换工程；肖迎迎等[18]基于主成分分析法，对陕西榆林水资源承载力进行了分析，研究表明各分区水资源承载力状况差异明显，要对水资源统筹规划；李瑞等[19]也采用主成分分析法，对博尔塔拉蒙古自治州水资源承载力进行了研究，为当地合理利用水资源提供了科学依据；王涛等[20]则通过构建研究指标体系，使用主成分分析法对乌鲁木齐市水资源承载力进行了分析，研究发现乌鲁木齐市水资源利用程度很高，水资源承载能力在不断下降，而且以后的利用发展潜力非常小。

2.2 区域水资源承载力研究

区域水资源承载力研究的范围更大，往往是一个省、城市群，或者一个地区，所以需要整体把握，统筹考虑。

贾嵘等[21]对缺水地区的水资源承载力评价模型进行了研究，初步建立了区域水资源承载力评价模型体系，并应用到关中地区研究了当地水资源承载力；朱一中等[22]则运用模糊模型对西北5省(新疆、甘肃、青海、陕西、宁夏)干旱、半干旱地区现状年以及未来10、20、50 a的水资源承载力进行了分析预测与评价；郑奕等[23]运用多目标决策分析方法，对新疆焉耆盆地的水资源承载力进行了研究，建立了区域水资源承载力多目标决策模型，并且预测了未来规划水平年水资源承载力情况；牛叔文等[24]基于系统动力学模型，对甘肃省沿黄地区的水资源承载力进行了分析，指出其水资源承载力状况不均，要合理分配水资源，发展节水技术；栾芳芳[25]调查了新疆现状水平年水资源利用状况，利用生态足迹法和供需平衡法对新疆各地州未来水平年的水资源承载力进行了分析，结果显示新疆南疆、北疆、东疆均无承载优势，水资源承载力状况堪忧。

2.3 流域水资源承载力研究

流域水资源承载力研究涉及的范围最大，多以干旱半干旱区内陆河流域为主要研究对象，也有将流域水资源承载力与城市化结合起来加以研究的。

曲耀光等[26]较早地对黑河流域的水资源承载力进行了常规趋势预测，根据干旱区水资源不同利用阶段的特点和不同地区特殊的社会经济需水要求，要对水资源进行合理调配；李吉玫等[27]运用模糊评价模型对新疆伊犁河流域现状和不同水平年的水资源承载力进行了评价，结果显示伊犁河流域水资源开发潜力巨大，但随着经济发展，水资源承载力逐渐减弱；姜锋等[28]则选取了《国家人口发展功能区工作技术导则》中的水资源承载力评价模型，对陕北延河流域水土资源承载力进行了研究，其中流域内各县的水资源承载力均为超载；韦润芳[29]建立了模糊评价模型，对开都-孔雀河流域水资源承载力进行了系统研究，指出流域总体水资源承载力堪忧，地区差异明显，承载力总体呈下降状态，开发潜力不大；王长建等[30]基于改进的相对资源承载力模型，计算了2000-2011年塔里木河流域的相对资源人口承载力和相对资源经济承载力，并探讨了塔里木河流域42个县市相对资源承载力的演变规律及空间差异，其中涉及水资源承载力的部分结果显示，塔里木河流域水资源是限制当地发展的主要因素，今后发展要以水土资源合理配置和科学利用为主线。

综上这些研究进展，水资源承载力研究使得人们对面临的区域水资源生态环境问题引起了足够的重视。在当前经济社会发展的背景下，开展不同尺度的水资源承载力的研究就显得尤其重要和急迫。

3 西北干旱半干旱区水资源承载力的研究方法

水资源承载力的研究方法众多，从定性研究逐渐发展到引入数学模型进行定量化的研究,选用的技术手段也多种多样。目前，应用到西北干旱半干旱区水资源承载力的研究方法主要有常规趋势法、模糊评价法、主成分分析法、生态足迹法、多目标分析法、系统动力学方法等等，各方法的优缺点和适用性对比见表1，各方法的概况分析如下。

3.1 常规趋势法

该法主要是对研究区不同水平年社会经济各部门发展趋势、需水标准以及需水量进行预测，分析计算水资源所能承载的人口、工业、农业以及生态环境等。这种方法计算简便，内容直观。新疆软科学课题组[9]最先采用常规趋势法对新疆自治区水资源承载力进行了研究，施雅风[10]也采用这种方法对乌鲁木齐河流域进行了水资源承载力的研究。但是常规趋势法选取的指标中多涉及社会因素，并且只是分析单因子的发展趋势，而实际上各因素之间相互影响，错综复杂，计算结果难以准确反应研究区水资源承载力的实际状况。

3.2 模糊评价法

许有鹏[11]最先采用模糊评价法对新疆和田流域水资源承载力状况进行了研究，张晓鹏[31]也采用这种方法对陕西省榆林市进行了水资源承载力的研究。该法是选取对研究区内水资源承载力造成影响的因素，然后在进行单因素分析的基础上，对每个因素赋以权重，通过综合评判矩阵对其水资源承载力进行多因素综合评判。这种方法能比较全面地反映出研究区水资源承载力状况。但是模糊评价法在评价因素的选取上需要取舍和有针对性，需要选择影响较大的因素，存在主观性。此外，在评判矩阵计算过程中，对于各因素权重的赋予上也存在主观性，所以评价结果也必然会与实际情况之间有偏差。

3.3 主成分分析法

该法是一种把多个指标按类别划分为少数几个综合指标的多元统计方法，在保证指标变量信息丢失最小的前提下，对影响水资源承载力的高维变量进行降维处理，以少数几个综合指标代替多个指标。傅湘[32]采用主成分分析法，利用陕西汉中平坝区水资源承载力数据，进行了区域水资源承载力的综合分析和研究。王涛[20]也利用这种方法分别对乌鲁木齐市进行了水资源承载力的研究。但是这种方法需要对几个综合指标赋予权重，在权重赋予的大小上，仍存在准确性与否的问题；此外，降维处理过程中，也难以避免出现信息量的损失。

3.4 生态足迹法

该法是构建研究区水资源二级账户，然后引进生态生产性土地来定量分析水资源的承载力状况，利用生态赤字和生态盈余来衡量和评价水资源可持续利用情况。这种方法适用性较广，能弥补其他方法在计算水资源承载力时难以考虑水资源生态功能的不足，同时可以实现水资源承载力的动态变化趋势研究。但生态足迹法在计算水资源承载力时，是转化成水资源的生物生产能力来间接地计算和衡量，所以计算结果与实际情况存在偏差。张军[33]采用生态足迹法对疏勒河流域进行了水资源承载力和生态赤字的研究，马豪[34]也采用这种方法对新疆自治区水资源承载力以及用水效率进行了分析和研究。

3.5 多目标分析法

该法主要是选取影响水资源承载力的经济、社会、人口、生态环境等约束条件，依据可持续发展原则对多目标进行整体最优化。这种方法可以将水资源系统和经济社会系统结合起来形成一个整体，然后再进行分析，更具有整体性。徐中民[35]采用多目标分析法，建立了黑河流域中游水资源承载力分析模型，对其水资源承载力进行了评价。但是这种方法也有一个不足，就是在影响因子的权重赋予上仍存在主观性和片面性。

3.6 系统动力学法

该法主要是以反馈控制理论为基础，以计算机仿真技术为手段，定量研究高阶次、非线性、多重反馈、复杂时变系统的系统分析技术。王建华[36]采用系统动力学方法，基于SD模型，分析和预测了乌鲁木齐1993-2020年水资源承载力状况。李同升[37]、朱锋[38]等也采用这种方法分别对渭河流域关中段和甘肃酒泉肃州区进行了水资源承载力的研究。这种方法能够较好地把握系统各要素之间的响应关系，但是它也存在一个问题，就是在系统的参数变量选取上不好把控，计算结果仍然会有偏差。

表1 水资源承载力各种研究方法的优缺点和适用性对比Tab.1 The relative merits and application condition of several approaches to study water resources carrying capacity

尽管目前水资源承载力研究方法众多，但每一种方法都存在各自的弊端，如何总结和找到一种能最大程度上符合实际承载力，同时又计算简便，易于操作的客观、统一的方法，还有待进一步研究。目前，国内诸多学者正在对水资源承载力的评价指标、方法及其应用进行研究，以期建立统一的水资源承载力计算方法和评价体系以便推广应用。

4 西北干旱半干旱区水资源承载力研究展望

4.1 相关概念、理论和评价方法的研究将会持续进行

任何一个学科的发展和研究的推进都需要理论的支撑，而水资源承载力的概念、理论以及学科背景还不统一。一方面，学科的交叉以及概念的不明确能够促使研究方向的拓宽，但另一方面学科背景和基础的缺乏，使得水资源承载力的研究难以深入推进。此外，水资源承载力的评价方法众多，如何使得评价结果更接近实际，针对评价方法改进和创新研究也会持续进行。所以，水资源承载力的相关概念、理论和评价方法还会是学者们继续探讨和研究的基础性问题。

4.2 研究将会更多地涉及生态环境

水资源承载力的研究通常考虑较多的是人口、工业和农业需水，往往是结合城市化来研究，而水资源与社会经济、人口、生态环境共同构成一个系统问题，生态环境和水资源之间的相互作用关系复杂，对于生态需水和水资源承载力不足导致的生态环境问题研究不够深入。生态环境对人类和其他生物生存都异常重要，而我国西北干旱半干旱地区生态环境的特殊性明显，所以生态环境和水资源承载力之间的响应关系会是未来水资源承载力研究的一大方向[39]。

4.3 研究方法趋向多元化和多技术结合

随着科技的飞速发展，水资源承载力的研究方法也趋向多元化，获取的基础资料和数据也会更加精确。数理统计方法和数学模型的动态仿真模拟，能够很好地将时间序列加入到研究之中，使其结果更接近实际。水资源承载力的研究是一个系统问题，条件错综复杂，针对不同条件选用不同方法进行结合和对比，能够择优取舍，使计算结果更加准确。同时，GIS技术具有强大的空间分析和数据处理能力，会为水资源承载力的研究提供更宽阔的思路。

5 结 语

我国西北干旱半干旱区特殊的自然地理条件以及西部大开发背景下的经济社会发展，使得水资源承载力不足问题异常突出。只有统筹好水资源-生态环境-社会经济-人口这一系统问题，科学合理地配置和利用水资源，提高水资源承载能力，才能实现区域的可持续发展，才能实现人地关系的和谐。因此，对西北干旱半干旱地区开展水资源承载力研究具有相当深远的科学和现实意义。

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